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(fèi)系統(tǒng)。實(shí)際上，室外照明估計占當(dāng)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(jī)構(gòu)，路燈照明占據(jù)了相當(dāng)一部分的運(yùn)營費(fèi)用。路燈照明也是公共安全的關(guān)鍵，確保路燈可靠地點(diǎn)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(hù)費(fèi)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(dāng)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(yùn)營費(fèi)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(kuò)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(shí)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(hù)費(fèi)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(diǎn)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(zhǔn)確時間
黎明/黃昏和深夜適當(dāng)調(diào)整照明亮度
通過調(diào)光進(jìn)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(hù)時間
緊急打開/關(guān)閉/控制照明亮度
實(shí)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(jìn)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(fēng)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(yùn)營費(fèi)用，而且效果顯著，我們以一個新型PLC系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。該項(xiàng)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(hù)費(fèi)用降低30%。將照明強(qiáng)度調(diào)整到與隧道入口及出口環(huán)境相同光強(qiáng)，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(yuǎn)距離電力線傳輸后收到嚴(yán)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(dá)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)。
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?fù)淙缦聢D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(diǎn)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(diǎn)數(shù)。節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，系統(tǒng)實(shí)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)通過轉(zhuǎn)發(fā)/接收集中器甚至更遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)的消息，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的通信能力。盡管網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可大大擴(kuò)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。
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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jìn)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(diǎn)時，自動組網(wǎng)連接機(jī)制配置網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。傳送消息時，動態(tài)路由機(jī)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?fù)?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(dá)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?fù)溆绊懲ㄐ欧秶熬W(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(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，可預(yù)測消息延遲;對于每個節(jié)點(diǎn)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?fù)浜途€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(yùn)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(diǎn)。采用Round-Robin輪詢方法時，每個集中器的節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，發(fā)送至任意節(jié)點(diǎn)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(bǔ)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(diǎn)到點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行通信。這種情況下，采用G3-PLC網(wǎng)狀架構(gòu)，使每個節(jié)點(diǎn)成為轉(zhuǎn)發(fā)器，轉(zhuǎn)發(fā)集中器與每個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)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(dá)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(dá)到節(jié)電、降低維護(hù)費(fèi)用的目的，采用該項(xiàng)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(biāo)，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。
