以太网供电(Po E)在照明中的应用（电力）

高逸峰   侯奇锋

(南通市建筑设计研究院有限公司，江苏省南通市  226001) (上海科进咨询有限公司，上海市200040)

摘  要：介绍以太网供电标准IEEE 802. 3af、IEEE  802. 3at，结合LED照明技术的发展，阐述PoE供电由常规的应用于网络设备过渡到照明系统这一新兴技术独特的技术优势，提出需要在后续使用中注意的相关问题。

关键词：以太网供电(Po E)；供电端设备(PSE)；受电端设备(PD)；LED照明；可见光通信(VLC)；智能互联照明；供电距离；应急照明

中图分类号：TU994    doi:   10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 05. 009

0  引言

    以太网供电(Power over Ethernet，Po E)顾名思义就是在以太网的网线内同时传输数据和电力，为一些基于l P的终端（如IP电话机、IP摄像机、无线AP等）传输数据信号的同时，还能为其提供直流供电的技术。Po E技术的发展得益于VoIP（将模拟声音讯号经过压缩封包后，以数据封包形式在IP网络进行语音信号的传输）和WLAN（无线局域网）的发展，该技术可以确保在不影响原有结构化布线安全的同时，保证网络的正常运作，不但简化了布线系统，还可以大大降低安装成本，有利于基于IP协议的网络终端的普及。

    但Po E技术应用于照明系统还比较超前，笔者根据某世界著名IT公司办公楼装修项目中接触到的Po E照明系统，对该系统进行简单阐述，以供电气设计人员了解。

1  Po E技术介绍

1.1IEEE 802.3af

    Po E技术很早就有，但早期的Po E供电技术无规范可循、IEEE在1999年开始制定该标准，由于

 Amendment: Data Terminal Equipment (DTE) Powervia Media Dependent Interface (MDI）>，该标准是在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，明确规定了远程系统中的电力检测和控制事项，并对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP电话、安全系统以及无线LAN接人点等设备供电的方式进行了规定。

    一个完整的Po E系统包括供电端设备(PSE，Power So U rcing Equipment)和受电端设备(PD，

Power Device)两部分。PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个Po E以太网供电过程的管理者。而PD设备是接受供电的PSE负载，即Po E系统的客户端设备，如IP电话机、IP摄像机等许多其他以太网设备。两者基于IEEE 802. 3af供电标准建立有关受电端设备PD的连接情况、设备类型、功耗级别等方面的信息联系，在此基础上PSE通过以太网向PD供电。鉴于标准的网线（五类线、超五类或者六类线等）为四对双绞线，常规网络传输信号仅需要四对双绞线中的两对来完成数据传输，因此．IEEE 802. 3af Po E供电标准允许两种供电方式（示意图见图1）：

    a．方式1：电源与数据线对独立，根据网络常识，正常即在4、5、7、8线对上传输电流，并且规定，4、5为正极，7、8为负极；而在1、2、3、6线对上传输数据。

    b．  方式2：电源与数据线对共用，即在1、2、3、6线对上既传输数据又传输电源；此时的极性为任意，1、2为正极，3、6为负极或是1、2为负极，3、6为正极均可。

1.2   IEEE 802. 3at

    IEEE 802. 3af规范中对供电端设备(PSE)功率规定为15.4 W，考虑到线缆阻抗导致电压降的存在，到受电端设备(PD)处的最大功率只能做到12. 95 W，这对于传统的网络受电设备基本可以满足需求。

    随着网络对人类生活的渗入，新设备、新应用不断增加，IP电话、网络摄像头、双波段接人、视频电话、PTZ视频监控系统等高功率应用的出现，向网络终端设备提供更高功率的要求在激增。IEEE802. 3af - 2003规定的供电功率逐渐不能满足实际使用需求，为了解决这个问题，  IEEE在2009年初发

802. 3at标准可输出2倍以上的电力，每个端口的输出功率可在30W以上。虽然该标准暂时解决了基本的PoE供电需求，但IT技术的变革日新月异，对Po E供电容量要求也有更高的要求。目前IEEE 802. 3bt任务组正在研究通过4对双绞线传输更高功率的标准，以适应未来的发展需求。限于篇幅，不再赘述。1.3   IEEE 802. 3af及IEEE 802. 3at的Po E供电特性

    根据上述内容，可以了解到以太网Po E供电是通过供电端设备(PSE)为网络终端设备提供直流电源．PSE的输入电源依然是常规的交流电，通过其内部电路的整流转变为直流电。表1为IEEE 802. 3af与IEEE  802. 3at的Po E供电特性对比。

    表1中PSE侧输出功率为端口能够提供的最大功率，而PD端可获得的最小功率是根据直流电压、不同网络线缆（诸如Cat 3、Cat 5、Cat 5e等）造成直流电阻不一样所能提供给网络终端设备的最小功率，该数值是对应标准中所能规定的下限值。其中，IEEE 802. 3af对网络线缆的最低要求为Cat 3，而IEEE  802. 3at的最低要求为Cat 5。

1.4  Po E供电工作过程

    Po E供电是通过网络设备向网络终端供电，其供电工作流程也有一定的准则，此种准则亦是在程序软件实现逻辑控制的基础。IEEE 802. 3af、IEEE802. 3at二者的供电过程基本一致，此处仅介绍EEE 802. 3af的Po E供电工作过程：

    a．检测：一开始PSE端口先输出一个低电压来检测受电设备(PD)是否符合IEEE 802. 3af Po E供电标准。IEEE 802. 3af标准利用受电设备中的一个24.9 的共模电阻，作为确认是否符合IEEE 802.3af供电的标准。

    b．  分级：当PSE检测到符合要求的阻值后，会将输出电压进一步提高，来对受电设备进行分级，如果受电设备此时没有回应分级确认电流，PSE默认将受电设备归为0级（有关设备分级请参考IEEE802. 3af - 2003的表33 -3），为其提供15.4W的输出功率。

    c．供电：确认分级后，PSE会向受电设备输出48 V的直流电，并确认受电设备不超过15.4W的功率要求，当受电设备超载或短路后，PSE停止为其供电，再次进入检测阶段。

2  Po E智能互联照明系统

2.1LED照明

    LED（Light Emitting Diode）是一种半导体发光二极管，利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合发出过剩的能量，从而引起光子发射产生可见光。

    随着LED照明技术的不断发展与突破，LED发光效率逐步提高，性价比也不断提升，LED照明产品在电光源领域的应用市场正在不断扩大。从诸如“安全出口”、“电梯”、“卫生间”等早期的建筑标志标识到建筑物轮廓照明、室外园林景观照明，发展到室内照明，包括筒灯、射灯、办公灯具等，尤其在疏散照明中应用更为广泛、普及。目前LED芯片的光效，从十年前的151m /W呈现约20倍的增长，已经超过T5三基色直管荧光灯的光效。未来几年，LED芯片的光效每年将以20%~25%的速度提升。

    在中国，随着节能政策的普及和大家节能意识的增强，LED照明的应用越来越多。2014年6月1日开始实施的GB 50034 - 2013《建筑照明设计标准》第3.2.2条关于照明设计的光源选择也开始在部分场所推荐采用LED照明。

2.2  LED可见光通信

    可见光通信(Visible Light Communication，VLC)其实就是利用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。又称为“光保真技术”，英文为LightFidelity（简称LiFi）。

    因为采用发光二极管的LED灯比以往的白炽灯、荧光灯可以承受更快的开关切换速度。通过给LED灯加装微芯片来实现其每秒数百万次的闪烁，其中灯亮代表1、灯灭代表0，由此二进制数据可快速编码成数据信号，从而进行有效的数据传输。而LED灯的闪烁频率对人的眼睛来说是不可见的，只有光敏接收器才能探测到。此时无论是照明还是数据传输，用户都不会感受到任何影响。根据复旦大学网站在2013年10月16日发布的新闻，复旦大学迟楠教授带领的课题组在实验室创造了M离线最高单向传输速率达到3.7 G．实时系统平均上网速率达到150M，目前这个传输速率不断在被刷新。

    图2为可见光通信原理，有关其具体知识非电气设计专业研究范畴，本文不赘述，若有兴趣可参阅相关资料。

    毋庸置疑，随着LED技术的发展成熟及技术积淀、价格不断降低，结合国家节能政策，LED依靠耗能低、光效高、工作温度低、寿命长、体积小等优点必将成为下一代节能照明的主力。结合可见光通信技术LED照明将有更进一步的发展。

2.3  Po E智能互联照明系统

    LED是低压直流器件，为了兼容传统的交流电源，基本上所有的LED照明均采用交流／直流转换器即LED驱动器将交流电源转换为适合LED照明的低压直流电源，这一转换过程降低了系统效率。卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的一项研究发现：在一个约4 400m²的4层办公建筑中采用LED替代荧光灯，由于每个LED配置AC／DC驱动器使得系统效率有所下降；与传统采用交流电为灯具供电相比，直接使用直流电每年可节省$2 000。如果LED由并网的太阳能电源供电，与交流电相比，使用直流电每年可节省$5 000。有关研究的详细分析。

    根据前述的IEEE  802. 3af - 2003、IEEE 802. 3at- 2009标准，以及LED可见光通信技术，采用标准网线利用Po E技术为LED照明提供直流电源并进行数据通讯成为可能。此时通过能够提供Po E的交换机／集线器作为供电设备( PSE)，而LED照明灯具则为受电设备(PD)。

    采用Po E技术，每个LED照明灯具通过标准的RJ 45接口成为即插即用设备，并具有独立IP地址。另外，若为LED灯具增加传感器，即可将其从单纯的照明设备转换为智能LED集中器，可收集关于环境光、温度、湿度等等信息并传回控制器。例如，人员检测可确保在有人进入房间时打开照明，在房间无人时关闭照明。环境光传感器也支持日光收集，以及调节LED照明，在没有日光时维持恒定的亮度。

    目前．Po E照明制造商主要集中在美国及欧洲，  美国有NuLEDs(http:／／www. nuleds. com)、INNOVATIVE LIGHTING (http: //www.innovativelight.com)；欧洲有飞利浦、Netgenium(http:／／www.netgenium. co. uk)。关于Po E照明投入使用的案例逐渐增多，思科公司在其加拿大多伦多的全球思科万物互联(Intemet of Everything，IOE)创新中心将安装超过1 200套Po E灯具。使用规模最大的当属荷兰阿姆斯特丹德勤大厦，该大厦建筑面积30 000 m²，14层。飞利浦为其提供了6 800套灯具（每套3 000 1m）、2 500个人体感应及光线感应器（照度可调0~ 10 000 lx）、750个Po E交换机、30个空调集成器、30个楼层控制器和1套Envision Manager中央控制软件，员工可以通过智能手机APP对照明和温度进行个性化设置，从而打造了一个舒适、高效、节能的未来办公高科技建筑典范。图3为飞利浦Po E智能互联照明系统结构图。

    Po E智能互联照明系统优势如下：

    a．  安全。与常规灯具采用AC 220V相比，标准规定的Po E直流电压小于120 V，属于特低电压，安装过程更加安全。此外，根据1.4节Po E供电工作过程，只有在与终端设备建立连接后才输出正常工作电压，更加提高了安全性。

    b．高度适应未来发展。LED照明灯（以及相关的智能传感器集中器）已经安装到所需的位置，意味着电源和数据已经连接到大多数的有用位置。所以，只需较低的边际成本和相对较低的人力即可增加新传感器或通信模块，例如分布式短程无线接入点。

    c．  降低成本、提高工作效率。LED灯具与网络设备合用，降低支持IP的设备的部署和安装成本。由于数据和电源共用相同的电缆，降低了布线成本；由于安装网线不需要有资质的电工，所以也降低了安装成本。标准式接口可以大大提高工作效率。

    d．提高管理效率及绿色节能。设施拥有者和管理者可以通过中央控制软件，整体了解设施的能源使用情况。通过测量、监测和控制网络的所有节点（包括加热和通风），管理者能够发现提高能源利用率和运营效率的机会。另外，可以结合人体感应器，根据不同功能区域要求实现特定管理，节约能耗。

3 PoE照明在电气设计中需注意的问题

    即使PoE照明有以上众多优点，但直流配电相对于常规交流配电系统仍有一些亟待面对和需要考虑的问题。考虑到IEEE 802. 3at - 2009兼容IEEE802.3af - 2003．本文以表1中IEEE 802. 3at为对象进行电气方面的分析。

3.1PoE供电线路选择

    在讨论后续电气设计相关问题前，对PoE线缆需作一个要求。随着网络传输数据量的飞速发展，网络带宽要求越来越高，从超五类(Cat 5e)的100 MHz.到六类线(Cat 6)的250 MHz，再到在TIA／EIA - 568B.2 - 10标准中规定的超六类(Cat 6 A)的500 MHz．其各项性能参数都得到了显著提升，从而提供更高的传输速率，满足未来网络升级需求。

    鉴于一般办公网络需求，本文以非屏蔽Cat 6（后简称Cat 6）作为PoE线缆来进行后续探讨。笔者查阅了施耐德、美国百通(Belden)的Cat 6技术参数，导线采用美国线规23 AWG实心裸铜线，其对应的公制外径为0. 57 mm，导体直流电阻为7.2~7.4／100m．为便于统一直流电阻按7.5 Q／100m考虑，满足ANSI／TIA - 568 -C．2- 2009《Banlanced Twisted - Pair Telecommunications  Cabling  and Componets Standards》第6.4.1条导体直流电阻不大于9. 38 ／100 m的要求。更为详细的线缆电气特性，请参阅YD/T 1019 - 2013《数字通信用聚烯烃绝缘水平对绞电缆》第5.9条表13。

3.2  PoE供电线路保护

    据前述1.3节内容，供电端设备(PSE)之前仍为交流配电回路，其线路保护按照常规设计进行。供电端设备(PSE)后为直流配电，其电流路径为供电端设备( PSE)、网络布线Cat 6、受电设备(PD)。对于直流配电回路也应考虑电缆载流量．过载、短路及接地等保护措施。

3.2.1线缆载流量、温升

    Cat 6的单芯铜导体外径为0.57 mm、截面积为0. 255mm²,绝缘层基本采用聚烯烃。无论是采用方式1或方式2均为2对双绞线即4根导体作为直流正、负极电流通路，因此导体截面积为0.51mm²。参照《工业与民用配电设计手册》（第三版）表9 - 30中数据，在环境温度40℃时载流量为8A，由于表中数据为明敷，考虑网线有外护套及成束敷设，校正系数按表9 - 21中单层敷设在墙、地板或无孔托盘上（序号2）最差情况0.7考虑，其载流量为5.6 A。但根据表l，最大工作电流为600 m A，因此采用PoE供电时，线缆的载流量可以满足要求。另外，根据IEC 60603 -7  Edition 3.1 2011《Detail specificationfor 8- way,  Unshielded,  Free and Fixed Connectors》第6.4.3条对8P8C(8 Position，8 Contact)即RJ45连接器的通流能力要求在环境温度不超过40℃时约为1.5 A，同样可以保证线缆不会出现过载。

    关于因传输直流电不同于传输网络数据导致线缆温升的相关数据，更多信息可参阅TIA - TSB - 184 - 2009《Guidelines For Supporting Power Delivery Over Balanced Twisted - pair Cabling》,此处不再赘述。

3.2.2过载、短路及接地故障保护

    上述故障基本都表现为其故障电流与正常工作电流不一致，故IEEE 802, 3at - 2009第33.2.7.6条、第33.2.7.7条对出现非正常工作电流后，在约定的时间内供电端设备(PSE)将停止供电。该机制是对PSE设备的要求，确保设备正常工作，其运行电流模型参见IEEE  802. 3at - 2009图33 -14，如图4所示。

3.3供电距离

    采用PoE供电直流回路电阻为7.5 ／100 m（单根单体为7.5 ／100 m，每对双绞线并联，供、回共200 m），如按最大600 m A电流考虑，同时根据GB 50311- 2007《综合布线系统工程设计规范》第3.2.3条要求水平布线的永久链路一般不超过90 m，则全部线路电压降为7.5×0.6×0.9=4. 05 V，PSE端输出为50~ 57 V，此时提供给PD的直流电压最小为

45. 95~ 52. 95 V。若运行电流降低，线路压降减小，相应PD端电压则可以提高。因此，采用Cat 6在常规综合布线情况下，可以满足电压降的需要。有关电压降数据。

3.4应急照明设计

    LED照明以其高亮度、低功耗、寿命长、安全电压供电等诸多优势，成为应急照明产品的首选，受到越来越多的青睐。采用Po E供电及通讯的应急照明系统，不但可以取消独立设置的通讯线简化系统，还可以通过定位引导功能帮助消防人员及早进入火灾现场，降低损失。但对于Po E供电的应急照明系统，也应注意以下问题：

    a．供电距离相对较近，会导致PSE不能设置于强电间，而置于开放式区域的防火问题需要加以解决的措施。

    b．  目前还未有阻燃耐火的网络线缆，需单独设置耐火线槽、线管采取暗敷或喷涂防火涂料等防火措施。

    c．Po E终端灯具需要通过国家消防电子产品质量监督检验中心型式试验和公安部消防产品合格评定中心的认证，并取得相关报告与证书。

3.5防雷保护

    若Po E供电系统实际应用中，出现PSE与PD处于不同防雷区，需要考虑对雷电感应与雷电波侵入的防护，必须在PD与PSE连接的信号线接口处加装相应的防雷装置，避免感应雷电流和雷电波对设备造成损坏。

4结语

    LED的出现为建筑照明节能的提升提供了可能和保障，其技术的发展必将引导未来照明前进的方向。而Po E的直流供电和网络控制的照明系统，则为其更加可能颠覆传统照明及其控制技术提供了动力。由于Po E供电技术应用于照明系统还处于刚刚起步阶段，部分还处于技术研究阶段。笔者抛砖引玉，希望与广大同行、相关研究人员展开讨论。限于水平，不足之处恳请批评指正。