電力線通信在路燈照明自動化中的應(yīng)用

引言

路燈照明的形式各種各樣—道路照明、隧道照明、停車場照明和城市照明—是主要的電力消費系統(tǒng)。實際上，室外照明估計占當今全球耗電量的19%左右。對于市政和具有大型設(shè)施的商業(yè)機構(gòu)，路燈照明占據(jù)了相當一部分的運營費用。路燈照明也是公共安全的關(guān)鍵，確保路燈可靠地點亮并且工作在適合路人及車輛交通的最佳照明度，對于公共安全和經(jīng)營者均至關(guān)重要。由此可見，能耗、工作可靠性及維護費用等方面的任何改善都會為路燈管理部門帶來豐厚回報。當然，能耗的降低也會產(chǎn)生明顯的環(huán)境效益。

電力線通信（PLC）是路燈照明自動化管理的不二之選。PLC有助于降低企業(yè)和市政部門的運營費用，提高安全性。G3-PLC是基于OFDM的新型PLC系統(tǒng)，針對電網(wǎng)自動化設(shè)備而設(shè)計，大大擴展了電力線通信的范圍、數(shù)據(jù)速率和性能。本文討論基于G3-PLC實現(xiàn)系統(tǒng)自動化的優(yōu)勢，并介紹一套隧道照明方案，可有效降低能耗和維護費用。本文介紹了系統(tǒng)的基本原理，給出了關(guān)鍵的性能參數(shù)并重點介紹了PLC自動化設(shè)計的收發(fā)器。

PLC系統(tǒng)為環(huán)境及經(jīng)營者帶來利益

G3-PLC提供了一套簡便的路燈網(wǎng)絡(luò)通信方案，雙向通信支持自動化設(shè)計更高要求：

根據(jù)地理位置、日歷及天氣條件確定打開/關(guān)閉照明系統(tǒng)的準確時間

黎明/黃昏和深夜適當調(diào)整照明亮度

通過調(diào)光進行交通管制

交通監(jiān)測

路燈故障報警

基于溫度、電流、PF或工作小時數(shù)通報路燈維護時間

緊急打開/關(guān)閉/控制照明亮度

實時監(jiān)測能耗

相對于無線通信系統(tǒng)，PLC具有眾多優(yōu)勢。PLC系統(tǒng)同樣不需要重新鋪設(shè)電纜，而且，PLC通信可以穿過地面、墻壁進行數(shù)據(jù)傳輸。信道歸經(jīng)營者或電力公司所有，不存在頻帶沖突的風險。PLC不存在視距限制，也不受天氣影響。此外，由于PLC使用電力線通信，能夠檢測到線路故障及其發(fā)生故障的大概位置。

隧道照明：PLC設(shè)計案例

PLC能夠降低能耗和運營費用，而且效果顯著，我們以一個新型PLC系統(tǒng)為例進行說明。該項技術(shù)目前已被Nyx Hemera Technologies公司用于隧道照明。相對于熒光燈系統(tǒng)，隧道照明控制系統(tǒng)（TLACS）能夠節(jié)能25%，維護費用降低30%。將照明強度調(diào)整到與隧道入口及出口環(huán)境相同光強，大大提高了安全性。

TLACS系統(tǒng)基于Maxim Integrated Products提供的OFDM PLC產(chǎn)品，即使信號電平比噪聲低，也能通過遠距離電力線傳輸后收到嚴重衰減的信號。Maxim方案的尋址能力和高數(shù)據(jù)率使Nyx Hemera Technologies公司能夠利用單套系統(tǒng)支持多達1022盞燈。TLACS系統(tǒng)支持3km的傳輸距離，由于采用電力線傳輸，可以選擇模塊化設(shè)計，很容易安裝到現(xiàn)有的照明系統(tǒng)（圖1）。

圖1. PLC方案示意圖。在Nyx Hemera Technologies公司的TLACS系統(tǒng)中，本地控制器集成PLC，通過交流線與網(wǎng)絡(luò)控制器通信，并采用標準DALI接口控制每盞路燈。

優(yōu)化自動化照明系統(tǒng)

自動化照明系統(tǒng)的性能和容量由覆蓋范圍、數(shù)據(jù)速率、抗噪性以及PLC系統(tǒng)的路由能力決定。

典型的路燈照明拓撲如下圖所示（圖2）。通過WAN （例如光纖、2G/3G無線單元）連接的集中器與控制每盞燈的調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點通信。PLC調(diào)制解調(diào)器的覆蓋范圍決定了集中器能夠直接通信的節(jié)點數(shù)。節(jié)點數(shù)越多，系統(tǒng)實施的效率越高。

電力線通信范圍受多種因素影響：支路——分流信號功率；信號衰減——隨頻率變化；干擾——例如開關(guān)電源、電機及線路上其它用戶引入的噪聲。由于電力線上的噪聲動態(tài)分布（即噪聲源隨時間變化），抗噪性對于自動化系統(tǒng)保持其基本性能起著決定性作用。通過在節(jié)點引入路由功能，可以構(gòu)建一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，允許連接到集中器的節(jié)點通過轉(zhuǎn)發(fā)/接收集中器甚至更遠距離節(jié)點的消息，擴展網(wǎng)絡(luò)的通信能力。盡管網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可大大擴展單個集中器的覆蓋范圍，但電力線通信速率決定了相應(yīng)服務(wù)能夠支持的規(guī)模。由于路燈照明網(wǎng)絡(luò)只有一條從網(wǎng)絡(luò)到集中器的信道，所有轉(zhuǎn)發(fā)消息必須經(jīng)過一條或多條共用鏈路傳輸，這樣，鏈路就成為系統(tǒng)瓶頸。

圖 2. 典型的自動化路燈照明網(wǎng)絡(luò)拓撲。

MAX2992是一款G3-PLC兼容收發(fā)器。器件具有領(lǐng)先的性能，通過高級功能實現(xiàn)路燈照明自動化管理，滿足PLC系統(tǒng)對覆蓋范圍、數(shù)據(jù)速率、抗噪性及路由的要求。MAX2992滿足標準IEEE? P1901.2對低頻PLC通信的要求，兼容于ITU G.9955/G.9956 G3-PLC。調(diào)制采用DBPSK、DQPSK和D8PSK，能夠在FCC頻帶（10kHz至487.5kHz）支持高達300kbps的數(shù)據(jù)速率。即使在信噪比（SNR）為-1dB的條件下，可靠模式也能維持正常通信。收發(fā)器采用動態(tài)鏈路自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)信道條件自動選擇最優(yōu)的調(diào)制方法和數(shù)據(jù)速率。此外，自適應(yīng)頻率映射通過選擇噪聲最小的子頻帶來避免干擾，進而允許高階調(diào)制自動調(diào)整到最高數(shù)據(jù)率。增加或減少節(jié)點時，自動組網(wǎng)連接機制配置網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。傳送消息時，動態(tài)路由機制識別和更新網(wǎng)絡(luò)上的最佳路由選擇通路。

路燈照明網(wǎng)絡(luò)的容量和性能由電力線拓撲（包括變壓器數(shù)量和位置）、電力線條件、所選頻帶及消息頻率決定。整個FCC頻帶（10kHz至487.5kHz）下采用DB8PSK調(diào)制時，MAX2992的數(shù)據(jù)率高達300kbps。FCC頻帶廣泛用于美國等其它許多國家。通過電力線變壓器或長距離通信時，由于信號衰減使得SNR降低。MAX2992自動切換至DQPSK，典型數(shù)據(jù)率為150kbps。

路燈照明網(wǎng)絡(luò)的拓撲影響通信范圍及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)配置。電力線上的支路分流PLC信號，從而縮短通信距離，并在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生附加支路。此外，網(wǎng)絡(luò)管理是網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)。對于由集中器輪詢節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，可預(yù)測消息延遲；對于每個節(jié)點按需發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)，容易受網(wǎng)絡(luò)沖突的影響，從而造成延遲波動。拓撲和線路條件對網(wǎng)絡(luò)性能的影響顯著，所以難以估算特定網(wǎng)絡(luò)的容量和性能。因此，應(yīng)該根據(jù)試運行中由相應(yīng)的消息頻率和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)開通網(wǎng)絡(luò)。

路燈照明應(yīng)用中，相對于可變消息延遲，通常首選可預(yù)測消息延遲。這種情況下，建議由集中器輪詢節(jié)點。采用Round-Robin輪詢方法時，每個集中器的節(jié)點數(shù)越多，發(fā)送至任意節(jié)點的消息之間的間隔就越長。照明自動化管理，例如控制調(diào)光或檢查交通流量，為預(yù)定事件，能夠補償可預(yù)測的消息延遲。

方案優(yōu)勢

通過以下計算，大型網(wǎng)絡(luò)采用G3-PLC技術(shù)可以獲得最大益處。將G3-PLC用于10kHz至490kHz的FCC頻帶，點到點發(fā)送消息占用時間為0.017s，期間傳輸大約180字節(jié)數(shù)據(jù)。對于1000盞燈的大型網(wǎng)絡(luò)，平均間距為80m，線路總長為80km。

由于距離或變壓器產(chǎn)生的PLC信號衰減，集中器不能直接與每個節(jié)點進行通信。這種情況下，采用G3-PLC網(wǎng)狀架構(gòu)，使每個節(jié)點成為轉(zhuǎn)發(fā)器，轉(zhuǎn)發(fā)集中器與每個節(jié)點之間的消息。本例采用了7個轉(zhuǎn)發(fā)器（表1），平均轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間0.005s，采用單個集中器，集中器輪詢所有節(jié)點，集中器將一條消息發(fā)送至每盞燈的總時間為10分鐘。這一時間間隔允許經(jīng)營者根據(jù)每盞燈的位置（例如：山坡上、地下通道內(nèi)或低谷）點亮路燈或更改光度。即使必須控制全部路燈，最大延遲也只有10分鐘。如果需要將相同命令發(fā)送給所有路燈，例如緊急“打開”命令，可使用廣播命令，到達所有路燈的時間短于2s。

結(jié)論

路燈制造商、自動化系統(tǒng)集成商和OEM通信設(shè)備廠商正在采用PLC技術(shù)部署自動化路燈照明系統(tǒng)，以達到節(jié)電、降低維護費用的目的，采用該項技術(shù)能夠使經(jīng)營者類短期內(nèi)獲得回報，并改善環(huán)境。MAX2992 PLC收發(fā)器可自動組網(wǎng)、選擇最佳路由通路，并具有跨變壓器傳輸、支持IPv6等優(yōu)勢。這些特性大大簡化了自動化路燈照明系統(tǒng)的部署。提供領(lǐng)先的性能指標，支持大型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，在節(jié)省能耗的同時，提供更高的安全性。