tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu xây DỰNG hệ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA ĐƯỜNG dây điện lực

1 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên Ngày sinh Nơi sinh Đơn vị công tác Cơ sở đào tạo : : : : : Nông Văn Niệp 05/01/1964 Bắc kạn Sở Thông tin & Truyền thông Tỉnh Bắc Kạn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái nguyên Chuyên ngành đào tạo - Khoá học: Kỹ thuật Điện tử - K11 Địa Mail : nongvanniepbk@gmail.com SDT: 0914861999 Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN LỰC” Nội dung nghiên cứu chi tiết: Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC (POWER LINE COMMUNICATION) 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC 1.1.1 Khái niệm PLC PLC (Power Line Communication) công nghệ sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điện cho mục đích truyền tải thơng tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư (hình 1.1) Hình 1.1: Hệ thống truyền thơng tin đường dây điện lực PLC phát triển Northern Telecom United Utilities, có khả truyền số liệu tốc độ 1Mbps (thế hệ X10) dựa sở hạ tầng điện lực có sẵn Cơng nghệ PLC đời nguyên nhân sau: • Nhu cầu truy nhập Internet băng thông rộng thiết, công nghệ truy nhập băng rộng khác lí khác chưa cung cấp • Mạng lưới điện hạ có sẵn khắp nơi, dải tần đường dây điện chưa sử dụng hết (50-60 Hz) • Đối với nhà khai thác viễn thông việc xây dựng mạng truy nhập để cung cấp dịch vụ trực tiếp tới khách hàng địi hỏi chi phí lớn tốn nhiều thời gian, cơng sức Hình 2.2 cho thấy, để truyền thông tin qua phương tiện truyền dẫn đường dây dẫn điện, cần phải có thiết bị đầu cuối PLC modem, modem có chức biến đổi tín hiệu từ thiết bị viễn thơng truyền thống máy tính, điện thoại sang định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện Với cơng nghệ này, ổ cắm điện bảng phân phối điện nhà giao diện truyền dẫn thông tin Như vậy, cần sử dụng dịch vụ viễn thơng dùng tất dịch vụ thông qua ổ điện mà khơng cần lắp đặt cáp (hình 1.1) Hình 2.2: Truyền thơng tin qua đường dây điện Cơng nghệ cịn mẻ với khách hàng thực sử dụng từ đầu kỷ 20, cho mục đích truyền thơng tin nội ngành Điện Ví dụ hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng máy phát 10W để truyền thông tin bảo vệ, đo đạc đường dây cao với khoảng cách lên tới 500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng quản lý tải hệ thống truyền tải điện hạ trung Hay nay, công nghệ PLC sử dụng cho ứng dụng nhà hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá Ý tưởng truyền tín hiệu thơng tin đường dây tải điện sử dụng từ lâu cách sử dụng phương thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on - turn off carrier) Giống công ty điện lực giới, từ lâu Tổng công ty Điện lực Việt Nam sử dụng kỹ thuật để truyền tải ba thông tin phục vụ ngành điện, với cách tốc độ truyền tin thấp Ngày với phát triển nhanh chóng công nghệ, đặc biệt công nghệ sản xuất vi mạch tích hợp giá rẻ cho ứng dụng đặc biệt - ASIC (Application Specific Integrated Circuit) cho phép PLC có bước phát triển nhảy vọt trở thành công nghệ truy cập băng rộng tốc độ cao đầy hứa hẹn Kết luận chương Cơng nghệ PLC ngày hồn thiện cho phép hệ thống truyền tin PLC ưu việt cho truyền dẫn liệu mạng lưới điện lực sẵn có với thơng lượng tối đa mức lượng tối thiểu Hệ thống PLC dễ dàng sử dụng vì: • Chiếm tới 90% kết nối hộ gia đình,mỗi ổ cắm giao tiếp kết nối • Khơng kéo thêm cáp - cơng nghệ vượt qua đối thủ cạnh tranh để dẫn đầu 4 • Là chọn lựa thực bắt lấy hội kinh doanh thị trường-làm lợi cho khách hàng • Băng thơng ngày tăng lên đáp ứng địi hỏi truy cập dải rộng • Đáp ứng nhu cầu tăng mạng nhà Nhưng thực tế đường dây điện lực môi trường truyền thông nhạy cảm, đặc tính kênh thay đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào tải vị trí, đặc tính cụ thể kênh vấn đề nghiên cứu nhằm đưa giải pháp xử lý hiệu Phần chương trình bày yếu tố ảnh hưởng, kỹ thuật phối ghép, điều chế mã hóa tín hiệu đường dây điện lực nhằm giảm thiểu ảnh hưởng gây nên đặc tính kênh Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC 2.1 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện Môi trường truyền vấn đề quan trọng hệ thống thông tin Do chất sơ khai đường cáp điện để truyền dẫn tín hiệu thơng tin khơng có đảm bảo hiệu thực truyền thơng cáp điện nhìn từ quan điểm truyền dẫn tín hiệu Lưới điện mơi trường vơ phức tạp với nhiều loại tín hiệu khác tồn tín hiệu xoay chiều 220V - 50Hz, loại nhiễu dải tần, sóng vơ tuyến, xung điện áp xuất phát từ thiết bị điện… Ngồi ra, khơng thể phản ánh cách xác lượng mơi trường dây dẫn điện 5 2.1.1 Sự giới hạn băng thông Như mô tả trên, bề rộng băng thông tỷ lệ với tốc độ bít, băng thông lớn cần thiết truyền thông với tốc độ bít cao 2.1.2 Nhiễu đường cáp điện Đường dây điện đời phục vụ cho việc truyền lượng điện khơng nhằm mục đích truyền thơng tin Khi đưa thơng tin truyền đó, ta gặp phải nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu Nguồn gây nhiễu lưới điện xuất phát từ thiết bị điện, chúng sử dụng nguồn cung cấp 50Hz phát thành phần nhiễu kéo dài toàn phổ tần lưới điện Phần từ sóng radio khắp nơi hệ thống thông tin di động, phát thanh, truyền hình, kiểm sốt khơng lưu, qn sự… băng tần sử dụng sóng tần số thấp vài trăm KHz đến sóng tần số siêu cao hàng GHz mang lại Nguồn nhiễu sơ cấp nhiễu khu vực dân cư thiết bị điện dân dụng: động cơ, đèn chiếu sáng, tivi… 2.1.3 Trở kháng đường truyền phối hợp trở kháng Ở hình 2.1 tham số quan trọng hệ thống trở kháng đầu máy phát Zt trở kháng đầu vào máy thu Z l Đường dây điện lực giống anten phát/thu làm cản trở q trình phát/thu tin Mọi hệ thống truyền thơng ln cố gắng để đạt phối hợp trở kháng tốt, mạng đường dây điện lực chưa thích nghi với vấn đề trở kháng đầu vào (hay đầu ra) thay đổi theo thời gian tải vị trí khác nhau, thấp cỡ mΩ hay cao tới hàng nghìn Ω, thấp cách đặc biệt trạm Một số trở kháng khơng phối hợp khác xuất đường dây điện lực (ví dụ hộp cáp khơng phối hợp trở kháng với cáp), suy giảm tín hiệu lớn 6 2.1.4 Suy hao lưới điện Một vấn đề lớn khác ảnh hưởng đến việc truyền thông đường cáp điện suy hao Đối với sóng tần số cao truyền lưới điện suy hao lớn, lớn so với hệ thống thông tin khác thông tin vô tuyến, cáp, cáp quang… Các yếu tố dẫn đến điều bao gồm: Thứ tải tiêu thụ kết nối với lưới điện, thân tải tiêu thụ điện tiêu thụ tín hiệu cao tần dù hay nhiều, thực tế cho thấy suy giảm gây đáng kể, đặc biệt thiết bị có tính dung kháng thiết bị đốt nóng (có cơng suất lớn) Ngun nhân khó giải khơng thể thay đổi tồn thiết bị điện cho phù hợp với truyền thông PLC mà ngược lại, PLC phải tìm cách thích hợp với mơi trường sẵn có Thứ hai phát xạ sóng cao tần chạy lưới điện Bản thân lưới điện anten lớn, dòng điện cao tần chạy lưới điện phát xạ liên tục điểm, đoạn dây điện có điều kiện xạ tốt Để hạn chế tượng phải sử dụng dải tần thích hợp điều kiện cụ thể, để giảm bớt xạ chung 2.1.5 Hiện tượng sóng dừng Đây tượng dễ xảy hệ thống thông tin có sử dụng sóng mang truyền đường cáp sóng mang tần số cao 2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ khả gây nhiễu Khi truyền tín hiệu đường điện, tín hiệu phát xạ vào khơng gian Có thể xem lưới điện anten khổng lồ, thu phát tín hiệu, phải làm hạn chế tín hiệu phát xạ từ lưới điện, khơng gây nhiễu đến hệ thống thông tin khác 7 2.2 Ghép nối với lưới điện - xử lý tín hiệu 2.2.1 Mạch ghép tín hiệu Có hai cách chủ yếu để phối ghép tín hiệu vào mạng điện: -Phối ghép chế độ vi sai (differential mode): dây pha dùng làm đầu cuối, dây trung tính làm đầu cuối thứ hai Trong trường hợp dây trung tính khơng tồn (ở mạng cao thế), dây đất làm đầu cuối thứ hai 2.2.2 Các lọc tương tự Có hai loại mạch lọc tương tự mạch lọc tích cực mạch lọc thụ động Ở mạch lọc tích cực, tín hiệu nằm giải thơng cho qua lọc khuếch đại lớn tín hiệu vào, cịn mạch lọc thụ động tín hiệu nằm dải lọc cho qua lọc với suy hao định nên tín hiệu nhỏ tín hiệu vào 2.3 Các phương thức mã hóa Đường dây truyền tải điện khơng phải thiết kế để dành cho truyền liệu Khi đưa thơng tin truyền đó, ta gặp phải nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu ta chủ yếu quan tâm đến mã hóa kênh để phát lỗi sửa lỗi Các mã sửa lỗi mã xoắn mã Reed - Solomon kết hợp với hệ thống để cải thiện chất lượng hệ thống 2.4 Các phương thức điều chế tín hiệu 2.4.1 Tổng quan kỹ thuật điều chế viễn thông Bộ điều chế số giải điều chế số phần máy phát máy thu, kỹ thuật điều chế liên quan đến việc truyền dẫn cáp bọc, cáp đồng trục Trong chương ta điểm lại kỹ thuật điều chế khác có, với việc tính tốn xắc suất lỗi phần lớn trường hợp phương pháp giảm xắc suất lỗi 2.5 Kỹ thuật trải phổ Như biết kỹ thuật điều chế giải điều chế việc nhằm mục đích truyền tín hiệu xa cịn phải bảo mật suốt q trình truyền từ phía phát sang phía thu Một kỹ thuật điều chế giải điều chế số thỏa mãn hầu hết điều kiện có hiệu cao kỹ thuật trải phổ Có hai loại kỹ thuật trải phổ trải phổ dãy trực tiếp trải phổ nhảy tần 2.6 Công nghệ OFDM OFDM kỹ thuật truyền thơng tin đa sóng mang xuất từ gíữa năm 60 Hệ thống sử dụng kỹ thuật HF radio links quân đội (năm 1957) Đến năm 1966, Robert Chang nhận sáng chế với mơ hình hệ thống OFDM Mặc dù khái niệm OFDM đề cập từ lâu đến thập niên gần đây, OFDM chứng tỏ tính chất ưu việt OFDM ứng dụng hai hệ thống thông tin vô tuyến hữu tuyến, hệ thống thông tin tốc độ cao Ngày nay, kỹ thuật OFDM ứng dụng hệ thống truyền dẫn băng rộng ADSL/HDSL/VDSL, hệ thống phát truyền hình số quảng bá DAB (Digital Audio Broadcasting) DVB- T (Digital Video BoadcastingTerrestrial) OFDM giải pháp kỹ thuật đề cử cho chuẩn LAN không dây ( Wireless Local Area Network) ETSI Hiperlan/2 IEEE 802.11a OFDM trường hợp đặc biệt FDM 2.7 Kết luận chương Trên sở khái niệm PLC đặc điểm kênh truyền điện lực có được, chương đề cập đến kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền thông PLC đưa tiêu chuẩn quốc tế khuyến nghị cho mạng PLC Bao gồm kỹ thuật phối ghép lưới điện, kỹ thuật mã hóa, kỹ thuật điều chế, kỹ thuật trải phổ, kỹ thuật OFDM Các kết lựa chọn cần thiết cho trình xây dựng hệ thống truyền thoại PLC trình bày chương 9 Chương XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA PLC 3.1 Yêu cầu thiết kế lựa chọn phương án thực 3.1.1 Các yêu cầu thiết kế Với mục đích thiết kế hệ thống có ứng dụng tầm ngắn (trong phạm vi hộ hay tồ nhà) Hệ thống có chức sau: - Điều khiển thiết bị điện nhà - Truyền âm từ điểm đến hay nhiều điểm khác mạng điện hạ 3.1.2 Lựa chọn phương án thực - Chế độ làm việc: Đơn công bán song công, chế độ song công không chọn thực mạch song công phức tạp phần cứng Để điều khiển hoạt động hệ thống ta dùng loại vi điều khiển, 89C51 lựa chọn quen thuộc tính đáp ứng u cầu hệ thống Để truyền thông tin từ modul đến modul khác modul thu đánh địa riêng biệt, tín hiệu điều khiển cần truyền đưa vào khung truyền dẫn phương pháp truyền nối tiếp không đồng bộ, khung truyền dẫn có chứa địa nơi đến tín hiệu điều khiển 3.1.3 Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống Từ yêu cầu ta thấy hệ thống cần có khối chức sau - Khối giao tiếp với lưới điện - Khối khuếch đại thu bao gồm thành phần: + Bộ lọc tương tự + Mạch khuếch đại 10 - Khối khuếch đại phát: Bao gồm khuếch đại kích khuếch đại cơng suất - Khối điều chế tín hiệu - Khối giải điêù chế - Khối vi xử lí - Khối khuếch đại âm tần - Khối chuyển mạch (đối với chế độ bán song công) 3.2 Thử nghiệm phương thức điều chế Phần trình bày trình thử nghiệm phương thức điều chế giải điều chế tín hiệu ASK, FSK, BPSK,FM Kiểm tra dạng tín hiêụ, đo biên độ sóng thực Osscillcope tương tự Từ ta có đánh giá chung ưu, nhược điểm loại lựa chọn phương thức thích hợp để áp dụng cho hệ thống 3.2.1 Điều chế giải điều chế ASK 3.2.1.1 Điều chế ASK Điều chế ASK ta thực cách nhân trực tiếp sóng mang với liệu cần truyền 3.2.2 Điều chế giải điều chế FSK 3.2.2.1 Vòng khoá pha ( phase locked loop- PLL 3.2.3 Điều chế giải điều chế BPSK 3.2.3.1 Điều chế BPSK 3.2.4 Điều chế giải điều chế FM Trong lịch sử phát triển PLC, thời kỳ đầu kỹ thuật số chưa phát triển mạnh kỹ thuật FM sử dụng để truyền âm qua đường cáp điện Ưu điểm mạch điều chế giải điều chế FM đơn giản với vi mạch sẵn có khả chống nhiễu tốt 11 3.3 Thiết kế cụ thể thi công Qua lần thử nghiệm phát thu tín hiệu đường cáp điện, kỹ thuật điều chế đồng thời tìm ưu nhược điểm kỹ thuật nên phương án lựa chọn cho thiết kế cụ thể máy phát máy thu sau: Mạch giao tiếp với lưới điện: ta sử dụng mạch dung mạch đơn giản lại đáp ứng yêu cầu chất lượng truyền dẫn Bộ lọc tương tự máy chọn lọc thông dải - mạch cộng hưởng LC Tần số làm việc: lần thử cho thấy với sơ đồ khuếch đại phát sóng mang có tần số từ - 1.5 MHz truyền xa môi trường điện lưới Do ta sử dụng dải tần cho hệ thống 3.3.1 Thiết kế modul phát Ở Modul phát ta cần thiết kế phần sau: mạch điều khiển hoạt động cho máy phát, mạch điều chế tín hiệu, mạch khuếch đại phát, mạch phối ghép với lưới điện mạch khuếch đại âm 3.3.2 Thiết kế modul thu Ở Modul thu ta phải thiết kế phần sau: mạch phối ghép với lưới điện, mạch khuếch đại thu, mạch giải điều chế FSK, mạch giải điều chế FM, mạch điều khiển thu 3.3.3 Sơ đồ nguyên lý , lưu đồ thuật toán sơ đồ mạch thực 3.3.3.1 Lưu đồ thuật toán Modul phát: 12 13 3.3.4 Nhận xét Về chống nhiễu: Mạch cho thấy khả chống nhiễu tốt, vào thời gian nhiễu lớn ngày, với hoạt động thiết bị gây nhiễu mạnh máy khoan, máy mài kim loại… chưa thấy gây tác động đến hoạt động hệ thống Khi kiểm tra ảnh hưởng máy phát đến thiết bị điện nhạy cảm TV khơng thấy có tác động tiêu cực Về phạm vi hoạt động: qua số lần kiểm tra hệ thống hoàn toàn hoạt động tốt phạm vi vài hộ lân cận (dưới 100m chiều dài đường điện), khoảng cách đường điện xa (vào khoảng 100m) hệ thống hoạt động bắt đầu đi, phụ thuộc vào điều kiện gây suy hao tiêu thụ điện sinh hoạt Như vậy, thử nghiệm công suất thấp, đặc biệt công suất phát thực lên đường truyền nhỏ nhiều kết tầm hoạt động thu tốt Về tính ổn định hệ thống điều cần kiểm nghiệm thêm khả trơi tần số xảy 3.4 Kết luận chương Chương thiết kế hệ thống đơn giản điều khiển thiết bị truyền thoại qua mạng điện hạ Đây sản phẩm thiết kế đầy đủ chức tiện dụng Sử dụng giao thức đơn giản, tập lệnh dễ sử dụng chi phí thực thấp Sử dụng modul chuẩn cắm vào ổ cắm chuẩn xoay chiều điều khiển thiết bị quảng bá âm qua mạng điện lưới So với phương pháp khác, chi phí thực phương án thấp 14 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Cùng với phát triển khoa học thông tin, truyền thông số tốc độ cao đường dây điện lực trở thành lĩnh vực hấp dẫn nhà khoa học Cho đến nay, kể đến ứng dụng quan trọng truyền thông điện lực bao gồm truyền thoại, quản lý tải điện, đọc công tơ từ xa, tự động hóa tịa nhà, nhà thơng minh, mạng thông tin nội bộ… Cùng với lớn mạnh thị trường viễn thông, mạng truyền tải điện sử dụng mạng truy nhập bên cạnh mạng truy nhập khác mạng thoại, mạng CATV Các dịch vụ số cung cấp cho khách hàng ngân hàng điện tử, e-mail, truy nhập internet quảng bá âm video số sử dụng mạng điện hạ làm môi trường truyền tải trở nên thông dụng tương lai gần Tuy nhiên, đường dây điện kênh truyền thông lý tưởng Rất nhiều thực nghiệm cho thấy mạng điện hạ tồn nhiều loại nhiễu bao gồm nhiễu nền, nhiễu băng hẹp nhiễu xung Bên cạnh đó, suy giảm tín hiệu kênh truyền, phân bố thiết bị xa mạng điện, phản xạ node tồn mạng yếu tố đáng ngại Tất điều tạo nên hiệu ứng đa đường thách thức lớn cho việc truyền số liệu tốc độ cao mạng điện Vấn đề quan trọng cần giải tìm phương thức phối ghép tín hiệu, mã hóa, điều chế phù hợp bên cạnh cần xây dựng hệ thống dựa giao thức sửa đổi tối ưu chuẩn hóa 15 Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, luận văn trình bày vấn đề sau:  Trình bày nguyên lý hệ thống truyền thông qua đường dây điện lực; Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống đưa giải pháp kỹ thuật khắc phục; Cập nhật thành tự đạt giới công nghệ truyền thông PLC;  Để xuất, phân tích, lựa chọn thiết bị, lựa chọn giao thức thiết kế, lắp ráp hệ thống AMR PLC đơn giản dùng vi điều khiển AT8951 modem truyền thông CD4046 giao tiếp, điều khiển thiết bị truyền thoại với chi phí thấp Hướng phát triển đề tài tiếp tục thử nghiệm kỹ thuật mã hóa, trải phổ kỹ thuật điều chế OFDM nhằm nâng cao chất lượng hệ thống Bên cạnh triển khai ứng dụng mạng truyền thông PLC đọc công tơ từ xa, giám sát nhà thông minh, truyền số liệu tốc độ cao đặc biệt truyền hình qua mạng PLC Một lần tác giả xin cảm ơn Thầy giáo TS Nguyễn Thanh Hà, Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệpĐại học Thái Nguyên tận tình giúp đỡ, hướng dẫn thời gian thực đề tài, cảm ơn giúp đỡ gia đình, bạn bè đồng nghiệp thời gian qua Thái Nguyên ngày 30 tháng 08 năm 2010 Người thực Nông Văn Niệp 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO The need of a European Standard for Power Line Communiaction in Home Appliance, June 2002, Trialog, France, Power Line Communications Technology Update, Echelon Corporation, May 2003, www.echelon.com Compatibility between radio communications services and power line communication systems A position paper prepared by the RSGB EMC Commitee for the PLC workshop in Brussels, Mar 2001 Expand PLC power while reducing system cost July 2003 www.trient.com  ... hóa, kỹ thuật điều chế, kỹ thuật trải phổ, kỹ thuật OFDM Các kết lựa chọn cần thiết cho trình xây dựng hệ thống truyền thoại PLC trình bày chương 9 Chương XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA PLC... xây dựng hệ thống dựa giao thức sửa đổi tối ưu chuẩn hóa 15 Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, luận văn trình bày vấn đề sau:  Trình bày nguyên lý hệ thống truyền thông qua đường dây điện lực; ... truyền điện lực có được, chương đề cập đến kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền thông PLC đưa tiêu chuẩn quốc tế khuyến nghị cho mạng PLC Bao gồm kỹ thuật phối ghép lưới điện, kỹ thuật