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

điểm của việc truyền thông trên đường dây tải điện, nhằm tiến tới xây dựng một mạng lưới truyền thông trên đường dây tải điện là một yêu cầu cấp thiết.. Dé từ đó ta có thé ứng dụng để gi

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quý Sỹ

Phản len ĐÔ C9 9600000009000000060006000006000606000606006066006060606060660606060666060660666666

2 cA

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

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

tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

Vào lúc: ĐIỜ ngày tháng năm 2015.

Có thê tìm hiệu luận van tại:

- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

MỞ ĐẦU

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

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

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

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

thực Bên cạnh đó phương tiện truyền thông này còn có tính

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

sở hạ tầng sẵn có

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

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

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

Dé từ đó ta có thé ứng dụng để giám sát và điều khiến các thiết

bị điện thông qua đường dây tải điện, thực hiện các giải pháp

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

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

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

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

Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông PLC.

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

PLC.

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

năng từ xa cho ngành điện ở Việt Nam.

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

nghị.

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE MẠNG TRUYEN THONG PLC

1.1 Mô tả chung về mạng truy nhập PLC

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

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

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

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

1.1.1 Mô tả chung về cấu trúc mang PLC

1.1.2 Mô tả về các nút

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

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

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

động ở các chế độ khác nhau

1.1.3 Mô hình mạng tham khảo

Ngoài các lớp được nêu ra đưới đây thì còn kế đến các phần

quan trọng nữa đó là Security va Coexistence Nội dung chính

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

giao diện gói thông tin và đường dây tải điện.

1.2 Truyền thông trên mạng đường dây tải điện

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

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

đó truyền trên cáp mạng cao áp (500kV) tới các trạm biến áp, đểbiến đổi điện áp (về 10kV) và phân phối năng lượng tới một sốlượng lớn các lưới hạ thé(0,4Kv)

1.3 Truyền thông số

1.3.1 Mô hình hệ thông

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

thông tin một hệ sỐ thông tin chắc chan r, Đặc tính đo lường, tađịnh nghĩa khả năng lỗi bit, như xác suất mà một bit nhận được

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

1.3.2 Khối mã hóa nguồn

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

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

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

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

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

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

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

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

1.3.3 Kênh mã hóa

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

mã chập.

1.3.4 Bộ điều chế

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

truyền trên toàn bộ kênh truyền Giai đoạn này dữ liệu được

chuyền đổi từ dong bit trong một tín hiệu tương tự, kênh truyền

có thê điều chỉnh được Bộ điều chế thiết lập dạng sóng tương

tự, bố trí và phân phối nó thành một dạng sóng đã biết, tới cácbit nhị phân hoặc dãy ký tự Tai máy thu, bộ giải mã cố gắngphân loại dạng sóng đã truyền đi và chuyển đổi thông tin tương

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

OFDM, GMSK, FSK, PSK, QAM.

1.3.5 Kênh thông tin

Kênh truyền có thể là bất cứ môi trường vật lý nào, như cápđồng trục, không khí, nước hoặc dây điện thoại Việc quan trọng

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

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

hệ thống truyền tin

1.4 Đường dây điện giống như một kênh thông tin

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

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

1.4.1 Sự giới hạn băng thông

Như đã mô tả ở trên băng thông tỷ lệ với hệ số truyền, do đómột băng thông lớn rất cần thiết trong việc đưa ra chế độ truyềnvới hệ số cao Tại Châu Âu cho phép băng thông sử dụng bởichuân CENELEC Chuẩn này chỉ cho phép các tần số giữa 3kHz

và 148.5kHz.

1.4.2 Sự bức xạ của tín hiệu truyền

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

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

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

tin khác nhau.

1.4.3 Trở kháng không phù hợp

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

khang được thực hiện, cũng như việc sử dụng các cáp 5m9 và

bộ thu 50m9 Mạng dây điện là không phù hợp Trở kháng đầu

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

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

vài ngan® va nhất là thấp hơn tại trạm biến áp.

1.4.4 Tỷ số tín hiệu so với nhiễu

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

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

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

Một kênh thông tin có thời điểm thay đổi, phức tạp trong thiết kế

hệ thống thông tin

1.4.6 Mô hình kênh truyền của thông tin mạng điện

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

hệ thống truyền tin mạng dây điện :

- Trở kháng không phù hợp tại máy phát

- Sự suy giảm kênh truyền

- Sự nhiễu

- Trở kháng không phù hợp tại máy thu

- Thời gian thay đổi của sự suy hao

1.5 Đường dây điện và các thông số đặc trưng

1.5.1 Khái niệm

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

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

truy nhập cũng như cung cấp thông tin Để hiểu được tính chấtvật lý của đường dây, trên cơ sở có thé thiết kế, vận hành tối ưu,

ta sẽ nghiên cứu trong các sơ đồ đơn giản, thông dụng hiện nay

Sơ đồ hệ thống điện bao gồm đường dây dài có hai nguồn cungcấp ở hai đầu, bao gồm cả thiết bị bù các loại và máy biến áptăng giảm ở hai đầu

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

Cường độ điện trường trên bề mặt dây là :

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

— K eft piaxtio — Bx „~ jacxt joy

áp va dòng điện, đó là các hàm biến thiên theo thời gian t và độ

đài đường dây x :

1.6 Kết luận chương 1

Trên cơ sở các khái niệm về PLC và đặc điểm của kênhtruyền trên đường dây tải điện có được, chương này đã đề cậpđến các kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền

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

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

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

chương 3.

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

và tín hiệu thông tin (tan số trên 9kHz) Modem PLC không chithực hiện tất cả các chức năng lớp vật lý (Physical Layer) như

mã hóa, điều chế mà còn thực hiện chức năng lớp Data link

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

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

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

2.2.2 Chỉ sô điêu biên

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

» afin =F.

b

Với b, là tốc độ truyền bit ( mps )

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

_Af

"fa

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

Nếu áp dụng vào trường hợp FSK thì :

Vậy h = mF

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

Bessel, tứ tùy thuộc vào chi số biến điệu

2.2.3 Băng thông FSK

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

độ bit

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

giữa bit 1 và bit 0, la:

1 b

a ae)

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

độ truyền bit "

Tín hiệu FSK tức thời có thê việt :

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

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

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

đây ta có một vòng khóa pha đơn giản

FSK

l Tín hiệu ra FSK

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

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

mạch so pha, mạch lọc hạ thông và một VCO PLL là một vòng

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

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

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

số của tín hiệu vào

2.3 Đặc tính truyền tin của lưới hạ thế

2.3.1 Hệ thông PLC-P

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

đọc công tơ, nhưng cũng như vậy việc thiết kế đồng bộ các dịch

vụ khác như hệ thống báo động cũng được chú trọng Cau trúccủa PLC-P được thiết kế từ một cấu trúc hệ thống mở và dễ

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

2.3.2 Truyén thong trong PLC-P

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

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

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

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

liệu, từ một MFN.

2.3.3 Xác suất truyền nhận toàn phan

Vi PLC-P không truyên nhận thông tin tới các hộ gia đình

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

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

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

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

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

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

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

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

đường dây điện _

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

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

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

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

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

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

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

2.5 Kết luận chương 2

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

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

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

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

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

mạng PLC Đồng thời cũng đưa ra các đặc tính truyền tin củalưới hạ thế và ảnh hưởng của tải tới việc truyền thông tin trênđường day tải điện Các kết quả nay sẽ được tổng hop, phân tích

và đánh giá dé đưa vào ứng dụng quan trọng của PLC là đo đếm

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

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC TRONG

VIỆC ĐO ĐÉM ĐIỆN NĂNG TỪ XA CHO NGÀNH ĐIỆN

LỰC Ở VIỆT NAM

3.1 Kỹ thuật điều khiến phụ tải bằng sóng

3.1.1 Tổng quan kỹ thuật điều khiển phụ tải từ xa

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

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

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

- Tốc độ truyền tin

- D6 tin cậy cua tin

- Kha nang chong nhiéu

- Khả năng truyền thông

- Độ tin cậy và an toàn của hệ thống

- Bản quyên quan lý tan số phát

- Khả năng thích hợp về công nghệ và tính linh hoạt mởrộng, phát triển

3.1.2 Đặc điểm của điều khiển phụ tải bằng sóng

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

sau :

- Tốc độ, tính linh hoạt và độ tin cậy

- Khả năng truyền thông

- Khả năng phát triển

- Tỉnh kinh tế3.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển phụ tải

bằng song

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

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

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

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

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

hệ thông cung cấp điện Tại các Trạm biến áp phân phối của phu

tải, các máy thu được lắp đặt để nhận tín hiệu, giải mã tín hiệu

và truyền lệnh điều khiển thực hiện các thao tác đóng cắt phụ tải

[12] Nguyên tắc làm việc như sau :

- Phương pháp kết nổi song song

- Phương pháp kết noi noi tiếp

d Máy thu

3.2 Ứng dụng công nghệ PLC trong việc đo đếm điện năng từ

xa cho ngành điện lực ở Việt Nam

3.2.1 Giới thiệu

Đo đếm điện năng là một yêu cầu quan trọng của ngành điện

lực, trong đó chỉ tiêu kinh doanh được đặt lên hàng đầu Chỉ tiêukinh doanh có 2 van đề là giá thành và tốn thất Việc ứng dụng

các công nghệ cao vao quản lý điện năng sẽ giảm chi phí nhân

công và đặc biệt sẽ giảm được tốn thất thương mại trong quá

trình truyén tải

Hiện nay trong ngành điện lực, công tác kiểm tra mức tiêu

thụ điện năng của khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ

công Phương pháp này bộc lộ khá nhiều nhược điểm như: mất

nhiều thời gian, trong một thời điểm không thể kiểm soát được

mức tiêu thụ điện năng của các hộ tiêu thụ, không kiểm soát

được mức tiêu thụ ở các pha do đó gây khó khăn cho việc xây

dựng kế hoạch cân băng pha trong tương lai và khó phát hiện

được các hành vi gian lận điện năng