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

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

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

ĐỀ TÀI: TRUYỀN TÍN HIỆU TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN

VÀ ỨNG DỤNG TRẢI PHỔ

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN HỮU TRUNG Sinh viên thực hiện : NGUYỄN KHẮC TÍNH

Lớp : 11B KTTT1

MSSV : CB110920

Môn học : Kỹ thuật trải phổ

Hà nội, tháng 2 năm 2012

Truyền tín hiệu trên đường dây điện

và ứng dụng trải phổ

Giáo viên: TS Nguyễn Hữu Trung

Học viên: Nguyễn Khắc Tính

Lớp: KTTT1

Truyền tín hiệu trên đường dây điện

và ứng dụng trải phổ

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng công nghệ truyền thông trên đường dây tải điện là một hướng phát triển mới đem lại nhiều ứng dụng quan trọng, nó cho phép cung cấp các dịch vụ truyền tải điện năng kết hợp với truyền dữ liệu trực tiếp cho người sử dụng Nhưng việc bảo mật và chống nhiễu trong quá trình truyền tải là vấn đề đặt ra cần được giải quyết Để đảm bảo

có được kênh thông tin an toàn, tin cậy thì việc ứng dụng công nghệ trải phổ là cần thiết hàng đầu

I Giới thiệu

Việc truyền tin trên hệ thống đường dây tải điện sẽ đưa đến khả năng triển khai nhiều ứng dụng phục vụ công tác kinh doanh điện năng và dịch vụ khách hàng, đem lại nhiều hiệu quả thiết thực cho ngành điện cũng như khách hàng mua điện Tuy nhiên, việc truyền tin trên đường dây tải điện hạ thế là vấn đề khó khăn

từ trước đến nay bởi tính chất đặc thù của lưới điện hạ thế là có kết cấu phức tạp, nhiều phụ tải gây nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông tin trên đường dây

Để có thể truyền thông tin qua phương tiện truyền dẫn là đường dây dẫn điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem này có chức năng biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thông truyền thống như máy tính, điện thoại sang một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện Hiện nay, công nghệ PLC (Power Line Communication) được sử dụng cho các ứng dụng thương mại trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá Các ứng dụng truyền tin dựa trên PLC hiện đang còn rất nhiều tiềm năng cần được tiếp tục khai phá

Nhưng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, thì nhiều giải pháp đảm bảo độ tin cậy khi truyền tin trên đường dây tải điện đã được nghiên cứu Một trong những giải pháp đang được chú ý là công nghệ trải phổ, nó có khả năng khắc phục được nhiễu một cách mạnh mẽ, phù hợp với đặc điểm của lưới điện hạ thế

II Công nghệ trải phổ

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

· Nhiễu nền (Background noise),

· Nhiễu xung ( Impulse noise),

· Nhiễu băng hẹp (Narrow band noise),

· Nhiễu họa âm (Harmonic noise)

Như ta đã biết, công nghệ trải phổ đã được sử dụng trong kỹ thuật quân sự

và nhiều lĩnh vực khác nhờ tính năng chống nhiễu và bảo mật Các tính năng này

có được nhờ giãn rộng phổ tín hiệu để không phân biệt được tạp âm nền Hiện nay,

kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực bưu chính viễn thông với hình thức phát triển là công nghệ CDMA (Code Detect MultipleAccess)

Với kỹ thuật PLC, vấn đề ta quan tâm là làm thế nào có thể truyền dữ liệu trong môi trường nhiễu cao, trong khi mức tín hiệu nhỏ và với tần số dòng xoay chiều là 50 hoặc 60 Hz Các kỹ thuật điều chế và mã hoá khuyến nghị sử dụng trong PLC: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, SS - FFH (Spread Spectrum - Fast Frequency Hopping) Trải phổ nhảy tần nhanh, DS - SS (Direct Sequence Spread Spectrum) Trải phổ trực tiếp.Với kỹ thuật DSSS, phổ của sóng mang được điều khiển bởi một

mã giả ngẫu nhiên (PN Pseudo Noise) tuần tự, mã này là một chuỗi tuần tự một cách ngẫu nhiên của các số nhị phân thu được qua bộ sinh mã (Generator) Mã PN được nhân với tín hiệu cơ bản (có tần số thấp), tín hiệu thu được sẽ được chuyển lên đường truyền Tại bộ phận nhận tin, tín hiệu này lại được nhân một lần nữa với

mã PN đã quy định để thu được tín hiệu gốc ban đầu

III Ứng dụng công nghệ trải phổ

a) Hệ thống truyền tin trên đường dây điện lực

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

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

Khởi đầu của công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực là hệ thống hỗ trợ đọc công tơ điện Sau đó hệ thống này được phát triển bổ sung thêm các chức năng giám sát, cảnh báo và điều khiển Từ chức năng ban đầu là tự động đọc số công tơ, ghi lại và chuyển số liệu về trung tâm, các chức năng giám sát hoạt động, cảnh báo và điều khiển đã được phát triển

Bây giờ ta đi chi tiết sơ đồ khối hệ thống Hệ thống gồm 6 khối chính thể hiện ở hình dưới:

Hình 3: Sơ đồ hệ thống điều khiển từ xa sử dụng kỹ thuật trải phổ

CB: Máy cắt điện

FCB: Máy cắt tuyến đường dây

(*1): Hệ thống thay đổi tần số (600 b/s); tiêu chuẩn 1300 Hz; Mở rộng: 2100 Hz (*2): Mức điện áp nạp của trạm: 0,3 đến 0,5% điện áp định mức

(*3): Mức dòng điện nạp của RTU

1 Bàn phím thao

tác

Phát tín hiệu chỉ dẫn để thao tác cầu dao,.v.v

2 Khối điều khiển

truyền tín hiệu

Chấp hành mệnh lệnh nhận tín hiệu từ bàn phím thao tác và gởi tới phần tử ghép (bộ nối) Nó gửi tất

cả số liệu nhận được từ bàn phím thao tác

3 Bộ ghép (bộ nối)

điện áp cao

Nạp tín hiệu có âm thanh nhỏ vào đường dây phân phối nhằm truyền tín hiệu để chỉ đạo sự vận hành của RTU

4 Bộ đầu cuối được

điều khiển từ xa

Giải (mã) tín hiệu được nạp có âm thanh nhỏ của đường dây phân phối để điều khiển cầu dao Thiết

bị này cũng biến đổi kết quả điều khiển thành tín hiệu có âm thanh nhỏ và nạp vào đường dây phân phối

5 Pano máy biến

dòng bổ trợ cho

đường dây phân

phối

Thu hút tín hiệu (tín hiệu có âm thanh nhỏ) nạp vào đường dây phân phối

6 Máy thu Máy biến dòng bổ trợ thực hiện giải (mã) các tín

hiệu thu được từ đường dây phân phối rồi gửi tới

thiết bị phát

b) Nguyên lý vận hành hệ thống

Hình 4: kỹ thuật trải phổ

Kỹ thuật trải phổ là một phương pháp có năng lượng tín hiệu phát đi trên một diện rộng, dải tần số rộng hơn bề rộng dải tần số gốc của chính bản thân tín hiệu mà nó đã có Vì lý do này, mà năng lượng được tính tr ên một đơn vị tần số giảm đi So sánh với hệ thống liên lạc khác, yêu cầu điện năng cung cấp sẽ giảm đi khi tiến hành nạp tín hiệu vào đường dây Hơn nữa, nó ít bị ảnh hưởng nhiễu trong quá trình liên lạc Khi có một số ít tín hiệu bị thất lạc do nguyên nhân ồn hoặc do nhân tố khác gây nên, quá trình trảiphổ tín hiệu sẽ khôi phục lại dạng tín hiệu gốc ban đầu (hình 4)

Qua hình 2 cho ta thấy kết quả của việc khôi phục lại tín hiệu gốc do nhiễu gây ra trên đường truyền: giả sử tín hiệu thứ 4 và tín hiệu thứ 7 trong số 10 tín hiệu

bị mất đi do nhiễu âm thanh gây nên, thì tín hiệu đầu ra vẫn đảm bảo

c ) Bộ điều biến truyền tín hiệu

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

Trong điều kiện làm việc với nhiễu, bộ điều biến sóng truyền tín hiệu có âm thanh nhỏ được sử dụng để thu phát tín hiệu Bộ điều biến truyền tín hiệu có chức năng so sánh và tổng hợp tín hiệu dưới tác động của nhiễu để đảm bảo tín hiệu ban đầu (hình 5)

d) Khổ truyền sóng

Khổ truyền sóng là sự sắp xếp có thứ tự những tín hiệu gửi từ trạm phát Việc sắp xếp các tín hiệu theo thứ tự tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý thông tin Cấu trúc của khổ truyền sóng bao gồm 28 từ (word), mỗi từ bao gồm 44 bit với tốc độ truyền là 200bit/s Quá trình truyền sóng được thực hiện theo hai chiều, bao gồm quá trình gửi tín hiệu xuống và quá trình gửi tín hiệu lên

- Khổ truyền sóng gửi xuống từ trạm chính đến RTU:

11 bit x 12 từ = 132 bit (0,11 giây)

Khổ truyền sóng gửi xuống được thể hiện trong bảng dưới:

STX Số

trạm

Số nhóm Địa chỉ của TRU Thực

hiện chỉ huy

Thông số

ETX BCC

101 100 102 101 100 101 100

Với 8 bits thực hiện chỉ huy ta có tối đa 28 lênh chỉ huy điều khiển

Ví dụ: Thực hiện trải phổ lệnh: "Mở khoá điều khiển từ xa" có mã nhị phân là

10100011 có sơ đồ khối được thể hiện ở hình dưới

Xét đa thức dãy ghi dịch: g(x) = x8 + x4 + x3 + x2 + 1 Ta có điều kiện hồi quy dãy ra: ci+8 = ci+4 + ci+3 + ci+2 + ci Vì bậc của g(x) là m = 8 nên có 8 đơn vị nhớ trong mạch và có chu kỳ N = 28 -1 [5]

Xung đồng

hồ I

Trạng thái

Xung đồng

hồ

Trạng thái

Vậy dãy ra là cột cuối cùng của trạng thái: 10001010…

- Khổ truyền sóng gửi lên từ RTU đến trạm chính:

11 bit x 13 từ = 143 bit (0,12 giây)

Khổ truyền sóng gửi lên được thể hiện trong bảng dưới

1W 2W 3W 4W 5W 6W 7W 8W 9W 10W 11W 12W 13W

STX trạm Số

Số nhóm Địa chỉ của RTU Cờ

hiệu

Số liệu giám sát 1

Số liệu giám sát 2

Số liệu giám sát 3

EXT BCC

101 100 102 101 102

Vậy Qua kết quả mô phỏng thực hiện trải phổ lệnh chỉ huy trong quá trình gửi tín hiệu xuống từ trạm chính đến RTU cho ta thấy xác suất lỗi 1/101 là rất thấp Tương tự ta có thể thực hiện trãi phổ cho tất cả các lệnh trong các khổ truyền sóng trong quá trình truyền tín hiệu Như vậy, việc ứng dụng công nghệ trải phổ đã giải quyết được việc khôi phục lại tín hiệu ban đầu dưới tác dụng của các loại nhiễu

IV Kết luận

Trong phạm vi bài báo này nhằm giới thiệu khả năng ứng dụng công nghệ trải phổ vào việc truyền thông tin trên đường dây tải điện Khả năng chống nhiễu cao của công nghệ trải phổ với nhiều loại nhiễu hoặc với các nhiễu cố ý hoặc không cố ý, khả năng chống nhiễu của công nghệ này tỷ lệ với hệ số trải phổ Khả năng tín hiệu bị phát hiện bởi máy thu không chủ định thấp, khả năng này giảm khi

hệ số trải phổ tăng Ngoài ra công nghệ trải phổ còn có khả năng đa truy nhập với

số lượng lớn các đối tượng sử dụng đồng thời, liên quan tới việc dùng chung một băng tần và ở trong cùng một khu vực địa lý Kết quả nghiên cứu của bài báo mở

ra nhiều ứng dụng của công nghệ trải phổ trong việc truyền tin trên đường dây tải điện cho tương lai Đó là việc khai thác các chức năng thu thập dữ liệu về tình trạng thiết bị, điều khiển các thiết bị đầu cuối, giám sát phụ tải, giám sát tình trạng lưới điện