Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điểu khiển thiết bị điện ứng dụng tại trường cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh

i

ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Hoàng Thu Hà
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH : KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

Học viên lớp: Cao học khoá 13 - Kỹ thuật điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên
Xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều
khiển thiết bị điện ứng dụng tại trƣờng CĐN cơ điện và xây dựng Bắc Ninh”

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC
ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
ỨNG DỤNG TẠI TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ
CƠ ĐIỆN VÀ XÂY DỰNG BẮC NINH

được sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Tất cả số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, đúng như
trong đề cương và chưa từng được ai công bố. Các tài liệu tham khảo đều có
nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 11 năm 2012
Học viên

CHUYÊN NGÀNH : KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

HỌC VIÊN

: HOÀNG THU HÀ

LỚP

: KTĐT-K13
Hoàng Thu Hà

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




iii

iv

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được
sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông Khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi
xin bày tỏ lòng biết ơn đến với các thầy giáo, cô giáo trong khoa và khoa Sau đại
học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguyễn
Thanh Hà đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài này.

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt

Nội dung
Lời cam đoan…………………………………………………………

Trang
i

Lời cảm ơn…………………………………………………………….
Mục lục………………………………………………………………..
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt…………………………………
Danh mục các bảng biểu………………………………………………
Danh mục các hình vẽ………………………………………………...
Lời nói đầu…………………………………………………………….

ii
iii
viii
xi
xii
xvi

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC
1.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC.................................................................... 1

thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng , song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của
bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong

nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

1.1.1 Khái niệm PLC. .......................................................................................... 1
1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC ......................................................... 5
1.1.3. Phân loại công nghệ ................................................................................. 6
1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp ................................................................ 6
1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít .................................................................... 7
1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi ....................................................................... 7
1.1.3.4. Phân loại theo phương thức điều chế................................................. 8
1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên đường cáp

Hoàng Thu Hà

điện lực ................................................................................................................... 9
1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống ................................................................ 9
1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống. ......................................................................... 10
1.2.2.1. Khối cách ly (Power Line Isolation) ................................................ 10
1.2.2.2. Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) .................................... 11
1.2.2.3 . Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification) ........... 11
1.2.2.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) ........................ 11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

v

vi

1.3. Các giao thức truyền thông qua đường dây điện lực .................................... 11

2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu ....................................... 32

1.3.1. X10 .......................................................................................................... 12

2.2. Ghép nối với lưới điện – xử lý tín hiệu ......................................................... 33

1.3.2.Lonwork ................................................................................................... 13

2.2.1. Mạch ghép tín hiệu .................................................................................. 33

1.3.3. CEBus ..................................................................................................... 14

2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C ................................................................. 34

1.3.4. HomePlug ................................................................................................ 16

2.2.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C .......................... 36

1.4. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC ............................................................. 17
1.4.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và công tơ. ... 18
1.4.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao ........................................................ 18
1.4.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC .................................... 19

2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp ...................................................... 37
2.2.2. Các bộ lọc tương tự ................................................................................. 37
2.2.2.1. Mạch lọc RC ..................................................................................... 37

1.4.4. Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home ........................................... 19

2.2.2.2. Mạch lọc LC ..................................................................................... 38

1.5. Kết luận chương ............................................................................................ 20

2.2.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác ............................................................... 39
2.3. Các phương thức mã hóa............................................................................... 40

Chương 2

2.3.1 Mã xoắn .................................................................................................... 40

MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC

2.3.2. Mã Reed – Solomon ................................................................................ 44
2.4. Các phương thức điều chế tín hiệu................................................................ 48

2.1. Đặc tính kênh truyền đường cáp điện ........................................................... 24

2.4.1 Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông. .................................. 48

2.1.1. Sự giới hạn băng thông ........................................................................... 25

2.4.2 Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK. .................................................. 50

2.1.2. Nhiễu trên đường cáp điện ...................................................................... 26

2.4.3 Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK. .................................................... 51

2.1.2.1. Nhiễu tần số 50Hz. ........................................................................... 27

2.4.4 Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK..... 52

2.1.2.2. Nhiễu xung đột biến. ......................................................................... 27

2.4.5 Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực. .......................... 53

2.1.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn....................................................................... 27

2.4.5.1 Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu. .............................................. 53

2.1.2.4. Nhiễu xung kéo dài ........................................................................... 28
2.1.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ ............................................................ 29

2.4.5.2 Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu. ................................. 55
2.5. Kỹ thuật trải phổ............................................................................................ 56
2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp .............................................................................. 57

2.1.2.6. Nhiễu sóng radio .............................................................................. 29

2.5.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK ................................................... 57

2.1.2.7. Nhiễu nền .......................................................................................... 29

2.5.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK ..................................................... 61

2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng…………………….29

2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) ........ 63

2.1.4. Suy hao trên lưới điện ............................................................................. 30

2.6. Công nghệ OFDM ......................................................................................... 64

2.1.5. Hiện tượng sóng dừng ............................................................................. 31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




vii

viii

2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM............................................................... 65

3.5.3. Mạch lọc .................................................................................................. 92

2.6.2. Tính trực giao .......................................................................................... 66

3.5.4. Mạch đồng bộ.......................................................................................... 93

2.6.3 Hệ thống OFDM ...................................................................................... 68

3.5.5. Tổng hợp mạch ....................................................................................... 93

2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ ........ 70

3.5.6. Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad) .......................................... 95

2.7 Kết luận chương ............................................................................................. 71

3.5.7 Nguyên lý hoạt động của hệ thống.......................................................... 97
3.6 . Các kết quả thu được .................................................................................... 99

Chương 3
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

3.7 . Kết luận chương ......................................................................................... 100
Kết luận và kiến nghị………………………………………………………… 101
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… 103

3.1 Giới thiệu........................................................................................................ 72

Phụ lục 1……………………………………………………………………… 105

3.1.1 Lịch sử trường .......................................................................................... 72

Phụ lục 2……………………………………………………………………… 111

3.1.2 Cơ sở hạ tầng của trường ......................................................................... 72
3.1.3 Thực trạng hệ thống điện của nhà trường. ............................................... 73
3.1.3.1 .Các thiết bị điện: .............................................................................. 73
3.1.3.2. Những bất cập của hệ thống điện hiện nay:..................................... 74
3.1.4. Các yêu cầu trong thiết kế ....................................................................... 75
3.2 Modem truyền thông Philip TDA5051 ........................................................... 76
3.2.1. Modem truyền thông trên đường dây điện.............................................. 76
3.2.2. Modem truyền thông Philip TDA5051 ................................................... 77
3.2.3. Kết nối modem Philips TDA5051A ....................................................... 81
3.3. Bộ vi điều khiển PIC16F877 ........................................................................ 82
3.3.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877 .................................................. 82
3.3.2 Mạch điều khiển ....................................................................................... 85
3.3.3 Giao tiếp điều khiển ................................................................................. 87
3.3.4 Lập trình PIC16F877 ............................................................................. 88
3. 4. Mạch nạp PIC16F877 .................................................................................. 90
3.5 Sơ đồ mạch ..................................................................................................... 91
3.5.1 Khối cấp nguồn ........................................................................................ 91
3.5.2. Mạch ghép ............................................................................................... 91
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ix

x

communication

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký
hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

HCS

Host Center Station

Trạm máy chủ trung tâm

HLR

Home Local Register

Thanh ghi định vị thường trú

HPR

High Power Radio

Kênh vô tuyến công suất cao

IMEI

International Mobile Equipment
Identifier

Nhận dạng thiết bị di động quốc tế

IMSI

International Mobile Subscriber

Nhận dạng thuê bao di động quốc

Identifier

tế

ASIC

Application Specific Intergrate Circuit

Mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt

AM

Amplitude Modulation

Điều biên

AMR

Automated Meter Reading

Tự động đọc công tơ

AMM

Automated Meter Management

Tự động quản lý công tơ

ISDN

Intergrated Service Digital Network

Mạng số tổ hợp dịch vụ

ASK

Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu ISI

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

LAN

Local Area Network

Mạng khu vực

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

LPR

Low Power Radio

Kênh vô tuyến công suất thấp

BSC

Base Station Control

Điều khiển trạm gốc

MIU

Đơn vị giao tiếp đồng hồ

Đơn vị giao tiếp đồng hồ .

BSK

Binary Shift Keying

Khoá dịch pha cơ hai

MS

Mobile Station

Máy di động

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

MSC

Mobile Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di động

CDMA

Code Divission Multiplex Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

OFDM

Điều chế đa sóng mang

CEPT

Conference of European Posts and
Telecommunication Administrations

Hội nghị về quản lý bưu chính viễn
thông Châu Âu

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

CIS

Customer Information Service

Dịch vụ thông tin khách hàng

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

DCU

Data Concentration Unit

Đơn vị tập trung dữ liệu

PIN

Personal Identification Number

Số nhận dạng cá nhân

DM

Delta Modulation

Điều tần

PLC

Power Line Communication

Truyền thông trên đường cáp điện

DS

Direct Sequence

Chuỗi trực tiếp

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

Trải phổ dãy trực tiếp

PLL

Phase Locked Loop

Vòng khóa pha

DPSK

Differential Phase Shift Keying

Khóa dịch pha vi phân

PLM

Power Line Modem

Modem điện lực

EPRI

Electrical Power research Institution

Viện nghiên cứu điện năng

PRBS

Pseudo Random Binary Sequence

Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên

FFH

Fast Frequency Hopping

Nhảy tần nhanh.

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

FH

Frequency Hopping

Nhảy tần

PSTN

FHSS

Frequency Hopping Spread Spectrum

Trải phổ nhảy tần

Public Switching Telephone
Netwwork

Mạng chuyển mạch điện thoại công
cộng

FM

Frequency Modulation

Điều tần

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên cầu phương

FSK

Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần

Q-PSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khoá dịch pha cầu phương

FDM

Frequency Division Multiplexing

Đa truy nhập theo tần số

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

FPGA

Field Programmable Gate Array

Phạm vi có thể lập trình cổng mạng

RMR

Remote Meter reading

Đọc công tơ từ xa

GSM

Global System for Mobile

Điện thoại di động toàn cầu

RTU

Remote Tranceiver Unit

Thiết bị phát từ xa một chiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




xi

xii

SF

Selective Fading

Pha định lựa chọn

Smart
IMS

Smart Integrated Metering System

Hệ thống đo lường tích hợp thông
minh

SIM

Subscriber Identifier Modul

Đơn vị nhận dạng thuê bao

SSMA

Spread Spectrum Multiple Access

Đa truy nhập trải phổ

VLR

Visitor Local Register

Thanh ghi định vị tạm trú

WLL

Wireless Local Loop

Truy nhập không dây nội hạt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Quy luật về trạng thái pha của phương pháp điều chế QPSK

62

Bảng 3.1 Mô tả các chân của TDA5051

79

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




xiii

xiv

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.14: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741

39

Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực

1

Hình 2.15: Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ ½

40

Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện

4

Hình 2.16: Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23

41

Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện

9

Hình 2.17: Sơ đồ lưới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23

42

Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống

10

Hình 2.18: Sơ đồ lưới giải mã

43

Hình 1.5: X10 timing on 60Hz waveform

12

Hình 2.19: Đường sống và kết quả giải mã

44

Hình 1.6: X10 packet format

13

Hình 2.20: Hệ thống sử dụng mã RS

45

Hình 1.7: CEBus spread spectrum chirp

15

Hình 2.21. Bộ mã hoá Reed-Solomon

46

Hình 1.8: Ứng dụng PLC trong quản lý điện

18

Hình 2.22. Các dạng tín hiệu được điều chế ASK, PSK, FSK

49

Hình 1.9: Mạng thông tin PLC

19

Hình 2.23. Phổ công suất tín hiệu khi điều chế số

50

Hình 1.10: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình – Intelligent home

19

Hình 2.24: Hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc
làm giảm nhiễu

54

Hình 2.1: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ

24

Hình 2.2: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện

Hình 2.25: Sơ đồ mô hình hệ thống thông tin trải phổ

56

25

Hình 2.3: Các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC

Hình 2.26: Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS

57

26

Hình 2.4: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn

Hình 2.27: Sơ đồ trải phổ trực tiếp kiểu BPSK

59

27

Hình 2.28: Sơ đồ trải phổ trực tiếp đơn giản

59

Hình 2.5: Nhiễu xung tuần hoàn

28

Hình 2.29: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản

60

Hình 2.6: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó

28

Hình 2.7: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz

Hình 2.30: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức

62

31

Hình 2.8: Hiện tượng sóng dừng

Hình 2.31: Trải phổ nhảy tần FHSS

64

31

Hình 2.32: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần

64

Hình 2.9: Mạch ghép dung kháng

34
Hình 2.33: Phổ của tín hiệu FDM và OFDM

65

Hình 2.10: Mạch ghép kết hợp LC

36

Hình 2.34: a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang

66

Hình 2.11: Các mạch lọc RC

38

Hình 2.12: Các mạch lọc LC đơn giản

38

Hình 2.13: Các mạch cộng hưởng LC

38

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang
Hình 2.35: Phổ của các sóng mang trực giao

67

Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM

68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




xv

xvi

Hình 2.37: Sơ đồ một hệ thống OFDM

69

Hình 3.21 Boar Master

96

Hình 2.38: Ảnh hưởng của ISI

70

Hình 3.22 Boar Slaver

97

Hinh 2.39: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống

70

Hình 3.23: Sơ đồ tổng quan của hệ thống PLC

98

Hình 2.40: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix

71

Hình 3.24: Sơ đồ khối của hệ thống có topology (cấu trúc) hình sao.

98

Hình 3.1: Sơ đồ khối của TDA5051A

78

Hình 3.2. Sơ đồ chân của TDA5051A

78

Hình 3.3: Quan hệ giữa DATAIN và DATAOUT

80

Hình 3.4: Phổ tín hiệu

81

Hình 3.5: Modem điện Philips TDA5051A

82

Hình 3.6: Hình ảnh PIC16F877

83

Hình 3.7: Sơ đồ chân của PIC16F877

84

Hình 3.8: Sơ đồ mạch của khối điều khiển

86

Hình 3.9 Mạch giao tiếp điều khiển

87

Hình 3.10 Mạch giao tiếp USB

88

Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động của vi điều khiển PIC16F877

89

Hình 3.12: Sơ đồ mạch nạp JDM

90

Hình 3.13: Sơ đồ cấp nguồn

91

Hình 3.14: Mạch ghép sử dụng biến áp

92

Hình 3.15: Mạch lọc

92

Hình 3.16: Mạch đồng bộ

93

Hình 3.17: Mạch tổng hợp

94

Hình 3.18. Mạch in Slaver

95

Hình 3.19. Mạch in Maste

95

Hình 3.20 : Mạch thực của các modul PLC

96

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




xvii

xviii

LỜI NÓI ĐẦU

PLC; Phân tích rõ đặc điểm của kênh truyền điện lực với các yếu tố nhiễu và suy

Với sự phát triển của khoa học công nghệ thông tin chúng ta đang chứng

kiến sự xuất hiện hàng loạt các dịch vụ viễn thông mới đa dạng, an toàn, chất lượng

hao tác động. trên cơ sở đó chỉ ra những kỹ thuật cải tiến trên PLC như phối ghép
lưới điện, mã hóa và điều chế thông tin.
Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai trên hệ thống PLC- Phân tích các

cao đáp ứng nhu cầu truyền thông cho các doanh nghiệp và người tiêu dùng. Như:
đo lường điều khiển từ xa, giám sát hoạt động hay điều khiển nhà thông minh....
Cùng với sự phát triển đó, tự động hóa các hệ thống là yêu cầu cấp thiết
nhằm giải phóng sức lao động trực tiếp, nâng cao độ an toàn và tiết kiệm năng

yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm ảnh hưởng
của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lượng của hệ thống PLC bao gồm phối ghép
lưới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ…

lượng. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, việc trang bị tự động hóa cho các

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện sử dụng công nghệ PLC –

hệ thống mới khá đơn giản. Vấn đề đặt ra là phải cải tiến được (tự động hóa) cho

Trên cơ sở các kiến thức có được từ chương 1 và 2 chương này ứng dụng vi điều

các hệ thống cũ đồng thời phải tận dụng được trang thiết bị sẵn có để tiết kiệm chi

khiển PIC thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông qua đường dây điện lực.

phí. Cụ thể, với hệ thống điện của trường CĐN cơ điện và xây dựng BN hiện nay,
việc sử dụng điện hoàn toàn phụ thuộc vào ý thức của người sử dụng nên không

Cuối cùng là những phân tích đánh giá nhằm rút ra kết luận và hướng phát
triển của đề tài.

tránh khỏi lãng phí vô ích đặc biệt là khu vực giảng đường nơi dành cho HS-SV. Để

Do đây là một đề tài còn mới, được hoàn thành trong một thời gian ngắn và

khắc phục các nhược điểm đó, đề tài này này sẽ thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện

điều kiện tiếp cận để nghiên cứu, cùng với năng lực bản thân còn hạn chế nên có thể

cho từng phòng học cũng như phòng làm việc để quản lý việc sử dụng điện năng

chưa đề cập được hết các vấn đề liên quan đến đề tài một cách đầy đủ, sâu sắc và

hợp lý hơn.

cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu, trình bày.

Để thực hiện quá trình tự động hóa thì việc truyền thông tin là yêu cầu rất

Kính mong các thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đến nội dung của đề tài, góp ý

quan trọng. Truyền thông tin đi xa có nhiều phương án như: truyền thông qua

kiến để tôi có điều kiện tiếp thu và phát triển đề tài cũng như bổ xung thêm kiến

đường dây điện thoại, qua đường dây Internet và truyền thông qua đường dây điện

thức cho bản thân được đầy đủ, đúng đắn và để luận văn của tôi được hoàn thiện

lực. Trong đó Công nghệ PLC giúp giảm chi phí đầu tư do tận dụng được hệ thống

hơn.

tải điện sẵn có.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thanh Hà
Cùng các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 11 năm 2012
Người thực hiện

Đại học Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung:
“Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện

Hoàng Thu Hà

ứng dụng tại trƣờng CĐN cơ điện và xây dựng Bắc Ninh “. Đề tài gồm các nội
dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý cơ bản và
sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

2

Chương 1

mạng LAN truy cập nội bộ. Cung cấp đường truyền tín hiệu băng thông rộng,

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ (PLC)
(POWER LINE COMMUNICATION )

không phải đi cáp quang đến từng nhà, khai thác khả năng to lớn của mạng điện
hiện có, giải quyết vấn đề đưa đường truyền băng thông rộng đến hộ gia đình. Việc
sử dụng mạng điện hiện có sẽ cho phép phổ cập thông tin dễ dàng đến mọi vùng,
mọi nhà. Chỉ cần có một đường cáp quang nối tới trạm biến áp, cả một khu vực dân

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC
1.1.1 Khái niệm PLC.
Power line communication –PLC là công nghệ truyền tín hiệu thông tin trên

cư lớn sẽ có khả năng truy cập Internet băng thông rộng và các dịch vụ truyền thông
khác.
Đây là một giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết vấn đề dịch vụ băng thông

đường dây điện lực.
Công nghệ truyền thông PLC sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điện
năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư.

rộng tới hộ gia đình hay bị quá tải do gộp dữ liệu nhiều đường thuê bao. Dễ dàng
cài đặt và triển khai mạng, chỉ cần nối đường cáp quang đến trạm biến áp, lắp
modem tại trạm, thiết lập hệ thống tới hộ gia đình và lắp modem PLC tại nơi truy
cập, cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu cao (10 - 45Mbps) trong dải tần (1,7 - 30Mhz).
Ngoài ra, nó còn có tính tương thích cao với các công nghệ mạng khác.
Do đó, công nghệ PLC khắc phục được những hạn chế về cơ sở hạ tầng của
hệ thống thông tin và truyền thông ở Việt Nam, phổ cập các dịch vụ băng thông
rộng đến mọi người dân.
Quá trình phát triển của công nghệ PLC
Ra đời vào những thập niên 80 của thế kỷ 20, công nghệ truyền tín hiệu trên
đường dây điện đầu tiên được nghiên cứu và phát triển tại Mỹ với dự án mang tên
X10. Công nghệ X10 sử dụng sóng mang tần số 120Khz và điện áp tín hiệu 4V để
truyền tín hiệu điều khiển. Các sản phẩm sử dụng công nghệ X10 có ưu điểm là dễ
lắp đặt, giá thành thấp và không phải đi thêm dây điều khiển. Tuy nhiên các sản

Hình 1.1 Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực

mật của thiết bị sử dụng công nghệ X10 không cao, tốc độ truyền thấp, khả năng

Ưu điểm của công nghệ PLC.
Một ưu điểm nổi bật của PLC là tính kinh tế do việc sử dụng mạng điện lưới
sẵn. Hiện nay, tại Việt Nam nhu cầu truy cập Internet băng rộng trở nên rất bức
thiết, trong khi Internet tốc độ cao ADSL chi phí cũng không nhỏ.
Các modem PLC cho phép nhận và gửi các tín hiệu thông tin tại các ổ cắm
điện trên tường nhà. Như vậy, toàn bộ mạng điện trong tòa nhà sẽ trở thành một
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

phẩm X10 có điểm yếu là chịu tác động rất lớn của nhiễu đường truyền, tính bảo

bảo toàn thông tin thấp (70-80%). Từ đó đến nay công nghệ PLC không ngừng
được nghiên cứu và phát triển. Năm 2002 đánh dấu một bước ngoặt lớn của công
nghệ PLC khi chuẩn UPB & PLCBUS ra đời. Công nghệ UPB & PLCBUS sử dụng
sóng mang có dải tần từ 4-40Khz, điện áp tín hiệu 40V để truyền tín hiệu điều
khiển. Không giống như X10 sử dụng tần số sóng mang cố định 120Khz, các thiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

4

bị sử dụng công nghệ UPB & PLCBUS sẽ chọn ra trong dải tần 4-40Khz một tần số
ít bị can nhiễu từ đường truyền nhất tại thời điểm truyền để truyền tín hiệu điều
khiển. Do đó băng thông đường truyền được mở rộng cho phép nhiều thiết bị cùng
truyền tín hiệu điều khiển cùng một lúc mà không bị ảnh hưởng lẫn nhau. Mặt khác,
với điện áp tín hiệu lên tới 40V công nghệ UPB&PLCBUS gần như hoàn toàn
không bị ảnh hưởng bởi can nhiễu lớn trên đường truyền. Hệ thống sử dụng công
nghệ UPB&PLCBUS có chung đặc điểm: tốc độ truyền cao, dễ lắp đặt, không cần
đi dây điều khiển, dễ thêm mới thiết bị, không cần bộ lọc, không cần tách riêng
đường cấp nguồn, khả năng bảo toàn thông tin cao (99,98%) tương đương với các
thiết bị sử dụng công nghệ IBUS như EIB, Cbus. Các thiết bị UPB&PLCBUS; được
xây dựng với ID CODE và LINK PASSWORD ngăn chặn việc điều khiển thiết bị
từ các hệ thống không được phép hoặc từ hệ thống khác ở các khu vực lân cận. Với

Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện

ID CODE và LINK PASSWORD của công nghệ UPB&PLCBUS. Nhược điểm của
công nghệ UPB&PLCBUS là khó cài đặt hơn so với thiết bị X10 do phải cài ID

Với quá trình truyền thông tin như vậy, những ai cần sử dụng các dịch vụ viễn
thông như trên có thể dùng tất cả các dịch vụ thông qua một ổ điện mà không cần

CODE và LINK PASSWORD cho từng thiết bị.
Để có thể truyền thông tin qua phương tiện truyền dẫn là đường dây dẫn

lắp đặt cáp mới. Công nghệ này tuy còn mới mẻ với khách hàng nhưng thực ra đã

điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem này có chức năng

được sử dụng từ đầu thế kỷ 20, cho các mục đích truyền thông tin của nội bộ ngành

biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thông truyền thống như máy tính, điện thoại

Điện. Ví dụ như hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát

sang một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện. Quá trình truyền

10W để truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đường dây cao thế với khoảng cách lên

thông tin qua đường dây điện lực được mô tả như hình 1.2

tới 500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải
của hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế. Hay hiện nay, công nghệ PLC được
sử dụng cho các ứng dụng trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá...
Ý tưởng truyền tín hiệu thông tin trên đường dây tải điện đã được sử dụng từ

lâu bằng cách sử dụng phương thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on – turn
off carrier). Giống như các công ty điện lực trên thế giới, từ lâu Tổng công ty Điện
lực Việt Nam đã sử dụng kỹ thuật này để truyền tải các thông tin phục vụ ngành
điện, nhưng với cách này tốc độ truyền tin rất thấp. Ngày nay với sự phát triển
nhanh chóng của công nghệ, đặc biệt là công nghệ sản xuất vi mạch tích hợp giá rẻ
cho từng ứng dụng đặc biệt – ASIC (Application Specific Integrated Circuit) đã cho

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

6

phép PLC có những bước phát triển nhảy vọt và trở thành một trong những công

- Intellon (INT51X1 Chipset) 14 MBps.

nghệ truy cập băng rộng và tốc độ cao đầy hứa hẹn.

- Texas Instruments. (Dựa trên DSP đạt 200Mbps)
Tất cả các công nghệ được liệt kê ở trên vẫn còn trong giai đoạn "thử

1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC

Ý tưởng về việc gửi tín hiệu thông tin trên cùng một cặp dây được sử dụng

nghiệm". Sẽ mất một thời gian cho các công nghệ này sẽ được đóng gói thành sản
phẩm cuối cùng và chứng minh cho sự hứa hẹn về băng thông.

phân phối điện cũng bắt nguồn từ xa xưa như điện báo, tuy nhiên số lượng thiết bị
truyền thông được cài đặt trên hệ thống dây dành riêng vượt xa số lượng cài đặt trên
dây điện nguồn AC mà không có bất cứ lý do nào. Cho đến mấy thập kỷ gần đây

1.1.3. Phân loại công nghệ

con người thể nghĩ đến sự lãng phí của việc có bỏ qua khả năng giao tiếp của nguồn

1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp
- Mức điện áp cao (110-500kV): kết nối các nhà máy điện với các khách hàng

điện AC. Trong năm 1920 có ít nhất hai bằng sáng chế được cấp cho công ty điện

lớn, các khu vực tiêu thụ điện năng với đường truyền tải dài từ vài chục kilomet đến

báo điện thoại của Mỹ AT&T trong lĩnh vực của "Truyền tín hiệu qua các mạch

vài trăm kilomet.

cung cấp”. Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.607.668 và 1.672.940, nộp trong năm 1924

- Mức điện áp trung bình (10-30KV): Cung cấp cho các khu dân cư rộng, các

đã đưa ra hệ thống truyền và nhận tín hiệu truyền thông qua Dòng điện xoay chiều

khu công nghiệp, khu đô thị, khoảng cách truyền tải ngắn hơn từ vài kilomet đến vài

ba pha. Cho đến thời điểm hiện tại, có thể kể đến một số thành tựu của PLC như

chục kilomet.

sau:

- Mức điện áp thấp (110V-380V): Cung cấp điện năng cho các khách hàng là

Công nghệ PLC băng thông rất thấp (lên đến 25 bps)

các hộ gia đình, cơ quan, trường học…với khoảng cách truyền tải ngắn từ vài trăm

- Turtle ® (Tryền dẫn băng siêu hẹp) Thương hiệu thuộc sở hữu của mạng truyền

mét đến vài kilomet. Hệ thống lưới điện hạ thế kết nối đến tất cả các khách hàng, do

thông Turtle của Mỹ.

vậy ứng dụng của công nghệ PLC cho mạng truy nhập sử dụng mạng hạ thế có tiềm

- PFPM (Điều pha tần số công suất).

năng rất lớn.

- Ripple Control (Điều tần qua đường điện).

Vì thực tế truyền dẫn tín hiệu trên lưới điện thế thấp thực hiện trực tiếp trên

Băng thông trung bình baud: (lên đến 9.600 bps)

mạng mà phần lớn các thiết bị điện vận hành, tạp âm và méo trên những mạng này

- Echonet

rất cao. Mặt khác các đặc tính vật lý trên mạng này thay đổi theo mỗi tải được bật

- Archnet

hay tắt, vì vậy mỗi công nghệ PLC lưới điện hạ thế cần có giải pháp khắc phục

- Công nghệ bán dẫn, Australia.

những vấn đề vật lý như vậy.

- National Semiconductor. (LM1893 / LM 2893)
- Itran
1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít
- PLC băng hẹp – tốc độ bít thấp: Ứng dụng PLC đầu tiên được dùng cho

Băng thông (Hơn 9.600, chủ yếu sử dụng cho IT)
- Inari (Dựa tren chipset IPL0202) 2 MBps.

phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Phạm vi này chỉ yêu cầu tốc độ

- Altcom (dựa trên chipset AN1000) 115kbps
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




7

8

bít thấp. Vì lý do đó và vì lý do quy định, người ta đã xác định giải tần có thể dùng
cho yêu cầu tự động trong nhà và trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Dải tần đó

1.1.3.4. Phân loại theo phương thức điều chế
Bốn kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng cho truyền thông qua đường dây

nằm trong khoảng từ 3KHz đến 148.5KHz (Tiêu chuẩn CENELEC – châu Âu) hoặc

điện lực. Với một PLL (vòng khóa pha), quá trình truyền tải có thể được thực hiện

từ 3KHz đến 450KHz (Tiêu chuẩn ở Mỹ và Nhật).

với các kỹ thuật điều chế số Khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK) hoặc

- PLC băng rộng – tốc độ cao: Vì giải tần được quy định bời CENELEC chỉ
cho phép truyền dẫn ở tốc độ tương đối thấp, các nghiên cứu cho giải tần cao đang

khóa dịch pha (PSK). Đây là một công nghệ nổi tiếng và không tốn kém, nhưng
hiệu quả bị hạn chế.

được thực hiện. Vấn đề chính của dải tần này là tín hiệu tần số cao đặt trên dây dẫn

Kỹ thuật thứ hai là dựa trên nguyên lý trải phổ với một bộ tương quan. Ở đây,

sẽ suy hao lớn. Dải tần MHz cũng xung đột với tần số dùng cho các dịch vụ khác

tín hiệu phát chiếm băng thông lớn hơn đáng kể băng thông tối thiểu cần thiết để

chẳng hạn như an ninh, điều khiển không lưu, cac dịch vụ phát thanh quảng bá, dịch

gửi các thông tin vì vậy nó được trải ra và được điều chế. Đầu thu cần biết mẫu phát

vụ quảng cáo khác… Đó là lý do tại sao cần phải đề ra các quy định thống nhất.

và tín hiệu được lấy mẫu thường xuyên. Băng thông thấp sẽ làm tăng tính nhạy cảm

Hiện nay dải tần từ 1 – 10 MHz được dùng cho các úng dụng ngoài nhà (Outdoor),

với hiện tượng méo tín hiệu do đó cần phải thay đổi (Máy thu hình là một ví dụ phổ

còn dải tần từ 10 – 30 MHz dành cho các ứng dụng trong nhà (Inhouse).

biến của biến dạng méo tín hiệu).
Kỹ thuật thứ ba kết hợp làm việc DSP trong một dải hẹp và sử dụng chế độ hai
tần số sóng mang hoạt động với bộ triệt nhiễu xung và một cơ chế điều chỉnh thích

1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi
- PLC trong nhà (In – House PLC): Hệ thống PLC trong nhà dùng các cáp
điện trong nhà để truyền dẫn giữa các thiết bị PLC khác nhau trong nhà. Hệ thống
trong nhà có thể hoạt động như mạng riêng mà không có bất kỳ một kết nối ra bên

ngoài.
- “Last mile” PLC: Là mạng truy nhập nội hạt cho phép kết nối giữa mạng
trục truyền thoại và số liệu và điểm cung cấp cho từng khách hàng thông qua các

ứng với méo tín hiệu.
Kỹ thuật thứ tư kết hợp điều chế của một tần số thấp, xung cường độ cao trong
dòng điện để liên lạc. Các loại hình giao tiếp như vậy đã được thử nghiệm bởi các
công ty phân phối để quản lý tránh các lỗi của tải của họ Trong số các công nghệ
PLC có sẵn, kỹ thuật này hứa hẹn việc truyền tín hiệu qua máy biến áp và do đó có
thể thực hiện trên một khoảng cách dài hơn.

điểm kết nối đến nhà khách hàng. Trong nhiều trường hợp trạm hạ áp sẽ được dùng
như điểm kết nối mạng trục và mạng điện hạ thế sẽ được dùng để kết nối đến nhà
khách hàng. Điểm kết nối mạng trục cũng có thể được tổ chức ở trạm biến áp trung
thế hoặc ở những điểm thích hợp khác.
Tại Châu Âu, ETSI đã xác định kế hoạch phân bố băng tần từ 1,6 Mhz đến 10

1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên đƣờng
cáp điện lực

Mhz được ấn định dành riêng (hoặc ưu tiên) cho truy nhập nội hạt, dải tần từ 10

1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống
Ý tưởng của công nghệ PLC là ghép tín hiệu số liệu có tần số cao vào đường

Mhz đến 30 Mhz được ưu tiên dành cho ứng dụng mạng gia đình (in-house).

cáp điện có tín hiệu cơ bản là 50/60Hz đưa đến khối sử lý tín hiệu. Việc ghép tín
hiệu là một khía cạnh quan trọng của công nghệ PLC. Tín hiệu thông tin cần truyền
phải nằm trong dải tần cao hơn nhiều tần số của dòng điện chính và các hài của nó.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




9

10

Đồng thời, tín hiệu phải có công suất đủ lớn để đưa vào đường cáp điện. Một biến

1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống.

áp có đặc tính thông cao có thể được dùng để ghép tín hiệu vào dòng điện chính. Bộ
lọc thông cao đảm bảo dòng điện chính và các hài của nó được cách ly khỏi modem.

Từ bộ chuyển đổi A/D
và lọc thông thấp

Tầng công suất
phía phát

Bảo vệ quá áp

Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống.

Cáp điện

Biến áp với bộ lọc thông cao

1.2.2.1. Khối cách ly (Power Line Isolation)
Một phần quan trọng của bộ phát và thu tín hiệu trên đường dây điện lực là

a. Ghép tín hiệu vào đƣờng dây điện
Cáp điện

Dòng điện chính

giao diện giao tiếp với đường dây điện lực. Bởi vì mạch của chúng ta phải giao tiếp
với lưới điện 220V- 50Hz, nếu không có sự cách ly cẩn thận, những phần còn lại

Biến áp với bộ lọc
thông cao

Bộ lọc dải vào

Xử lý số
liệu

b.Tách tín hiệu ra khỏi đƣờng dây điện

Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện

của mạch điện có thể dễ dàng bị cháy.
Ý tưởng cho mạch cách ly là có thể hoàn toàn ngăn chặn tín hiệu 50Hz, cho
các tín hiệu thông tin đi qua. Tín hiệu thông tin trong trường hợp này là các tín hiệu

điều chế tần số. Trong mạch điện này, tần số sóng mang có thể được thiết lập xung
quanh giá trị 70KHz. Bởi vì các tín hiệu vào có một tần số giới hạn trong khoảng từ
500Hz đến 5KHz mạch cách ly sẽ phải cho phép các tín hiệu trong khoảng từ

Phía thu, bộ lọc được dùng để cách ly tín hiệu điện và tín hiệu số liệu. Bộ lọc

65KHz đến 75KHz. Mạch cách ly là một tụ điện 10nF được nối với một biến áp âm

thông cao sẽ chặn lại tín hiệu dòng điện chính 50/60Hz, cho qua tín hiệu tần số cao

tần. Mạch này hoàn toàn ngăn chặn các tín hiệu 50Hz và cho tín hiệu trong khoảng

đưa đến khối xử lý số liệu.

50KHz đến 80KHz đi qua. Bằng việc đặt mạch cách ly này giữa đường dây điện lực

Phương pháp như trên làm việc tốt với dải tần nhỏ hơn 150KHz, nhưng đối

và phần còn lại của mạch điện, chúng ta chắc chắn rằng tín hiệu điện áp 220V sẽ

với dải tần cao hơn, cần có các mạch phụ để cho phép ghép tín hiệu qua biến áp.

không ảnh hưởng đến mạch phát và mạch thu, và do đó tín hiệu thông tin có thể

Việc ghép tín hiệu cũng phải đảm bảo bảo vệ modem không bị phá hỏng trong quá

truyền và nhận được trên đường dây điện lực.

trình quá độ của dòng điện chính.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




11

12

1.2.2.2. Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation)
Được sử dụng để điều chế tín hiệu vào. Nó có thể được sử dụng để phát ra tín

chiếm hai điểm qua không ; Bit 1 là đại diện của một burst theo sau không có một-

hiệu xung vuông và xung tam giác sao cho phù hợp với kênh truyền.

gian mối quan hệ của các bursts liên quan đến điểm qua 0

burst, trong khi bit 0 là không có-burst theo sau một burst. Hình 1-8 hiển thị thời

1.2.2.3. Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification)
Tín hiệu từ nguồn thường rất nhỏ. Thậm chí sau khi điều chế, nó không đủ
mạnh để bộ phận có thể thu được bởi vì phải chịu sự tác động cao của nhiễu trên
đường dây điện lực. Do đó, tín hiệu điều chế cần phải được khuếch đại trước khi
đưa lên hoặc vừa mới nhận được từ đường dây điện lực.
1.2.2.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation)

Tần số điều chế được sử dụng trong bộ phát để điều chế tín hiệu vào. Trong
Hình 1.5: X10 timing on 60 Hz waveform

mạch thu, tín hiệu điều chế tần số này được khôi phục. Với bộ dao động điều khiển
bằng điện áp hoạt động tuyến tính và ổn định sử dụng cho điều chế tần số với độ

Một gói X10, hiển thị trong hình 2-50, bao gồm mười một chu kỳ của dòng

méo nhỏ.

điện. Nó bắt đầu với một khởi đầu cho dạng định dạng gói, bao gồm các chuỗi
1.3. Các giao thức truyền thông qua đƣờng dây điện lực
Có nhiều công nghệ truyền thông trên đường dây điện đã được triển khai đến
nay. Đó là LonWorks, X – 10, OFDM, Passport, CEBus, và chuẩn HomePlug. Tất
cả các công nghệ này sẽ được thảo luận vắn tắt ở phần này.
1.3.1. X10
Các đặc điểm kỹ thuật của X10 đã được thiết kế dành cho truyền tín hiệu trên

'burst, burst, burst, noburst', trong đó chiếm hai chu kỳ đầu tiên (bốn điểm qua 0).
Tiếp theo bốn chu kỳ đại diện các nhà mã số, và cuối năm chu kỳ đại diện một số
mã (1 đến 16) .
Chức năng hoặc một mã số (On, Off, vv) hoàn thành khối này luôn luôn được
truyền hai lần, với 3 dòng điện chu kỳ giữa các nhóm của 2 mã số. Do vậy tổng số
chu kỳ cần thiết để hoàn thành một lần truyền là 2 * 11 + 3 = 25 chu kỳ dòng điện .

đường dây điện trong nhà. Các sản phẩm đầu tiên đã được phát triển bởi một công
ty Điện tử tiêu dùng tại Scotland - Pico và được đưa vào thị trường năm 1978. Các
ứng dụng của X10 bao gồm kiểm tra, kiểm soát và đèn chiếu sáng cũng như các
thiết bị âm thanh , mở cửa nhà để xe, truyền hình và nhiều hơn nữa .
Các hệ thống X10 là đơn giản và dễ sử dụng. Nó truyền qua bằng cách sử

dụng kỹ thuật OOK trên mạng điện. Chính xác hơn, nó sử dụng tín hiệu 120 kHz
kéo dài trong 1 ms. Những tín hiệu này được đồng bộ hoá với việc qua điểm 0 (cả
hai đều tích cực và tiêu cực) của dòng điện tín hiệu AC. Các đặc điểm kỹ thuật cho

Hinh 1.6:

phép tín hiệu 120 khz có sai lệch tối đa 200 μs so với vị trí qua 0. Mỗi bit truyền
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




13

14

X10 hoạt động đơn giản và có tốc độ bit thấp. 25 chu kỳ dòng điện được yêu
cầu truyền một khung - trong đó bao gồm 11 bit. Vì vậy mà tốc độ bit là 60 *

Các PLT-22 giao tiếp tại tốc độ bit 5 kbps. Điều này là nhanh hơn nhiều so với X10,
vì vậy phù hợp hơn cho việc điều khiển các thiết bị điện phức tạp.

(11/25) = 26,4 bit / giây. Tốc độ bit này chỉ là hữu ích cho các ứng dụng nhỏ, và quá
chậm cho truyền tải âm thanh, video, chơi game mạng lưới giao thông, và các băng
thông cao hơn mạng lưới giao thông. Tuy nhiên, X10 là không tốn kém và dễ sử
dụng, vì vậy nó là một lựa chọn phổ biến cho các nhà tự động hóa.

1.3.3. CEBus
Năm 1984, các Liên minh Công nghiệp điện tử (EIA) Tập đoàn Điện tử tiêu
dùng đã bắt đầu một nỗ lực có mục tiêu là xây dựng một tiêu chuẩn cho một mạng

1.3.2.Lonwork
Lonworks là một giao thức lớp mạng được tạo ra bởi Công ty cổ phần

lưới thông tin liên lạc cho các người tiêu dùng sản phẩm trong nhà. Các tiêu chuẩn

Echelon với mục đích hỗ trợ thông tin liên lạc giữa các thiết bị điều khiển hoặc các

nhiều các loại phương tiện bao gồm các đường dây điện, cáp đồng, cáp đồng trục,

nodes. Mỗi node trong mạng lưới – ví dụ như một chuyển đổi, cảm biến, xe máy,

hồng ngoại, sóng vô tuyến , và sợi quang. Các bộ kỹ thuật đã được gắn nhãn EIA-

phát hiện chuyển động vv - thực hiện một công việc đơn giản. Toàn thể mạng thực

600. Đầy đủ đặc điểm kỹ thuật đã được tiết lộ trong năm 1992.

hiện các ứng dụng điều khiển phức tạp như tự động hóa tòa nhà.

được gọi là CEBus) . Các bộ kỹ thuật bao gồm các thông tin liên lạc khác nhau về

Đây là việc làm có liên quan với việc mã hóa tại lớp vật lý được thực hiện bởi

Các tiêu chuẩn mới nhất cho các giao thức được sử dụng mạng LAN

CEBus. CEBus sử dụng kỹ thuật không trở về số không (NRZ), mã hóa độ rộng

Lonworks định các chuẩn về điều chế, trải phổ, kỹ thuật trải phổ có thể được sử

xung. Có bốn ký hiệu:'1 ','0', EOF, EOP. Các ký hiệu này được mã hóa bằng cách sử

dụng để cải thiện hiệu suất trong việc tín hiệu bị nhiễu. Trải phổ cải thiện hiệu suất

dụng trải phổ chirp trong các băng thông 100 kHz đến 400 kHz. Trong kỹ thuật trải

bằng cách sử dụng một băng thông rộng hơn cho việc truyền tin. Mức độ cải thiện

phổ, tần số tín hiệu sóng mang được quét trên một loạt các tần số. CEBus sử dụng

phụ thuộc vào băng thông có sẵn, hoặc nói cách khác là mức độ trải phổ. Kỹ thuật

một chuỗi các tần số quét lên và xuống tần số của sóng mang mỗi ký hiệu chiếm

trải phổ đầu tiên được sử dụng với một băng thông là 100 kHz - 400 kHz, nhưng

một khoảng thời gian 100 μs. Khoảng cách tín hiệu này là thời gian ngắn nhất "1",

băng thông này quá hẹp để thực hiện cung cấp hiệu suất có thể chấp nhận cho loại

hoặc đơn vị biểu tượng thời gian. Đáp 0,1% lề của lỗi này cũng được xác định (100

nhiễu này trên đường dây điện. Ngoài ra, Châu Âu quy định cấm điện đường dây tín

ns cho 100 μs). Ngoài ra, thời gian để truyền tải nhị phân "1" là một đơn vị biểu

hiệu ở trên 150 kHz do khả năng can nhiễu với các dịch vụ phát thanh tần số thấp .

tượng thời gian (100 μs), trong khi để truyền tải một nhị phân 0, đơn vị hai lần được

Thay vào đó, các sản phầm mới nhất của Echelon , các bộ thu phát PLT-22 ,

sử dụng biểu tượng (200 μs). Đối với nhị phân ngẫu nhiên 13 dữ liệu, các biểu

hoạt động bằng cách sử dụng chế độ tần số sóng mang kép cùng với kỹ thật xử lý

tượng thời gian trung bình là 150 μs sau đó, cho một chút tỷ lệ 7,5 kbps. Một đơn vị

tín hiệu số (DSP). Mục đích của DSP là cung cấp sóng mang thích nghi, tương

biểu tượng thời gian sẽ được hiển thị trong hình 1.10

quan dữ liệu, triệt nhiễu xung, giảm nhiễu và sửa lỗi mào đầu ở mức thấp.
Các PLT-22 giao tiếp bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế BPSK với dải tần
khoảng 125 kHz - 140 kHz (chính) và 110 kHz -125 kHz (phụ).
Dải tần chính được sử dụng nhiều trừ khi thông tin bị ngăn chặn trong phạm
vi này. Khi điều này xảy ra, các PLT-22 tự động chuyển mạch sang dải tần số phụ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15

16

Ngoài việc này, HomePlug adapts vào kênh điều kiện. Đặc biệt các khung
được gửi và phân tích của người nhận để xác định loại của các sub-84 có sẵn cho
các hãng vận chuyển thông tin liên lạc. Các bản đồ tone (TM) sau đó được tạo ra và
được sử dụng bởi người gửi-nhận cặp để kênh khác nhau để điều chỉnh điều kiện.
Chỉ tốt phụ mang được sử dụng để giao tiếp. Ngoài ra, modulation các chương trình
có thể thay đổi (DBPSK hoặc DQPSK), và kiểm soát lỗi - mã hóa có thể được sửa
Hình 1.7: CEBus spread spectrum chirp

đổi. Tóm lại, 139 tỷ lệ khác biệt vật lý dữ liệu có sẵn từ 1Mbps đến 14,1 Mbps .
Một số nhà sản xuất đã chứng tỏ công nghệ HomePlug có triển vọng. Phiên

Một điểm khác trong CEBus là phối hợp công suất giữa các pha tín hiệu điện

bản HomePlug V1.0 với các bài kiểm tra thiết bị trong nhà 500 cho thấy 80% các

trong nhà. Có hai pha 60 Hz, L1 và L2, trong một ngôi nhà được lệch pha 180 độ.

cặp được outlet thể giao tiếp với nhau ở khoảng 5 Mbps hoặc cao hơn, và có thể hỗ

Các trang thiết bị điện 120V –đồ gia dụng, đèn chiếu sáng, động cơ, vv – thông

trợ 98% dữ liệu lớn hơn tỷ lệ 1 Mbps. Các liên minh HomePlug đã công bố kế

thường được kết nối vào L1 hay L2. Chỉ có thiết bị 240V kết nối vào L1 và L2 đồng

hoạch cho phát triển của thế hệ tiếp theo chi tiết kỹ thuật. Tên HomePlug AV, mới

thời cung cấp một đường dẫn tín hiệu giữa hai chi nhánh khác với sự phối hợp tối

đặc điểm kỹ thuật sẽ được thiết kế để hỗ trợ phân phối dữ liệu và đa phương tiện-

thiểu được cung cấp bởi các biến áp phân phối. Vì vậy, một thiết bị CEBus 120V

streaming vui chơi giải trí bao gồm cả truyền hình High Definition (HDTV) và tỷ lệ

trên L1 có thể không giao tiếp với một thiết bị CEBus 120V trên L2 do không đủ

dữ liệu của 100 Mbps trong suốt cả nhà .

tín hiệu phối hợp giữa L1 và L2. Để giúp giải quyết vấn đề này, các tiêu chuẩn của

Khả năng thích ứng là thực tế sức mạnh của HomePlug. Rõ ràng, nếu các

CEBus nói rằng, một bộ phối hợp tín hiệu nên được đặt giữa L1 và L2 khi cần thiết

đường dây điện trở nên thô cho các kênh truyền thông, dữ liệu sẽ được tỷ lệ chậm,

để cải thiện việc truyền tín hiệu trong mạng lưới đường dây điện .

nhưng sẽ có độ tin cậy duy trì. Lưu ý rằng HomePlug sử dụng một phương thức đa

1.3.4. HomePlug
Các đặc điểm kỹ thuật của HomePlug là phức tạp nhất trong tất cả công nghệ.

dạng tần số. Nó cũng sử dụng phức tạp mã hóa và kiểm soát lỗi kỹ thuật modulation
được tốt cho sự đáng tin cậy, nhưng computationally đang phát triển, điện năng tiêu

HomePlug có sự vượt bậc hơn, cao hơn tần số và băng thông được sử dụng. X10,

thụ và đắt tiền. HomePlug cung cấp tỷ lệ cao, đủ dữ liệu cho các phương tiện truyền

Lonworks và CEBus có tần số thấp hơn 500 kHz. HomePlug giao tiếp bằng cách sử

thông tốc độ, nhưng phức tạp và chi phí của nó là nhiều hơn cần thiết.

dụng Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) trong băng tần số 4,4920,7 MHz. Phương pháp ghép kênh này là tạo lên các sóng mang phụ. Các sóng

1.4. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC
Có thể nói phạm vi ứng dụng của công nghệ PLC rất rộng lớn. Ban đầu là

mang phụ được trực giao với nhau. Trong băng thông 0 - 25 MHz, có 128 sóng

truyền tải thông tin phục vụ ngành điện như hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển

mang phụ, trong đó HomePlug sử dụng 84, từ dải 4,49 đến 20,7 MHz.

trên đường dây điện lực.

Trước khi được truyền đi, bit dữ liệu được xử lý bằng cách sử dụng một số mã
chống lỗi. Bit dữ liệu được điều chế lên sóng mang phụ bằng cách sử dụng DQPSK)
hoặc DBPSK.. Toàn bộ quá trình là ngược lại tại phía thu .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hiện nay, công nghệ PLC đã được triển khai rộng khắp ở nhiều nước. Hai lĩnh

vực áp dụng hiện nay của PLC là:
- Truy nhập nội hạt (last mile access)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




17

18

- Kết nối mạng trong nhà (in – house networking).
Các dịch vụ của PLC luôn sẵn sàng tại mọi ổ điện và không cần thi công cáp,
bao gồm: truy nhập băng thông rộng (tới 45Mbit/s hoặc hơn), các kết nối này luôn
online, dich vụ thoại và fax, kết nối LAN (inhouse LAN) cho các PLC và máy in,
các dịch vụ băng hẹp khác như (house automation, health care…).

cao. Tuy có sự suy hao lớn do bức xạ ra ngoài không gian lên tầm xa bị hạn chế
nhất định nhưng lại có ưu điểm rất lớn là đường dây tải điện cao thế từ hàng chục
KV đến hàng trăm KV đều có sẵn ở mọi nơi.
1.4.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC

Trên đây chỉ là một trong số phạm vi ứng dung nhất định hiện đang được áp
dụng trên thế giới. Trong tương lai, các thiết bị PLC có thể cung cấp băng thông tới
vài chục Mbit/s (hiện nay DS2 đã cho thương mại hóa sản phẩm PLC băng thông
đạt 45Mbit/s) để cung cấp các ứng dụng VoD, hội nghị truyền hình. Có thể kể ra
một số hướng ứng dụng cụ thể như sau
1.4.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và công tơ.
Hình 1.9: Mạng thông tin PLC
Thay vì phải đi từng đường cáp riêng biệt đến từng nhà người sử dụng, việc

ứng dụng PLC cho phép tích hợp đường điện thoại, đường truyền Internet vào cùng
một đường điện lưới.

1.4.4. Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home
Hình 1.8: Ứng dụng PLC trong quản lý điện
Mỗi công tơ điện được gắn thêm một thiết bị thu phát PLC, thông tin trên
công tơ sẽ được truyền về trung tâm, như thế việc quản lý và thu thập số liệu sẽ đơn
giản hơn rất nhiều so với cách làm truyền thống là phải cử người đến từng công tơ
để lấy số liệu. Thêm nữa, số liệu trên công tơ điện có thể gửi đến nhà khách hàng
tương ứng, như vậy người sử dụng sẽ kiểm soát được việc sử dụng điện của mình
một cách hợp lý hơn.
1.4.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao
Với ứng dụng công nghệ PLC thì việc truyền thông tin đường dài, ngoài
những công nghệ truyền thống như cáp quang, vi ba thì hiện nay đã có thêm một
giải pháp, đó là dùng đường dây tải điện cao thế để kết hợp truyền thông tin tốc độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 1.10: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình – Intelligent home
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




19

20

phát triển ban đầu. Công nghệ đang tiếp tục phát triển, có thêm nhiều đặc tính hiệu

Đó là ý tưởng cho một căn nhà hiện đại tự động hoàn toàn với các thiết bị điện

quả trong những dòng sản phẩm tiếp theo. Một hệ thống PLC có thể mở rộng vô

được điều khiển theo ý muốn của người sử dụng. Hầu hết các thiết bị điện trong nhà
đều được tích hợp với modem PLC và người sử dụng có thể điều khiển bất kỳ thiết

hạn từ nhỏ thành lớn và thêm các dịch vụ giátrị gia tăng.


Những thuận lợi tiềm năng của công nghệ PLC:

bị nào ở mọi nơi trong nhà như các hệ thống chiếu sáng được quản lý và hoạt động

Mô hình viễn thông này đã có rất nhiều thuận lợi so với các loại hình khác,

tự động do một máy tính trung tâm điều khiển, cánh cổng cũng được điều khiển

bao gồm mạng truy nhập được thiết lập ở tốc độ cao và các kết nối chuyên dụng.

đóng mở tự động hay các hệ thống báo động, camera đều được quản lý và điều

Những thuận lợi này tạo cho công nghệ PLC một phương án hấp dẫn cho các hệ

khiển qua hệ thống PLC. Không những thế, các thiết bị điện còn có thể tự động gửi

thống viễn thông.

thông tin ( nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng quả tải ) đến một máy chủ trong nhà để người

Trong mô hình PLC, các mạng LAN nhỏ được tạo ra, chúng kết thúc tại mỗi

sử dụng có thể dễ dàng biết được tình trạng của toàn bộ các thiết bị. Ta có thể thấy

trạm điện khu vực. Những mạng LAN này sẽ cùng chia sẻ các luồng E1/T1 kết nối

rõ ràng rằng, nếu không sử dụng công nghẹ PLC cho hệ thống đa dạng như trên thì

Internet, điện thoại, truyền hình cáp tương tự như luồng E1/T1 thuê riêng. Mỗi

việc đi các đường cáp tín hiệu sẽ rất phức tạp.

người sử dụng riêng sẽ được tốc độ cực lớn, tăng nhiều so với việc kết nối qua

1.5. Kết luận chƣơng
Công nghệ PLC hiện nay đã được ngày một hoàn thiện cho phép hệ thống
truyền tin PLC là ưu việt cho truyền dẫn dữ liệu trên mạng lưới điện lực sẵn có với
thông lượng tối đa và mức năng lượng tối thiểu. Cách điều chế và phân bổ tần số
tránh được xuyên nhiễu gây ra bởi sóng radio và các dịch vụ phát quảng bá khác.
Công nghệ tiên tiến bảo đảm sự truyền dẫn dữ liệu là an toàn bí mật.


modem điện thoại 28,8Kbps hoặc 56Kbps như đã thấy trong phần so sánh PLC với
các công nghệ truy nhập băng rộng khác.
Một thuận lợi kết hợp khác nữa đối với mô hình PLC là nó hoạt động tốt trên
hạ tầng mạng điện lực đang tồn tại. Chỉ có các thiết bị Headend tại trạm biến áp,
những bộ Homegateway và các PLC modem là cần phải lắp đặt để thiết lập một
mạng PLC.
Các đường dây thông tin đa mục đích và chuyên dụng đưa ra mô hình PLC

Hệ thống PLC là dễ dàng sử dụng:
• Chiếm tới 90% kết nối của hộ gia đình - mỗi ổ cắm chính là một giao tiếp kết

một lựa chọn hấp dẫn cho kỷ nguyên thông tin. Băng tần rộng và ghép kênh phân
chia theo tần số cho phép rất nhiều đường dây cùng đến một nhà. Một cách lý tưởng

nối.
• Không kéo thêm cáp mới - công nghệ vượt qua đối thủ cạnh tranh để dẫn

thì toàn bộ gia đình có thể sử dụng tất cả các thiết bị thông tin đồng thời, kể cả điện
thoại, truyền hình cáp, PC mà không có thiết bị nào bị ngắt.

đầu.
• Là một sự chọn lựa thực sự bắt lấy cơ hội kinh doanh trong thị trường-làm

internet, điện thoại, truyền hình cáp thông qua một công nghệ truy nhập băng rộng

lợi cho khách hàng.
• Băng thông ngày một tăng lên đáp ứng đòi hỏi về truy cập dải rộng.

với chi phí cho mạng truy nhập tương đối thấp. Cần chú ý rằng, theo tổng kết cơ sở
hạ tầng của mạng truy nhâph nội hạt đối với một hệ thống khai thác viễn thông

• Đáp ứng nhu cầu tăng của mạng trong nhà.
Lợi dụng mạng PLC mở ra các cơ hội kinh doanh mới - không chỉ trong lĩnh
vực truy nhập mà còn các dịch vụ đi kèm với PLC. Hệ thống PLC đang ở giai đoạn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Công nghệ Power line communication là một sự lựa chọn hấp dẫn để kết nối

chiếm khoảng 50% tổng đầu tư của một nhà khai thác viễn thông cho tonà bộ cơ sở
hạ tầng mạng lưới viễn thông của họ. Thêm nữa, tốc độ truy cập cao của nó sẽ đưa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




21

22

ra cho khách hàng các dịch vụ truy nhập internet, video theo yêu cầu, điện thoại nội
hạt, đường dài và các dịch vụ gia tăng khác.


Mạng truy nhập băng rộng sử dụng công nghệ PLC hiện tại và trong tương lai
cần đạt được các mục tiêu sau đây để trở thành công nghệ ứng dụng và là sự lựa

Đối với công nghệ PLC ta thấy có những hấp dẫn sau :
• Công nghệ PLC hiện nay đã được ngày một hoàn thiện cho phép hệ thống

chọn hàng đầu cho các nhà khai thác viễn thông trong việc lựa chọn các giải pháp
cho mạng truy nhập băng rộng:

truyền tin PLC là ưu việt đối với truyền dẫn dữ liệu trên mạng lưới điện lực sẵn có

• Khả năng đưa đến 100% hộ gia đình và các doanh nghiệp nhỏ.

với thông lượng tối đa và công suất thấp.

• Băng thông đạt tới 45 Mbps trên đường hạ thế.

• Phương pháp điều chế và phân bổ tần số tránh được xuyên nhiễu gây ra bởi

• Quản lý mềm dẻo chất lượng dịch vụ.

sóng vô tuyến và các dịch vụ phát quảng bá khác. Công nghệ tiên tiến đảm bảo sự

• Cung cấp dịch vụ ở bất cứ nới đâu mà đường cáp điện đi tới (ở Việt nam đường

truyền dẫn dữ liệu là an toàn.

cáp điện phủ sóng tới 95 % dân số) mà không cần kéo cáp mới.

• Với nhà cung cấp mới, việc xây dựng cơ sở hạ tầng truy nhập nội hạt chiếm

• Phát triển nhanh chóng

một tỷ trọng đầu tư rất lớn (tới khoảng 50% tổng đầu tư) trong khi PLC lại tần dụng

• Chi phí đầu tư thấp.

toàn bộ cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng lưới điện lực.

• Tác dụng dìm giá trong mạng điện.

• Hiện nay có nhiều lựa chọn, ví dụ: cáp đồng trục, DSL, và truyền dữ liệu vô
tuyến:

• Giảm chi phí.
Nhưng thực tế đường dây điện lực là một môi trường truyền thông rất nhạy

- Nhà cung cấp điện thoại thì lựa chon công nghệ DSL để tăng băng thông của
lớp “truy nhập nội hạt” của họ.

cảm, các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào tải và vị trí, cho
đến nay các đặc tính cụ thể của kênh vẫn là những vấn đề được nghiên cứu nhằm

- Nhà cung cấp dịnh vụ trên cơ sở mạng cáp thì lựa chọn công nghệ dùng cáp
đồng trục.

đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả. Phần tiếp theo của chương sẽ trình bày về yếu
tố ảnh hưởng, các kỹ thuật phối ghép, điều chế và mã hóa tín hiệu trên đường dây

- Còn các nhà cung cấp khác muốn dùng công nghệ vô tuyến.

điện lực nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng gây nên do đặc tính của kênh.

• Ngành điện lựa chọn công nghệ PLC để tận dụng mạng lưới điện sẵn có.
• Ngoài nhu cầu cung cấp dịch vụ đến từng khách hàng, nó cũng có thể dùng
để thiết lập mạng LAN gia đình (in-house LAN).
• Công nghệ PLC đang ngày càng nhận được sự quan tâm nhiều trên thị
trường viễn thông bởi lẽ nó cho phép đáp ứng được một nhu cầu đang ngày càng
phát triển mạnh của người dùng đó là nhu cầu thông tin dữ liệu băng rộng tốc độ
cao với chi phí ít tốn kém hơn.


Mục tiêu của mạng PLC băng thông rộng:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




23

24

CHƢƠNG 2
MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN
HỆ THỐNG PLC
2.1. Đặc tính kênh truyền đƣờng cáp điện
Môi trường truyền là một vấn đề quan trọng của bất kỳ hệ thống thông tin
nào. Do bản chất sơ khai của đường cáp điện không phải là để truyền dẫn tín hiệu
thông tin cho nên không có một sự đảm bảo hiệu năng nào khi thực hiện truyền

Hình 2.2: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện

thông trên cáp điện nhìn từ quan điểm truyền dẫn tín hiệu. Lưới điện là một môi
trường vô cùng phức tạp với rất nhiều các loại tín hiệu khác nhau cùng tồn tại như
tín hiệu xoay chiều 220V – 50Hz, các loại nhiễu trên mọi dải tần, các sóng vô
tuyến, các xung điện áp xuất phát từ các thiết bị điện… Ngoài ra, không thể phản
ánh một cách chính xác năng lượng trong môi trường dây dẫn điện.
Trong khi đó, thực tế điện dung của đường dây bị chi phối trong các trường

hợp mà trở kháng lớn hơn nhiều đặc tính của dây. Một số loại tải có tính dung
kháng, tuy trở kháng đối với tín hiệu điện 50Hz lớn nhưng lại là trở kháng nhỏ so
với tín hiệu truyền dẫn tần số cao, so đó làm suy giảm nghiêm trọng điến sự truyền
dẫn tín hiệu của PLC (hình 2.1)

2.1.1. Sự giới hạn băng thông
Như mô tả ở trên, bề rộng băng thông là tỷ lệ với tốc độ bít, vì thế một băng
thông lớn là cần thiết trong truyền thông với tốc độ bít cao.
Ở châu Âu, băng thông cho phép được quy định bởi tiêu chuẩn CENELEC,
tiêu chuẩn này chỉ cho phép dải tần số giữa 3KHz và 145,5KHz. Điều này gây khó
khăn cho PLC vì với băng thông như vậy không thể thực hiện được việc truyền
những thông tin yêu cầu tốc độ bít cao như âm thanh, hình ảnh trực tuyến…
Hình 2.3 trình bày băng thông một cách chi tiết của tiêu chuẩn CENELEC. Dải
tần số của PLC được chia làm 5 băng nhỏ. Hai băng đầu (3-9 và 9-95KHz) là giới
hạn cho nhà cung cấp năng lượng và 3 giới hạn kia dành cho tuỳ chọn của khách
hàng cung cấp năng lượng. Trong phần ghi chú thêm, chuẩn băng tần được cho
phép cũng giới hạn băng tần tại máy phát. Như vậy hiện tại vẫn chưa có một thống
nhất cho phép về băng tần của PLC, đó là một hạn chế rất lớn ảnh hưởng đến sự
phát triển của PLC.

Hình 2.1: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

25

26

2.1.2.1. Nhiễu tần số 50Hz.
Nhiễu này xuất hiện đồng thời với sóng mang trên lưới điện, nó bao gồm tín
hiệu tần số 50Hz và các hài của nó. Tuy nhiên, do có tần số thấp nên nguồn nhiễu
này chỉ có ảnh hưởng chút ít tới hoạt động của hệ thống. Tần số làm việc của hệ
thống càng nhỏ thì ảnh hưởng của loại nhiễu này càng lớn và ngược lại.

Hình 2.3: các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC

2.1.2.2. Nhiễu xung đột biến.
Xuất hiện một cách bất thường trên lưới điện, mỗi khi có một thiết bị điện

Trong việc tăng thêm tốc độ bít, băng thông rộng hơn có thể là cần thiết. Các

kết nối hoặc được ngắt khỏi lưới điện, đặc biệt là những thiết bị có công suất lớn

nghiên cứu gần đây đưa ra đề nghị tần số sử dụng trong khoảng giữa 1 và 20MHz.

như bếp điện, bàn là hoặc thiết bị có sự phóng điện như đèn neon… Một thiết bị

Nếu khoảng tần này được sử dụng, nó có thể làm tăng thêm rất lớn băng thông và

như vậy khi đóng, ngắt khỏi ổ điện tức là sẽ đóng, ngắt dòng điện lớn làm xuất hiện

có thể cho phép các ứng dụng cần tốc độ bít cao trên đường cáp điện. Một số vấn đề

sự phóng tia lửa điện tại chỗ tiếp xúc, bản thân tia lửa điện này là một nhiễu dải

quan trọng là một phần của băng tần này đã được phân cho hệ thống thông tin khác.

rộng bao gồm nhiều tần số khác nhau, mang các mức năng lượng khác nhau.

Những hệ thống thông tin khác sử dụng những băng tần cho phép này cũng gây
nhiễu loạn tới hệ thống thông tin trên đường điện PLC. Một số ví dụ về hệ thống
thông tin trong dải này là Radio, Radio nghiệp dư và hoa tiêu máy bay.
2.1.2. Nhiễu trên đường cáp điện
Đường dây điện được ra đời phục vụ cho việc truyền năng lượng điện chứ
không nhằm mục đích truyền thông tin. Khi đưa thông tin truyền trên đó, ta sẽ gặp
phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu.
Nguồn gây nhiễu chính trên lưới điện xuất phát từ các thiết bị điện, chúng sử
dụng nguồn cung cấp 50Hz và phát ra thành phần nhiễu kéo dài trên toàn bộ phổ tần

Hình 2.4: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn

của lưới điện. Phần nữa chính là từ sóng radio ở khắp mọi nơi như các hệ thống

2.1.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn
Hầu hết nguồn gây nhiễu kiểu này đều xuất phát từ các Triac điều khiển đèn

thông tin di động, phát thanh, truyền hình, kiểm soát không lưu, quân sự… ở mọi

điện tần số xuất hiện của nó bằng hai lần tần số dòng xoay chiều trên lưới điện, hay

băng tần được sử dụng sóng tần số thấp vài trăm KHz đến sóng tần số siêu cao hàng

nói cách khác là nó sẽ lặp lại sau mỗi nửa chu kỳ.

GHz mang lại. Nguồn nhiễu sơ cấp của nhiễu trong khu vực dân cư là các thiết bị
điện dân dụng: động cơ, đèn chiếu sáng, tivi… Ta có thể chia nhiễu làm các loại
như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




27

28

2.1.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ
Kiểu này có đường phổ không tương quan với sóng hình sin 50Hz. Việc
khởi động thiết bị điện như tivi sẽ làm phát ra loại nhiễu này đồng thời với tần số
quét mạnh 15734Hz trong tivi. Các thành phần của nhiễu này cần phải được loại bỏ
khi thiết kế một hệ thống thu phát. Nó được thấy nhiều trong khu dân cư và rất
không ổn định, mức độ nhiễu theo từng ngày, từng giờ tùy theo việc sử dụng của
người dân. Loại nhiễu này có khuynh hướng giảm dần năng lượng khi mà tần số
tăng lên. Mật độ năng lượng nhiễu tập trung dày ở phạm vi tần số thấp. Điều đó có
Hình 2.5: Nhiễu xung tuần hoàn
2.1.2.4. Nhiễu xung kéo dài
Được gây ra bởi các loại động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều trong các
thiết bị điện (máy khoan, động cơ truyền lực, máy hút bụi và nhiều các thiết bị ứng

dụng khác…). Các bộ phận tiếp xúc như cổ góp ở động cơ điện một chiều sẽ là một
trong những nguyên nhân gây nhiễu trên, xuất hiện với tần số của chuỗi xung
khoảng vài KHz trở xuống.

nghĩa là tín hiệu sóng mang trong PLC sẽ ít bị ảnh hưởng của nhiễu hơn khi tần số
được tăng lên.
2.1.2.6. Nhiễu sóng radio
Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn thu nhận, phát xạ các sóng vô
tuyến từ dải tần rất thấp cho đến rất cao. Các dải sóng do các đài phát thanh, phát
hình hay radio nghiệp dư phát đi được lưới điện thu được và đó chính là một nguồn
gây nhiễu rất đáng kể cho hệ thống thông tin PLC. Thêm vào đó khoảng tần số sử
dụng ở PLC cũng bao gồm một khoảng dải tần đã cấp phép sử dụng cho các hệ
thống thông tin vô tuyến, chính vì thế mà các tần số cho radio đó nhiễu khi rất gần
tần số sử dụng của PLC.
2.1.2.7. Nhiễu nền
Đây là loại nhiễu mà ta có thể thấy ở bất kỳ đâu trên lưới điện và đối với mọi
loại hệ thống thông tin. Nó luôn có trên đường dây điện, do biến áp phân phối, hệ
thống chiếu sáng công cộng, các tải xa gây ra. Các phép đo chỉ ra rằng, nhiễu này
giảm khi tần số tăng, nhiễu này thường gặp phải ở tần số dưới 5MHz so với phần
còn lại của phổ tần.
2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng
Ở hình 2.1 các tham số quan trọng của hệ thống là trở kháng đầu ra của máy

Hình 2.6: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó

phát Zt và trở kháng đầu vào của máy thu Zl . Đường dây điện lực giống như một
anten phát/thu làm cản trở quá trình phát/thu tin. Mọi hệ thống truyền thông luôn cố

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




29

30

gắng để đạt được phối hợp trở kháng tốt, nhưng mạng đường dây điện lực chưa
thích nghi được với vấn đề này vì trở kháng đầu vào (hay đầu ra) thay đổi theo thời
gian đối với tải và vị trí khác nhau, nó có thể thấp cỡ mΩ hay cao tới hàng nghìn Ω,
và thấp một cách đặc biệt tại các trạm con. Một số trở kháng không phối hợp khác
có thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ do các hộp cáp không phối hợp trở
kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn hơn.
2.1.4. Suy hao trên lưới điện
Một vấn đề lớn khác ảnh hưởng đến việc truyền thông trên đường cáp điện là
sự suy hao. Đối với sóng tần số cao truyền trên lưới điện thì sự suy hao là rất lớn,
lớn hơn so với các hệ thống thông tin khác như thông tin vô tuyến, cáp, cáp
quang…

Hình 2.7: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz

Các yếu tố dẫn đến điều đó bao gồm: Thứ nhất là do các tải tiêu thụ kết nối
với lưới điện, bản thân mỗi tải tiêu thụ điện thì cũng sẽ tiêu thụ tín hiệu cao tần dù ít

2.1.5. Hiện tượng sóng dừng

hay nhiều, và thực tế cho thấy rằng sự suy giảm gây ra là rất đáng kể, đặc biệt là
những thiết bị có tính dung kháng hoặc những thiết bị đốt nóng (có công suất lớn).
Nguyên nhân này rất khó giải quyết do không thể thay đổi toàn bộ các thiết bị điện
cho phù hợp với sự truyền thông của PLC mà ngược lại, chính PLC phải tìm cách
thích hợp với môi trường sẵn có như thế. Thứ hai là sự phát xạ của sóng cao tần khi
chạy trên lưới điện. Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn, dòng điện cao tần
chạy trên lưới điện sẽ phát xạ liên tục ở mọi điểm, nhất là những đoạn dây điện có
điều kiện bức xạ tốt. Để hạn chế những hiện tượng này thì phải sử dụng những dải
tần thích hợp trong từng điều kiện cụ thể, để có thể giảm bớt sự bức xạ chung.

Hình 2.8: Hiện tượng sóng dừng
Đây là hiện tượng cũng dễ xảy ra trong hệ thống thông tin có sử dụng sóng
mang truyền trên đường cáp nhất là đối với sóng mang tần số cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




31

32

Để khảo sát kĩ hơn hiện tượng này, ta xét một sợi dây đàn hồi có hai đầu A,

yếu. Các đường dây điện bên trong các hộ gia đình không được che chắn và vì thế

B cố định, trên đó có hai sóng kết hợp truyền ngược chiều nhau. Có thể coi đó là

sự phát xạ là khá nghiêm trọng. Một giải pháp có thể sử dụng là khối lọc tín hiệu

một sóng tới và một sóng phản xạ. Chọn thời điểm t=0 là lúc trên sợi dây hai sóng 1

thông tin từ đầu vào căn nhà. Bên trong nhà, tần số và công suất phát được lựa chọn

và 2 ngược pha nhau tại một điểm M nào đó. Sợi dây AB có dạng sóng dừng (đây là

sao cho khả năng gây nhiễu là nhỏ nhất, khối lọc tín hiệu thông tin làm nhiệm vụ

dạng thật của sợi dây), sóng 1 truyền sang phải, sóng 2 truyền sang trái, biên độ

chuyển tiếp thông tin giữa hai kênh truyền là trong nhà và ngoài nhà.

sóng tổng hợp tại mọi nơi đều bằng 0. Tại thời điểm t=λ/4, mỗi sóng truyền đi một
đoạn đường bằng λ/4. Cũng như vậy, tại các thời điểm t=λ/2 và t=3λ/4, sóng có

2.2. Ghép nối với lƣới điện – xử lý tín hiệu

hình dạng như trên hình 2.9.
Như vậy hiện tượng sóng dừng sẽ ảnh hưởng ít nhiều đến truyền thông trên

2.2.1. Mạch ghép tín hiệu

lưới điện vì nếu máy thu đặt tại nút sóng thì tín hiệu thu được sẽ rất yếu vì biên độ

Có hai cách chủ yếu để phối ghép tín hiệu vào mạng điện:

sóng tổng hợp tại mọi nút sóng đều bằng 0.

-

cuối, và dây trung tính làm đầu cuối thứ hai. Trong trường hợp dây trung tính

2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu
Khi truyền tín hiệu đi trên đường điện, tín hiệu sẽ được phát xạ vào không
gian. Có thể xem lưới điện là một anten khổng lồ, thu và phát tín hiệu, vì vậy phải
làm thế nào hạn chế tín hiệu phát xạ từ lưới điện, không gây nhiễu đến các hệ thống

Phối ghép chế độ vi sai (differential mode): dây pha được dùng làm một đầu
không tồn tại (ở mạng cao thế), dây đất có thể làm đầu cuối thứ hai.

-

Phối ghép chế độ chung (common mode): dây pha và dây trung tính được
dùng với nhau, hình thành một đầu cuối thứ hai.

Trở kháng giữa các điểm phối ghép và điểm ngắn mạch đủ lớn để cho phép

thông tin khác.
Khi sử dụng dải tần số từ 1 – 20MHz cho truyền thông, sự phát xạ là một

truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khó khăn tồn tại trong cách này là phải có các thiết bị

vấn đề vô cùng quan trọng bởi vì nhiều ứng dụng radio khác được cho phép trong

bảo vệ dòng dò, mà nhiều nước không cho phép sử dụng cách này vì gây nguy hiểm

khoảng tần số này. Nó không thích hợp cho một hệ thống gây nhiễu với thông tin

cho người sử dụng.

trên máy bay, thông tin hàng hải, và các hệ thống thông tin quảng bá khác. Những
nghiên cứu gần đây về vấn đề này cố gắng thiết đặt mức công suất phát của sự

Trong nghiên cứu thực hiện mạch ghép nối vật lý, hai phương pháp sau có thể
được sử dụng:

truyền dẫn. Điều rất quan trọng là công việc này sẽ được hoàn thành trong tương lai

+ Ghép dung kháng, sử dụng tụ điện để ghép.

gần, từ đó giới hạn việc sử dụng băng tần này và sự phát triển của hệ thông tin cho

+ Ghép cảm kháng, sử dụng cuộn cảm để ghép tín hiệu. Ghép cảm kháng

kênh truyền là lưới điện.

cung cấp sự cách ly vật lý giữa mạng điện và mạng thông tin, làm cho cài đặt an

Với đường cáp điện đi trên các cột điện được cắm trên mặt đất thì sự phát
xạ rất lớn, đồng thời nhiễu thu vào từ sóng cũng sẽ lớn. Khi đường cáp được đi
ngầm dưới mặt đất thì sự phát xạ sẽ là nhỏ và ít ảnh hưởng đến các hệ thống khác.
Thay vào đó là sự phát xạ từ các hộ gia đình sẽ trở thành thành phần đóng góp chủ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

toàn hơn.
2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C
Nguyên lý của mạch phối ghép này là do tần số của tín hiệu cao hơn tần số
của dòng điện 50Hz rất nhiều nên dòng điện xoay chiều 50Hz sẽ được cản lại bằng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên