Nghiên cứu mạng truyền thông sử dụng đường dây tải điện - plc

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.69 MB, 26 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

HỌC VIEN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quý Sỹ

Phản len ĐÔ C9 9600000009000000060006000006000606000606006066006060606060660606060666060660666666. .

2 cA

an DI€H z:. cece cece ccc cccc ccc cccccvcccc ccc cecccsscsccesccsccsscececcees

Luận văn sẽ được bao vệ trước Hội đông cham luận van thạc sĩ

tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thơng.

Vào lúc: ... ĐIỜ... ngày ...tháng... năm 2015.

Có thê tìm hiệu luận van tại:

- Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng.

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

MỞ ĐẦU

Lĩnh vực truyền thông hiện nay đang rất phát triển. Ngoài các phương tiện truyền dẫn như cáp quang, cáp dong trục, thi việc truyền thông sử dụng đường dây tải điện cũng là một phương thức không kém phan hiệu quả. Nếu hệ thống điện có

thể cung cấp một phương tiện truyền thơng qua đường dây điện

thì đây có thé là một bước đột phá mạnh mẽ đối với lĩnh vực truyền thơng. Mỗi hộ sử dụng đều có thể kết nối ở bất kỳ thời

điểm nào và các dịch vụ được cung cấp dưới dạng thời gian

thực. Bên cạnh đó phương tiện truyền thơng này cịn có tính

kinh tế cao so với các phương thức khác, vì nó tận dụng được cơ

sở hạ tầng sẵn có.

Chính vì vậy, việc tìm hiểu các đặc tính, phát huy các ưu điểm và khắc phục các nhược. điểm của việc truyền thông trên

đường dây tải điện, nhằm tiến tới xây dựng một mạng lưới

truyền thông trên đường dây tải điện là một yêu cầu cấp thiết.

Dé từ đó ta có thé ứng dụng để giám sát và điều khiến các thiếtbị điện thông qua đường dây tải điện, thực hiện các giải pháp

cho nhà thông minh và đặc biệt là triển khai ứng dụng đo đếm

điện năng từ xa sử dụng công nghệ truyền thông trên đường dây

tải điện PLC là vấn đề cần thiết cho ngành điện lực ở Việt Nam

hiện nay. Luận văn được xây dựng với bố cục như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông PLC.

Chương 2: Phát và thu tín hiệu trong lớp vật lý của mạng

Chương 3: Ứng dụng công nghệ PLC trong việc đo đếm điện

năng từ xa cho ngành điện ở Việt Nam.

Kết luận: Tóm tắt kết quả nghiên cứu, các đề xuất và kiến

nghị.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE MẠNG TRUYEN THONG PLC

1.1 Mô tả chung về mạng truy nhập PLC

Đường dây điện ban đầu được thiết kế để phân phối năng

lượng một cách hiệu qua, do đó khơng thích hợp cho truyền tin

và nâng cấp nó lên hệ thống truyền thông cao hơn là vô cùng cấp thiết. Ngày nay, những nghiên cứu chính đều muốn tăng hệ

số truyền đạt thông tin để phù hợp các ứng dụng tốc độ cao.

1.1.1 Mô tả chung về cấu trúc mang PLC

1.1.2 Mơ tả về các nút

Một mạng PLC có thê bao gồm : -Một 6 tế bao PLC (PLC cell)

-Một vai PLC cell nếu chúng trao đổi với nhau thông qua

FDR. FDR được tạo nên từ một HE và một CPE hoặc TDR hoạt

động ở các chế độ khác nhau.

1.1.3 Mơ hình mạng tham khảo

Ngồi các lớp được nêu ra đưới đây thì cịn kế đến các phần

quan trọng nữa đó là Security va Coexistence. Nội dung chính

của bản báo cáo nằm ở lớp MAC trong mơ hình này. Ở mức ứng dụng, hệ thống xuất hiện giỗng như một hộp đen nam giữa các

giao diện gói thơng tin và đường dây tải điện.

1.2 Truyền thông trên mạng đường dây tải điện

Mạng điện là một hạ tầng bao quanh hầu hết diện tích sống

và làm việc của con người. Năng lượng điện được tạo ra và sau

đó truyền trên cáp mạng cao áp (500kV) tới các trạm biến áp, để biến đổi điện áp (về 10kV) và phân phối năng lượng tới một số

lượng lớn các lưới hạ thé(0,4Kv). 1.3 Truyền thơng số

1.3.1 Mơ hình hệ thơng

Các nguồn mã hoa dir liệu đầu vào đó truyền trên kênh

thơng tin một hệ sỐ thơng tin chắc chan r,. Đặc tính đo lường, ta định nghĩa khả năng lỗi bit, như xác suất mà một bit nhận được

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

là sai tại máy thu. Như ta sẽ thấy sau nay, kênh thơng tin có thé can trở sự truyền tin và làm gia tăng xác suất số bit lỗi.

1.3.2 Khối mã hóa nguồn

Tat cả di liệu bao gồm cả phần dư thừa, được thực hiện dé

nén lại. Quá trình nay do khối mã hóa nguồn hồn thành và giảm

thiểu sự dư thừa của các bit truyền đi trên toàn bộ kênh truyén.

Tại máy thu khối giải mã nguồn giải nén dữ liệu, để có được bản

sao chính xác của nguồn dữ liệu (sự nén không làm mất dữ liệu)

hoặc một dang mới (sự nén tổn hao dữ liệu). Nếu dãy dir liệu

nhận được khơng có một bản sao chính xác của dãy dữ liệu

truyền đi và mật độ của sự nén có thê tăng lên.

1.3.3 Kênh mã hóa

Với sự sắp xếp để giảm xác suất việc xuất hiện các bit lỗi, kênh mã hóa bổ sung thêm các bit thừa (các bit điều khiển bổ sung) vào day bit trong đường truyền được điều chỉnh. Khi một lỗi xuất hiện trong chuỗi bit, thơng tin bổ sung có thé được dùng bởi bộ kênh giải mã, để phân loại và có thể được điều chỉnh các lỗi. Thơng tin dư thừa được bổ sung đều phụ thuộc vào số lượng của sự điều chỉnh cần thiết, nhưng nó cũng điều chỉnh các hệ số của kênh truyền. Hai kỹ thuật mã hóa thường dùng là mã khối và

mã chập.

1.3.4 Bộ điều chế

Bộ điều chế gây ra một tín hiệu thơng tin sóng mang, lan

truyền trên tồn bộ kênh truyền. Giai đoạn này dữ liệu được

chuyền đổi từ dong bit trong một tín hiệu tương tự, kênh truyền có thê điều chỉnh được. Bộ điều chế thiết lập dạng sóng tương tự, bố trí và phân phối nó thành một dạng sóng đã biết, tới các bit nhị phân hoặc dãy ký tự. Tai máy thu, bộ giải mã cố gắng phân loại dạng sóng đã truyền đi và chuyển đổi thông tin tương

tự trở lại dãy bit đã truyền. Các kỹ thuật điều chế đã có như

OFDM, GMSK, FSK, PSK, QAM.

1.3.5 Kênh thông tin

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Kênh truyền có thể là bất cứ mơi trường vật lý nào, như cáp đồng trục, khơng khí, nước hoặc dây điện thoại. Việc quan trọng

là biết các hệ số của kênh truyền, sự suy hao, cũng như các mức

nhiễu. Bởi vì các đặc trưng này ảnh hưởng đến chất lượng của

hệ thống truyền tin.

1.4 Đường dây điện giống như một kênh thông tin

Như ta đã đề cập đến phan trên, một kênh truyền có thé

giỗng như phần vật lý giữa một bộ phát và bộ thu. Chú ý đó là một lưới hạ thế bao gồm rất nhiều kênh, mỗi kênh có một đặc tính và hệ số riêng.

1.4.1 Sự giới hạn băng thông

Như đã mô tả ở trên băng thông tỷ lệ với hệ số truyền, do đó một băng thông lớn rất cần thiết trong việc đưa ra chế độ truyền với hệ số cao. Tại Châu Âu cho phép băng thông sử dụng bởi

chuân CENELEC. Chuẩn này chỉ cho phép các tần số giữa 3kHz

và 148.5kHz.

1.4.2 Sự bức xạ của tín hiệu truyền

Khi truyền một tín hiệu trên đường dây, tín hiệu được bức

xạ trong khơng khí. Ta có thể nghĩ đường dây như một anten

lớn, nhận và phát các tín hiệu. Điều đó quan trọng, vì tín hiệu bức xạ từ đường dây không gây nhiễu với các hệ thống truyền

tin khác nhau.

1.4.3 Trở kháng không phù hợp

Bình thường, tại sự truyền tin thơng thường, phối hợp trở

khang được thực hiện, cũng như việc sử dụng các cáp 5m9 vàbộ thu 50m9. Mạng dây điện là không phù hợp. Trở kháng đầu

vào và đầu ra biến thiên theo thời gian, với các tải khác nhau và

vị trí khác nhau. Nó có thé dưới mức (m9), cũng như cao hơn

vài ngan® va nhất là thấp hơn tại trạm biến áp.1.4.4 Tỷ số tín hiệu so với nhiễu

Một giá trị cần thiết khi đánh giá chất lượng của hệ thống truyền tin là tỷ số tín hiệu so với nhiễu SNR.

1.4.5 Hoạt động của lưới điện qua các thời điểm khác nhau

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Một vấn đề với kênh truyền trên đường dây điện là sự thay đổi thời điểm của sự suy hao. Mức nhiễu và sự suy giảm phụ thuộc một phần vào việc bố trí các tải, biến thiên theo thời gian.

Một kênh thông tin có thời điểm thay đổi, phức tạp trong thiết kế hệ thống thơng tin.

1.4.6 Mơ hình kênh truyền của thơng tin mạng điện

Ta đã xem xét một vài yếu tố làm suy yếu hiệu suất của một

hệ thống truyền tin mạng dây điện :

- Trở kháng không phù hợp tại máy phát

- Sự suy giảm kênh truyền

- Sự nhiễu

- Trở kháng không phù hợp tại máy thu

- Thời gian thay đổi của sự suy hao

1.5 Đường dây điện và các thông số đặc trưng

1.5.1 Khái niệm

Đặc thù của mạng PLC là truyền thơng tin qua mạng lưới

điện, nên đặc tính đường dây đóng vai trị quan trọng trong việc

truy nhập cũng như cung cấp thơng tin. Để hiểu được tính chất vật lý của đường dây, trên cơ sở có thé thiết kế, vận hành tối ưu, ta sẽ nghiên cứu trong các sơ đồ đơn giản, thông dụng hiện nay. Sơ đồ hệ thống điện bao gồm đường dây dài có hai nguồn cung cấp ở hai đầu, bao gồm cả thiết bị bù các loại và máy biến áp tăng giảm ở hai đầu.

1.5.2 Xây dựng các hệ phương trình vi phân cơ bản của

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Thay (1.28) vào (1.17) va (1.18) ta được :

— K eft piaxtio — Bx „~ jacxt joy

U.=K ee + K,e e (1.29)

I. = Ky 28x gia joy-j0 _*),

Z ZSs Ss

Bx g~ JAX jOy— JO

Từ các hàm phức trên đây, theo các quy tac đã trình bay trong lý thuyết mạch, dễ dàng lập được các hàm thực của điện áp va dịng điện, đó là các hàm biến thiên theo thời gian t và độ

đài đường dây x :

1.6 Kết luận chương 1

Trên cơ sở các khái niệm về PLC và đặc điểm của kênh truyền trên đường dây tải điện có được, chương này đã đề cập

đến các kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền

thông PLC và đưa ra các tiêu chuẩn quốc tế khuyến nghị cho các

mạng PLC. Các kết quả này sẽ tạo tiền đề cho việc ứng dụng quan trọng của PLC đó là đo đếm điện năng từ xa (hay còn gọi

là đọc công tơ tự động từ xa) tại Việt Nam sẽ xây dựng ở

chương 3.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Một modem PLC kết nối các thiết bị truyền tin người sử dụng với đường dây tải điện. Giao diện của PLC với thiết bị phía người sử dụng có thể là Ethernet hoặc USB. Modem PLC ngoài chức năng chuyền đổi tín hiệu cịn có vai trị là bộ phối

hợp trở kháng, bộ lọc tách tín hiệu điện (tần số 50 hoặc 60Hz)

và tín hiệu thơng tin (tan số trên 9kHz). Modem PLC không chi thực hiện tất cả các chức năng lớp vật lý (Physical Layer) như mã hóa, điều chế mà còn thực hiện chức năng lớp Data link

(MAC và LLC).

Hình 2.2 Cac phan tử liên kết modem PLC [4]

2.1.2 Tram lap

Trong truong hop, khoang cach gitta cac modem PLC voitrạm gốc là rất xa, can sử dung các bộ lặp tín hiệu (repeater).

Các bộ lặp này thực hiện chức năng truy cập thành mang PLC,

từ các đoạn kết nối khác nhau. Mỗi thành phần mạng có thé

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Hình 2.4 Dạng sóng tin hiệu điều chế FSK [11]

2.2.2 Chỉ sô điêu biên

Trong kỹ thuật FSK người ta định nghĩa hệ sô h :

» afin =F.b

Với b, là tốc độ truyền bit ( mps )

Hệ số h là chỉ số biến điệu ( modulation index ) m, trong kỹ thuật FM cổ điển

af là độ di tần cực đại ; /, là tần số tín hiệu điều chế

Nếu áp dụng vào trường hợp FSK thì :

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Vậy h = mF

Phé tần của tín hiệu điều chế FM tùy thuộc vào hệ số

Bessel, tứ tùy thuộc vào chi số biến điệu.

2.2.3 Băng thông FSK

Goi 7, là thời gian của một bit tín hiệu truyền ( dai nền ), tốc

độ bit

Tần số lớn nhất của tín hiệu, tương ứng với biến đổi liên tục

giữa bit 1 và bit 0, la:

1 b

a ae)

Vay tan số co ban lớn nhất của tín hiệu dải nên bang 1⁄2 tốc

độ truyền bit "

Tín hiệu FSK tức thời có thê việt :

Vise =V, sin(2f,t) +V sin(2z ft)

Trong đó v,đặc trưng cho tin hiệu hình vng có tan số cơ

bản /,biên độ o hoặc 1 tùy thuộc trạng thái dữ liệu điều chế. Vì thé ta có thé vẽ lại phơ tần của tín hiệu FSK.

đây ta có một vịng khóa pha đơn giản

l Tín hiệu ra FSK

Hình 2.6 Sơ đồ vịng khóa pha đơn giản [11]

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Một PLL là một hệ thống hồi tiếp gồm 3 bộ phận chính:

mạch so pha, mạch lọc hạ thơng và một VCO. PLL là một vịng

kín, tín hiệu ra từ VCO tự động khóa bởi tín hiệu vào. Bằng cách

so sánh pha của tín hiệu ra từ mạch VCO và tín hiệu vào, sự sai

pha sẽ được biến đổi thành điện thé một chiều, điện thế này sẽ điều khiển VCO dé tạo một tín hiệu ra ln ln có pha và tần

số của tín hiệu vào.

2.3 Đặc tính truyền tin của lưới hạ thế

2.3.1 Hệ thơng PLC-P

Trọng tâm của PLC-P đó là nó có khả năng đơng bộ việc

đọc cơng tơ, nhưng cũng như vậy việc thiết kế đồng bộ các dịch vụ khác như hệ thống báo động cũng được chú trọng. Cau trúc

của PLC-P được thiết kế từ một cấu trúc hệ thống mở và dễ

dàng mở rộng tới hầu hết các hãng sản xuất và người sử dụng

2.3.2 Truyén thong trong PLC-P

Sự truyền tin giữa CCN va MEN đều thông qua đường dâyđiện. Liên tục trong hàng giờ CCN thăm dò mỗi MEN trong các

giá tri hiển thị trên công tơ. Đề điều khiển các MEN và đọc các

giá tri trên công tơ, cần chuyển dịch một dãy các giá trị khác nhau. Sự chuyển dịch như là việc kết hợp dãy của các yêu cầu

do CCN lựa chọn băng việc trả lời yêu cầu đó, với một vài dữ

liệu, từ một MFN.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

2.3.3 Xác suất truyền nhận tồn phan

Vi PLC-P khơng trun nhận thơng tin tới các hộ gia đình

tương ứng với kênh thơng tin chất lượng thấp, có thể tin tưởng

thơng tin được lựa chọn gửi đi, bởi một vai sự truyền nhận đó.

Hầu hết sự truyền nhận trong thực tế cần tổng hợp tất cả dữ liệu.

Mỗi giờ CCN bắt đầu hai bước chuyền tiếp tới mỗi MEN. Nếu tat cả các kênh chất lượng cao chỉ có 118 sự chuyền tiếp ta cần 1

Từ các logfile ta thu được xâp xi 70% cua tông sô lân

chuyên tiếp nhận được (Pccn = 0.7). Ly do cho điều nay là phan

chính của sự truyền tin có hướng tới các hộ gia đình tương ứng với các kênh truyền tin chất lượng thấp.

2.4 Ảnh hưởng của các tải tới việc truyền thông mạng lưới

đường dây điện _

Trong các phân trước chúng ta đã được biét một sơ thuộc

tính đặc biệt của những kênh trong một mạng lưới điện áp thấp.

Những tải khác nhau được kết nối tới đường điện có thể giảm

chất lượng của những kênh thông tin. Tuy nhiên, cơ sở trên dit liệu tổng hợp có thể khơng cho biết răng nó mạnh như thế nào.

Dé điều tra nghiên cứu xa hơn một tai di động có thé tải trong

nhiều lưới . Thêm nhiều đặc điểm hơn, Những tải di chuyển bao gồm một máy đổi điện ra điện áp nguồn 65kVA, dé chạy động

cơ 40 kW, để chạy một máy phát điện đồng bộ 48kVA, hỗ trợ nguồn từ một vải động cơ nhiệt 45kW.

2.5 Kết luận chương 2

Trên cơ sở ly thuyét đã đưa ra ở chương I, chương II sẽ di

sâu vào phân tích khả năng phát và thu tín hiệu trong lớp vật lý

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

của mạng PLC. Qua đã làm rõ được những chức năng, nhiệm vụ

của các phần tử trong lớp mạng PLC. Phân tích được rõ hơn

các thuật tốn về mã hóa và tín hiệu hóa trong lớp vật lý của

mạng PLC. Đồng thời cũng đưa ra các đặc tính truyền tin của lưới hạ thế và ảnh hưởng của tải tới việc truyền thông tin trên đường day tải điện. Các kết quả nay sẽ được tổng hop, phân tích và đánh giá dé đưa vào ứng dụng quan trọng của PLC là đo đếm

điện năng từ xa (hay còn gọi là đọc công tơ tự động từ xa) chongành điện lực ở Việt Nam.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC TRONG

VIỆC ĐO ĐÉM ĐIỆN NĂNG TỪ XA CHO NGÀNH ĐIỆNLỰC Ở VIỆT NAM

3.1 Kỹ thuật điều khiến phụ tải bằng sóng

3.1.1 Tổng quan kỹ thuật điều khiển phụ tải từ xa

Đặc điểm chung của các hệ thống điều khiển phụ tai từ xa là

sử dụng kênh thông tin để truyền tín hiệu điều khiển phụ tải.Việc đánh giá, lựa chọn giải pháp điều khiển phụ tải từ xa phụ

thuộc rất nhiều vào đặc điểm của kênh thông tin. Các yêu câuđối với kênh thông tin cơ bản gồm:

- Tốc độ truyền tin

- D6 tin cậy cua tin

- Kha nang chong nhiéu - Khả năng truyền thông

- Độ tin cậy và an toàn của hệ thống - Bản quyên quan lý tan số phát

- Khả năng thích hợp về cơng nghệ và tính linh hoạt mở rộng, phát triển

3.1.2 Đặc điểm của điều khiển phụ tải bằng sóng

Kỹ thuật điều khiển phụ tải bằng sóng có những ưu điểm

sau :

- Tốc độ, tính linh hoạt và độ tin cậy - Khả năng truyền thông

- Khả năng phát triển - Tỉnh kinh tế

3.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển phụ tải

bằng song

Hé thong diéu khién phu tai bang song là hệ thống một

chiều bao gom thiết bi phat, bộ kết nội, kênh truyền, các máy thu

và bộ điều khién đặt tại các phụ tải cần điều khiển. Từ trung tâm

điều khiển, các lệnh điều khiển dưới dang dãy xung mã hóađược gửi tới máy phát tín hiệu theo đường truyền dữ liệu hữutuyến hoặc vô tuyến. Máy phát được đặt tại các trạm biến áptrung gian, thực hiện biến đôi mã lệnh điều khiển thành điện ap

xoay chiều có tần số xác định rồi phát vào hệ thống cung cấpđiện thơng qua bộ kết nối. Tín hiệu lan truyền tới mọi nơi trong

</div>