以太網供電(Po E)在照明中的應用（電力）

高逸峰   侯奇鋒

(南通市建筑設計研究院有限公司，江蘇省南通市  226001) (上?？七M咨詢有限公司，上海市200040)

摘  要：介紹以太網供電標準IEEE 802. 3af、IEEE  802. 3at，結合LED照明技術的發展，闡述PoE供電由常規的應用于網絡設備過渡到照明系統這一新興技術獨特的技術優勢，提出需要在后續使用中注意的相關問題。

關鍵詞：以太網供電(Po E)；供電端設備(PSE)；受電端設備(PD)；LED照明；可見光通信(VLC)；智能互聯照明；供電距離；應急照明

中圖分類號：TU994    doi:   10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 05. 009

0  引言

    以太網供電(Power over Ethernet，Po E)顧名思義就是在以太網的網線內同時傳輸數據和電力，為一些基于l P的終端（如IP電話機、IP攝像機、無線AP等）傳輸數據信號的同時，還能為其提供直流供電的技術。Po E技術的發展得益于VoIP（將模擬聲音訊號經過壓縮封包后，以數據封包形式在IP網絡進行語音信號的傳輸）和WLAN（無線局域網）的發展，該技術可以確保在不影響原有結構化布線安全的同時，保證網絡的正常運作，不但簡化了布線系統，還可以大大降低安裝成本，有利于基于IP協議的網絡終端的普及。

    但Po E技術應用于照明系統還比較超前，筆者根據某世界著名IT公司辦公樓裝修項目中接觸到的Po E照明系統，對該系統進行簡單闡述，以供電氣設計人員了解。

1  Po E技術介紹

1.1IEEE 802.3af

    Po E技術很早就有，但早期的Po E供電技術無規范可循、IEEE在1999年開始制定該標準，由于

 Amendment: Data Terminal Equipment (DTE) Powervia Media Dependent Interface (MDI）>，該標準是在IEEE 802.3的基礎上增加了通過網線直接供電的相關標準，明確規定了遠程系統中的電力檢測和控制事項，并對路由器、交換機和集線器通過以太網電纜向IP電話、安全系統以及無線LAN接人點等設備供電的方式進行了規定。

    一個完整的Po E系統包括供電端設備(PSE，Power So U rcing Equipment)和受電端設備(PD，

Power Device)兩部分。PSE設備是為以太網客戶端設備供電的設備，同時也是整個Po E以太網供電過程的管理者。而PD設備是接受供電的PSE負載，即Po E系統的客戶端設備，如IP電話機、IP攝像機等許多其他以太網設備。兩者基于IEEE 802. 3af供電標準建立有關受電端設備PD的連接情況、設備類型、功耗級別等方面的信息聯系，在此基礎上PSE通過以太網向PD供電。鑒于標準的網線（五類線、超五類或者六類線等）為四對雙絞線，常規網絡傳輸信號僅需要四對雙絞線中的兩對來完成數據傳輸，因此．IEEE 802. 3af Po E供電標準允許兩種供電方式（示意圖見圖1）：

    a．方式1：電源與數據線對獨立，根據網絡常識，正常即在4、5、7、8線對上傳輸電流，并且規定，4、5為正極，7、8為負極；而在1、2、3、6線對上傳輸數據。

    b．  方式2：電源與數據線對共用，即在1、2、3、6線對上既傳輸數據又傳輸電源；此時的極性為任意，1、2為正極，3、6為負極或是1、2為負極，3、6為正極均可。

1.2   IEEE 802. 3at

    IEEE 802. 3af規范中對供電端設備(PSE)功率規定為15.4 W，考慮到線纜阻抗導致電壓降的存在，到受電端設備(PD)處的最大功率只能做到12. 95 W，這對于傳統的網絡受電設備基本可以滿足需求。

    隨著網絡對人類生活的滲入，新設備、新應用不斷增加，IP電話、網絡攝像頭、雙波段接人、視頻電話、PTZ視頻監控系統等高功率應用的出現，向網絡終端設備提供更高功率的要求在激增。IEEE802. 3af - 2003規定的供電功率逐漸不能滿足實際使用需求，為了解決這個問題，  IEEE在2009年初發

802. 3at標準可輸出2倍以上的電力，每個端口的輸出功率可在30W以上。雖然該標準暫時解決了基本的PoE供電需求，但IT技術的變革日新月異，對Po E供電容量要求也有更高的要求。目前IEEE 802. 3bt任務組正在研究通過4對雙絞線傳輸更高功率的標準，以適應未來的發展需求。限于篇幅，不再贅述。1.3   IEEE 802. 3af及IEEE 802. 3at的Po E供電特性

    根據上述內容，可以了解到以太網Po E供電是通過供電端設備(PSE)為網絡終端設備提供直流電源．PSE的輸入電源依然是常規的交流電，通過其內部電路的整流轉變為直流電。表1為IEEE 802. 3af與IEEE  802. 3at的Po E供電特性對比。

    表1中PSE側輸出功率為端口能夠提供的最大功率，而PD端可獲得的最小功率是根據直流電壓、不同網絡線纜（諸如Cat 3、Cat 5、Cat 5e等）造成直流電阻不一樣所能提供給網絡終端設備的最小功率，該數值是對應標準中所能規定的下限值。其中，IEEE 802. 3af對網絡線纜的最低要求為Cat 3，而IEEE  802. 3at的最低要求為Cat 5。

1.4  Po E供電工作過程

    Po E供電是通過網絡設備向網絡終端供電，其供電工作流程也有一定的準則，此種準則亦是在程序軟件實現邏輯控制的基礎。IEEE 802. 3af、IEEE802. 3at二者的供電過程基本一致，此處僅介紹EEE 802. 3af的Po E供電工作過程：

    a．檢測：一開始PSE端口先輸出一個低電壓來檢測受電設備(PD)是否符合IEEE 802. 3af Po E供電標準。IEEE 802. 3af標準利用受電設備中的一個24.9 的共模電阻，作為確認是否符合IEEE 802.3af供電的標準。

    b．  分級：當PSE檢測到符合要求的阻值后，會將輸出電壓進一步提高，來對受電設備進行分級，如果受電設備此時沒有回應分級確認電流，PSE默認將受電設備歸為0級（有關設備分級請參考IEEE802. 3af - 2003的表33 -3），為其提供15.4W的輸出功率。

    c．供電：確認分級后，PSE會向受電設備輸出48 V的直流電，并確認受電設備不超過15.4W的功率要求，當受電設備超載或短路后，PSE停止為其供電，再次進入檢測階段。

2  Po E智能互聯照明系統

2.1LED照明

    LED（Light Emitting Diode）是一種半導體發光二極管，利用固體半導體芯片作為發光材料，當兩端加上正向電壓，半導體中的載流子發生復合發出過剩的能量，從而引起光子發射產生可見光。

    隨著LED照明技術的不斷發展與突破，LED發光效率逐步提高，性價比也不斷提升，LED照明產品在電光源領域的應用市場正在不斷擴大。從諸如“安全出口”、“電梯”、“衛生間”等早期的建筑標志標識到建筑物輪廓照明、室外園林景觀照明，發展到室內照明，包括筒燈、射燈、辦公燈具等，尤其在疏散照明中應用更為廣泛、普及。目前LED芯片的光效，從十年前的151m /W呈現約20倍的增長，已經超過T5三基色直管熒光燈的光效。未來幾年，LED芯片的光效每年將以20%~25%的速度提升。

    在中國，隨著節能政策的普及和大家節能意識的增強，LED照明的應用越來越多。2014年6月1日開始實施的GB 50034 - 2013《建筑照明設計標準》第3.2.2條關于照明設計的光源選擇也開始在部分場所推薦采用LED照明。

2.2  LED可見光通信

    可見光通信(Visible Light Communication，VLC)其實就是利用可見光波段的光作為信息載體，無需光纖等有線信道的傳輸介質，在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。又稱為“光保真技術”，英文為LightFidelity（簡稱LiFi）。

    因為采用發光二極管的LED燈比以往的白熾燈、熒光燈可以承受更快的開關切換速度。通過給LED燈加裝微芯片來實現其每秒數百萬次的閃爍，其中燈亮代表1、燈滅代表0，由此二進制數據可快速編碼成數據信號，從而進行有效的數據傳輸。而LED燈的閃爍頻率對人的眼睛來說是不可見的，只有光敏接收器才能探測到。此時無論是照明還是數據傳輸，用戶都不會感受到任何影響。根據復旦大學網站在2013年10月16日發布的新聞，復旦大學遲楠教授帶領的課題組在實驗室創造了M離線最高單向傳輸速率達到3.7 G．實時系統平均上網速率達到150M，目前這個傳輸速率不斷在被刷新。

    圖2為可見光通信原理，有關其具體知識非電氣設計專業研究范疇，本文不贅述，若有興趣可參閱相關資料。

    毋庸置疑，隨著LED技術的發展成熟及技術積淀、價格不斷降低，結合國家節能政策，LED依靠耗能低、光效高、工作溫度低、壽命長、體積小等優點必將成為下一代節能照明的主力。結合可見光通信技術LED照明將有更進一步的發展。

2.3  Po E智能互聯照明系統

    LED是低壓直流器件，為了兼容傳統的交流電源，基本上所有的LED照明均采用交流／直流轉換器即LED驅動器將交流電源轉換為適合LED照明的低壓直流電源，這一轉換過程降低了系統效率?？▋然�梅隆大學(Carnegie Mellon University)的一項研究發現：在一個約4 400m²的4層辦公建筑中采用LED替代熒光燈，由于每個LED配置AC／DC驅動器使得系統效率有所下降；與傳統采用交流電為燈具供電相比，直接使用直流電每年可節省$2 000。如果LED由并網的太陽能電源供電，與交流電相比，使用直流電每年可節省$5 000。有關研究的詳細分析。

    根據前述的IEEE  802. 3af - 2003、IEEE 802. 3at- 2009標準，以及LED可見光通信技術，采用標準網線利用Po E技術為LED照明提供直流電源并進行數據通訊成為可能。此時通過能夠提供Po E的交換機／集線器作為供電設備( PSE)，而LED照明燈具則為受電設備(PD)。

    采用Po E技術，每個LED照明燈具通過標準的RJ 45接口成為即插即用設備，并具有獨立IP地址。另外，若為LED燈具增加傳感器，即可將其從單純的照明設備轉換為智能LED集中器，可收集關于環境光、溫度、濕度等等信息并傳回控制器。例如，人員檢測可確保在有人進入房間時打開照明，在房間無人時關閉照明。環境光傳感器也支持日光收集，以及調節LED照明，在沒有日光時維持恒定的亮度。

    目前．Po E照明制造商主要集中在美國及歐洲，  美國有NuLEDs(http:／／www. nuleds. com)、INNOVATIVE LIGHTING (http: //www.innovativelight.com)；歐洲有飛利浦、Netgenium(http:／／www.netgenium. co. uk)。關于Po E照明投入使用的案例逐漸增多，思科公司在其加拿大多倫多的全球思科萬物互聯(Intemet of Everything，IOE)創新中心將安裝超過1 200套Po E燈具。使用規模最大的當屬荷蘭阿姆斯特丹德勤大廈，該大廈建筑面積30 000 m²，14層。飛利浦為其提供了6 800套燈具（每套3 000 1m）、2 500個人體感應及光線感應器（照度可調0~ 10 000 lx）、750個Po E交換機、30個空調集成器、30個樓層控制器和1套Envision Manager中央控制軟件，員工可以通過智能手機APP對照明和溫度進行個性化設置，從而打造了一個舒適、高效、節能的未來辦公高科技建筑典范。圖3為飛利浦Po E智能互聯照明系統結構圖。

    Po E智能互聯照明系統優勢如下：

    a．  安全。與常規燈具采用AC 220V相比，標準規定的Po E直流電壓小于120 V，屬于特低電壓，安裝過程更加安全。此外，根據1.4節Po E供電工作過程，只有在與終端設備建立連接后才輸出正常工作電壓，更加提高了安全性。

    b．高度適應未來發展。LED照明燈（以及相關的智能傳感器集中器）已經安裝到所需的位置，意味著電源和數據已經連接到大多數的有用位置。所以，只需較低的邊際成本和相對較低的人力即可增加新傳感器或通信模塊，例如分布式短程無線接入點。

    c．  降低成本、提高工作效率。LED燈具與網絡設備合用，降低支持IP的設備的部署和安裝成本。由于數據和電源共用相同的電纜，降低了布線成本；由于安裝網線不需要有資質的電工，所以也降低了安裝成本。標準式接口可以大大提高工作效率。

    d．提高管理效率及綠色節能。設施擁有者和管理者可以通過中央控制軟件，整體了解設施的能源使用情況。通過測量、監測和控制網絡的所有節點（包括加熱和通風），管理者能夠發現提高能源利用率和運營效率的機會。另外，可以結合人體感應器，根據不同功能區域要求實現特定管理，節約能耗。

3 PoE照明在電氣設計中需注意的問題

    即使PoE照明有以上眾多優點，但直流配電相對于常規交流配電系統仍有一些亟待面對和需要考慮的問題?？紤]到IEEE 802. 3at - 2009兼容IEEE802.3af - 2003．本文以表1中IEEE 802. 3at為對象進行電氣方面的分析。

3.1PoE供電線路選擇

    在討論后續電氣設計相關問題前，對PoE線纜需作一個要求。隨著網絡傳輸數據量的飛速發展，網絡帶寬要求越來越高，從超五類(Cat 5e)的100 MHz.到六類線(Cat 6)的250 MHz，再到在TIA／EIA - 568B.2 - 10標準中規定的超六類(Cat 6 A)的500 MHz．其各項性能參數都得到了顯著提升，從而提供更高的傳輸速率，滿足未來網絡升級需求。

    鑒于一般辦公網絡需求，本文以非屏蔽Cat 6（后簡稱Cat 6）作為PoE線纜來進行后續探討。筆者查閱了施耐德、美國百通(Belden)的Cat 6技術參數，導線采用美國線規23 AWG實心裸銅線，其對應的公制外徑為0. 57 mm，導體直流電阻為7.2~7.4／100m．為便于統一直流電阻按7.5 Q／100m考慮，滿足ANSI／TIA - 568 -C．2- 2009《Banlanced Twisted - Pair Telecommunications  Cabling  and Componets Standards》第6.4.1條導體直流電阻不大于9. 38 ／100 m的要求。更為詳細的線纜電氣特性，請參閱YD/T 1019 - 2013《數字通信用聚烯烴絕緣水平對絞電纜》第5.9條表13。

3.2  PoE供電線路保護

    據前述1.3節內容，供電端設備(PSE)之前仍為交流配電回路，其線路保護按照常規設計進行。供電端設備(PSE)后為直流配電，其電流路徑為供電端設備( PSE)、網絡布線Cat 6、受電設備(PD)。對于直流配電回路也應考慮電纜載流量．過載、短路及接地等保護措施。

3.2.1線纜載流量、溫升

    Cat 6的單芯銅導體外徑為0.57 mm、截面積為0. 255mm²,絕緣層基本采用聚烯烴。無論是采用方式1或方式2均為2對雙絞線即4根導體作為直流正、負極電流通路，因此導體截面積為0.51mm²。參照《工業與民用配電設計手冊》（第三版）表9 - 30中數據，在環境溫度40℃時載流量為8A，由于表中數據為明敷，考慮網線有外護套及成束敷設，校正系數按表9 - 21中單層敷設在墻、地板或無孔托盤上（序號2）最差情況0.7考慮，其載流量為5.6 A。但根據表l，最大工作電流為600 m A，因此采用PoE供電時，線纜的載流量可以滿足要求。另外，根據IEC 60603 -7  Edition 3.1 2011《Detail specificationfor 8- way,  Unshielded,  Free and Fixed Connectors》第6.4.3條對8P8C(8 Position，8 Contact)即RJ45連接器的通流能力要求在環境溫度不超過40℃時約為1.5 A，同樣可以保證線纜不會出現過載。

    關于因傳輸直流電不同于傳輸網絡數據導致線纜溫升的相關數據，更多信息可參閱TIA - TSB - 184 - 2009《Guidelines For Supporting Power Delivery Over Balanced Twisted - pair Cabling》,此處不再贅述。

3.2.2過載、短路及接地故障保護

    上述故障基本都表現為其故障電流與正常工作電流不一致，故IEEE 802, 3at - 2009第33.2.7.6條、第33.2.7.7條對出現非正常工作電流后，在約定的時間內供電端設備(PSE)將停止供電。該機制是對PSE設備的要求，確保設備正常工作，其運行電流模型參見IEEE  802. 3at - 2009圖33 -14，如圖4所示。

3.3供電距離

    采用PoE供電直流回路電阻為7.5 ／100 m（單根單體為7.5 ／100 m，每對雙絞線并聯，供、回共200 m），如按最大600 m A電流考慮，同時根據GB 50311- 2007《綜合布線系統工程設計規范》第3.2.3條要求水平布線的永久鏈路一般不超過90 m，則全部線路電壓降為7.5×0.6×0.9=4. 05 V，PSE端輸出為50~ 57 V，此時提供給PD的直流電壓最小為

45. 95~ 52. 95 V。若運行電流降低，線路壓降減小，相應PD端電壓則可以提高。因此，采用Cat 6在常規綜合布線情況下，可以滿足電壓降的需要。有關電壓降數據。

3.4應急照明設計

    LED照明以其高亮度、低功耗、壽命長、安全電壓供電等諸多優勢，成為應急照明產品的首選，受到越來越多的青睞。采用Po E供電及通訊的應急照明系統，不但可以取消獨立設置的通訊線簡化系統，還可以通過定位引導功能幫助消防人員及早進入火災現場，降低損失。但對于Po E供電的應急照明系統，也應注意以下問題：

    a．供電距離相對較近，會導致PSE不能設置于強電間，而置于開放式區域的防火問題需要加以解決的措施。

    b．  目前還未有阻燃耐火的網絡線纜，需單獨設置耐火線槽、線管采取暗敷或噴涂防火涂料等防火措施。

    c．Po E終端燈具需要通過國家消防電子產品質量監督檢驗中心型式試驗和公安部消防產品合格評定中心的認證，并取得相關報告與證書。

3.5防雷保護

    若Po E供電系統實際應用中，出現PSE與PD處于不同防雷區，需要考慮對雷電感應與雷電波侵入的防護，必須在PD與PSE連接的信號線接口處加裝相應的防雷裝置，避免感應雷電流和雷電波對設備造成損壞。

4結語

    LED的出現為建筑照明節能的提升提供了可能和保障，其技術的發展必將引導未來照明前進的方向。而Po E的直流供電和網絡控制的照明系統，則為其更加可能顛覆傳統照明及其控制技術提供了動力。由于Po E供電技術應用于照明系統還處于剛剛起步階段，部分還處于技術研究階段。筆者拋磚引玉，希望與廣大同行、相關研究人員展開討論。限于水平，不足之處懇請批評指正。