電力線通信在路燈照明自動化中的應用

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，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)絡的通信能力。盡管網(wǎng)狀網(wǎng)絡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服務能夠支持的規(guī)模。由于路燈照明網(wǎng)絡只有一條從網(wǎng)絡到集中器的信道，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)絡拓撲。

MAX2992是一款G3-PLC兼容收發(fā)器。器件具有領先的性能，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)鏈路自適應技術，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。傳送消息時，動態(tài)路由機制識別和更新網(wǎng)絡上的最佳路由選擇通路。

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

路燈照明應用中，相對于可變消息延遲，通常首選可預測消息延遲。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，為預定事件，能夠補償可預測的消息延遲。

方案優(yōu)勢

通過以下計算，大型網(wǎng)絡采用G3-PLC技術可以獲得最大益處。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，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