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路灯监控系统中的通信技术应用及探讨
作者:管理员    发布于:2016-02-18 08:43:20    文字:【】【】【

  随着社会的快速发展、城市建设进程的加快,城市的地域面积也不断扩大,使路灯维护管理工作量大大增加,从而要求路灯的监控手段更加先进,成本更加低廉。要对每盏路灯都能管理,达到远程化、智能化、自动化,实现更节能、更高效的路灯照明控制的要求。因此,建立路灯监控系统是当前路灯控制领域的迫切需求,选择合适的通信方式则是系统的重要环节。

  1路灯监控系统路灯监控系统采用电力电子、无线报警、计算机数据处理、多媒体、单灯控制和节能等技术,既具有远程照明节点单灯状态检测控制功能,又具有按需节能功能,节能效果显著,同时又增加了安全防护报警的功能。

  系统分为监测前端、监控中心和通信网络3个层面。监测前端部分主要通过单灯控制器实时采集相关的电气参数,如电压、电流、功率、功率因数等,控制路灯的开关信号,再经集中控制器通信传输至监控中心服务器。监控中心主要由通信处理前置机、计算机主机和相关软件构成;通信网络的上层网络利用运营商的成熟通信网络(GPRS/CDMA/3G)实现远程无线数据传输,现场的基层网络通过自有的电力载波或无线技术实现通信。中心软件通过大量的历史路灯数据和即时数据,准确而有效地建立路灯信息模型,这些数据可以为以后的数据分析提供帮助,构造路灯特征库,成功实现特征分析处理,有效提高报警的及时性和准确性,使管理更加规范,管理水平大大提高。

  在单灯控制器与集中控制器的通信方式选择时,电力载波通信(PowerLineCommunication)和RF无线射频通信(包含ZigBee、无线450MHz等技术)都是可以选择的方案,尤其是RF无线射频通信技术,近年来发展很快,得到了越来越广泛的应用。

  2路灯监控系统的通信方式2.1电力载波通信方式电力载波技术是利用220V电力线路将发射器发出的高频信号传送给接收器,从而实现智能化的控制。高频信号传送技术将120kHz的编码信号加载到50Hz的电力线上,由发射设备将信号送给接收器,而每个接收设备都预先设定了1个地址码。由于利用了原有的电力线路,因此采用电力载波通信系统不需要额外布线,这是电力载波通信的大优势。

  电力载波通信技术利用已有的电力线作为通信介质,具有免布线、工程实施速度快等特点。但通信速度慢(在50Hz供电系统中,传送1个指令需时0.62s)、抗干扰性能差,容性负载容易吸收高频信号。因为路灯电缆上补偿电容比较多,容易吸收载波信号,测试结果表明:一般情况下,在超过500m的路灯电缆上,无论是专用变压器还是公用变压器线路,只要不是在补偿柜对电容集中补偿的路灯线路,载波信号基本都会衰竭到无法通信。可以认为:常规的电力载波通信技术在路灯单灯控制且路灯线路距离小于500m时应用较成熟,超出范围需要采用特殊的处理技术。

  为此,通过采用专门的通信协议的电力载波算法进行电力载波,在电力载波解调算法中使用多种插值算法,以缓解误码的出现,解决了大容量电容吸收载波信号的问题,并获得成功应用。研发了低功率发送强载波信号的技术和从无功电流中解调出信息的技术。使用树型路由算法,解决了大容量补偿电容吸收载波信号的问题,实现了亮灯状态下长距离电缆的信号检测。

  解调电力载波信号时必须先进行实时采样,然后对数字信号进行处理。经过对总电流、有功电流、无功电流、基频电流、谐波电流的分析,终采用从无功电流中分离出脉冲信号的方法,得到了清晰的发送信号。脉冲信号发送示意如所示。

  这种电流载波通信方式有以下优点:能够克服路灯电缆上数千微法补偿电容的影响。因为电缆的电压不变,因此补偿电容不会吸收来自“末端”的电流通信信号。

  通信距离几乎与电缆长度无关,而是与负载稳定度有关,因此特别适用于负载稳定的照明电缆。

  接收方经过数字信号处理后得到清晰的发送波形,能计算出信噪比、信号幅度等。

  发送信息的电源直接取自电网而不是直流激励,发送侧发送功耗小,几乎无温升;需要不间断地发送路灯防盗信息时,稳定可靠的电源提供了重要保证。

  使用微型电流互感器接收信号,因而电气上是隔离的,安全可靠。

  2.2无线通信方式目前路灯单灯应用中常见的无线应用技术有ZigBee技术和约450MHz的无线远程通信技术。其中,ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率的双向无线通信技术,主要应用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的传输数据,以及典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间的数据传输。ZigBee标准采用IEEE802.15.4标准作为其PHY层和MAC层协议。相比ZigBee技术,450MHz的无线远程通信技术的优势是通信距离更长,成本较低,可采用现有的移动通信网络。

  无线通信技术虽然通信速度快,但成本较高、覆盖距离短、易受干扰,特别是同频干扰严重,对上下行通信时序的处理要求很高,若处理不好也会对通信效果产生很大的影响,导致通信不稳定。用于路灯控制时,由于路灯灯杆是金属密闭的,无线信号的屏蔽效果会比较严重。另外,灯头是厂家提供的,没有安装无线模块的位置,还需要对灯杆或灯头设备进行改造以便天线伸出,所以应用场合会受到定限制。

  2.3二种通信方式的比较2.3.1技术成熟度电力载波通信技术已经成功应用于电表集抄等民用领域,芯片种类很多,在限定距离的电力线上通信,技术较成熟,应用于路灯时也不存在变压器通信的问题。所以,在标准供电半径为500m的路灯电力线上,应用电力载波技术是完全可行的。

  对于广播开关灯和分组策略的实施,功能上两种通信方式都能实现,但是本质上,电力载波是基于信号广播,这种常用的通信处理需要的指令少,能迅速实现,而无线方式基于路由工作,所以指令需要重复发出,尽管通信速率高,但是效率却低得多。

  2.3.2通信效果电力载波通信的速率较慢,但是较稳定。

  150m内,无线应用的通信成功率和速率均远高于电力载波通信。300m内,随着距离的增加或阻挡物的出现,无线应用的通信速率和成功率都有所下降,而电力载波的通信情况改变不大,但总体上无线通信的速率和成功率仍有优势,所以在试点情况下,一般的无线技术都有较好的表现。

  对于超过300m的长距离应用,由于ZigBee等无线技术都需要采用路由的方式进行信号传输,由于路灯道路多为直线情况,因而使得ZigBee技术的组网优势不明显,而且需要不断的中继,导致无线激活时间加长,路由变复杂,从开关箱到后一根杆的通信速率会很慢。处理中途发生故障时,需要事先有双路由的设置功能,如果故障范围较大,则必须人为赶到现场更改路由设置,从而使其应用变得更为不利。相比较而言,由于电力载波为电力线上的广播传输,所以相对优势较大。超过500m之后,目前电力载波技术还有些特殊的专利技术,可以利用类似跳频、信号复用等手段实现信号中继,所以能解决长距离的通信。因此,对长期的长距离通信,电力载波要优于无线通信。

  另外,如果在路灯系统采用无线通信技术,需要采用间歇通信的方式,如果始终处于激活状态,频繁通信,在雷雨季节容易引发感应雷等情况,应用可靠性就不如电力载波。

  2.3.3施工与维护安装路灯无线通信模块时需要在灯杆中额外穿线,并在灯头位置安装无线天线,这对于新安装路灯可能比较合适,但是对于已经安装好的路灯灯杆,重新穿线和安装天线的工作量巨大而且很不方便。相比之下,采用电力载波通信可以尽可能多地应用已有的资源,所以更加可靠和具有可实施性。

  无线通信技术在维护中需要考虑天线,以及信号衰减、阻挡物、雷击等一系列问题,维护方式较电力载波复杂,维护人员较难学会。无线天线的安装和维护也需要专业人员的指导。

  3路灯监控系统的应用目前,路灯监控系统中的单灯控制器同时具备无线通信和有线通信模块,并编制切换条件,采用以电力载波通信为主、无线方式为辅的混合通信处理机制,当线路情况复杂、无法进行电力载波通信时(检测到信号强度低于某个门槛),通过单灯终端的自动切换可以自动将单灯的通信从载波方式切换到无线方式。

  路灯监控系统已在杭州经济技术开发区试点运行,于2013年4月底完成了所有硬件和软件的调试安装工作。项目包括5个路灯开关箱的改造及终端设备安装调试,部分电缆防盗点接入,487个灯光监控点的单灯控制器采用电力载波通信方式进行灯光节能监控,对监控中心的软件也进行了更新。路灯监控系统结构如所示。

  (下转第43页)准煤价按900元/t人民币计算,并忽略再热器减温水总量变化,共节约燃煤成本约464.4万元,减少二氧化碟排放量达1.434万t,减少二氧化硫排放量达118.695t,减少氮氧化物排放量达35.91t.由于减少了对锅炉受热面的吹损,依据以往非停记录的统计分析,3年来(至2012年底),折合到1个大修周期至少减少1次非计划停运,由此可获得发电收益约为544.35万元,合计经济效益为1 6结语智能吹灰优化控制系统优化了锅炉的吹灰运行方式,提高了锅炉的能耗管控水平,系统可靠性高,界面友好,操作方便,对发电机组的运行具有实际指导意义,并取得了明显的经济效益和社会效益,具有广阔的发展前景。

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