Hệ thống thông tin trong hệ thống điện

Hệ thống thông tin trong hệ thống điện

3 Lêi nãi ®Çu Hệ thống điện ngày càng phát triển, yêu cầu về quản lý chế độ đối với chúng càng cao nhằm đảm bảo chất lượng điện trong mọi tình huống. Muốn được như vậy trước hết phải truyền các thông tin về cấu trúc hệ thống cũng như các thông số chế độ. Từ các thông tin thu nhận được tại trung tâm điều thực hiện tính toán để rồi đưa ra các lệnh điều khiển hợp lý chính xác và nhanh. Cuốn sách “ Hệ thống thông tin trong hệ thống điện “ nhằm trợ giúp cho sinh viên, kỹ sư vận hành hệ thống điện những kiến thức cơ bản các tín hiệu, hệ thống thông tin, biến đổi tín hiệu, các nguyên lý ghép kênh cũng như giới thiệu các hệ thống thông tin như : Hệ thông tin vi ba, Hệ thông tin sợi quang, Hệ thông tin tải ba, Hệ thống HTC tổng hợp. Ngoài ra cuốn sách còn trình bày một số hệ thông tin đo lường và điều khiển trong công nghiệp hiện nay. Nội dung cuốn sách gồm tám chương chính như sau: Chương một: Tổng quan về các tín hiệu và hệ thống thông tin. Chương hai: Giới thiệu về biến đổi tín hiệu. Chương ba: Giới thiệu các nguyên lý ghép kênh. Chương bốn: Giới thiệu hệ thông tin vi ba. Chương năm: Giới thiệu hệ thông tin sợi quang. Chương sáu: Giới thiệu hệ thông tin tải ba. Chương bảy: Giới thiệu hệ thống HTC tổng hợp. Chương tám: Giới thiệu một số hệ thống thông tin đo lường và điều khiển trong công nghiệp hiện nay. 4 Cuốn sách “ Hệ thống thông tin trong hệ thống điện “ được dùng chủ yếu cho sinh viên ngành Hệ thống điện, Công nghệ thông tin, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ sư vận hành hệ thống điện, vận hành các hệ thống thông tin. Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cán bộ giảng dạy tại trường Đại học Điện lực đã tận tình giúp đỡ để hoàn thành cuốn sách này. Rất mong sự đóng góp của các độc giả để cuốn sách ngày một hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về khoa Hệ thống điện, trường Đại học Điện lực. Tel (04)22185612. Emai:hoapv@.epu.edu.vn Xin chân thành cảm ơn. Thay mặt tập thể tác giả PGS-TS PHẠM VĂN HÒA 5 DANH MỤC CÁC CHƯ VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều biên BW Bandwich Dải thông của tín hiệu CAMAC Computer Application for Measurement And Control Máy tính phục vụ cho đo lường và điều khiển CC Coupling capacitor Tụ ghép nối CD Coupling Device Thiết bị ghép nối DCS Distributed Control System hệ thống điều khiển phân tán DSB Double Side Band Dải biên kép FAX Máy Facsimile FCS Field Control Station Trạm điều khiển hiện trường FDM Frequency Divison Mutiplexing Ghép kênh theo tần sô FM Frequency Điều tần HIS Human Interface Station Giao thức người-máy HV High Voltage Điện áp cao thế IIT Industrial Information Technology Hệ thống thông tin công nghiệp IIS Intergrated Information System Hệ thống thông tin tích hợp LSB Lower Side Band Các giải biên dưới LT Line Triap Cuộn cảm ( cuộn bẫy sóng) M Modem Giao diện PAM Pulse Amplitude Modulation Điều biên xung PAX Thiết bị chuyển mạch PC Personal Computer Máy tính các nhân PCM Pulse Code Modulation Điều chế mã xung PLC Power Line Carrier Thiết bị thông tin tải ba PLC Programable Logic Controler Bộ vi điều khiển lập trình 6 PM Phase Modulation Điều pha RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối SCADA Supervisory Control And Data Acquisition thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu RP Rele Protection Bảo vệ rơ le SSB Single Side Band Dải biên đơn TDM Time Divison Mutiplexing Ghép kênh theo thời gian TIA Totally Integrated Automation Tự động tích hợp toàn diện USB Upper Side Band Các dải biên trên 7 Ch¬ng 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN §1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Nguồn tin nguyên thủy Nguồn tin nguyên thủy là tập hợp những tin tức nguyên thủy chưa qua một phép biến đổi nhân tạo nào ví dụ như: tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh v.v Như vậy tin tức được sinh ra nhờ các nguồn tin nguyên thủy. 1.1.2 Tín hiệu thông tin Tín hiệu thông tin là dạng vật lý chứa đựng tin tức và truyền lan trong hệ thống thông tin từ nơi gửi đến nơi nhận tin. Để cho đơn giản ta sẽ gọi tắt tín hiệu thông là tín hiệu. Có thể phân loại tín hiệu như sau: - Tín hiệu xác định: là tín hiệu mà quá trình biến thiên của nó được biểu diễn bằng một hàm thời gian đã hoàn toàn xác định. Biểu thức giải tích hay đồ thị thời gian của tín hiệu xác định là hoàn toàn được biết trước. Ví dụ : s(t) = A sin (ωt + φ) là tín hiệu hình sin có biên độ A, tần số góc ω và góc pha φ là 1 tín hiệu xác định. - Tín hiệu ngẫu nhiên: là tín hiệu mà quá trình biến thiên của nó không thể biết trước. Giá trị của tín hiệu ngẫu nhiên ở từng thời điểm là không biết trước. 8 Ngoài cách phân loại như trên ta còn có thể chia các tín hiệu ra thành 2 nhóm là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc: Tín hiệu được gọi là liên tục nếu sự thay đổi của nó là liên tục, còn nếu ngược lại tín hiệu là rời rạc. Cụ thể hơn , có thể phân ra làm 4 loại sau đây: - Tín hiệu có biên độ và thời gian liên tục gọi là tín hiệu tương đương (analog). - Tín hiệu có biên độ rời rạc, thời gian liên tục gọi là tín hiệu lượng tử. - Tín hiệu có biên độ liên tục, nhưng thời gian rời rạc gọi là tín hiệu rời rạc. - Tín hiệu có biên độ và thời gian đều rời rạc gọi là tín hiệu số(digital). 1.1.3 Hệ thống thông tin Hệ thống thông tin là tổ hợp các thiết bị kỹ thuật, các kênh tin để truyền tin tức từ nguồn tin đến nơi nhận tin. Cấu trúc tổng quát nhất của một hệ thống thông tin như trên hình 1.1 Hình 1.1-Cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin Các khối trên hính 1.1 được mô tả như sau : - Nguồn tin: là tập hợp các tin mà hệ thống thông tin phát ra. - Kênh tin: là nơi hình thành và truyền tín hiệu mang tin đồng thời ở dấu xảy ra các tạp nhiễu tin tức. - Thu tin: là cơ cấu phục hồi tin tức ban đầu từ tín hiệu lấy từ đầu ra của kênh tin. 1.1.4 Đơn vị thông tin Đơn vị nhỏ nhất của thông tin là bit (binary digit). Một bit là dung lượng của một nguồn tin có trạng thái có thể ( thông thường quy ước là 0 hoặc 1). Các đơn vị bội số của bit như: 1 byte (B) = 8 bit Nguồn tin Kênh tin Thu tin Nhiễu 9 1 Kbyte(KB) = 1024 byte 1 Mbyte (MB) = 1024 Kbyte 1 Gbyte (GB) = 1024 Mbyte §1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XÁC ĐỊNH Ký hiệu s(t) là biểu thức thời gian của tín hiệu xác định và chúng có các thông số đặc trưng như sau: 1. Độ dài và trị trung bình của tín hiệu - Độ dài của tín hiệu s(t) là thời gian tồn tại tín hiệu đó kể từ lúc nó bắt đầu xuất hiện cho đến khi chấm dứt. Thông số này quy định thời gian mà hệ thống thông tin bị mắc bận trong việc truyền đi tin tức chứa trong tín hiệu. - Nếu độ dài của một tín hiệu xuất hiện vào thời điểm t 0 là  , thì trị trung bình của nó theo thời gian bằng : 0 0 ( ) ( ) 1 t t t t s s dt      (1.1) 2. Năng lượng công suất và trị dụng của tín hiệu - Năng lượng Es của tín hiệu s(t) là tích phân của bình phương tín hiệu trong suốt thời gian tồn tại của nó: 0 0 2 ( ) t s t t E s dt     (1.2) Với định nghĩa của năng lượng như vậy, ta coi tín hiệu có tính chất như điện áp, dòng điện hay các đại lượng tương tự khác. - Công suất trung bình của tín hiệu dt)t(s 1 )t(s 0 0 t t 22     (1.3) 10 trong đó biểu thức s 2 (t) được gọi là công suất tức thời của tín hiệu. Như vậy công suất trung bình của tín hiệu chính là trị trung bình của công suất tức thời. - Trị hiệu dung của tín hiệu là căn bậc hai của công suất trung bình: 0 0 2 ( ) 1 t hd t t s s dt      (1.4) 3. Dải động của tín hiệu: là tỉ số các giá trị cực đại và cực tiểu của công suất tức thời của tín hiệu. Thường thông số này được đo bằng đơn vị lôgarit ( ben hay đêxiben): ax min 2 ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ax 10lg 20lg min m t t dB t t s s m D s s   (1.5) Thông số này đặc trưng cho khoảng cường độ mà tín hiệu sẽ tác động lên các thiết bị 4.Tỉ số tín hiệu / nhiễu S/N (signalto noise ratio): S N P S N P    (1.6) trong đó Ps là công suất tín hiệu, PN là công suất nhiễu. Tỉ số S/N cũng còn có thể viết dưới dạng mức tín hiệu: 10lg 10lg ( ) S N P dB P   (1.7) 5. Dải thông của tín hiệu BW ( Bandwich): là hiệu giữa các giới hạn tần số của dải chứa các thành phần tần số hữu ích của 1 tín hiệu. Ví dụ: có thể xem tiếng nói con người có dải tần số nằm trong khoảng từ f1= 300 Hz đến f2= 3000 Hz. Khi đó giải thông: BW= f2 - f1 = 3000-300 =2700Hz. Các tín hiệu có dải thông lớn thì rõ ràng là nên được truyền đi ở các tần số cao để có lợi hơn (tránh giao thoa với các tín hiệu khác). 11 §1.3 PHƯƠNG PHÁP PHỔ Phương pháp này cho phép xác đình cách truyền tín hiệu cùng với độ biến dạng cho phép qua các mạch điện có dải tần số bị giới hạn, ví dụ như các mạch và thiết bị có dải tần số làm việc hẹp, các bộ lọc điện, các bộ khuếch đại, các bộ biết đổi, các kênh tin .v.v Cơ sở của phương pháp phổ là sự khai triển các hàm số tuần hoàn vào chuỗi Fuariê. Giả sử có tín hiệu s(t) tuần hoàn với chu kỳ T, s(t)= s (t+nT) với mọi số nguyên n) đồng thời s(t) thỏa mãn các điều kiện Đirichlê ( bị chặn, liên tục từng đoạn, có số hữu hạn các điểm cực trị trong mỗi chu kì). Khi đó tín hiệu s(t) có thể biểu diễn được dưới dạng chuỗi Fuairê phức:     k tjk k eAts  )( (1.8) trong đó: 2 T    - Tần số góc cơ bản, (1.9) k j k 2 T 2 T tjk k ecdte).t(s T 1 A       (1.10) Là biên độ phức . Số hạng k A  gọi là thành phần điều hòa bậc k của tín hiệu s(t), c k là môdun của biên độ phức A k , Tập hợp    k k c gọi là phổ biên độ của tín hiệu s(t). k  là pha ban đầu của biên độ phức k A  Tập hợp      k k gọi là phổ pha của tín hiệu s(t). Nếu biết phổ pha và phổ biên độ ta có thể thấy rằng tín hiệu tuần hoàn với chu kỳ   T . Khi đó nếu s(t) cũng thỏa mãn các điều kiện Đirichlê thì ta cũng được biểu diễn của tín hiệu không tuần hoàn s(t) dưới dạng tích phân Fuairê: 12      de).(S)t(s tj (1.11) Là phép biến đổi Fuarie ngược. trong đó:        de).(S 2 1 )t(s tj (1.12) gọi là phổ của tín hiệu không tuần hoàn s(t) (Phép biến đổi Fuairê thuận). Nếu biết phổ S(ω) ta hoàn toàn có thể xác định được tín hiệu không hoàn toàn s(t). Nói chung phổ S(ω) là hàm phức:     )(jQ)(P)t(sImj)t(sRee.)t(s)t(s )(j       (1.13) P(ω) - Phổ thực của tín hiệu s(t) Q(ω) - Phổ ảo của tín hiệu s(t) )t(s  - Phổ biên độ của tín hiệu s(t), )(Q)(P)t(s 22   (1.14) φ(ω) - phổ pha của tín hiệu s(t), )17.1( )(Q)(P )(P )(cos )16.1( )(Q)(P )(Q )(sin )15.1( )(P )(Q )(tg 22 22          Từ trên ta nhận thấy các tín hiệu tuần hoàn sẽ có phổ vạch (phổ rời rạc), còn các tín hiệu không tuần hoàn sẽ có phổ liên tục. §1.4 NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Nhiễu là từ dùng để chỉ tất cả các loại tín hiệu không có ích tác động lên các tín hiệu có ích, gây khó khăn cho việc thu và xử lý tín hiệu này. Nhiễu gây nên các sai số cũng như làm biến dạng tín hiệu. Nếu ta truyền 1 tín hiệu [...]... sau : 15 - Nguồn tin là nơi cung cấp các tin tức ban đầu chưa ở dạng tín hiệu điện, như tiếng nói trong điện thoại, tiếng nói, âm nhạc trong thông tin phát thanh; tiếng nói, âm nhạc và hình ảnh trong truyền hình - Để có truyền hình tin tức người ta thường chuyển nó thành tín hiệu điện phù hợp cho các hệ thống thông tin, gọi là biến đổi tin tức-tín hiệu Ví dụ: Micro trong thông tin điện thoại và phát... nhiễu trong là nhiễu ngay trong bản thân hệ thống thông tin do bản thân các thiết bị sinh ra trong quá trình làm việc, như do hiệu ứng nhiệt, do sự thăng giáng của các đại lượng vật lý vv Nhiễu trong còn được gọi là tạp âm Chất lượng của tín hiệu có thể được đo bằng tỷ số S/N (tín hiệu/nhiễu) biểu diễn bởi đơn vị dB 14 Ch­¬ng 2 BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU §2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN. .. hai loại kênh truyền cơ bản là dây dẫn (cáp điện, cáp quang) và vô tuyến (truyền trong không gian) Các kênh tin được dùng trong thông tin điện thoại, điện báo, truyền hình công nghiệp, phát thanh, truyền hình, thông tin vệ tinh và đo lường, điều khiển từ xa - Tín hiệu sau khi qua kênh truyền sẽ đi đến máy thu Các bộ phận cơ bản của máy thu là anten thu (trong trường hợp kênh truyền vô tuyến), các... và tần số của chúng thay đổi trong một phạm vi rộng Nếu công suất của các dải biên được truyền đi bị yếu thì tín hiệu nhận được tương ứng cũng yếu và hệ thống thông tin sẽ kém tin cậy Ta thấy chỉ có các dải biên mới chứa thông tin cần truyền (chứa tần số tin tức  bên trong) , trong khi sóng mang thì không, hơn nữa sóng mang lại chiếm công suất quá lớn (2/3 tổng công suất trong trường hợp điều biên 100%... các động cơ điện có thanh góp, các dụng cụ điện dùng trong gia đình, các thiết bị điện dùng trong y tế, các thiết bị công nghiệp ở tần số cao (lò đúc và tôi cao tần, lò sấy cao tần,.vv ) các nhiễu phiền phức nhất do hệ thống đánh lửa trong các động cơ đốt trong gây ra, và cuối cùng các chuông điện (với rơle đóng mở) cũng là nguồn nhiễu mạnh Bản chất của nhiễu công nghiệp là khi các thiết bị điện kể trên... giữa tín hiệu điều chế liên tục và điều chế xung là ở chỗ trong hệ thống điều chế liên tục tín hiệu mang tin tức được truyền đi liên tục theo thời gian Còn trong hệ thống điều chế xung, tín hiệu mang tin tức chỉ được truyền trong khoảng thời gian có xung §2.4 ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU LIÊN TỤC (TƯƠNG TỰ ) 2.4.1 Khái quát chung Gọi (t) là tín hiệu mạng tin tức và hơn nữa (t) đã được chuẩn hóa nghĩa là: -1 ... hiệu điện thành dạng tiện lợi cho việc truyền đi xa, có khả năng chống nhiễu cao và không làm méo tín hiệu trong quá trình xử lý Có thể thực hiện được các mục tiêu cơ bản này nhờ khâu điều chế tín hiệu Ngoài ra để đảm bảo công suất máy phát phải thực hiện khuếch đại tín hiệu Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến, máy phát phải có anten phát để bức xạ tín hiệu điện thành sóng điện tử lan truyền trong. .. thông số của sóng mang có tần số cao Trong thực tế người ta dùng hai loại sóng mang là các dao động hình sin cao tần hoặc các dãy xung, do 17 đó tương ứng ta sẽ có hai hệ thống điều chế là điều chế liên tục và điều chế xung T/h điều chế (t/h tin tức) Bộ điều chế T/h bị điều chế T/h sóng mạng Hình 2.2- Nguyên tắc chung điều chế tín hiệu Trong hệ thống điều chế liên tục, tín hiệu điều chế (tín hiệu tin. .. hệ thống thông tin tương tự, nhất là trong lĩnh vực điện thoại, truyền hình… 2.5.2 Điều chế mã xung PCM (Pulse Code Modulation) Định nghĩa: Điều chế mã xung PCM về cơ bản là sự chuyển đổi tương tự số thuộc một kiểu đặc biệt trong đó tin tức chứa trong các mẫu tức thời của một tín hiệu tương tự được biểu diễn bằng các từ số trong một chuỗi bit nối tiếp ( Một từ số bao gồm n chữ số nhị phân) Trong thực... Giá thành của đường truyền, kênh truyền thông tin trong nhiều trường hợp là rất lớn và đôi khi còn đắt hơn cả các thiết bị thu, phát Đối với các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như điện thoại thì khả năng truyền nhiều tín hiệu qua một kênh là vô cùng quan trọng Ghép kênh là qúa trình cho phép truyền hai hay nhiều tín hiệu ở đầu phát trên cùng một kênh tin sao cho ở đầu thu có thể tách được riêng