用于街道照明自动化的电力线通信

本文讨论了基于 G3-PLC 的自动化系统的优势，并提供了一个减少隧道能耗和维护成本的真实系统示例。解释了基本系统设计并讨论了关键性能参数。介绍了针对PLC自动化优化的收发器。

介绍

道路照明、隧道照明、停车场照明和城市照明等多种形式的街道照明是电力的主要消耗者。事实上，据估计，所有户外照明占当今全球用电量的19%。对于拥有大型设施的市政当局和企业来说，街道照明是运营费用的很大一部分。街道照明也是公共安全的重要组成部分。确保路灯可靠亮起，并为行人和车辆交通提供最佳照明水平，对于公共安全和运营商的责任至关重要。因此，对能源使用、运营可靠性和维护成本的任何改进都会为负责街道照明的组织带来可观的回报。当然，随着能源使用量的降低，对环境有明显的额外好处。

电力线通信 （PLC） 是街道照明网络自动化的自然选择。PLC使公司和市政当局能够降低运营成本并提高安全性。G3-PLC 是一种基于 OFDM 的新型 PLC 系统，专为电网自动化而设计，可显著扩展电力线通信的范围、数据速率和性能。本文讨论了基于 G3-PLC 的自动化系统的优势，并提供了一个减少隧道能耗和维护成本的真实系统示例。解释了基本系统设计并讨论了关键性能参数。介绍了针对PLC自动化优化的收发器。

PLC系统承诺对环境和操作员有益

G3-PLC系统为增加路灯网络的通信提供了简单的解决方案。这种双向通信可实现高级自动化：

基于位置、占星日历和天气条件的精确开/关时间

黎明/黄昏和深夜的节能调光

通过调光控制交通

流量监控

灯故障通知

基于温度、电流、PF 或工作时间的灯维护通知

紧急开/关/强度控制

能耗实时监控

与无线通信系统相比，PLC具有一系列优势。与无线一样，不需要新电线。但是使用PLC，即使在地下，墙壁和角落周围也能保持通信。通信信道归运营商或公用事业公司所有，因此消除了共享带宽的风险。PLC没有视线限制，不受天气影响。此外，由于PLC使用电力线，它可以检测何时出现断线及其大致位置。

隧道照明：真实世界的 PLC 示例

PLC的节省体现在能源使用和运营成本的降低上，这可能是巨大的。考虑一个新的PLC系统的例子。该技术目前由Nyx Hemera Technologies用于隧道照明。其隧道照明控制系统（TLACS）为荧光灯照明节省了25%的能源，并将维护成本降低了30%。通过在隧道入口和出口处使照明水平与外部相匹配，大大提高了安全性。

TLACS系统基于Maxim Integrated的OFDM PLC产品，即使信号电平低于噪声，也能接收被长电力线严重衰减的信号。Maxim解决方案的寻址能力和高数据速率使Nyx Hemera Technologies能够在单个系统中支持多达1022盏灯。TLACS 系统支持长达 3 公里的电线长度，并且由于它使用电力线，因此是模块化的，易于安装在现有照明系统上（图 1）。

图1.PLC技术方案。在Nyx Hemera Technologies的TLACS系统中，本地控制器集成了PLC，通过交流线路与网络控制器通信，并使用标准DALI接口控制每个灯。

优化照明自动化系统

照明自动化系统的性能和容量取决于PLC系统的范围、数据速率、抗噪性和布线能力。

典型的街道照明拓扑如下图所示（图 2）。具有 WAN 连接的集中器调制解调器（如光纤或 2G/3G 无线）与控制每个灯的调制解调器或节点网络进行通信。PLC 调制解调器的范围决定了集中器可以直接与之通信的节点数。节点数量越多，系统效率越高。

电力线上的通信范围受几个因素的影响：分支，它划分信号的功率;衰减，随频率变化;和干扰，例如线路上的开关电源、电机和其他用电设备。由于电力线上的噪声是动态的（即噪声源随时间推移而打开/关闭），因此抗噪性对于自动化系统保持其基本功能至关重要。通过在节点中加入路由功能，可以建立一个网状网络，允许与集中器连接的节点通过向集中器和更远的节点转发消息来扩展网络。虽然网状网络可以极大地扩展单个集中器可以服务的网络，但电力线数据速率决定了可以为所需服务保持的大小。由于用于街道照明的网状网络从网络到集中器只有一个通道，因此所有转发的消息都必须通过一个或多个共享链路传输，这成为系统瓶颈。

图2.典型的自动化路灯网络拓扑示例。

MAX2992为G3-PLC兼容收发器。它通过满足 PLC 系统范围、数据速率、抗噪性和路由要求的高级功能，为路灯自动化提供领先的性能。MAX2992采用IEEE® P1901.2低频PLC预标准，符合ITU G.9955/G.9956 G3-PLC标准。使用 DBPSK、DQPSK 和 D8PSK 进行调制，可在 FCC 频段（10kHz 至 487.5kHz）实现高达 300kbps 的数据速率。鲁棒模式即使在信噪比（SNR）为-1dB时也能保持通信。收发器采用动态链路自适应，根据信道条件自动选择最佳调制方案和数据速率。此外，自适应音调映射通过选择噪声最小的子频段来避免干扰。这反过来又允许高阶调制自动实现最高数据速率。自动关联机制在添加或删除节点时配置网状网络。在传递消息时，动态路由机制会识别并更新网络中的最佳路由路径。

街道照明网络的容量和性能由电力线拓扑决定，包括变压器的数量和位置、电力线上的条件、选择的频段和消息频率。使用DB8PSK调制时，MAX2992在整个FCC频段（10kHz至487.5kHz）的数据速率高达300kbps。FCC 频段在美国和许多其他国家/地区使用。当通过电力线变压器或长距离通信时，SNR会因衰减而降低。MAX2992自动切换到DQPSK，典型数据速率为150kbps。

路灯网络的拓扑会影响通信范围和网状网络配置。电力线上的分支既划分PLC信号，从而缩小范围，又在网格中创建额外的分支。此外，网络管理是网络性能的基础。节点由集中器轮询的网络具有可预测的消息延迟;每个节点根据需要传输的网络都会受到争用的影响，这会产生可变的延迟。拓扑和线路条件会显著影响网络性能，因此很难估计特定网络的容量和性能。因此，配置特定网络应基于使用所需消息频率和网络管理系统的试验中收集的数据。

在街道照明应用中，可预测的消息延迟通常优于可变消息延迟。在这种情况下，建议由集中器轮询节点。使用轮询方案时，每个集中器的节点数越大，发送到任何一个节点的消息之间的间隔就越长。照明自动化（如控制灯光调光或检查流量级别）是计划事件，允许在计划中补偿可预测的消息延迟。

实现收益

G3-PLC系统对大型网络的优势可以在以下计算中看到。将G3-PLC用于10kHz至490kHz的FCC频段，点对点消息时间为.017秒，在此期间传输约180字节的有效载荷数据。对于一个由1000盏灯组成、平均间距为80米的大型网络，总线路长度为80公里。

由于距离或变压器会衰减PLC信号，集中器无法直接与每个节点通信。在这种情况下，G3-PLC 的网状网络功能使节点成为转发器，将消息路由到集中器到每个节点/从集中器路由到每个节点。本例中使用了七个转发器（表 1）。使用平均转发延迟时间为 .005 秒和轮询所有节点的单个集中器，集中器向每个灯发送一条消息的总时间为 10 分钟。此间隔允许操作员激活灯或更改特定于每个灯位置的调光级别（例如，在山上、地下通道或山谷中）。即使必须访问所有灯，最大延迟时间为 10 分钟。如果需要向所有灯发送相同的命令，例如紧急“打开”命令，则可以使用广播命令，该命令需要不到 .2 秒即可到达所有灯。

 

表 1.是时候在具有七个转发器的网状网络中轮询 1000 盏灯了
灯具总数	代理	消息时间 （s）	向每个节点发送一条消息的时间
1000	7	0.017	588（10分钟）

 

结论

路灯制造商、自动化集成商和通信 OEM 正在开发使用 PLC 部署自动化街道照明系统的解决方案，以节省电力、降低维护成本并为运营商和环境提供快速回报。MAX2992 PLC收发器可以自动关联，选择最佳路由路径，通过变压器通信，并支持IPv6组网。这些优化的功能大大简化了自动化街道照明系统的部署。该设备提供领先的性能，可实现更大的网络、额外的节省和更高的安全性。

审核编辑：郭婷