Báo cáo nghiên cứu khoa học: " ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ VÀO VIỆC TRUYỀN TIN TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN" pdf

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 59 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ VÀO VIỆC TRUYỀN TIN TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN APPLICATION OF SPREAD SPECTRUM TECHNOLOGY TO SIGNAL TRANSMISSION ON POWER LINES Lê Kim Hùng Đại học Đà Nẵng Nguyễn Thị Ngọc Minh Trường Cao đẳng Nghề Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo giới th iệu công nghệ trải phổ và ứng dụng công nghệ này trong hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển phụ tải khi truyền tín hiệu trên đường dây điện lực. Cụ thể là xây dựng sơ đồ hệ thống điều khiển từ xa sử dụng công nghệ trải phổ, phân tích quá trình điều biến trong việc truyền tín hiệu. Ngoài ra, công nghệ trải phổ được nghiên cứu và ứng dụng trong việc trải phổ các từ (word) trên khổ truyền sóng. Lợi ích của việc khai thác và đưa vào ứng dụng công nghệ trải phổ trong quá trình truyền tín hiệu trên đường dây tải điện là khắc phục các dạng nhiễu và bảo mật thông tin trên đường truyền.Việc khắc phục nhiễu và bảo mật thông tin được thực hiện dựa trên cơ sở tín hiệu trải phổ giống như nhiễu, khó phát hiện và khó để chặn đứng nếu không có các thiết bị thích hợp. ABSTRACT The article introduces the spread spectrum technology and the application of this technology in the system of measurement, monitoring, controlling secondary load on power lines, especifically, the construction of diagrams of the remote control system using the spread spectrum technology, the analysis of changes in the transmission signals. In addition, spread spectrum technology has been studied and applied to the spread spectrum of words in wave transmission. Benefits of exploitation and application of the spread spectrum technology to the media signals on the lines are overcoming interference and securing information on the lines. The interference overcoming and information security are based on the spread spectrum signals looking like interference which is difficult to be detected and stopped without appropriate equipment. 1. Đặt vấn đề Trong xu thế hiện nay, việc truyền tin trên hệ thống đường dây tải điện sẽ đưa đến khả năng triển khai nhiều ứng dụng phục vụ công tác kinh doanh điện năng và dịch vụ khách hàng, đem lại nhiều hiệu quả thiết thực cho ngành điện cũng như khách hàng mua điện. Tuy nhiên, việc truyền tin trên đường dây tải điện hạ thế là vấn đề khó khăn từ trước đến nay bởi tính chất đặc thù của lưới điện hạ thế là có kết cấu phức tạp, nhiều phụ tải gây nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông tin trên đường dây. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nhiều giải pháp đảm bảo độ tin cậy khi truyền tin trên đường dây tải điện đã được nghiên cứu[1]. Một trong những giải pháp đang được chú ý là công nghệ trải phổ [5], nó có khả năng khắc phục được nhiễu một cách mạnh mẽ, phù hợp với đặc điểm của lưới điện hạ thế. TP CH KHOA HC V CễNG NGH, I HC NNG - S 5(34).2009 60 2. Cụng ngh tri ph Cụng ngh tri ph ó c s dng trong k thut quõn s nh tớnh nng chng nhiu v bo mt. Cỏc tớnh nng ny cú c nh gión rng ph tớn hiu khụng phõn bit c tp õm nn. Hin nay, k thut ny c s dng rng rói trong lnh vc bu chớnh vin thụng vi hỡnh thc phỏt trin l cụng ngh CDMA (Code Detect Multiple Access). Cú cỏc phng phỏp tri ph khỏc nhau, nhng vi s phỏt trin mnh m ca k thut s húa v iu khin nh hin nay, k thut tri ph trc tip (DSSS_Direct Sequence Spread Spectrum) ang c ng dng ph bin. Vi k thut DSSS, ph ca súng mang c iu khin bi mt mó gi ngu nhiờn (PN_Pseudo Noise) tun t, mó ny l mt chui tun t mt cỏch ngu nhiờn ca cỏc s nh phõn thu c qua b sinh mó (Generator). Mó PN c nhõn vi tớn hiu c bn (cú tn s thp), tớn hiu thu c s c chuyn lờn ng truyn. Ti b phn nhn tin, tớn hiu ny li c nhõn mt ln na vi mó PN ó quy nh thu c tớn hiu gc ban u [3]. 3. ng dng cụng ngh tri ph trong h thng o lng, giỏm sỏt, iu khin khi truyn tin trờn ng dõy in lc 3.1 H thng truyn thụng tin trờn ng dõy in lc. H thng gm 6 khi chớnh th hin trờn hỡnh 1. T/bở baớo vóỷ 110KV/22KV 22KV /0.4KV Maùy tờnh Hóỷ thọỳng sồ õọử Traỷm bióỳn aùp (1)Baỡn phờm thao taùc (traỷm chờnh) Bọỹ nọỳi õióỷn (3) cao aùp Bọỹ nọỳi õióỷn cao aùp /khióứn (2) tr/taới Baớng õ/k mbd (5) bọứ trồỹ (6)nhỏỷn t/h Tr 1B 110KV/22KV Tr 2B FCB(1~6) CB FCB 1 FCB 2 CB ( * 2)ióỷn aùp naỷp (Chố coù doỡng õióỷn naỷp) Cỏửu dao gừn trón cọỹt ( * 3) D/õióỷn naỷp (4) RTU Caùp quang 2 loợi Bón ngoaỡi ( * 1)caùp lión laỷc keùp 1SS 2SS 6SS 22KV /0.4KV Vn phoỡng dởch vuỷ khaùch haỡng ổồỡng bỏỷc ba (Chố coù doỡng õióỷn naỷp) T/bở baớo vóỷ Sọỳ traỷm Hỡnh 1. S h thng iu khin t xa s dng k thut tri ph TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 61 CB: Máy cắt điện FCB: Máy cắt tuyến đường dây (*1): Hệ thống thay đổi tần số (600 b/s); tiêu chuẩn 1300 Hz; Mở rộng: 2100 Hz (*2): Mức điện áp nạp của trạm: 0,3 đến 0,5% điện áp định mức (*3): Mức dòng điện nạp của RTU Chức năng của các khối được thể hiện trên bảng 1. Bảng 1. Chức năng của các khối STT Tên Sự diễn tả (1) Bàn phím thao tác Phát tín hiệu chỉ dẫn để thao tác cầu dao,.v.v (2) Khối điều khiển truyền tín hiệu Chấp hành mệnh lệnh nhận tín hiệu từ bàn phím thao tác và gởi tới ph ần tử ghép (bộ nối). Nó gửi tất cả số liệu nhận được từ bàn phím thao tác. (3) Bộ ghép (bộ nối) điện áp cao Nạp tín hiệu có âm thanh nhỏ vào đường dây phân phối nhằm truyền tín hiệu để chỉ đạo sự vận hành của RTU. (4) Bộ đầu cuối được điều khiển từ xa Giải (mã) tín hiệu được nạp có âm thanh nhỏ của đường dây phân phối để điều khiển cầu dao. Thiết bị này cũng biến đổi kết quả điều khiển thành tín hiệu có âm thanh nhỏ và nạp vào đường dây phân phối. (5) Pano máy biến dòng bổ trợ cho đường dây phân phối Thu hút tín hiệu (tín hiệu có âm thanh nhỏ) nạp vào đường dây phân phối. (6) Máy thu Máy biến dòng bổ trợ thực hiện giải (mã) các tín hiệu thu được từ đường dây phân phối rồi gửi tới thiết bị phát. 3.2 Nguyên lý vận hành hệ thống 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Tín hiệu vào 1 [W] Sự phát triển theo bề rộng Tín hiệu vào Tần số Trải phổ Sự giảm năng lương trên một đơn vị Hz Tiếng ồn làm thay đổi đường đặc tính của đường truyền Sự nhiễu loạn Sự tụ tập của tín hiệu Khi tín hiệu căng ra qua dải rộng, tín hiệu gốc có thể được khôi phục lại dù là có một phần bị thất lạc Tín hiệu đầu ra 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Tập hợp lại Tín hiệu đầu ra 0,8 [W] Năng lượng tín hiệu vào của một thông tin là 1 [W] Ấn định tín hiệu vào 1[W] được chia thành 1-10 Do ồn, tín hiệu thứ 4 và thứ 7 bị mất Sự tập hợp 1-10 tín hiệu đảm bảo băng lượng tín hiệu đầu ra 0,8 [W] Hình 2. Kỹ thuật trải phổ TP CH KHOA HC V CễNG NGH, I HC NNG - S 5(34).2009 62 K thut tri ph l mt phng phỏp cú nng lng tớn hiu phỏt i trờn mt din rng, di tn s rng hn b rng di tn s gc ca chớnh bn thõn tớn hiu m nú ó cú. Vỡ lý do ny, m nng lng c tớnh tr ờn mt n v tn s gim i. So sỏnh vi h thng liờn lc khỏc, yờu cu in nng cung cp s gim i khi tin hnh np tớn hiu vo ng dõy. Hn na, nú ớt b nh hng nhiu trong quỏ trỡnh liờn lc. Khi cú mt s ớt tớn hiu b tht lc do nguyờn nhõn n hoc do nhõn t khỏc gõy nờn, quỏ trỡnh tri ph tớn hiu s khụi phc li dng tớn hiu gc ban u (hỡnh 2). Qua hỡnh 2 cho ta thy kt qu ca vic khụi phc li tớn hiu gc do nhiu gõy ra trờn ng truyn: gi s tớn hiu th 4 v tớn hiu th 7 trong s 10 tớn hiu b mt i do nhiu õm thanh gõy nờn, thỡ tớn hiu u ra vn m bo. 3.3 B iu bin truyn tớn hiu Hỡnh 3. B iu bin súng truyn tớn hiu cú õm thanh nh. 0 1 0 1 1 Daỷng soùng Daỷng soùng 0 1 0 1 1 6 A B 5 B A B A 3 4 2 1 Phỏửn nhỏỷn õổồỹc laỡ tờn hióỷu logic Pheùp trổỡ tờn hióỷu õóứ doỡ tỗm "1" hoỷc "2" Tờn hióỷu nhỏỷn laỡm vióỷc trỗ hoaợn vồùi thồỡi gian 1/ 60 giỏy (1 chu trỗnh) Tờn hióỷu nhỏỷn cuớa chờnh noù Nhỏỷn tờn hióỷu Tờn hióỷu laỡm vióỷc trỗ hoaợn vồùi thồỡi gian 1/ 60 giỏy Tờn hióỷu nhỏỷn tổỡ phờa RTU Naỷp tờn hióỷu vaỡo õổồỡng dỏy f = 50 Hz Tờn hióỷu ỏm thanh nhoớ (phờa õỏửu vaỡo) Tờn hióỷu logic Nguọửn õióỷn tỏửn sọỳ cọng nghióỷp 50 Hz 1' 2' 3' 4' 5' 6' Tờn hióỷu hổồùng õi lón 6 5 4 3 2 1 Tờn hióỷu hổồùng õi xuọỳng 2' 1' 6 5 4 3' 3 6' 5' 1 2 4' RTU ổồỡng dỏy phỏn phọỳi Cỏửu dao Phaùt t/h coù ỏm nhoớ Khọỳi õióửu khióứn Thióỳt bở doỡ tờn hióỷu T/bở truyóửn t/hióỷu Bọỹ loỹc kióứu rng cổa Thióỳt bở gheùp Baỡn phờm thao taùc Maùy tờnh Phaùt t/h coù ỏm nhoớ T/bở truyóửn tờn hióỷu Thióỳt bở gheùp T/bở doỡ tờn hióỷu Bọỹ loỹc kióứu rng cổa (Traỷm chờnh) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 63 Trong điều kiện làm việc với nhiễu, bộ điều biến sóng truyền tín hiệu có âm thanh nhỏ được sử dụng để thu phát tín hiệu. Bộ điều biến truyền tín hiệu có chức năng so sánh và tổng hợp tín hiệu dưới tác động của nhiễu để đảm bảo tín hiệu ban đầu (hình 3). 3.4. Khổ truyền sóng Khổ truyền sóng là sự sắp xếp có thứ tự những tín hiệu gửi từ trạm phát. Việc sắp xếp các tín hiệu theo thứ tự tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý thông tin. Cấu trúc của khổ truyền sóng bao gồm 28 từ (word), mỗi từ bao gồm 44 bit với tốc độ truyền là 200bit/s. Quá trình truyền sóng được thực hiện theo hai chiều, bao gồm quá trình gửi tín hiệu xuống và quá trình gửi tín hiệu lên. 3.4.1.Khổ truyền sóng gửi xuống từ trạm chính đến RTU 11 bit x 12 từ = 132 bit (0,11 giây) Khổ truyền sóng gửi xuống được thể hiện trong bảng 2. Bảng 2. Khổ truyền sóng gửi xuống từ trạm chính đến RTU 1W 2W 3W 4W 5W 6W 7W 8W 9W 10W 11W 12W STX Số trạm Số nhóm Địa chỉ của RTU Thực hiện chỉ huy Thông số ETX BCC 10 10 1 10 0 10 2 10 1 10 0 10 1 0 D D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 Diễn tả 0 1 0 1 1 0 0 1 0 Sự lựa chọn riêng 1 0 1 0 1 0 1 0 Loại bỏ sự lựa chọn riêng 1 0 0 1 1 0 1 0 Cho phép điều khiển riêng 1 0 1 0 0 1 1 0 Không cho phép điều khiển riêng 1 0 0 1 0 0 1 1 Khóa điều khiển từ xa 1 0 1 0 0 0 1 1 Mở khóa điều khiển từ xa 1 0 0 0 1 0 1 1 Điều khiển trực tiếp DM nguồn cung cấp phía “C” 1 0 0 0 0 1 1 1 Điều khiển trực tiếp DM nguồn cung cấp phía “A” 1 0 0 0 1 1 0 1 Cho phép điều khiển chức năng của DM 1 0 0 1 0 1 0 1 Không cho phép điều khiển chức năng của DM 1 0 1 0 0 1 0 1 Thời gian đặt DM 1 0 1 1 0 1 0 0 Yêu cầu sự giám sát từ xa thiết bị đo 1 (điện áp) Mã ASCII Mã ASCII Hình dạng của từ thứ 8 ( Thực hiện chỉ huy) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 64 1 0 1 0 1 1 0 0 Yêu cầu sự giám sát thiết bị đo 2 (dòng điện) 1 0 0 1 1 1 0 0 Yêu cầu sự giám sát thiết bị đo 3 (riêng) 1 0 0 0 1 1 1 0 Yêu cầu đối với bộ chứa 1 0 0 1 1 0 0 1 Bộ chứa chưa đầy 1 0 1 0 1 0 0 1 Bộ chứa bị loại bỏ 1 0 1 1 1 0 0 0 Trạng thái xem xét (Yêu cầu đối với thiết bị giám sát) 1 0 0 1 0 1 1 0 Điều khiển đồng thời 1 0 0 0 1 1 1 1 Chuyển đồi điều khiển Ví dụ: Thực hiện trải phổ lệnh: "Mở khoá điều khiển từ xa" có mã nhị phân là 10100011 có sơ đồ khối được thể hiện trên hình 4. Xét đa thức dãy ghi dịch: g(x) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1. Ta có điều kiện hồi quy dãy ra: c i+8 = c i+4 + c i+3 + c i+2 + c i . Vì bậc của g(x) là m = 8 nên có 8 đơn vị nhớ trong mạch và có chu kỳ N = 2 8 -1 [5]. Hình 4. Sơ đồ khối thanh ghi dịch Xung đồng hồ I Trạng thái Xung đồng hồ Trạng thái 0 10100011 5 00110101 1 01010001 6 10011010 2 10101000 7 11001101 3 11010100 8 01100110 4 01101010 … … Vậy dãy ra là cột cuối cùng của trạng thái: 10001010… Thực hiện mô phỏng trải phổ lệnh điều khiển bằng phần mềm Matlab cho kết quả lỗi là 1/101 được thể hiện ở hình 5. x 0 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 65 Hình 5. Kết quả xác định lỗi bằng mô phỏng Matlab 3.4.2. Khổ truyền sóng gửi lên từ RTU đến trạm chính 11 bit x 13 từ = 143 bit (0,12 giây) Khổ truyền sóng gửi lên được thể hiện trong bảng 3. Bảng 3: Khổ truyền sóng gửi lên từ RTU đến trạm chính 3.4.3. Nhận xét Qua kết quả mô phỏng thực hiện trải phổ lệnh chỉ huy trong quá trình gửi tín hiệu xuống từ trạm chính đến RTU cho ta thấy xác suất lỗi 1/101 là rất thấp. Tương tự ta có thể thực hiện trãi phổ cho tất cả các lệnh trong các khổ truyền sóng trong quá trình truyền tín hiệu. Như vậy, việc ứng dụng công nghệ trải phổ đã giải quyết được việc khôi phục lại tín hiệu ban đầu dưới tác dụng của các loại nhiễu. 1W 2W 3W 4W 5W 6W 7W 8W 9W 10W 11W 12W 13W STX Số trạm Số nhóm Địa chỉ của RTU Cờ hiệu Số liệu giám sát 1 Số liệu giám sát 2 Số liệu giám sát 3 ETX BCC 10 10 1 10 0 10 2 10 1 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 66 4. Kết luận Bài báo nghiên cứu các khả năng ứng dụng công nghệ trải phổ vào việc truyền thông tin trên đường dây tải điện. Các ứng dụng trải phổ được phân thành những phạm vi ứng dụng khác nhau với nhiều ưu điểm. Khả năng chống nhiễu cao với các nhiễu cố ý hoặc không cố ý, khả năng chống nhiễu của công nghệ này tỷ lệ với hệ số trải phổ. Khả năng tín hiệu bị phát hiện bởi máy thu không chủ định thấp, khả năng này giảm khi hệ số trải phổ tăng. Ngoài ra công nghệ trải phổ còn có khả năng đa truy nhập với số lượng lớn các đối tượng sử dụng đồng thời, liên quan tới việc dùng chung một băng tần và ở trong cùng một khu vực địa lý. Kết quả nghiên cứu của bài báo mở ra nhiều ứng dụng của công nghệ trải phổ trong việc tru yền tin trên đường dây tải điện cho tương lai. Đó là việc khai thác các chức năng thu thập dữ liệu về tình trạng thiết bị, điều khiển các thiết bị đầu cuối, giám sát phụ tải, giám sát tình trạng lưới điện… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mohammad Shariwa - A Direct Sequence - Spread Spectrum Modulator/ Demodulator Design - Princess Sumaya University. [2] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô tuyến, NXB Bưu điện, 2006. [3] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý thuyết trải phổ và ứng dụng, NXB Bưu điện, 2000. [4] Nguyễn Hồng Sơn, Kỹ thuật truyền số liệu, Nhà Xuất bản Lao động, 2006. [5] Đỗ Quốc Trinh, Vũ Thanh Hải, Kỹ thuật trải phổ và ứng dụng, NXB Bưu điện, 2006. . sử dụng công nghệ trải phổ, phân tích quá trình điều biến trong việc truyền tín hiệu. Ngoài ra, công nghệ trải phổ được nghiên cứu và ứng dụng trong việc trải phổ các từ (word) trên khổ truyền. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 66 4. Kết luận Bài báo nghiên cứu các khả năng ứng dụng công nghệ trải phổ vào việc truyền thông tin trên đường dây tải điện ích của việc khai thác và đưa vào ứng dụng công nghệ trải phổ trong quá trình truyền tín hiệu trên đường dây tải điện là khắc phục các dạng nhiễu và bảo mật thông tin trên đường truyền .Việc khắc