电力线通信在路灯照明自动化中的应用

引言

路灯照明的形式各种各样—道路照明、隧道照明、停车场照明和城市照明—是主要的电力消费系统。实际上，室外照明估计占当今全球耗电量的19%左右。对于市政和具有大型设施的商业机构，路灯照明占据了相当一部分的运营费用。路灯照明也是公共安全的关键，确保路灯可靠地点亮并且工作在适合路人及车辆交通的最佳照明度，对于公共安全和经营者均至关重要。由此可见，能耗、工作可靠性及维护费用等方面的任何改善都会为路灯管理部门带来丰厚回报。当然，能耗的降低也会产生明显的环境效益。

电力线通信（PLC）是路灯照明自动化管理的不二之选。PLC有助于降低企业和市政部门的运营费用，提高安全性。G3-PLC是基于OFDM的新型PLC系统，针对电网自动化设备而设计，大大扩展了电力线通信的范围、数据速率和性能。本文讨论基于G3-PLC实现系统自动化的优势，并介绍一套隧道照明方案，可有效降低能耗和维护费用。本文介绍了系统的基本原理，给出了关键的性能参数并重点介绍了PLC自动化设计的收发器。

PLC系统为环境及经营者带来利益

G3-PLC提供了一套简便的路灯网络通信方案，双向通信支持自动化设计更高要求：

根据地理位置、日历及天气条件确定打开/关闭照明系统的准确时间

黎明/黄昏和深夜适当调整照明亮度

通过调光进行交通管制

交通监测

路灯故障报警

基于温度、电流、PF或工作小时数通报路灯维护时间

紧急打开/关闭/控制照明亮度

实时监测能耗

相对于无线通信系统，PLC具有众多优势。PLC系统同样不需要重新铺设电缆，而且，PLC通信可以穿过地面、墙壁进行数据传输。信道归经营者或电力公司所有，不存在频带冲突的风险。PLC不存在视距限制，也不受天气影响。此外，由于PLC使用电力线通信，能够检测到线路故障及其发生故障的大概位置。

隧道照明：PLC设计案例

PLC能够降低能耗和运营费用，而且效果显著，我们以一个新型PLC系统为例进行说明。该项技术目前已被Nyx Hemera Technologies公司用于隧道照明。相对于荧光灯系统，隧道照明控制系统（TLACS）能够节能25%，维护费用降低30%。将照明强度调整到与隧道入口及出口环境相同光强，大大提高了安全性。

TLACS系统基于Maxim Integrated Products提供的OFDM PLC产品，即使信号电平比噪声低，也能通过远距离电力线传输后收到严重衰减的信号。Maxim方案的寻址能力和高数据率使Nyx Hemera Technologies公司能够利用单套系统支持多达1022盏灯。TLACS系统支持3km的传输距离，由于采用电力线传输，可以选择模块化设计，很容易安装到现有的照明系统（图1）。

图1. PLC方案示意图。在Nyx Hemera Technologies公司的TLACS系统中，本地控制器集成PLC，通过交流线与网络控制器通信，并采用标准DALI接口控制每盏路灯。

优化自动化照明系统

自动化照明系统的性能和容量由覆盖范围、数据速率、抗噪性以及PLC系统的路由能力决定。

典型的路灯照明拓扑如下图所示（图2）。通过WAN （例如光纤、2G/3G无线单元）连接的集中器与控制每盏灯的调制解调器网络或节点通信。PLC调制解调器的覆盖范围决定了集中器能够直接通信的节点数。节点数越多，系统实施的效率越高。

电力线通信范围受多种因素影响：支路——分流信号功率；信号衰减——随频率变化；干扰——例如开关电源、电机及线路上其它用户引入的噪声。由于电力线上的噪声动态分布（即噪声源随时间变化），抗噪性对于自动化系统保持其基本性能起着决定性作用。通过在节点引入路由功能，可以构建一个网状网络，允许连接到集中器的节点通过转发/接收集中器甚至更远距离节点的消息，扩展网络的通信能力。尽管网状网络可大大扩展单个集中器的覆盖范围，但电力线通信速率决定了相应服务能够支持的规模。由于路灯照明网络只有一条从网络到集中器的信道，所有转发消息必须经过一条或多条共用链路传输，这样，链路就成为系统瓶颈。

图 2. 典型的自动化路灯照明网络拓扑。

MAX2992是一款G3-PLC兼容收发器。器件具有领先的性能，通过高级功能实现路灯照明自动化管理，满足PLC系统对覆盖范围、数据速率、抗噪性及路由的要求。MAX2992满足标准IEEE® P1901.2对低频PLC通信的要求，兼容于ITU G.9955/G.9956 G3-PLC。调制采用DBPSK、DQPSK和D8PSK，能够在FCC频带（10kHz至487.5kHz）支持高达300kbps的数据速率。即使在信噪比（SNR）为-1dB的条件下，可靠模式也能维持正常通信。收发器采用动态链路自适应技术，根据信道条件自动选择最优的调制方法和数据速率。此外，自适应频率映射通过选择噪声最小的子频带来避免干扰，进而允许高阶调制自动调整到最高数据率。增加或减少节点时，自动组网连接机制配置网状网络。传送消息时，动态路由机制识别和更新网络上的最佳路由选择通路。

路灯照明网络的容量和性能由电力线拓扑（包括变压器数量和位置）、电力线条件、所选频带及消息频率决定。整个FCC频带（10kHz至487.5kHz）下采用DB8PSK调制时，MAX2992的数据率高达300kbps。FCC频带广泛用于美国等其它许多国家。通过电力线变压器或长距离通信时，由于信号衰减使得SNR降低。MAX2992自动切换至DQPSK，典型数据率为150kbps。

路灯照明网络的拓扑影响通信范围及网状网络配置。电力线上的支路分流PLC信号，从而缩短通信距离，并在网络中产生附加支路。此外，网络管理是网络性能的基础。对于由集中器轮询节点的网络，可预测消息延迟；对于每个节点按需发送的网络，容易受网络冲突的影响，从而造成延迟波动。拓扑和线路条件对网络性能的影响显著，所以难以估算特定网络的容量和性能。因此，应该根据试运行中由相应的消息频率和网络管理系统收集的数据开通网络。

路灯照明应用中，相对于可变消息延迟，通常首选可预测消息延迟。这种情况下，建议由集中器轮询节点。采用Round-Robin轮询方法时，每个集中器的节点数越多，发送至任意节点的消息之间的间隔就越长。照明自动化管理，例如控制调光或检查交通流量，为预定事件，能够补偿可预测的消息延迟。

方案优势

通过以下计算，大型网络采用G3-PLC技术可以获得最大益处。将G3-PLC用于10kHz至490kHz的FCC频带，点到点发送消息占用时间为0.017s，期间传输大约180字节数据。对于1000盏灯的大型网络，平均间距为80m，线路总长为80km。

由于距离或变压器产生的PLC信号衰减，集中器不能直接与每个节点进行通信。这种情况下，采用G3-PLC网状架构，使每个节点成为转发器，转发集中器与每个节点之间的消息。本例采用了7个转发器（表1），平均转发延迟时间0.005s，采用单个集中器，集中器轮询所有节点，集中器将一条消息发送至每盏灯的总时间为10分钟。这一时间间隔允许经营者根据每盏灯的位置（例如：山坡上、地下通道内或低谷）点亮路灯或更改光度。即使必须控制全部路灯，最大延迟也只有10分钟。如果需要将相同命令发送给所有路灯，例如紧急“打开”命令，可使用广播命令，到达所有路灯的时间短于2s。

结论

路灯制造商、自动化系统集成商和OEM通信设备厂商正在采用PLC技术部署自动化路灯照明系统，以达到节电、降低维护费用的目的，采用该项技术能够使经营者类短期内获得回报，并改善环境。MAX2992 PLC收发器可自动组网、选择最佳路由通路，并具有跨变压器传输、支持IPv6等优势。这些特性大大简化了自动化路灯照明系统的部署。提供领先的性能指标，支持大型网络设计，在节省能耗的同时，提供更高的安全性。