Công nghệ truyền tải lƣới điện bằng mạng lƣới thông minh (Smart Grid) đã đƣợc đề xuất bởi rất nhiều các quốc gia trên thế giới. Cấu trúc mạng lƣới thông minh bao gồm ba lớp: lớp vật lý (phát và phân phối điện năng), lớp thông tin liên mạng và các lớp ứng dụng (các ứng dụng và các dịch vụ nhƣ đo lƣờng điện năng, đáp ứng phụ tải và quản lý lƣới). Mạng thông minh thực hiện việc tạo ra điện năng, truyền tải, quản lý tiêu thụ và thanh toán. Với việc thêm vào khả năng thông minh giúp mạng lƣới trở nên tin cậy hơn, cải thiện quản lý phụ tải, đáp ứng cả hệ thống nhanh, tăng hiệu suất, tích hợp hệ thống một cách dễ dàng trong khi giảm giá thành cho điện năng tiêu thụ.
Truy cập một cách đầy đủ đến các phƣơng tiện truyền thông trong mạng lƣới thông minh là một điều vô cùng quan trọng. Một mạng lƣới thông minh điển hình bao gồm ba thành phần chính:
73
- Mạng lƣới hộ tiêu thụ (Home/Building Area Networks – HAN): giúp kết nối đồng hồ đo thông minh với các ứng dụng tiền trạm, các hệ thống cung cấp điện di động, các nguồn năng lƣợng mới (năng lƣợng mặt trời, …)
- Cấu trúc đo kiểm tiên tiến (Advanced Metering Infrastructure – AMI hay là Field Area Network – FAN): thực hiện truyền tải thông tin tiêu thụ của hộ gia đình thông quan đồng hồ đo thông minh đến cổng mạng – Gateway (Network Gateway) thƣờng đƣợc bố trí ở các trạm biến áp hay các tháp thông tin
- Mạng diện rộng (Wide Area Networks – WAN): thực hiện chức năng phục vụ nhƣ một mạng xƣơng sống (Backborn) để giao tiếp giữa các Gateway với trung tâm dữ liệu (Data Center)
Trong khi HAN có thể đƣợc truyền tải bằng Wifi, Zigbee và HomePlug; WAN có thể dùng mạng IP backborn hay thậm chí là mạng tế bào băng rộng thì AMI/FAN hiện tại vẫn đang trong quá trình xem xét để tìm kiếm phƣơng thức truyền tải. Kích thƣớc của một AMI/FAN có dải từ vài trăm mét cho đến vài kilomet hoặc hơn. Băng thông yêu cầu ƣớc tính khoảng 10-100 Kbps trên một mắt xích tiêu thụ (căn hộ hay văn phòng). Băng thông này tăng lên một cách nhanh chóng khi số lƣợng mắt xích tăng lên, dữ liệu truyền từ hộ nơi tiêu thụ đến Gateway của mạng tăng. Hệ thống giao tiếp lƣới điện (Powerline Based Communication – PLC) đƣợc sử dụng cho một số AMI tuy nhiên băng thông và khả năng mở rộng lại là một vấn đề không nhỏ. Hơn nữa, vấn đề an toàn liên quan tới lỗi dòng điện trong dây đất cũng là một nội dung cần xét đến. Một số đồng hồ đo điện hiện nay sử dụng giải tần không đăng kí 900 MHz. Điều đó sẽ không quan trọng cho đến khi dải tần này sớm đƣợc sử dụng kín do sự phát triển của các thiết bị không đăng kí bao gồm cả đồng hồ đo thông minh. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4g, mạng lƣới thông minh (Smart Utility Networks – SUN) hoạt động để tạo ra một lớp vật lý chuẩn cho AMI/FAN bằng việc sử dụng dải tần số miễn cấp phép nhƣ dải 700MHz đến 1GHz và dải 2.4GHz. Chuẩn này cũng đề cập cách thức xử lý nhiễu đến các thiết bị dùng chung các dải tần không đăng kí trên. Mạng tế bào cũng là một giải pháp đƣợc đề
74
cập cho AMI/FAN. Tuy nhiên, giá thành đầu tƣ và duy trì hoạt động mạng quá cao. Hơn nữa, mạng tế bào bản thân nó phải đối mặt với thách thức về băng thông nhƣ lƣu lƣợng dữ liệu trong mạng tăng lên theo từng năm.
Vô tuyến nhận thức trên nền AMI/FAN đƣa ra nhiều ƣu điểm nhƣ: băng thông, khoảng cách, giá thành khi so sánh với các công nghệ có dây và không dây khác trên thị trƣờng. Hình 4.1 biểu diễn mạng vô tuyến nhận thức dựa trên AMI/FAN:
Hình 4. 1: Mạng lƣới thông minh [5]
Trong trƣờng hợp này, Gateway và thiết bị đo thông minh đƣợc trang bị vô tuyến nhận thức và tự động tận dụng phổ tần chƣa đƣợc sử dụng để giao tiếp với nhau một cách trực tiếp thông qua mạng lƣới hỗn độn (Mesh Network) trên trên diện rộng với sự đơn giản hoặc không cần kiến trúc thƣợng tầng. Gateway của mạng kết nối với một cơ sở dữ liệu tần số thông qua mạng WAN và thực hiện điều khiển để xác định những kênh nào có thể dùng cho AMI/FAN dựa trên địa điểm và năng lƣợng truyền tải cần thiết cho các thiết bị đo thông minh. Các khoảng trắng truyền hình (TV White Space – TVWS) là một ví dụ, từ khi các Gateway và các thiết bị đo thông minh đều đƣợc cố định, chúng có thể hoạt động ở chế độ cố định và truyền tải điện lên đến 4W EIRP. Với công suất truyền tải cao hơn và các đặc tính dải truyền nhận máy chủ vô tuyến, Gateway của mạng có thể liên kết tất cả các
75
thiết bị đo thông minh với một hoặc hai bƣớc nhảy để phủ nguyên cả một thị trấn. Trong vùng nông thông, cho phép sử dụng các kênh trống trong khoảng trắng truyền hình, tuy nhiên độ sẵn sàng sử dụng cũng là một vấn đề.
Có một số nhóm chuẩn hóa khác đang làm việc với nhau trong việc ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức để sử dụng TVWS cho các ứng dụng nhƣ mạng lƣới thông minh hay AMI/FAN. Với IEEE, các nhóm sau đây đang phát triển tiêu chuẩn cho TVWS: nhóm chuẩn hóa IEEE 802.22 đã gần hoàn thiện tiêu chuẩn để sử dụng TVWS dựa trên mạng không dây có dải lên đến 10-100 km sử dụng cho mạng lƣớng thông minh qui mô lớn. Nhóm chuẩn hóa IEEE 802.15 lập bản điều tra về sử dụng TVWS. Nhóm chuẩn hóa IEEE 802.11af đi tiên phong hiệu chỉnh chuẩn IEEE 802.11 cho TVWS hoạt động với WLANS.
Giống nhƣ các thiết bị không đăng kí khác, các thiết bị AMI/FAN trong mạng vô tuyến nhận thức vẫn chịu ảnh hƣởng của nhiễu và tắc nghẽn, đặc biệt với các thiết bị phức tạp và không hợp tác với các thành phần khác. Vấn đề này đƣợc nhắc đến nhƣ là độ tin cậy, trễ và tính giới hạn khả dụng của các thiết bị không đƣợc cấp phép cho các mạng lƣới điều khiển bị giới hạn hay những ứng dụng mạng lƣới thông minh thời gian thực. Vô tuyến nhận thức cho phép AMI/FAN truy cập phổ tần động và hợp tác tại những vùng phổ có ngƣời sử dụng cũng nhƣ ƣu tiên sử dụng phổ cho lƣu lƣợng mạng lƣới thông minh. Nhóm chuẩn hóa 802.19.1 đang phát triển một tiêu chuẩn cho phép tồn tại đồng thời một mạng không dây trong TVWS và giảm thiểu vấn đề can nhiễu trong vô tuyến nhận thức dựa trên AMI/FAN. Ngoài ra, vô tuyến nhận thức dựa trên AMI/FAN cũng nên xem xét cách thức để tƣơng thích với các công nghệ không dây ví dụ nhƣ mạng tế bào để mạng lƣới thông minh có chất lƣợng tốt hơn.