TRUYỀN TIN VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN LỰC

§ I. TỔNG QUAN VỀ CÁC TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN 1. Các khái niệm cơ bản: a. Nguồn tin nguyên thuỷ. Là tập hợp tất cả những tin tức nguyên thuỷ chưa qua một phép biến đổi nào. Ví vụ: tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh vv... Như vậy tin tức được sinh ra từ các nguồn tin nguyên thuỷ. b. Tín hiệu thông tin. Là dạng vật lí chứa đựng tin tức và truyền lan trong hệ thống thông tin từ nơi gửi đến nơi nhận tin. Để đơn giản ta gọi tắt tín hiệu thông tin 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 biết trước.

I CHƢƠNG I.1 Mục tiêu, nhiệm vụ - Mục tiêu trang bị cho sinh viên kiến thức; khái niệm chung thông tin điều độ; khái niệm - Nghiên cứu tổng quan truyền tin điều khiển từ xa vận hành hệ thống điện lực - Nhiệm vụ sinh viên học xong phải nắm kiến thức : + Tín hiệu hệ thống thơng tin, biến đổi tín hiệu + Các nguyên lý ghép kênh + Bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thông tin sợi quang + Bảo vệ điều khiển từ xa sử dụng công nghệ truyền dẫn đường dây tải điện PLC (Power Line Carrier) + Thông tin vơ tuyến (vi ba) I.2 Quy định hình thức học cho nội dung nhỏ Nội dung Hình thức học I.1 Tổng quan tín hiệu hệ thống thơng tin Giảng I.2 Tín hiệu biến đổi tín hiệu Giảng, thảo luận I.3 Các nguyên lý ghép kênh Giảng, thảo luận I Bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thông tin sợi quang Giảng, thảo luận I.5 Bảo vệ điều khiển từ xa sử dụng công nghệ truyền dẫn Giảng, thảo luận đường dây tải điện PLC (Power Line Carrier) I.6.Thông tin vô tuyến (vi ba) Giảng, thảo luận I.3 Các nội dung cụ thể A Nội dung lý thuyết Bé m«n: HƯ thèng ®iƯn -8- CHƢƠNG I TRUYỀN TIN VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN LỰC § I TỔNG QUAN VỀ CÁC TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN Các khái niệm bản: a Nguồn tin nguyên thuỷ Là tập hợp tất tin tức nguyên thuỷ chưa qua phép biến đổi Ví vụ: tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh vv Như tin tức sinh từ nguồn tin ngun thuỷ b Tín hiệu thơng tin Là dạng vật lí chứa đựng tin tức truyền lan hệ thống thông tin từ nơi gửi đến nơi nhận tin Để đơn giản ta gọi tắt tín hiệu thơng tin tín hiệu Có thể phân loại tín hiệu sau: + Tín hiệu xác định: tín hiệu mà q trình biến thiên biểu diễn hàm thời gian hoàn toàn xác định Biểu thức giải tích hay đồ thị thời gian tín hiệu xác định hồn tồn biết trước ví dụ: S (t )  A sin ( t   ) Là tín hiệu hình sin có biên độ A, tần số góc  góc pha  tín hiệu xác định + Tín hiệu ngẫu nhiên: Là tín hiệu mà q trình biến thiên khơng thể biết trước Giá trị tín hiệu ngẫu nhiên thời điểm trước Ngồi phân loại tín hiệu thành nhóm tín hiệu liên tục tín hiệu rời rạc: Tín hiệu gọi liên tục thay đổi liên tục Ngược lại tín hiệu rời rạc Cụ thể phân loại sau đây: - Tín hiệu có biên độ thời gian liên tục gọi tín hiệu tương tự (analog) - Tín hiệu có biên độ rời rạc, thời gian liên tục gọi tín hiệu lượng tử - Tín hiệu có biên độ liên tục, thời gian rời rạc gọi tín hiệu rời rạc - Tín hiệu có biên độ thời gian rời rạc gọi tín hiệu số (digital) c Hệ thống thông tin: Là tổ hợp thiết bị kỹ thuật, kênh tin để truyền tin tức từ nguồn tin đến nơi nhận tin Cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin sau: Bộ môn: Hệ thống điện -9- Ngun tin Kờnh tin Thu tin Nhiễu Hình 1.1 Trong đó: Nguồn tin: tập hợp tin mà hệ thống thông tin phát Kênh tin: nơi hình thành truyền tín hiệu mang tin đồng thời xảy tạp nhiễu phá hoại tin tức Thu tin: Là cấu khơi phục tin tức ban đầu từ tín hiệu lấy đầu kênh tin d Đơn vị thơng tin: bit (binary digit) Một bít dung lượng nguồn tin có trạng thái (thông thường quy ước 1) Trong thực tế thường dùng bội số bit như: 1Kbit = 210 bit = 1024 bit 1Mbit = 210 Kbit = 1024 Kbit 1byte = 8bit 1Kbyte = 210 byte = 1024 byte 1Mbyte = 210 Kbyte = 1024 Kbyte 1Gbyte = 210 Mbyte = 1024 Mbyte Các đặc trƣng tín hiệu xác định a Độ dài trị trung bình tín hiệu Ký hiệu s(t) biểu thức thời gian tín hiệu xác định Độ dài tín hiệu s(t) thời gian tồn tín hiệu kể từ lúc bắt đầu xuất chấm dứt Thông số quy định thời gian mà hệ thống thông tin bị mắc bận việc truyền tin tức chứa tín hiệu Nếu độ dài tín hiệu xuất vào thời điểm t0 , trị trung bình theo thời gian bằng: S (t )  t0    S (t )dt  (1.1) t0 b Năng lƣợng công suất trị hiệu dụng tín hiệu + Năng lượng Es tín hiệu S(t) tích phân bình phương tín hiệu suốt thời gian tồn Es   t0   S (t )dt (1.2) t0 + Cơng suất trung bình tớn hiu Bộ môn: Hệ thống điện - 10 - S (t )   t0   S (t )dt (1.3) t0 Trong đó: S2(t) cơng suất tức thời tín hiệu Như cơng suất trung bình tín hiệu trị trung bình cơng suất tức thời + Trị hiệu dụng tín hiệu S hd   t0   S (t )dt (1.4) t0 c Dải rộng tín hiệu Là tỉ số giá trị cực đại cực tiểu công suất tức thời tín hiệu Thơng số đo đơn vị lôgarit (ben hay đêxiben) đặc trưng cho khoảng cường độ mà tín hiệu tác động lên thiết bị DdB  10 lg S (t ) max S (t ) max  20 lg S (t ) S (t ) (1.5) d Tỉ số s/n (tín hiệu/nhiễu)   P S  s N PN (1.6) đó: ps cơng suất tín hiệu pn cơng suất nhiễu Tỉ số s/n viết dạng mức tín hiệu 10 lg   10 lg Ps dB PN (1.7) Nhiễu hệ thống thông tin Nhiễu từ dùng để tất loại tín hiệu khơng có ích tác động lên tín hiệu có ích, gây khó khăn cho việc thu xử lý tín hiệu Nhiễu gây nên sai số làm biến dạng tín hiệu Nếu ta truyền tín hiệu s(t) đến đầu vào kênh tin đầu thu được: x(t) = n(t).s(t) + c(t) (1.8) đó: n(t) gọi nhiễu nhân c(t) gọi nhiễu cộng + Nhiễu cộng c(t) khơng phụ thuộc vào tín hiệu mà bị gây trường (điện trường, từ trường, trường điện từ, trường âm thanh) Bé m«n: HƯ thèng ®iƯn - 11 - + Nhiễu nhân thay đổi hệ số truyền kênh tin; nhiễu nhân thường lấy truyền tín hiệu vơ tuyến sóng ngắn Theo nguồn gốc nhiễu phân thành hai nhóm: nhiễu khí nhiễu cơng nghiệp - Nhiễu khí quyển: gây hoạt động tượng khí như: giông, bão, sấm chớp…(thông thường tần số thấp) Nhiễu khí khơng ảnh hưởng đến dải sóng ngắn, dải sóng dùng nhiều thơng tin vơ tuyến điện Ngồi nhiễu khí sinh xạ từ nguồn trái đất mà mạnh xạ mặt trời Các xạ làm ảnh hưởng đến lớp iơn hố tầng cao khí quyển, làm thay đổi điều kiện truyền lan sóng ngắn, ảnh hưởng đến thơng tin dải sóng - Nhiễu công nghiệp: thiết bị điện gây như: động điện có góp, dụng cụ điện gia đình, thiết bị y tế, thiết bị công nghiệp tần số cao (lò đúc, tơi cao tần lò sấy cao tần…) Các nhiễu phiền phức hệ thống đánh lửa động đốt gây Bản chất nhiễu công nghiệp thiết bị điện kể làm việc sinh xạ điện từ mạnh Các xạ điện từ kích thích đột biến dao động tắt dần tạo thành tia lửa điện gây Để chống lại nhiễu công nghiệp cần phải dùng phận khử xạ điện từ, dập tắt tia lửa sinh thiết bị mà chúng khơng giữ nhiệm vụ chủ yếu Nhiễu khí nhiễu cơng nghiệp gọi nhiễu ngồi hay can nhiễu Ngồi có nhiễu nhiễu thân hệ thống thông tin thân thiết bị sinh trình làm việc như: hiệu ứng nhiệt, thăng giáng đại lượng vật lý…nhiễu c gi l õm Bộ môn: Hệ thống điện - 12 - § II TÍN HIỆU VÀ BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU Sơ đồ nguyên lý chung httt (hệ thống thơng tin) truyền tín hiệu tƣơng tự: - Mỗi HTĐ có nhiệm vụ truyền tin tức từ nơi phát đến nơi nhận tin sơ đồ nguyên lý chung httt truyền tín hiệu tng t: Nguồn tin Tin tức ban đầu Biến đổi tin tức-tín hiệu Tín hiệu điện Máy phát - Điều chế - Khuyếch đại - (Anten phát) ` Kênh truyền NhËn tin Tin tøc BiÕn ®ỉi tÝn hiƯu - tin tức Tín hiệu điện tần thấp Máy thu - (Anten thu) - Khuyếch đại - Điều chế Hình 2.1: Sơ ®å nguyªn lý chung cđa HTTT - Nguồn tin: nơi cung cấp tin tức ban đầu chưa dạng tín hiệu điện, tiếng nói điện thoại; tiếng nói, âm nhạc thơng tin phát thanh; tiếng nói, âm nhạc hình ảnh truyền hình u, i, p, q - Thiết bị biến đổi: để truyền tin tức người ta thường chuyển thành tín hiệu điện phù hợp cho hệ thống thơng tin Ví dụ micro thơng tin điện thoại phát thanh, micro camera truyền hình v v - Máy phát: khối bao gồm chức năng: biến đổi tín hiệu điện thành dạng tiện lợi cho việc truyền xa, có khả chống nhiễu cao khơng làm méo tín hiệu q trình xử lý Có thể thực mục tiêu nhờ khâu điều chế tín hiệu Ngồi để đảm bảo cơng suất phát máy phát phải thực khuếch đại tín hiệu Đối với hệ thống thông tin vô tuyến, máy phát phải thực khuếch đại tín hiệu Đối với hệ thống thông tin vô tuyến, máy phát phải có anten phát để xạ tín hiệu điện thành sóng điện từ lan truyền khơng gian Bé m«n: HƯ thèng ®iƯn - 13 - - Tín hiệu: sau qua máy phát truyền lên kênh truyền để đến máy thu Có hai loại kênh truyền dây dẫn (cáp điện, cáp quang) vô tuyến (truyền không gian) Các kênh tin dùng thơng tin điện thoại, điện báo, truyền hình cơng nghiệp, phát thanh, truyền hình, thơng tin vệ tinh đo lường, điều khiển từ xa - Tín hiệu sau qua kênh truyền đến máy thu.Các phận máy thu anten thu (trong trường hợp kênh truyền vô tuyến), khuếch đại giải điều chế Sau qua thiết bị tín hiệu trả dạng tín hiệu điện tần số thấp ban đầu chưa thích hợp cho nơi nhận tin người Vì tín hiệu điện cần phải qua biến đổi tín hiệu – tin tức thiết bị ống nghe máy điện thoại, loa radio hình với loa tivi, hình máy vi tính, máy in v.v , qua người nhận tín hiệu vật lý ban đầu Mục đích điều chế tín hiệu: Định nghĩa: điều chế tín hiệu phép tốn chuyển đổi từ tín hiệu mang tin tức sang tín hiệu khác mà khơng làm thay đổi tin tức mang theo Tín hiệu đầu biến đổi tin tức - tín hiệu có tần số thấp khơng thể truyền xa hiệu suất truyền khơng cao Người ta thực điều chế tín hiệu với mục đích sau đây: + Chuyển phổ tín hiệu lên phạm vi tần số cao, ta có kích thước hợp lý anten phát trường hợp kênh truyền dây dẫn dải thông đa số cáp nằm miền tần số cao, tín hiệu tần số thấp bị suy giảm Do có dịch chuyển phổ tín hiệu hiệu ứng bị Trong lý thuyết trường điện từ người ta chứng minh kích thước anten phát phải  1/10  (độ dài bước sóng phát xạ), phổ tín hiệu tiếng nói thường vào khoảng 200hz – 10 khz, kích thước anten phải lớn cỡ hàng chục km phát tín hiệu tần số thấp + Điều chế tín hiệu cho phép ta sử dụng hữu hiệu kênh truyền Nếu khơng có điều chế kênh truyền truyền tín hiệu thời điểm truyền đồng thời hai hay nhiều tín hiệu khơng thể tách riêng chúng đầu thu Điều chế tín hiệu dịch chuyển phổ tín hiệu từ tần số thấp lên miền tần số cao khác nhau, đầu thu thu riêng rẽ từ tín hiệu nhờ mạch lọc thơng dải + Điều chế tín hiệu tăng khả chống nhiễu cao cho HTTT, tín hiệu điều chế có khả chống nhiễu, mức độ tuỳ thuộc vào loại điều chế khác Bé m«n: HƯ thèng ®iƯn - 14 - 3.Phân loại điều chế: Điều chế tín hiệu thực bên phát với mục đích chuyển phổ tín hiệu từ miền tần số thấp lên miền tần số cao Việc dịch chuyển phổ tín hiệu lên tần số cao thực cách làm thay đổi thông số sóng mang có tần số cao Trong thực tế người ta dùng hai loại sóng mang dao động hình sin cao tần dãy xung, tương ứng ta có hai hệ thống điều chế điều chế liên tục điều chế xung t/h điều chế (t/h tin tức) điều chế t/h bị điều chế t/h sóng mang Hình 2.2 Ngun tắc chung điều chế tín hiệu Trong hệ thống điều chế liên tục, tín hiệu điều chế (tín hiệu tin tức) tác động làm thay đổi thông số biên độ, tần số góc pha sóng mang dao động điều hồ sóng mang có thơng số thay đổi theo tín hiệu tin tức gọi tín hiệu bị điều chế Trong hệ thống điều chế xung, sóng mang dãy xung vng góc tuần hồn, tin tức làm thay đổi thơng số biên độ, độ rộng vị trí xung Sự khác tín hiệu điều chế liên tục điều chế xung chỗ hệ thống điều chế liên tục tín hiệu mang tin tức truyền liên tục theo thời gian Còn hệ thống điều chế xung, tín hiệu mang tin tức truyền khoảng thời gian có xung Điều chế tín hiệu liên tục (tƣơng tự): Gọi (t) tín hiệu mang tin tức (tần số thấp) (t) chuẩn hoá nghĩa là: -1  (t)  hay t   (2.1) (chẳng hạn cách chia (t) cho max) điều chế sóng mang điều hồ hình sin dạng: u(t) = u0 sin (0t + 0) (2.2) Có thể thực theo biên độ u0, tần số 0 pha 0 Cũng thực điều chế đồng thời, chẳng hạn vừa theo tần số lẫn biên độ v.v Các biểu thức tín hiệu hình sin bị điều chế tín hiệu mang tin tức (t) tương ứng với điều biên AM (Amplitude Modulation), điều tần FM (Frequency Modulation) điều pha PM (Phase Modulation) có dạng sau đây: Bé môn: Hệ thống điện - 15 - u(t)am = u0[1+m(t)] sin (0t + 0) (2.3) t u(t)fm = u0sin (0t +  t dt +0) (2.4) u(t)pm = u0sin (0t + .t  +0) (2.5) đó: m: hệ số điều biên, m  u = mu0: số gia cực đại biên độ điện áp : số gia cực đại tần số : số gia cực đại góc dịch pha Tín hiệu mang tin tức (t) nói chung hàm bất kỳ, ta giới hạn việc xét trường hợp hay gặp tín hiệu: (t) = cos t (2.6) tần số  thấp nhiều so với 0 a Điều biên: Từ biểu thức (2.3) ta thấy điều biên nghĩa làm thay đổi biên độ u0 sóng mang u0sin (0t + 0) thành biên độ u0 + m.u0cos t (đường bao hình 2.3) dao động theo thay đổi tín hiệu mang tin tức (t) = cos t Bé m«n: HƯ thèng ®iƯn - 16 - từ (2.3) (2.6) ta có: u(t)am = u0[1+m(t)] sin (0t + 0) = u0[sin (0t + 0) + m sin (0t + 0) cos t = u0{sin (0t + 0) + (m/2) u0sin[(0+ )t + 0] + (m/2) u0sin[(0- )t +0]} U U0 m/2U0 LSB USB 0- 0+ Hình 2.4 Phổ biên độ tín hiệu điều biên AM (3 vạch) Nh vy ứng với tín hiệu mang tin tức (t) = cost từ biểu thức ta rút nhận xét phổ tín hiệu điều biên (hình 2.4) phổ vạch gồm vạch tạo thành từ tần số: vạch trung tâm ứng với tần số sóng mang 0 vạch nằm đối xứng bên vạch trung tâm ứng với tần số 0+  0-  Các vạch gọi dải biên (lsb - lower side band) dải biên (usb - upper side band) Dải thông tín hiệu điều biên u(t)am: bw = [(0+ ) - (0- )] / 2 = / (2.8) Cả tần số 0, 0+  0-  nằm miền tần số cao (do 0>>) Như vậy, ta dịch chuyển tần số thấp  vào miền tần số cao Trong trường hợp tín hiệu (t) tuần hoàn biểu diễn dạng tổng thành phần điều hồ hình sin: n (t) = C k 1 k sin kt   k  (2.9) thì: n u(t) = u0 [1+m  C k sin kt   k  ] sin (0t + 0)= k 1 = u0 sin (0t + 0) - Bé môn: Hệ thống điện m n C k k cos0  kt     k  - 17 - Trong trường hợp lý tưởng công suất quang phát ΦE/O phải tỉ lệ với cường độ dòng điện kích thích iE (hệ số ao = 0) ΦE/O = a1iE Hệ số tỉ lệ a1 đặc trưng cho hệ suất xạ quang Mặt khác, công suất điện PE đặt đầu vào biến đổi điện-quang coi tỉ lệ với bình phương dòng điện iE2 Vì cơng suất quang xạ tỉ lệ với bậc hai công suất điện đặt đầu vào biến đổi điện-quang Các biến đổi thường diode laser (LD) hay diode phát quang (LED) 4.2 Bộ biến đổi quang - điện (O/E) Ở phía đầu sợi quang, công suất quang thu nhận ΦE/O chuyển đổi ngược lại thành dòng điện iR đầu biến đổi quang-điện O/E iR = σo.ΦE/O σo : hệ số đáp ứng Mặt khác, cơng suất tín hiệu điện PR thu tỉ lệ với bình phương dòng điện iE2 nên cơng suất tỉ lệ với bình phương cơng suất sóng quang Hoạt động thu hoàn toàn đối xứng lại với phát đầu vào Các phận biến đổi quang điện thường Photo diode Các thông số hệ thống thông tin sợi quang - Tốc độ bit D nhị phân cần truyền - Chiều dài l đường truyền - Xác suất sai ε bit chấp nhận § V BẢO VỆ VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN PLC (POWER LINE CARRIER) Khái niệm Tải ba (PLC) hệ thống truyền tin sử dụng đường dây truyền tải điện cao áp, chủ yếu dùng để truyền cách tin cậy tiếng nói, liệu quản lý lượng tín hiệu bảo vệ hệ thống điện Thông thường hệ thống PLC sử dụng cho việc thông tin liên lạc điện thoại mạng thông tin nội ngành điện PLC cho phép truyền tín hiệu điều khiển bảo vệ hệ thống điện Các tín hiệu điều khiển bảo vệ nhằm bảo vệ đường dây truyền tải điện trọng yếu phần t Bộ môn: Hệ thống điện - 42 - quan trọng khác hệ thống điện Đồng thời, hệ thống PLC cho phép kết nối máy tính với mạng máy tính diiện rộng ngành điện cho phép máy Fax liên lạc với Thông thường PLC dùng để truyền thông tin khoảng cách trung (từ 20 ÷ 100 km) khoảng cách dài (100 ÷ 500 km) Các ƣu điểm Đã từ lâu, đường dây tải điện cao áp sử dụng để truyền tải thông tin sóng mang cao tần khắp nơi mạng điện Đường dây tải điện xây dựng sẵn kết hợp làm đường dây thơng tin, phải đặt thiết bị PLC trạm biến áp Đó lí hệ thống PLC có giá thành thấp khơng phí cho việc xây riêng đường dây thơng tin Một ưu điểm khác tín hiệu PLC truyền đến vài trăm km theo đường dây truyền tải điện mà không cần phải đặt khuếch đại biên độ trung gian nào, nhờ chi phí giảm Mặt khác, đường dây cao áp tính tốn xây dựng khơng chịu đựng điều kiện thời tiết xấu mà dạng thiên tai xẩy Do tương ứng hệ thống thơng tin tải ba có độ tin cậy cao Hiện ngành điện lực nước ta sử dụng nhiều hệ thống thông tin tải ba khác như: - Hệ thống tải ba ABC Nga sản xuất - Hệ thống tải ba ESB hãng Siemens (Đức) sản xuất - Hệ thống tải ba ETL hãng ABB (Thụy Điển) sản xuất - Hệ thống tải ba CPL hãng CEGELEC (Pháp) sản xuất Thế nguyên lý chung chúng sử dụng môi trường truyền đường dây tải điện, thiết bị ghépp nối nhiều thiết bị khác Dưới giới thiệu hệ thống thông tin tải ba CPL 306 hãng CEGELEC (Pháp) sản xuất Sơ đồ nguyên lý chung hệ thống thông tin tải ba loi PLC 306 (CEGELEC) Bộ môn: Hệ thống điện - 43 - Hình 5.1 Hệ thống tải điện có cơng suất lớn thường có u cầu độ an tồn cao truyền tải điện phạm vi rộng Hệ thống thông tin tải ba giúp cho việc trao đổi thơng tin, số liệu vị trí địa lý khác hệ thống điện Nhờ thiết kế cách đặc biệt cho việc thông tin liên lạc, thiết bị thông tin tải ba CPL 306 cho phép truyền tín hiệu theo kiểu điểm nối điểm từ đến kênh truyền làm việc song song, sử dụng môi trường truyền tin đường dây không dây cáp cao áp Dữ liệu ban đầu dạng tín hiệu tương tự truyền đến điều chế, khuếch đại gửi đến môi trường truyền tin qua ghép nối Ở cuối đường truyền, thiết bị thu khôi phục lại cách xác liệu truyền (xem hình 51) Sơ đồ hệ thống thông tin tải ba mơ tả rõ hình 5.2 Bộ môn: Hệ thống điện - 44 - Hỡnh 5.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin tải ba Trong đó: LT: cuộn cản (Còn gọi cuộn chặn hay cuộn bẫy sóng) CD: thiết bị ghép nối PLC: thiết bị thông tin tải ba CC: tụ ghép nối HV line: đường dây truyền tải điện cao áp RP: rơle bảo vệ RTU: thiết bị đầu cuối PAX: thiết bị chuyển mạch Bé m«n: HƯ thèng ®iƯn - 45 - FAX: máy Facsimile M: modem (giao diện) Các giao tiếp thiết bị CPL 306 nhận tín hiệu vào tương tự có tần số từ 300 đến 3700 Hz Sự phối hợp với việc truyền tín hiệu nói với việc truyền tần số công nghiệp đường dây khơng thể chấp nhận mặt chất lượng tín hiệu vấn đề an toàn cho thiết bị thơng tin Vì thiết bị CPL 306 biến đổi tín hiệu tương tự nhận sang tần số khoảng từ 40 đến 500 kHz Chức thiết bị hệ thống tải ba Từ hình 5.2 ta thấy hệ thống thơng tin tải ba bao gồm thiết bị chủ yếu nằm phía điện cao áp sau: - Cuộn kháng bẫy sóng hay gọi cuộn cản LT (Line Trap) - Tụ điện ghép nối CC (Coupling Capacitor) - Thiết bị ghép nối CD (Coupling Device) Chức thiết bị là: 4.1 Cuộn bẫy sóng a) Giới thiệu Các tín hiệu thơng tin tải ba thường truyền đường dây cao áp tín hiệu đo lường từ xa, tín hiệu điều khiển từ xa, tín hiệu điện thoại, điện báo (Telex)…Cuộn bẫy sóng thiết kế để ngăn chặn tín hiệu sóng mang cao tần Chúng mắc nối tiếp đường dây cao áp đặt trạm biến áp Do chúng phải thiết kế để chịu dòng điện làm việc lâu dài lớn kể dòng điện ngắn mạch xuất đường dây Đối với cuộn bẫy sóng: Tổng trở: Z = ω.L Mà: ω = 2.π.f  Z = 2.π.f L Từ biểu thức ta thấy tổng trở Z tần số f tỉ lệ thuận với Do đó: Nếu f nhỏ  Z nhỏ  dòng điện có tần số nhỏ (tần số điện công nghiệp 50 Hz) dễ dàng qua Còn f lớn (khoảng 40đến 500 kHz)  Z lớn, cuộn bẫy sóng có tính chất cản trở khơng cho dòng tín hiệu tần số sóng mang i qua Bộ môn: Hệ thống điện - 46 - 4.2 Tụ điện ghép nối Tụ điện ghép nối giống tụ điện thông thường mắc mạch nhằm ngăn cản tần số điện lực không cho qua thiết bị PLC đồng thời cho tín hiệu cao tần qua cách dễ dàng để đến thiết bị PLC Như ta biết tổng trở mạch dung là: Z= 1 = .C 2. f C Như tổng trở tụ ghép nối tỉ lệ nghịch với tần số Đối với tần số điện lực (50 Hz) f nhỏ  Z lớn làm cho tín hiệu khó qua Đối với tần số sóng mang (40 đến 500 kHz) f lớn  Z nhỏ làm cho tín hiệu dễ dàng qua Một đầu tụ điện ghép nối đấu vào đường dây cao áp (trước cuộn bẫy sóng) đầu nối đến thiết bị ghép nối giao tiếp Giá trị tụ điện ghép nối thực tế khoảng 1500 đến 7500 pF giá trị phụ thuộc vào trở kháng đường dây cao áp 4.3 Thiết bị ghép nối Thiết bị ghép nối thiết bị giao tiếp đường dây cao (HV line) thiết bị thông tin tải ba PLC Phần chủ yếu thiết bị ghép nối lọc có tác dụng cho tín hiệu tần số sóng mang qua ngăn lại khơng cho dòng điện tần số lưới điện qua nhằm bảo vệ thiết bị viễn thông PLC khỏi phần điện áp cao điện áp hệ thống điện Ngồi module lọc ra, thiết bị ghép nối bao gồm cuộn dây bảo vệ (drain coil), thiết bị phóng điện chân khơng, phận nối đất bên ngồi vỏ đứng… Sơ đồ ghép nối trường hợp có nhiều trạm sau (hình 5.3) Bé m«n: HƯ thèng ®iƯn - 47 - Hình 5.3 Trong đó: A, B, C, D: trạm biến áp Thiết bị ghép nối Thiết bị chuyển mạch vạn Thiết b PLC Hỡnh 5.4 Bộ môn: Hệ thống điện - 48 - Hình 5.5 Có thể sử dụng sơ đồ ghép nối khác ghép nối pha-đất, ghép nối pha-pha (hình 5.4), ghép nối liên mạch (hình 5.5) Thiết bị ghép nối loại GC 305 hãng CEGELEC (Pháp) chế tạo hình thức hộp plastic khơng thấm nước có hai mạch quan trọng: - Một mạch bảo vệ nhằm đảm bảo độ an toàn cho nhân viên vận hành bảo vệ thiết bị tải ba khỏi ảnh hưởng phần cao áp hệ thống điện điện áp xung trình q độ - Một mạch thích ứng điều chỉnh trở kháng thiết bị tải ba cho phù hợp với đường dây hệ thống điện Mạch bảo vệ cấu tạo bao gồm: - Một dao nối đất mà nối đất đầu cực điện áp thấp tụ ghép nối cánh cửa hộp mở Công tắc nối đất hoạt động tay cửa mặt trước cánh cửa tủ Với tay cửa nằm ngang cơng tắc nối đất vị trí mở, cửa tủ đóng lại (vị trí vận hành) Với tay cửa nằm vị trí dọc, cơng tắc nối đất nối vị trí nối đất (được đóng lại) Ở vị trí này, truyền tín hiệu bị ngưng lại mở cửa tủ suốt trình bảo dưỡng để sửa chữa thiết bị cách an toàn Bộ môn: Hệ thống điện - 49 - - Mt thiết bị phóng điện chống sét với điện áp định mức 500 V nối cực điện áp thấp tụ ghép nối đất Nó dùng để giới hạn điện áp đỉnh xung nguy hiểm để bảo vệ cho thiết bị thông tin người vận hành an toàn - Một cuộn dây bảo vệ nối song song với thiết bị phóng điện chống sét tạo đường đến đất cho dòng điện tần số lưới bị rò qua tụ ghép nối Nó có điện kháng lớn 5000 Ohm tín hiệu tần số sóng mang - Một cầu chì bảo vệ thiết bị tải ba - Một thiết bị phóng điện chống sét thứ cấp với điện áp định mức 600 V giới hạn điện áp tăng vọt bất thường 4.4 Thiết bị thông tin tải ba (PLC) loại CPL 306 Thiết bị thông tin tải ba CPL 306 thiết bị có chức thu phát tín hiệu tạo sóng cao tần để truyền lên đường dây cao áp Nó bao gồm: - Một phần quản lý kênh điều chế tín hiệu (channel-management) - Một phần chung tạo sóng mang tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (common part) - Một phần khuếch đại công suất phần thích ứng ghép nối cao tần HF (amplifier) § VI GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN VI BA Giới thiệu chung Tín hiệu vi ba tín hiệu có tần số từ 1GHz trở lên thường coi nằm dải tần số từ – 30 GHz, đơi xem thuộc vùng tần số từ – 300 GHz với bước sóng  = – 30 cm Hiện dải tần số từ – 300 MHz hoàn toàn sử dụng hết đài phát sóng vơ tuyến khác Vì người ta cố gắng khai thác dải tần số vi ba có phổ rộng Dải tần số vi ba thích hợp cho hệ thống thơng tin số truyền tín hiệu nhị phân Một kết nối vi ba hệ thống thơng tin hai điểm cố định, sóng vơ tuyến có tính hướng cao nhờ anten định hướng Kết nối vi ba truyền tải: - Các đàm thoại song song, ghép kênh theo tần số thời gian - Các chương trình truyền hình - D liu Bộ môn: Hệ thống điện - 50 - + Đối với sóng vi ba tương tự: thực ghép kênh theo tần số kênh tương tự, sau chuyển lên phổ tần số cao nhờ điều tần FM + Đối với sóng vi ba số: thực ghép kênh theo thời gian (TDM) kênh số hố điều chế PCM, sau chuyển lên phổ tần cao nhờ điều chế tương tự với sóng mang hình sin Hiện vi ba số ngày chiếm ưu Trong kết nối vi ba hai chiều truyền tin hai tần số khác Các anten dùng cho hai chiều phát thu Thông thường đường truyền xa gặp chướng ngại vật, phải chia thành nhiều trạm chuyển tiếp có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu siêu cao tần, khuyếch đại tái phát với tần số sóng mang khác Ngồi có loại trạm chuyển tiếp thụ động, có tác dụng đổi hướng sóng, vượt qua chướng ngại VI BA SỐ Vi ba số chia thành ba loại: + Mạng vi ba số dung lượng nhỏ có số kênh từ 24 đến 60 kênh, mạng thường dùng cho tuyến thông tin liên lạc nhánh (tuyến cấp huyện) + Mạng vi ba số có dung lượng trung bình từ 120 kênh đến 960 kênh Mạng thường tuyến liên tỉnh, sử dụng để truyền truyền số liệu + Mạng vi ba có dung lượng lớn có số kênh 960 kênh Hệ thống thường dùng làm truyền tin quốc gia quốc tế Trên hệ thống đáp ứng nhiều dịch vụ khác như: truyền hình, truyền thanh, điện thoại, fax, truyền số liệu…và nhiều dịch vụ khác Hệ thống vi ba số đảm nhận nhiều chức năng: mã hố tín hiệu, giải mã tín hiệu, ghép kênh theo thời gian, phát sóng siêu cao…Hệ thống vi ba số biểu diễn dạng sơ đồ khối (Hình 6.1) Anten vi ba A/D D/A PCM  Tx Rx Hình 6.1 Sơ đồ khối vi ba số Trong sơ đồ gồm khối sau: + Khối A/D – D/A làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương rự thành tín hiệu số phần phát ngược lại đổi từ số tng t phn thu Bộ môn: Hệ thống điện - 51 - + Khối PCM làm nhiệm vụ điều chế ghép tín hiệu, ghép kênh phân kênh theo thời gian + Khối  làm nhiệm vụ tổng hợp luồng tín hiệu tách luồng tín hiệu + Khối Tx, Rx làm nhiệm vụ phát thu tín hiệu cao tần Các tín hiệu vi ba tương tự nhu sóng ánh sáng truyền theo đường thẳng Vì khoảng cách truyền tin thường bị giới hạn theo tầm nhìn thẳng (khác với sóng vơ tuyến rađiơ sóng bị uốn cong tầng iơn hố khí quyển) Vi ba số sử dụng sóng truyền thẳng từ anten phát đến anten thu nghĩa trạm vi ba số phải nằm tầm nhìn thẳng Vì yêu cầu thiết kế đường tuyến vi ba số vùng sóng truyền thẳng khơng có vật che, dù nhỏ như: cối, nhà cửa, tháp cao… Trong hệ thống thông tin vi ba thường dùng anten gương parabol phản xạ Có tiêu điểm vị trí nguồn phát sóng Từ tiêu điểm gương parabol tia sóng sau phản xạ từ mặt parabol trở thành chùm tia sóng song song (Hình 6.2) ĐẦU PHÁT  THU ỐNG DẪN SÓNG (CÁP ĐỒNG TRỤC) ĐIỀU CHẾ PCM (GHÉP KÊNH) Hình 6.2 Hoạt động anten vi ba Thông tin vi ba loại thông tin điểm nối điểm, phương thức truyền lan sóng không gian Hai anten thu phát thường đặt độ cao định (lớn hàng chục lần bước sóng) hướng vào nhau, khơng bị che khuất tầm nhìn thẳng để truyền xa Tuyến thơng tin bị ảnh hưởng nhiều địa hình từ nơi phát đến nơi thu điều kiện khí hậu tuyến Các trạm vi ba anten phải đặt cao với mặt đất có tới hàng trăm mét Bộ môn: Hệ thống điện - 52 - a lượng cao tần từ đầu máy phát hay đầu vào máy thu đến anten phải sử dụng thiết bị truyền dẫn cao tần Thông thường sử dụng loại thiết bị để truyền dẫn: - Cáp song hành đối xứng (twin wire) - Cáp đồng trục (coaxial cable) - Ống dẫn sóng (wave guide) Cáp song hành đối xứng + Cáp song hành đối xứng hệ hai dây dẫn giống hệt nhau, có đặc tính điện so với điểm đất + Các dây bó lại thành cáp, bao gồm dây bọc vỏ cách điện xoắn lại với để giảm điện cảm ghép cặp dây với Cả bó dây bọc vỏ chống nhiễu bên - Lớp cách điện: thường dùng vật liệu giấy đặc biệt (cellulose) Vật liệu giấy với đặc tính hút ẩm cao chống ẩm tốt cho dây dẫn, lại làm tăng độ mát điện môi - Dây dẫn: dây đồng tiện dụng đặc tính dẫn điện tốt dễ gia công, hàn nối Dây nhôm rẻ tiền khó hàn nối - Lớp vỏ dùng để chống ảnh hưởng khí, hố học điện nhiễu từ bên ngồi Vỏ chì tiện dụng dù trọng lượng nặng chông nhiễu không tốt Vỏ nhôm nhẹ khó chế tạo dễ bị bazơ ăn mòn Cáp đồng trục Cáp đồng trục cấu tạo từ hai dây dẫn đồng trục, lớp nối đất, lớp tâm, vật liệu cách điện cao tần Lớp dây dẫn thường dây đồng, nhơm kim loại dẻo, dây đồng đặc ống rỗng, lớp tạo dải đồng nhôm xoắn theo chiều dài d1 d2 Hình 6.3 Cáp đồng trục Bé m«n: HƯ thèng ®iÖn - 53 - Khi lượng cao tần đưa vào cáp đồng trục, hai dây dẫn dây dẫn ngồi phát sinh sóng điện từ chạy dọc theo dây Cáp đồng trục sử dụng cho dải sóng cực dài đến dải sóng cm Tuy nhiên tần số cao từ GHz trở lên tổn hao chất điện mơi tăng lên Hơn với máy phát công suất lớn hàng trăm W đến KW tần số siêu cao, cáp đồng trục khơng chịu đựng Trong trường hợp người ta dùng ống dẫn sóng Ống dẫn sóng Các ống dẫn sóng (hình 6.4) dùng để truyền dẫn lượng tín hiệu vi ba từ nơi đến nơi khác phần khác thiết bị vi ba từ thiết bị lên anten phát, hay từ anten thu đến máy thu Ống dẫn sóng thường chế tạo từ đồng, nhơm đồng thau dạng ống hình chữ nhật, hình tròn, hình elip Lớp kim loại phía bên ống dẫn sóng thường phủ bạc để giảm điện trở xuống thấp Hình 6.4 Các loại ống dẫn sóng Nếu ta kích thích vào ống dẫn sóng trường điện từ, sóng điện từ truyền lan ống dẫn sóng từ đầu đến đầu cách phản xạ nhiều lần thành ống Các sóng có bước sóng lớn hai lần kích thước thành rộng ống khơng truyền ống dẫn sóng Một tuyến viba số bao gồm nhiều đoạn chuyển tiếp, trung bình đoạn cách khoảng 50km cuối đoạn chuyển tiếp trạm phân sau: - Trạm đầu cuối: Thường đặt đầu mối giao thông lớn - Trạm rẽ kênh: Trạm rẽ kênh nằm vùng dân cư, thị xã dọc tuyến viba số Trạm có chức xuống kênh lên kênh nhằm thiết lập thơng tin vùng lân cận có liên quan - Trạm chuyển tiếp: Có hai loại chuyển tiếp tích cực chuyển tiếp thụ động Bé môn: Hệ thống điện - 54 - + Trm chuyn tiếp tích cực: có hai nhiệm vụ thu nhận tín hiệu từ trạm phía trước khuếch đại bù dạng méo, chuyển đổi tần số phát tiếp cho trạm sau Trạm chuyển tiếp tích cực có người khơng có người điều khiển Ở trạm chuyển tiếp khơng có người điều khiển thường sử dụng nguồn pin mặt trời tổ ắcqui dung lượng lớn đảm bảo nguồn cấp cho thiết bị + Trạm chuyển tiếp thụ động: thường khơng có thiết bị thu phát Trạm thường sử dụng định hướng anten để thay đổi hướng tuyến sóng vi ba qua vùng địa hình phức tạp Một số đặc điểm kỹ thuật riêng thông tin viba Thông tin viba có số đặc điểm kỹ thuật riêng sau: - Việc phân tích mạch điện vùng tần số cao tần số viba khó khăn Thơng thường mạch có tần số thấp 30MHz, việc phân tích dựa quan hệ dòng điện - điện áp Còn tần số viba, đa số phần tử mạch phân tích thơng qua điện trường, từ trường - Kỹ thuật đo thông tin viba khác trước Trong mạch điện tử tần số thấp, người ta thường đo dòng áp, mạch vi ba cần đo thông số điện trường, từ trường cơng suất tín hiệu - Ở tần số cao hệ thống thông tin vi ba, điện trở có tính cảm kháng, dung kháng xem mạch LCR Các tụ điện cuộn dây có đặc tính tương tự - Để tạo nên mạch cộng hưởng tần số vi ba, giá trị đại lượng L C cần phải nhỏ Điều gây nhiều khó khăn mặt kỹ thuật đoạn dây dẫn nhỏ cỡ vài cm có L lớn tần số vi ba - Các thiết bị bán dẫn không làm việc bình thường tần số vi ba Ở tần số thấp, thời gian vượt quãng (transit time) transitor bỏ qua, xem bé (thời gian vượt quãng khoảng thời gian cần thiết để điện tử hay lỗ hổng vượt quãng đường hai cực transitor) Tuy nhiên tần số vi ba chu kỳ T = 1/f bé (do f lớn) nên thời gian vượt quãng trở nên chiếm phần trăm lớn so với thời gian chu kỳ tín hiệu vi ba Vì kỹ thuật vi ba người ta chế tạo điode transitor đặc biệt nhỏ từ chất đặc biệt galliun arsenide có thời gian vượt quãng bé so với silíc Ngồi hệ thống vi ba người ta dùng thiết bị đặc biệt mạch khuyếch đại công suất ống chân không klystron, magnetron, ng dn súng Bộ môn: Hệ thống điện - 55 - - Các tín hiệu vi ba dễ bị phản xạ bị chệch hướng gặp vật thể lớn nhỏ khác Thậm chí hạt mưa, hạt sương hấp thụ làm suy yếu tín hiệu vi ba, vùng tần số cỡ 20GHz B Nội dung thảo luận Buổi Đề tài thảo luận : - Trình bầy sơ đồ nguyên lý chung HTTT (hệ thống thơng tin) truyền tín hiệu tương tự: - Trình bầy ngun lý biến đổi thơng tin Đề tài thảo luận : Trình bầy bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thông tin vi ba hệ thống điện Buổi - Đề tài thảo luận : Phân tích sơ đồ bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thông tin sợi quang - Đề tài thảo luận : Phân tích sơ đồ bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thông tin tải ba - Đề tài thảo luận : Phân tích sơ đồ bảo vệ điều khiển từ xa sử dụng công nghệ truyền dẫn đường dây tải điện PLC C Ngân hàng câu hỏi, tập Thế truyền tin điều khiển từ xa vận hành hệ thống điện lực? Tín hiệu hệ thống điện gì? Hệ thống thơng tin hiểu nào? Các thông tin biến đổi dựa nguyên lý nào? Thế bảo vệ điều khiển từ xa hệ thống điện? Bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thông tin sợi quang thực nào? Bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thông tin tải ba thực nào? Thế bảo vệ điều khiển từ xa sử dụng công nghệ truyền dẫn đường dây tải điện PLC? Nêu chức thiết bị truyền số liệu, đo lường điều khiển xa? 10 Anh (chị) phân tích loại kênh thông tin nguyên lý ghép kênh? Anh (chị) phân tích hệ thống truyền số liệu nguyên lý truyền số liệu? Bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thông tin vi ba thực nào? Phân tích sơ đồ bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thơng tin sợi quang? Phân tích sơ đồ bảo vệ điều khiển từ xa dùng hệ thống thơng tin tải ba? Phân tích sơ đồ bảo vệ điều khiển từ xa sử dụng công nghệ truyền dẫn đường dây tải điện PLC ? o0o Bộ môn: Hệ thống điện - 56 - ...CHƢƠNG I TRUYỀN TIN VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN LỰC § I TỔNG QUAN VỀ CÁC TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG THƠNG TIN Các khái niệm bản: a Nguồn tin nguyên thuỷ Là tập hợp tất tin tức nguyên... Hệ thống thông tin: Là tổ hợp thiết bị kỹ thuật, kênh tin để truyền tin tức từ nguồn tin đến nơi nhận tin Cấu trúc tổng quát hệ thống thơng tin sau: Bé m«n: HƯ thèng ®iƯn -9- Nguồn tin Kênh tin. .. tin Thu tin Nhiễu Hình 1.1 Trong đó: Nguồn tin: tập hợp tin mà hệ thống thông tin phát Kênh tin: nơi hình thành truyền tín hiệu mang tin đồng thời xảy tạp nhiễu phá hoại tin tức Thu tin: Là cấu