基于电力线载波的路灯监控系统

摘要：本文介绍了以Intellon公司的SSCP300为核心，基于电力线载波和公话网的路灯控制系统。由于采用电力线通信，具有功能强大、安装简单、可靠性好的特点，具有较高的应用价值。

关键字：电力线载波

前言：

我国城市建设突飞猛进，很多城市正从功能型向景观型城市转变。灯光是城市之夜的灵魂，越来越受到重视，得到了迅猛发展。路灯、景观灯光规模越来越大，要求越来越高，从而给规划、设计、运行、管理和维护中带来了一系列问题。本文介绍了一种基于电力线载波的路灯控制系统，通过这套监控系统可以快速对市区控制节点进行全面巡检；还可集中或自动组合、遥控全市路灯的开灯、关灯时间，自动检测路灯变压器终端的电压、电流、路灯工作状态等参数；自动检测各种故障，具有多种报警形式及语言提醒和呼叫系统提示故障原因，具有将各种监测数据进行自动存储、统计、查询和报表打印等功能。

系统结构：

如图1所示，考虑到路灯分布的复杂性，我们采用分级控制的方式。路灯控制系统采用电力线作为主要通讯通道，毋须另外拉线。只要在路灯处带有电力线载波芯片的监控模块，路灯的有关状态便可以经由电力线传送到电力线网关，在有故障或其它必要的情况下自动通过公话网将信息传到路灯监控中心 (见图)。遇到有路灯损坏，监视屏幕上即立刻显示损坏路灯的编号和位置，监控中心便可以马上派工作人员到现场检查和维修。同样，在这条双向传输链路上，通过电力线网关，监控中心可以发出特殊命令，经由电力线把命令传送到某指定路灯的控制继电器，从而启动或关闭该路灯。电力线网关也可根据监控中心的命令，自动发出广播命令控制某区域的路灯定时开关。监控中心由服务器、工作站、打印机等组成，主要用于进行监视、数据查询、打印和报警等功能，也可通过固定电话、手机对维修人员进行自动调度。

图1：路灯监控系统框图

Intellon公司电力线载波芯片

电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制。

1． 由于电网上负载的随机停止和启动、开关电源带来的噪声、周围汽车的启动等外来随机脉冲干扰的影响，使电力线信道特性具有很强的时变性。低压电力线在1S内可对某一频率信号的衰减变化达到20dB，信噪比的变化也可达到10dB左右。

2． 由于配电变压器对电力载波信号的阻隔作用，所以电力载波信号一般只能在一个配电变压器区域范围内传送；

3． 低压电力线上电力线上并连着的许多负载对信号衰落影响很大。尤其是那些用于调整电网功率团数的大电容，对几百kHz的载波通信信号来说，相当于短路。实验表明，信号的衰减是距离的函数，一般为40～100 dB/Km。在农村的衰减最大，500m就达到50dB；在城市，250m大约20dB；在郊区，250m亦能达到25dB；但在工业区衰减较小，750m长的线路仅为30dB。

4． 另外在电力线传输信号对相位的影响也不容忽视，结果表明，通过250m的电力线，正弦波的相移小于±10o。

SSCP300是Intellon公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频（Chirp方式）调制解调技术，它利用扫描频率的Chirps进行载波：此方法多用于类似于以太网的CSMA网络，它利用一系列短促的、可自同步的扫描频率chirps作为载体（见图二），每个chirps一般持续100 us，它代表了最基本的通信符号时间（UST）。这些chirps覆盖了100-400 KHz的频带，并总是以200-400 KHz的频率开始，继而以100-200 KHz的频率结束。另外，此种chirps波形还具有很强的自相关特性，这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备，可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形，并且不需要在发送和接收设备间进行同步。由于使用了现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，具有其技术上的先进性，体现了modem芯片的发展趋势。使得其产品在速度、抗干扰性、可靠性及价格等诸多方面具有其市场优势。

图2：chirps信号波形

系统的电力线载波模块的核心芯片是Intellon公司的SSC P300网络接口控制器IC和SSC P111媒介接口IC。通过这两片高度集成化的芯片，完成网络中每个控制节点的功能。

l SSC P300的特性为:

1. 提供EIA-600标准中数据链路层（DLL）的服务；

2. 提供EIA-600标准中物理层的收发器；

3. 提供针对PL的SSC技术；

4. 提供SPI(串行外围接口)的主处理器接口；

5. 提供数据链路模式、控制器模式和监控模式；

l SSC P111的特性为：

1. 将功率放大器和三态功能集合为CEBus的电力线（PL）物理接口；

2. 可代替多达30余个分立元件，不仅节省了电路板上的空间，而且提高了工作的可靠性；

3. 提供的高驱动能力输出功率放大器（10欧姆负载下,峰-峰电压为6V），满足EIA-600（CEBus）标准中，关于输出到普通阻抗和低阻抗电力线时所指定的电压值，增强了低阻抗条件下的性能；

4. 提供了内部温度保护电路以确保系统的可靠性；

载波接口电路：

载波接口电路框图如下图所示，模拟数据是通过信号输入(SI)与信号输出脚(SO)在交流电力线与SSC P300之间进行传输的。在发送模式下,SSC的"chirp"信号由SSC P300的SO脚传到输出放大器,此放大器可由SSC P300的三态信号(TS)脚来选择其是否工作。一旦被放大,输出信号就会通过一个低通输出滤波器(可从所传输的信号中将失真的谐波能量去除),并传输到三态开关,这个开关也是由SSC P300中的TS信号来选择其工作与否,并在接收信号操作时,将放大器和滤波器与电力线耦合电路隔离开来。当三态开关处于工作状态时,电力线通讯信号就通过电力线耦合电路传输到60Hz的电力线上。在接收模式下,电力线的模拟信号通过外部电力线耦合/滤波网络传输到输入滤波器(通过SSC P300的SI脚)。这个带通滤波器所允许通过的"chirp"频率为100KHz到400KHz。电力线接口的输出放大器通过Intellon的SSC P111 PL媒体接口IC即可非常容易的实现。

图3：电力线接口框图

在逻辑链路子层, SSC P300支持标准的CEBus的DLL功能,支持所有四种数据链路服务:UNACK,ACK,ADRACK,ADRUNACK。根据我们的试验，Intellon的PL芯片组在使用架空线时的传输距离≧1km，传输速率约为2400波特，一般可满足需要。同时，我们利用监控模块和电力线网关作为虚拟中继，这提高了载波通信可靠性，扩展了载波通信距离，可满足大部分监控场合的需要。此外，加大发送功率也可有效提高传输距离，但此时必须注意芯片的散热问题和对电力线环境的干扰。

SSC P300和SSC P111使用注意事项：

1． 电源：电力载波线路需要两个外部电源，一个+5V +/-10%直流电源,其标准电流为30mA,是用于SSC P300的;另外一个+10V +/-10%直流电源,其标准电流为250mA,可用于外部放大器。SSC P300的数字(VDDD)和模拟(VDDA)电源必须进行隔离,使得信号从IC的数字部分传输到模拟部分时,将噪声的漏值降到最小。

2． SSC P300和SSC P111的设计操作温度范围为-40到+85摄氏度，标准电力线通讯应用所需要的分组发送任务循环必须小于10%。当应用中必须使用较大的发送任务循环时，必须避免温度过高。

3． 由于SSC P111驱动交流电力线，因而线上的瞬间电压将会通过耦合电路返回到P111的输出管脚上。因此最好在AC电力线耦合器中加上的MOV/齐纳二级管的组合,以及在P111 IC输出管脚上的瞬时电压抑制器(TVS)/肖特基二极管。

4． 由于SSC P300和SSC P111原来是针对北美的110V/60Hz，所以进行耦合电路变压器设计师，必须根据我国电源为50Hz的情况进行相应的更改。

电力线网关

电力线网关除电力线载波通信模块外，还带有不掉电RAM、时钟、红外和RS232接口等部分。电力线网关在整套系统中起着承上启下的作用，完成电力线网络数据的采集、临时存储和与监控中心进行通信的功能。

图4：电力线网关框图

电力线网关既可以通过红外、RS232接口，实现现场对路灯的状态的查询和控制，也可以通过外接的嵌入式Modem和公话网，实现和监控中心的通信。同时，由工作人员在现场和远程的控制下，实现对所辖监控模块的定时自动操作。例如：灯光定时开启/关闭功能和景观灯的顺序开关和随机开关功能。

结束语：

通过电力线载波和公话网对城市路灯、景观灯光进行控制，可以提高市政硬件水平，与现代科技接轨，增强城市照明可靠性和可控性，结合城市夜景设置，通过智能控制，创造城市新景观，根据不同季节合理利用电能资源，杜绝电能浪费，及时发现线路故障和单个路灯故障，提高路灯系统工作质量，减轻工人线路巡检工作量，提高工作效率，天气变化或有特殊事件，路灯可快速投切，方便人民生活，消除不良影响，通过电量记录可方便与电力局核算电费。