劉曙光,朱祖港

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009；2.杭州瑞琦信息技術(shù)有限公司，杭州 310012）

隨著社會(huì)的快速發(fā)展、城市建設(shè)進(jìn)程的加快，城市的地域面積也不斷擴(kuò)大，使路燈維護(hù)管理工作量大大增加，從而要求路燈的監(jiān)控手段更加先進(jìn)，成本更加低廉。要對(duì)每盞路燈都能精確管理，達(dá)到遠(yuǎn)程化、智能化、自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)更節(jié)能、更高效的路燈照明控制的要求。因此，建立路燈監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前路燈控制領(lǐng)域的迫切需求，選擇合適的通信方式則是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

1 路燈監(jiān)控系統(tǒng)

路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用電力電子、無(wú)線報(bào)警、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、多媒體、單燈控制和節(jié)能等技術(shù)，既具有遠(yuǎn)程照明節(jié)點(diǎn)單燈狀態(tài)檢測(cè)控制功能，又具有按需節(jié)能功能，節(jié)能效果顯著，同時(shí)又增加了安全防護(hù)報(bào)警的功能。

系統(tǒng)分為監(jiān)測(cè)前端、監(jiān)控中心和通信網(wǎng)絡(luò)3個(gè)層面。監(jiān)測(cè)前端部分主要通過(guò)單燈控制器實(shí)時(shí)采集相關(guān)的電氣參數(shù)，如電壓、電流、功率、功率因數(shù)等，控制路燈的開(kāi)關(guān)信號(hào)，再經(jīng)集中控制器通信傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器。監(jiān)控中心主要由通信處理前置機(jī)、計(jì)算機(jī)主機(jī)和相關(guān)軟件構(gòu)成；通信網(wǎng)絡(luò)的上層網(wǎng)絡(luò)利用運(yùn)營(yíng)商的成熟通信網(wǎng)絡(luò)（GPRS/CDMA/3G）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場(chǎng)的基層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自有的電力載波或無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信。中心軟件通過(guò)大量的歷史路燈數(shù)據(jù)和即時(shí)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確而有效地建立路燈信息模型，這些數(shù)據(jù)可以為以后的數(shù)據(jù)分析提供幫助，構(gòu)造路燈特征庫(kù)，成功實(shí)現(xiàn)特征分析處理，有效提高報(bào)警的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，使管理更加規(guī)范，管理水平大大提高。

在單燈控制器與集中控制器的通信方式選擇時(shí)，電力載波通信（Power Line Communication）和RF無(wú)線射頻通信（包含ZigBee、無(wú)線450 MHz等技術(shù)）都是可以選擇的方案，尤其是RF無(wú)線射頻通信技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展很快，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 路燈監(jiān)控系統(tǒng)的通信方式

2.1 電力載波通信方式

電力載波技術(shù)是利用220 V電力線路將發(fā)射器發(fā)出的高頻信號(hào)傳送給接收器，從而實(shí)現(xiàn)智能化的控制。高頻信號(hào)傳送技術(shù)將120 kHz的編碼信號(hào)加載到50 Hz的電力線上，由發(fā)射設(shè)備將信號(hào)送給接收器，而每個(gè)接收設(shè)備都預(yù)先設(shè)定了1個(gè)地址碼。由于利用了原有的電力線路，因此采用電力載波通信系統(tǒng)不需要額外布線，這是電力載波通信的最大優(yōu)勢(shì)。

電力載波通信技術(shù)利用已有的電力線作為通信介質(zhì)，具有免布線、工程實(shí)施速度快等特點(diǎn)。但通信速度慢（在50 Hz供電系統(tǒng)中，傳送1個(gè)指令需時(shí)0.62 s）、抗干擾性能差，容性負(fù)載容易吸收高頻信號(hào)。因?yàn)槁窡綦娎|上補(bǔ)償電容比較多，容易吸收載波信號(hào)，測(cè)試結(jié)果表明：一般情況下，在超過(guò)500 m的路燈電纜上，無(wú)論是專(zhuān)用變壓器還是公用變壓器線路，只要不是在補(bǔ)償柜對(duì)電容集中補(bǔ)償?shù)穆窡艟€路，載波信號(hào)基本都會(huì)衰竭到無(wú)法通信?？梢哉J(rèn)為：常規(guī)的電力載波通信技術(shù)在路燈單燈控制且路燈線路距離小于500 m時(shí)應(yīng)用較成熟，超出范圍需要采用特殊的處理技術(shù)。

為此，通過(guò)采用專(zhuān)門(mén)的通信協(xié)議的電力載波算法進(jìn)行電力載波，在電力載波解調(diào)算法中使用多種插值算法，以緩解誤碼的出現(xiàn)，解決了大容量電容吸收載波信號(hào)的問(wèn)題，并獲得成功應(yīng)用。研發(fā)了低功率發(fā)送強(qiáng)載波信號(hào)的技術(shù)和從無(wú)功電流中解調(diào)出信息的技術(shù)。使用樹(shù)型路由算法，解決了大容量補(bǔ)償電容吸收載波信號(hào)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了亮燈狀態(tài)下長(zhǎng)距離電纜的信號(hào)檢測(cè)。

解調(diào)電力載波信號(hào)時(shí)必須先進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)對(duì)總電流、有功電流、無(wú)功電流、基頻電流、諧波電流的分析，最終采用從無(wú)功電流中分離出脈沖信號(hào)的方法，得到了清晰的發(fā)送信號(hào)。脈沖信號(hào)發(fā)送示意如圖1所示。

這種電流載波通信方式有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠克服路燈電纜上數(shù)千微法補(bǔ)償電容的影響。因?yàn)殡娎|的電壓不變，因此補(bǔ)償電容不會(huì)吸收來(lái)自“末端”的電流通信信號(hào)。

圖1 脈沖信號(hào)發(fā)送示意

（2）通信距離幾乎與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，而是與負(fù)載穩(wěn)定度有關(guān)，因此特別適用于負(fù)載穩(wěn)定的照明電纜。

（3）接收方經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理后得到清晰的發(fā)送波形，能計(jì)算出信噪比、信號(hào)幅度等。

（4）發(fā)送信息的電源直接取自電網(wǎng)而不是直流激勵(lì)，發(fā)送側(cè)發(fā)送功耗小，幾乎無(wú)溫升；需要不間斷地發(fā)送路燈防盜信息時(shí)，穩(wěn)定可靠的電源提供了重要保證。

（5）使用微型電流互感器接收信號(hào)，因而電氣上是隔離的，安全可靠。

2.2 無(wú)線通信方式

目前路燈單燈應(yīng)用中常見(jiàn)的無(wú)線應(yīng)用技術(shù)有ZigBee技術(shù)和約450 MHz的無(wú)線遠(yuǎn)程通信技術(shù)。其中，ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的傳輸數(shù)據(jù)，以及典型的周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為其PHY層和MAC層協(xié)議。相比ZigBee技術(shù)，450 MHz的無(wú)線遠(yuǎn)程通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是通信距離更長(zhǎng)，成本較低，可采用現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線通信技術(shù)雖然通信速度快，但成本較高、覆蓋距離短、易受干擾，特別是同頻干擾嚴(yán)重，對(duì)上下行通信時(shí)序的處理要求很高，若處理不好也會(huì)對(duì)通信效果產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定。用于路燈控制時(shí)，由于路燈燈桿是金屬密閉的，無(wú)線信號(hào)的屏蔽效果會(huì)比較嚴(yán)重。另外，燈頭是廠家提供的，沒(méi)有安裝無(wú)線模塊的位置，還需要對(duì)燈桿或燈頭設(shè)備進(jìn)行改造以便天線伸出，所以應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)受到一定限制。

2.3 二種通信方式的比較

2.3.1 技術(shù)成熟度

電力載波通信技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于電表集抄等民用領(lǐng)域，芯片種類(lèi)很多，在限定距離的電力線上通信，技術(shù)較成熟，應(yīng)用于路燈時(shí)也不存在變壓器通信的問(wèn)題。所以，在標(biāo)準(zhǔn)供電半徑為500 m的路燈電力線上，應(yīng)用電力載波技術(shù)是完全可行的。

對(duì)于廣播開(kāi)關(guān)燈和分組策略的實(shí)施，功能上兩種通信方式都能實(shí)現(xiàn)，但是本質(zhì)上，電力載波是基于信號(hào)廣播，這種常用的通信處理需要的指令少，能迅速實(shí)現(xiàn)，而無(wú)線方式基于路由工作，所以指令需要重復(fù)發(fā)出，盡管通信速率高，但是效率卻低得多。

2.3.2 通信效果

電力載波通信的速率較慢，但是較穩(wěn)定。150 m內(nèi)，無(wú)線應(yīng)用的通信成功率和速率均遠(yuǎn)高于電力載波通信。300 m內(nèi)，隨著距離的增加或阻擋物的出現(xiàn)，無(wú)線應(yīng)用的通信速率和成功率都有所下降，而電力載波的通信情況改變不大，但總體上無(wú)線通信的速率和成功率仍有優(yōu)勢(shì)，所以在試點(diǎn)情況下，一般的無(wú)線技術(shù)都有較好的表現(xiàn)。

對(duì)于超過(guò)300 m的長(zhǎng)距離應(yīng)用，由于ZigBee等無(wú)線技術(shù)都需要采用路由的方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，由于路燈道路多為直線情況，因而使得Zig-Bee技術(shù)的組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)不明顯，而且需要不斷的中繼，導(dǎo)致無(wú)線激活時(shí)間加長(zhǎng)，路由變復(fù)雜，從開(kāi)關(guān)箱到最后一根桿的通信速率會(huì)很慢。處理中途發(fā)生故障時(shí)，需要事先有雙路由的設(shè)置功能，如果故障范圍較大，則必須人為趕到現(xiàn)場(chǎng)更改路由設(shè)置，從而使其應(yīng)用變得更為不利。相比較而言，由于電力載波為電力線上的廣播傳輸，所以相對(duì)優(yōu)勢(shì)較大。超過(guò)500 m之后，目前電力載波技術(shù)還有一些特殊的專(zhuān)利技術(shù)，可以利用類(lèi)似跳頻、信號(hào)復(fù)用等手段實(shí)現(xiàn)信號(hào)中繼，所以能解決長(zhǎng)距離的通信。因此，對(duì)長(zhǎng)期的長(zhǎng)距離通信，電力載波要優(yōu)于無(wú)線通信。

另外，如果在路燈系統(tǒng)采用無(wú)線通信技術(shù)，需要采用間歇通信的方式，如果始終處于激活狀態(tài)，頻繁通信，在雷雨季節(jié)容易引發(fā)感應(yīng)雷等情況，應(yīng)用可靠性就不如電力載波。

2.3.3 施工與維護(hù)

安裝路燈無(wú)線通信模塊時(shí)需要在燈桿中額外穿線，并在燈頭位置安裝無(wú)線天線，這對(duì)于新安裝路燈可能比較合適，但是對(duì)于已經(jīng)安裝好的路燈燈桿，重新穿線和安裝天線的工作量巨大而且很不方便。相比之下，采用電力載波通信可以盡可能多地應(yīng)用已有的資源，所以更加可靠和具有可實(shí)施性。

無(wú)線通信技術(shù)在維護(hù)中需要考慮天線，以及信號(hào)衰減、阻擋物、雷擊等一系列問(wèn)題，維護(hù)方式較電力載波復(fù)雜，維護(hù)人員較難學(xué)會(huì)。無(wú)線天線的安裝和維護(hù)也需要專(zhuān)業(yè)人員的指導(dǎo)。

3 路燈監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，路燈監(jiān)控系統(tǒng)中的單燈控制器同時(shí)具備無(wú)線通信和有線通信模塊，并編制切換條件，采用以電力載波通信為主、無(wú)線方式為輔的混合通信處理機(jī)制，當(dāng)線路情況復(fù)雜、無(wú)法進(jìn)行電力載波通信時(shí)（檢測(cè)到信號(hào)強(qiáng)度低于某個(gè)門(mén)檻），通過(guò)單燈終端的自動(dòng)切換可以自動(dòng)將單燈的通信從載波方式切換到無(wú)線方式。

路燈監(jiān)控系統(tǒng)已在杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)試點(diǎn)運(yùn)行，于2013年4月底完成了所有硬件和軟件的調(diào)試安裝工作。項(xiàng)目包括5個(gè)路燈開(kāi)關(guān)箱的改造及終端設(shè)備安裝調(diào)試，部分電纜防盜點(diǎn)接入，487個(gè)燈光監(jiān)控點(diǎn)的單燈控制器采用電力載波通信方式進(jìn)行燈光節(jié)能監(jiān)控，對(duì)監(jiān)控中心的軟件也進(jìn)行了更新。路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，項(xiàng)目試點(diǎn)部分實(shí)現(xiàn)了與前期電纜防盜系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，在擴(kuò)大監(jiān)控范圍和提高監(jiān)控力度的同時(shí)，進(jìn)一步緩解了日趨嚴(yán)重的燈多人少的管理矛盾。項(xiàng)目從信息化、經(jīng)濟(jì)化、安全化角度出發(fā)，以實(shí)現(xiàn)智能化城市照明管理為目的，采用的技術(shù)對(duì)“綠色照明”的推廣實(shí)施至關(guān)重要。基于電力載波通信技術(shù)的單燈監(jiān)控形式為路燈的安裝維護(hù)管理提供了更有力的手段，提升了管理效率，提供了管理的評(píng)定依據(jù)。路燈監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際使用效果良好，大大提升了路燈監(jiān)控中心的管理水平，使城市照明數(shù)字化程度有了進(jìn)一步的提高，在節(jié)能、設(shè)備故障報(bào)警（防盜）等方面均取得了較好的效果。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)實(shí)測(cè)路燈照明的節(jié)能率達(dá)30%。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)路燈監(jiān)控系統(tǒng)通信方式的分析比較，最終采用電力載波通信和無(wú)線遠(yuǎn)程通訊為主的通信方式，而ZigBee技術(shù)則作為短距離通信的補(bǔ)充手段。雖然單燈模塊的成本會(huì)增加，但路燈監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性也大大提高，使城市路燈照明管理和節(jié)能水平達(dá)到了更高的水平。

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