TRUYỀN TÍN HIỆU TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG TRẢI PHỔ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC





ĐỀ TÀI: TRUYỀN TÍN HIỆU TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN
VÀ ỨNG DỤNG TRẢI PHỔ.

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN HỮU TRUNG
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN KHẮC TÍNH
Lớp : 11B KTTT1
MSSV : CB110920
Môn học : Kỹ thuật trải phổ




Hà nội, tháng 2 năm 2012









Truyền tín hiệu trên đường dây điện

và ứng dụng trải phổ.





Giáo viên: TS. Nguyễn Hữu Trung
Học viên: Nguyễn Khắc Tính
Lớp: KTTT1














Truyền tín hiệu trên đường dây điện
và ứng dụng trải phổ.


Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng công nghệ
truyền thông trên đường dây tải điện là một hướng phát triển mới đem lại nhiều
ứng dụng quan trọng, nó cho phép cung cấp các dịch vụ truyền tải điện năng kết

hợp với truyền dữ liệu trực tiếp cho người sử dụng. Nhưng việc bảo mật và chống
nhiễu trong quá trình truyền tải là vấn đề đặt ra cần được giải quyết. Để đảm bảo
có được kênh thông tin an toàn, tin cậy thì việc ứng dụng công nghệ trải phổ là
cần thiết hàng đầu.

I. Giới thiệu
Việc truyền tin trên hệ thống đường dây tải điện sẽ đưa đến khả năng triển
khai nhiều ứng dụng phục vụ công tác kinh doanh điện năng và dịch vụ khách
hàng, đem lại nhiều hiệu quả thiết thực cho ngành điện cũng như khách hàng mua
điện. Tuy nhiên, việc truyền tin trên đường dây tải điện hạ thế là vấn đề khó khăn
từ trước đến nay bởi tính chất đặc thù của lưới điện hạ thế là có kết cấu phức tạp,
nhiều phụ tải gây nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông tin trên đường
dây.
Để có thể truyền thông tin qua phương tiện truyền dẫn là đường dây dẫn
điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem này có chức
năng biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thông truyền thống như máy tính, điện
thoại sang một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện. Hiện nay,
công nghệ PLC (Power Line Communication) được sử dụng cho các ứng dụng
thương mại trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá Các ứng
dụng truyền tin dựa trên PLC hiện đang còn rất nhiều tiềm năng cần được tiếp tục
khai phá.
Nhưng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, thì nhiều giải
pháp đảm bảo độ tin cậy khi truyền tin trên đường dây tải điện đã được nghiên cứu.
Một trong những giải pháp đang được chú ý là công nghệ trải phổ, nó có khả năng
khắc phục được nhiễu một cách mạnh mẽ, phù hợp với đặc điểm của lưới điện hạ
thế.

II. Công nghệ trải phổ
Khi đưa thông tin truyền trên đường dây điện lưới, ta sẽ gặp phải rất nhiều
yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu. Nhiễu trên đường dây điện có thể quy về 4 loại sau:

· Nhiễu nền (Background noise),
· Nhiễu xung ( Impulse noise),
· Nhiễu băng hẹp (Narrow band noise),
· Nhiễu họa âm (Harmonic noise).
Như ta đã biết, công nghệ trải phổ đã được sử dụng trong kỹ thuật quân sự
và nhiều lĩnh vực khác nhờ tính năng chống nhiễu và bảo mật. Các tính năng này
có được nhờ giãn rộng phổ tín hiệu để không phân biệt được tạp âm nền. Hiện nay,
kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực bưu chính viễn thông với hình
thức phát triển là công nghệ CDMA (Code Detect MultipleAccess).
Với kỹ thuật PLC, vấn đề ta quan tâm là làm thế nào có thể truyền dữ liệu
trong môi trường nhiễu cao, trong khi mức tín hiệu nhỏ và với tần số dòng xoay
chiều là 50 hoặc 60 Hz. Các kỹ thuật điều chế và mã hoá khuyến nghị sử dụng
trong PLC: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao, SS - FFH (Spread Spectrum - Fast Frequency
Hopping) Trải phổ nhảy tần nhanh, DS - SS (Direct Sequence Spread Spectrum)
Trải phổ trực tiếp.Với kỹ thuật DSSS, phổ của sóng mang được điều khiển bởi một
mã giả ngẫu nhiên (PN Pseudo Noise) tuần tự, mã này là một chuỗi tuần tự một
cách ngẫu nhiên của các số nhị phân thu được qua bộ sinh mã (Generator). Mã PN
được nhân với tín hiệu cơ bản (có tần số thấp), tín hiệu thu được sẽ được chuyển
lên đường truyền. Tại bộ phận nhận tin, tín hiệu này lại được nhân một lần nữa với
mã PN đã quy định để thu được tín hiệu gốc ban đầu.

III. Ứng dụng công nghệ trải phổ.
a) Hệ thống truyền tin trên đường dây điện lực.


Hình 1: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực


Hình 2: Hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển trên đường dây điện lực

Khởi đầu của công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực là hệ
thống hỗ trợ đọc công tơ điện. Sau đó hệ thống này được phát triển bổ sung thêm
các chức năng giám sát, cảnh báo và điều khiển. Từ chức năng ban đầu là tự động
đọc số công tơ, ghi lại và chuyển số liệu về trung tâm, các chức năng giám sát hoạt
động, cảnh báo và điều khiển đã được phát triển.
Bây giờ ta đi chi tiết sơ đồ khối hệ thống. Hệ thống gồm 6 khối chính thể
hiện ở hình dưới:


Hình 3: Sơ đồ hệ thống điều khiển từ xa sử dụng kỹ thuật trải phổ
CB: Máy cắt điện
FCB: Máy cắt tuyến đường dây
(*1): Hệ thống thay đổi tần số (600 b/s); tiêu chuẩn 1300 Hz; Mở rộng: 2100 Hz
(*2): Mức điện áp nạp của trạm: 0,3 đến 0,5% điện áp định mức
(*3): Mức dòng điện nạp của RTU

STT
Tên
Sự diễn tả
1
Bàn phím thao
tác
Phát tín hiệu chỉ dẫn để thao tác cầu dao,.v.v
2
Khối điều khiển
truyền tín hiệu
Chấp hành mệnh lệnh nhận tín hiệu từ bàn phím
thao tác và gởi tới phần tử ghép (bộ nối). Nó gửi tất
cả số liệu nhận được từ bàn phím thao tác.

3
Bộ ghép (bộ nối)
điện áp cao
Nạp tín hiệu có âm thanh nhỏ vào đường dây phân
phối nhằm truyền tín hiệu để chỉ đạo sự vận hành
của RTU.
4
Bộ đầu cuối được
điều khiển từ xa
Giải (mã) tín hiệu được nạp có âm thanh nhỏ của
đường dây phân phối để điều khiển cầu dao. Thiết
bị này cũng biến đổi kết quả điều khiển thành tín
hiệu có âm thanh nhỏ và nạp vào đường dây phân
phối.
5
Pano máy biến
dòng bổ trợ cho
đường dây phân
phối
Thu hút tín hiệu (tín hiệu có âm thanh nhỏ) nạp vào
đường dây phân phối.
6
Máy thu
Máy biến dòng bổ trợ thực hiện giải (mã) các tín
hiệu thu được từ đường dây phân phối rồi gửi tới
thiết bị phát.
b) Nguyên lý vận hành hệ thống

Hình 4: kỹ thuật trải phổ

Kỹ thuật trải phổ là một phương pháp có năng lượng tín hiệu phát đi trên
một diện rộng, dải tần số rộng hơn bề rộng dải tần số gốc của chính bản thân tín
hiệu mà nó đã có. Vì lý do này, mà năng lượng được tính tr ên một đơn vị tần số
giảm đi. So sánh với hệ thống liên lạc khác, yêu cầu điện năng cung cấp sẽ giảm đi
khi tiến hành nạp tín hiệu vào đường dây. Hơn nữa, nó ít bị ảnh hưởng nhiễu trong
quá trình liên lạc. Khi có một số ít tín hiệu bị thất lạc do nguyên nhân ồn hoặc do
nhân tố khác gây nên, quá trình trảiphổ tín hiệu sẽ khôi phục lại dạng tín hiệu gốc
ban đầu (hình 4).
Qua hình 2 cho ta thấy kết quả của việc khôi phục lại tín hiệu gốc do nhiễu
gây ra trên đường truyền: giả sử tín hiệu thứ 4 và tín hiệu thứ 7 trong số 10 tín hiệu
bị mất đi do nhiễu âm thanh gây nên, thì tín hiệu đầu ra vẫn đảm bảo.
c ) Bộ điều biến truyền tín hiệu


Hình 5: Bộ điều biến sóng truyền tín hiệu có âm thanh nhỏ

Trong điều kiện làm việc với nhiễu, bộ điều biến sóng truyền tín hiệu có âm
thanh nhỏ được sử dụng để thu phát tín hiệu. Bộ điều biến truyền tín hiệu có chức
năng so sánh và tổng hợp tín hiệu dưới tác động của nhiễu để đảm bảo tín hiệu ban
đầu (hình 5).
d) Khổ truyền sóng
Khổ truyền sóng là sự sắp xếp có thứ tự những tín hiệu gửi từ trạm phát.
Việc sắp xếp các tín hiệu theo thứ tự tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý thông
tin. Cấu trúc của khổ truyền sóng bao gồm 28 từ (word), mỗi từ bao gồm 44 bit với
tốc độ truyền là 200bit/s. Quá trình truyền sóng được thực hiện theo hai chiều, bao
gồm quá trình gửi tín hiệu xuống và quá trình gửi tín hiệu lên.
- Khổ truyền sóng gửi xuống từ trạm chính đến RTU:
11 bit x 12 từ = 132 bit (0,11 giây)
Khổ truyền sóng gửi xuống được thể hiện trong bảng dưới:
1W

2W
3W
4W
5W
6W
7W
8W
9W
10W
11W
12W
STX
Số
trạm
Số nhóm
Địa chỉ của TRU
Thực
hiện
chỉ
huy
Thông số
ETX
BCC
10
1
10
0
10
2
10

1
10
0
10
1
10
0
Với 8 bits thực hiện chỉ huy ta có tối đa 2
8
lênh chỉ huy điều khiển.
Ví dụ: Thực hiện trải phổ lệnh: "Mở khoá điều khiển từ xa" có mã nhị phân là
10100011 có sơ đồ khối được thể hiện ở hình dưới.
Xét đa thức dãy ghi dịch: g(x) = x
8
+ x
4
+ x
3
+ x
2
+ 1. Ta có điều kiện hồi quy dãy
ra: c
i+8
= c
i+4
+ c
i+3
+ c
i+2
+ c

i
. Vì bậc của g(x) là m = 8 nên có 8 đơn vị nhớ trong
mạch và có chu kỳ N = 2
8
-1 [5].


Xung đồng
hồ I
Trạng
thái
Xung đồng
hồ
Trạng thái
0
10100011
5
00110101
1
01010001
6
10011010
2
10101000
7
11001101
3
11010100
8
01100110

4
01101010
…
…
Vậy dãy ra là cột cuối cùng của trạng thái: 10001010…
- Khổ truyền sóng gửi lên từ RTU đến trạm chính:
11 bit x 13 từ = 143 bit (0,12 giây)
Khổ truyền sóng gửi lên được thể hiện trong bảng dưới
1W
2W
3W
4W
5W
6W
7W
8W
9W
10W
11W
12W
13W
STX
Số
trạm
Số nhóm
Địa chỉ của
RTU
Cờ
hiệu
Số

liệu
giám
sát 1
Số
liệu
giám
sát 2
Số
liệu
giám
sát 3
EXT
BCC
10
1
10
0

10
2

10
1

10
2


Vậy Qua kết quả mô phỏng thực hiện trải phổ lệnh chỉ huy trong quá trình
gửi tín hiệu xuống từ trạm chính đến RTU cho ta thấy xác suất lỗi 1/101 là rất thấp.

Tương tự ta có thể thực hiện trãi phổ cho tất cả các lệnh trong các khổ truyền sóng
trong quá trình truyền tín hiệu. Như vậy, việc ứng dụng công nghệ trải phổ đã giải
quyết được việc khôi phục lại tín hiệu ban đầu dưới tác dụng của các loại nhiễu.

IV. Kết luận
Trong phạm vi bài báo này nhằm giới thiệu khả năng ứng dụng công nghệ
trải phổ vào việc truyền thông tin trên đường dây tải điện. Khả năng chống nhiễu
cao của công nghệ trải phổ với nhiều loại nhiễu hoặc với các nhiễu cố ý hoặc
không cố ý, khả năng chống nhiễu của công nghệ này tỷ lệ với hệ số trải phổ. Khả
năng tín hiệu bị phát hiện bởi máy thu không chủ định thấp, khả năng này giảm khi
hệ số trải phổ tăng. Ngoài ra công nghệ trải phổ còn có khả năng đa truy nhập với
số lượng lớn các đối tượng sử dụng đồng thời, liên quan tới việc dùng chung một
băng tần và ở trong cùng một khu vực địa lý. Kết quả nghiên cứu của bài báo mở
ra nhiều ứng dụng của công nghệ trải phổ trong việc truyền tin trên đường dây tải
điện cho tương lai. Đó là việc khai thác các chức năng thu thập dữ liệu về tình
trạng thiết bị, điều khiển các thiết bị đầu cuối, giám sát phụ tải, giám sát tình trạng
lưới điện.