本文討論了基于 G3-PLC 的自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)勢，并提供了一個(gè)減少隧道能耗和維護(hù)成本的真實(shí)系統(tǒng)示例。解釋了基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并討論了關(guān)鍵性能參數(shù)。介紹了針對PLC自動(dòng)化優(yōu)化的收發(fā)器。

介紹

道路照明、隧道照明、停車場照明和城市照明等多種形式的街道照明是電力的主要消耗者。事實(shí)上，據(jù)估計(jì)，所有戶外照明占當(dāng)今全球用電量的19%。對于擁有大型設(shè)施的市政當(dāng)局和企業(yè)來說，街道照明是運(yùn)營費(fèi)用的很大一部分。街道照明也是公共安全的重要組成部分。確保路燈可靠亮起，并為行人和車輛交通提供最佳照明水平，對于公共安全和運(yùn)營商的責(zé)任至關(guān)重要。因此，對能源使用、運(yùn)營可靠性和維護(hù)成本的任何改進(jìn)都會(huì)為負(fù)責(zé)街道照明的組織帶來可觀的回報(bào)。當(dāng)然，隨著能源使用量的降低，對環(huán)境有明顯的額外好處。

電力線通信 （PLC） 是街道照明網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的自然選擇。PLC使公司和市政當(dāng)局能夠降低運(yùn)營成本并提高安全性。G3-PLC 是一種基于 OFDM 的新型 PLC 系統(tǒng)，專為電網(wǎng)自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，可顯著擴(kuò)展電力線通信的范圍、數(shù)據(jù)速率和性能。本文討論了基于 G3-PLC 的自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)勢，并提供了一個(gè)減少隧道能耗和維護(hù)成本的真實(shí)系統(tǒng)示例。解釋了基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并討論了關(guān)鍵性能參數(shù)。介紹了針對PLC自動(dòng)化優(yōu)化的收發(fā)器。

PLC系統(tǒng)承諾對環(huán)境和操作員有益

G3-PLC系統(tǒng)為增加路燈網(wǎng)絡(luò)的通信提供了簡單的解決方案。這種雙向通信可實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)化：

基于位置、占星日歷和天氣條件的精確開/關(guān)時(shí)間

黎明/黃昏和深夜的節(jié)能調(diào)光

通過調(diào)光控制交通

流量監(jiān)控

燈故障通知

基于溫度、電流、PF 或工作時(shí)間的燈維護(hù)通知

緊急開/關(guān)/強(qiáng)度控制

能耗實(shí)時(shí)監(jiān)控

與無線通信系統(tǒng)相比，PLC具有一系列優(yōu)勢。與無線一樣，不需要新電線。但是使用PLC，即使在地下，墻壁和角落周圍也能保持通信。通信信道歸運(yùn)營商或公用事業(yè)公司所有，因此消除了共享帶寬的風(fēng)險(xiǎn)。PLC沒有視線限制，不受天氣影響。此外，由于PLC使用電力線，它可以檢測何時(shí)出現(xiàn)斷線及其大致位置。

隧道照明：真實(shí)世界的 PLC 示例

PLC的節(jié)省體現(xiàn)在能源使用和運(yùn)營成本的降低上，這可能是巨大的?？紤]一個(gè)新的PLC系統(tǒng)的例子。該技術(shù)目前由Nyx Hemera Technologies用于隧道照明。其隧道照明控制系統(tǒng)（TLACS）為熒光燈照明節(jié)省了25%的能源，并將維護(hù)成本降低了30%。通過在隧道入口和出口處使照明水平與外部相匹配，大大提高了安全性。

TLACS系統(tǒng)基于Maxim Integrated的OFDM PLC產(chǎn)品，即使信號(hào)電平低于噪聲，也能接收被長電力線嚴(yán)重衰減的信號(hào)。Maxim解決方案的尋址能力和高數(shù)據(jù)速率使Nyx Hemera Technologies能夠在單個(gè)系統(tǒng)中支持多達(dá)1022盞燈。TLACS 系統(tǒng)支持長達(dá) 3 公里的電線長度，并且由于它使用電力線，因此是模塊化的，易于安裝在現(xiàn)有照明系統(tǒng)上（圖 1）。

圖1.PLC技術(shù)方案。在Nyx Hemera Technologies的TLACS系統(tǒng)中，本地控制器集成了PLC，通過交流線路與網(wǎng)絡(luò)控制器通信，并使用標(biāo)準(zhǔn)DALI接口控制每個(gè)燈。

優(yōu)化照明自動(dòng)化系統(tǒng)

照明自動(dòng)化系統(tǒng)的性能和容量取決于PLC系統(tǒng)的范圍、數(shù)據(jù)速率、抗噪性和布線能力。

典型的街道照明拓?fù)淙缦聢D所示（圖 2）。具有 WAN 連接的集中器調(diào)制解調(diào)器（如光纖或 2G/3G 無線）與控制每個(gè)燈的調(diào)制解調(diào)器或節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。PLC 調(diào)制解調(diào)器的范圍決定了集中器可以直接與之通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)。節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，系統(tǒng)效率越高。

電力線上的通信范圍受幾個(gè)因素的影響：分支，它劃分信號(hào)的功率;衰減，隨頻率變化;和干擾，例如線路上的開關(guān)電源、電機(jī)和其他用電設(shè)備。由于電力線上的噪聲是動(dòng)態(tài)的（即噪聲源隨時(shí)間推移而打開/關(guān)閉），因此抗噪性對于自動(dòng)化系統(tǒng)保持其基本功能至關(guān)重要。通過在節(jié)點(diǎn)中加入路由功能，可以建立一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，允許與集中器連接的節(jié)點(diǎn)通過向集中器和更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。雖然網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以極大地?cái)U(kuò)展單個(gè)集中器可以服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，但電力線數(shù)據(jù)速率決定了可以為所需服務(wù)保持的大小。由于用于街道照明的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)到集中器只有一個(gè)通道，因此所有轉(zhuǎn)發(fā)的消息都必須通過一個(gè)或多個(gè)共享鏈路傳輸，這成為系統(tǒng)瓶頸。

圖2.典型的自動(dòng)化路燈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠?/p>

MAX2992為G3-PLC兼容收發(fā)器。它通過滿足 PLC 系統(tǒng)范圍、數(shù)據(jù)速率、抗噪性和路由要求的高級(jí)功能，為路燈自動(dòng)化提供領(lǐng)先的性能。MAX2992采用IEEE? P1901.2低頻PLC預(yù)標(biāo)準(zhǔn)，符合ITU G.9955/G.9956 G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)。使用 DBPSK、DQPSK 和 D8PSK 進(jìn)行調(diào)制，可在 FCC 頻段（10kHz 至 487.5kHz）實(shí)現(xiàn)高達(dá) 300kbps 的數(shù)據(jù)速率。魯棒模式即使在信噪比（SNR）為-1dB時(shí)也能保持通信。收發(fā)器采用動(dòng)態(tài)鏈路自適應(yīng)，根據(jù)信道條件自動(dòng)選擇最佳調(diào)制方案和數(shù)據(jù)速率。此外，自適應(yīng)音調(diào)映射通過選擇噪聲最小的子頻段來避免干擾。這反過來又允許高階調(diào)制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)速率。自動(dòng)關(guān)聯(lián)機(jī)制在添加或刪除節(jié)點(diǎn)時(shí)配置網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在傳遞消息時(shí)，動(dòng)態(tài)路由機(jī)制會(huì)識(shí)別并更新網(wǎng)絡(luò)中的最佳路由路徑。

街道照明網(wǎng)絡(luò)的容量和性能由電力線拓?fù)錄Q定，包括變壓器的數(shù)量和位置、電力線上的條件、選擇的頻段和消息頻率。使用DB8PSK調(diào)制時(shí)，MAX2992在整個(gè)FCC頻段（10kHz至487.5kHz）的數(shù)據(jù)速率高達(dá)300kbps。FCC 頻段在美國和許多其他國家/地區(qū)使用。當(dāng)通過電力線變壓器或長距離通信時(shí)，SNR會(huì)因衰減而降低。MAX2992自動(dòng)切換到DQPSK，典型數(shù)據(jù)速率為150kbps。

路燈網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋾?huì)影響通信范圍和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)配置。電力線上的分支既劃分PLC信號(hào)，從而縮小范圍，又在網(wǎng)格中創(chuàng)建額外的分支。此外，網(wǎng)絡(luò)管理是網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)。節(jié)點(diǎn)由集中器輪詢的網(wǎng)絡(luò)具有可預(yù)測的消息延遲;每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)都會(huì)受到爭用的影響，這會(huì)產(chǎn)生可變的延遲。拓?fù)浜途€路條件會(huì)顯著影響網(wǎng)絡(luò)性能，因此很難估計(jì)特定網(wǎng)絡(luò)的容量和性能。因此，配置特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)基于使用所需消息頻率和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的試驗(yàn)中收集的數(shù)據(jù)。

在街道照明應(yīng)用中，可預(yù)測的消息延遲通常優(yōu)于可變消息延遲。在這種情況下，建議由集中器輪詢節(jié)點(diǎn)。使用輪詢方案時(shí)，每個(gè)集中器的節(jié)點(diǎn)數(shù)越大，發(fā)送到任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息之間的間隔就越長。照明自動(dòng)化（如控制燈光調(diào)光或檢查流量級(jí)別）是計(jì)劃事件，允許在計(jì)劃中補(bǔ)償可預(yù)測的消息延遲。

實(shí)現(xiàn)收益

G3-PLC系統(tǒng)對大型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢可以在以下計(jì)算中看到。將G3-PLC用于10kHz至490kHz的FCC頻段，點(diǎn)對點(diǎn)消息時(shí)間為.017秒，在此期間傳輸約180字節(jié)的有效載荷數(shù)據(jù)。對于一個(gè)由1000盞燈組成、平均間距為80米的大型網(wǎng)絡(luò)，總線路長度為80公里。

由于距離或變壓器會(huì)衰減PLC信號(hào)，集中器無法直接與每個(gè)節(jié)點(diǎn)通信。在這種情況下，G3-PLC 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能使節(jié)點(diǎn)成為轉(zhuǎn)發(fā)器，將消息路由到集中器到每個(gè)節(jié)點(diǎn)/從集中器路由到每個(gè)節(jié)點(diǎn)。本例中使用了七個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器（表 1）。使用平均轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間為 .005 秒和輪詢所有節(jié)點(diǎn)的單個(gè)集中器，集中器向每個(gè)燈發(fā)送一條消息的總時(shí)間為 10 分鐘。此間隔允許操作員激活燈或更改特定于每個(gè)燈位置的調(diào)光級(jí)別（例如，在山上、地下通道或山谷中）。即使必須訪問所有燈，最大延遲時(shí)間為 10 分鐘。如果需要向所有燈發(fā)送相同的命令，例如緊急“打開”命令，則可以使用廣播命令，該命令需要不到 .2 秒即可到達(dá)所有燈。

結(jié)論

路燈制造商、自動(dòng)化集成商和通信 OEM 正在開發(fā)使用 PLC 部署自動(dòng)化街道照明系統(tǒng)的解決方案，以節(jié)省電力、降低維護(hù)成本并為運(yùn)營商和環(huán)境提供快速回報(bào)。MAX2992 PLC收發(fā)器可以自動(dòng)關(guān)聯(lián)，選擇最佳路由路徑，通過變壓器通信，并支持IPv6組網(wǎng)。這些優(yōu)化的功能大大簡化了自動(dòng)化街道照明系統(tǒng)的部署。該設(shè)備提供領(lǐng)先的性能，可實(shí)現(xiàn)更大的網(wǎng)絡(luò)、額外的節(jié)省和更高的安全性。

審核編輯：郭婷