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—是主要的電力消費系統。實際上，室外照明估計占當今全球耗電量的19%左右。對于市政和具有大型設施的商業機構，路燈照明占據了相當一部分的運營費用。路燈照明也是公共安全的關鍵，確保路燈可靠地點亮并且工作在適合路人及車輛交通的最佳照明度，對于公共安全和經營者均至關重要。由此可見，能耗、工作可靠性及維護費用等方面的任何改善都會為路燈管理部門帶來豐厚回報。當然，能耗的降低也會產生明顯的環境效益。

電力線通信（PLC）是路燈照明自動化管理的不二之選。PLC有助于降低企業和市政部門的運營費用，提高安全性。G3-PLC是基于OFDM的新型PLC系統，針對電網自動化設備而設計，大大擴展了電力線通信的范圍、數據速率和性能。本文討論基于G3-PLC實現系統自動化的優勢，并介紹一套隧道照明方案，可有效降低能耗和維護費用。本文介紹了系統的基本原理，給出了關鍵的性能參數并重點介紹了PLC自動化設計的收發器。

PLC系統為環境及經營者帶來利益

G3-PLC提供了一套簡便的路燈網絡通信方案，雙向通信支持自動化設計更高要求：

根據地理位置、日歷及天氣條件確定打開/關閉照明系統的準確時間

黎明/黃昏和深夜適當調整照明亮度

通過調光進行交通管制

交通監測

路燈故障報警

基于溫度、電流、PF或工作小時數通報路燈維護時間

緊急打開/關閉/控制照明亮度

實時監測能耗

相對于無線通信系統，PLC具有眾多優勢。PLC系統同樣不需要重新鋪設電纜，而且，PLC通信可以穿過地面、墻壁進行數據傳輸。信道歸經營者或電力公司所有，不存在頻帶沖突的風險。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生故障的大概位置。

隧道照明：PLC設計案例

PLC能夠降低能耗和運營費用，而且效果顯著，我們以一個新型PLC系統為例進行說明。該項技術目前已被Nyx Hemera Technologies公司用于隧道照明。相對于熒光燈系統，隧道照明控制系統（TLACS）能夠節能25%，維護費用降低30%。將照明強度調整到與隧道入口及出口環境相同光強，大大提高了安全性。

TLACS系統基于Maxim Integrated Products提供的OFDM PLC產品，即使信號電平比噪聲低，也能通過遠距離電力線傳輸后收到嚴重衰減的信號。Maxim方案的尋址能力和高數據率使Nyx Hemera Technologies公司能夠利用單套系統支持多達1022盞燈。TLACS系統支持3km的傳輸距離，由于采用電力線傳輸，可以選擇模塊化設計，很容易安裝到現有的照明系統（圖1）。

圖1. PLC方案示意圖。在Nyx Hemera Technologies公司的TLACS系統中，本地控制器集成PLC，通過交流線與網絡控制器通信，并采用標準DALI接口控制每盞路燈。

優化自動化照明系統

自動化照明系統的性能和容量由覆蓋范圍、數據速率、抗噪性以及PLC系統的路由能力決定。

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制解調器網絡或節點通信。PLC調制解調器的覆蓋范圍決定了集中器能夠直接通信的節點數。節點數越多，系統實施的效率越高。

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分布（即噪聲源隨時間變化），抗噪性對于自動化系統保持其基本性能起著決定性作用。通過在節點引入路由功能，可以構建一個網狀網絡，允許連接到集中器的節點通過轉發/接收集中器甚至更遠距離節點的消息，擴展網絡的通信能力。盡管網狀網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模。由于路燈照明網絡只有一條從網絡到集中器的信道，所有轉發消息必須經過一條或多條共用鏈路傳輸，這樣，鏈路就成為系統瓶頸。

圖 2. 典型的自動化路燈照明網絡拓撲。

MAX2992是一款G3-PLC兼容收發器。器件具有領先的性能，通過高級功能實現路燈照明自動化管理，滿足PLC系統對覆蓋范圍、數據速率、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。調制采用DBPSK、DQPSK和D8PSK，能夠在FCC頻帶（10kHz至487.5kHz）支持高達300kbps的數據速率。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。收發器采用動態鏈路自適應技術，根據信道條件自動選擇最優的調制方法和數據速率。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，進而允許高階調制自動調整到最高數據率。增加或減少節點時，自動組網連接機制配置網狀網絡。傳送消息時，動態路由機制識別和更新網絡上的最佳路由選擇通路。

路燈照明網絡的容量和性能由電力線拓撲（包括變壓器數量和位置）、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調制時，MAX2992的數據率高達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，典型數據率為150kbps。

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

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點。采用Round-Robin輪詢方法時，每個集中器的節點數越多，發送至任意節點的消息之間的間隔就越長。照明自動化管理，例如控制調光或檢查交通流量，為預定事件，能夠補償可預測的消息延遲。

方案優勢

通過以下計算，大型網絡采用G3-PLC技術可以獲得最大益處。將G3-PLC用于10kHz至490kHz的FCC頻帶，點到點發送消息占用時間為0.017s，期間傳輸大約180字節數據。對于1000盞燈的大型網絡，平均間距為80m，線路總長為80km。

由于距離或變壓器產生的PLC信號衰減，集中器不能直接與每個節點進行通信。這種情況下，采用G3-PLC網狀架構，使每個節點成為轉發器，轉發集中器與每個節點之間的消息。本例采用了7個轉發器（表1），平均轉發延遲時間0.005s，采用單個集中器，集中器輪詢所有節點，集中器將一條消息發送至每盞燈的總時間為10分鐘。這一時間間隔允許經營者根據每盞燈的位置（例如：山坡上、地下通道內或低谷）點亮路燈或更改光度。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送給所有路燈，例如緊急“打開”命令，可使用廣播命令，到達所有路燈的時間短于2s。

結論

路燈制造商、自動化系統集成商和OEM通信設備廠商正在采用PLC技術部署自動化路燈照明系統，以達到節電、降低維護費用的目的，采用該項技術能夠使經營者類短期內獲得回報，并改善環境。MAX2992 PLC收發器可自動組網、選擇最佳路由通路，并具有跨變壓器傳輸、支持IPv6等優勢。這些特性大大簡化了自動化路燈照明系統的部署。提供領先的性能指標，支持大型網絡設計，在節省能耗的同時，提供更高的安全性。