2.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC
2.1.1. Khái niệm PLC
PLC ( Power Line Communication ) là công nghệ sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thơng tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư (hình 2.1).
Hình 2.1: Hệ thống truyền thơng tin trên đường dây điện lực
PLC được phát triển bởi Northern Telecom và United Utilities, có khả năng truyền số liệu ở tốc độ trên 1Mbps (thế hệ X10) dựa trên cơ sở hạ tầng điện lực có sẵn.
Công nghệ PLC ra đời do những nguyên nhân sau:
• Nhu cầu truy nhập Internet băng thơng rộng rất bức thiết, trong khi các công nghệ truy nhập băng rộng khác vì các lí do khác nhau chưa được cung cấp. • Mạng lưới điện hạ thế có sẵn ở khắp nơi, dải tần trên đường dây điện chưa được sử dụng hết (50-60 Hz).
• Đối với các nhà khai thác viễn thông mới việc xây dựng mạng truy nhập để cung cấp dịch vụ trực tiếp tới khách hàng địi hỏi chi phí lớn và tốn nhiều thời gian, cơng sức.
Hình 2.2 cho thấy, để có thể truyền thơng tin qua phương tiện truyền dẫn là đường dây dẫn điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
này có chức năng biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thơng truyền thống như máy tính, điện thoại sang một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện. Với công nghệ này, mỗi ổ cắm điện chính và bảng phân phối điện trong nhà đều là những giao diện truyền dẫn thông tin. Như vậy, những ai cần sử dụng các dịch vụ viễn thơng như trên có thể dùng tất cả các dịch vụ thông qua một ổ điện mà không cần lắp đặt cáp mới (hình 2.1).
Hình 2.2: Truyền thơng tin qua đường dây điện
Công nghệ này tuy còn mới mẻ với khách hàng nhưng thực ra đã được sử dụng từ đầu thế kỷ 20, cho các mục đích truyền thơng tin của nội bộ ngành Điện. Ví dụ như hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát 10W để truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đường dây cao thế với khoảng cách lên tới 500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải của hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế. Hay hiện nay, công nghệ PLC được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá...
Ý tưởng truyền tín hiệu thơng tin trên đường dây tải điện đã được sử dụng từ lâu bằng cách sử dụng phương thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on – turn off carrier). Giống như các công ty điện lực trên thế giới, từ lâu Tổng công ty Điện lực Việt Nam đã sử dụng kỹ thuật này để truyền tải ba các thông tin phục vụ ngành điện, nhưng với cách này tốc độ truyền tin rất thấp. Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ, đặc biệt là cơng nghệ sản xuất vi mạch tích hợp giá rẻ cho từng ứng dụng đặc biệt – ASIC (Application Specific Integrated Circuit) đã cho phép PLC có những bước phát triển nhảy vọt và trở thành một trong những công nghệ truy cập băng rộng và tốc độ cao đầy hứa hẹn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC
Ý tưởng về việc gửi tín hiệu thơng tin trên cùng một cặp dây được sử dụng để phân phối điện cũng bắt nguồn từ xa xưa như điện báo, tuy nhiên số lượng thiết bị truyền thông được cài đặt trên hệ thống dây dành riêng vượt xa số lượng cài đặt trên dây điện nguồn AC mà khơng có bất cứ lý do nào. Cho đến mấy thập kỷ gần đây con người thể nghĩ đến sự lãng phí của việc có bỏ qua khả năng giao tiếp của nguồn điện AC. Trong năm 1920 có ít nhất hai bằng sáng chế được cấp cho công ty điện báo điện thoại của Mỹ AT&T trong lĩnh vực của "Truyền tín hiệu qua các mạch cung cấp”. Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.607.668 và 1.672.940, nộp trong năm 1924 đã đưa ra hệ thống truyền và nhận tín hiệu truyền thơng qua Dịng điện xoay chiều ba pha. Cho đến thời điểm hiện tại, có thể kể đến một số thành tựu của PLC như sau:
Công nghệ PLC băng thông rất thấp (lên đến 25 bps)
- Turtle ® (Tryền dẫn băng siêu hẹp) Thương hiệu thuộc sở hữu của mạng truyền thông Turtle của Mỹ.
- PFPM (Điều pha tần số công suất).
- Ripple Control (Điều tần qua đường điện). Băng thơng trung bình baud: (lên đến 9.600 bps)
- Echonet
- Archnet
- Công nghệ bán dẫn, Australia.
- National Semiconductor. (LM1893 / LM 2893)
- Itran
Băng thông (Hơn 9.600, chủ yếu sử dụng cho IT) - Inari (Dựa tren chipset IPL0202) 2 MBps. - Altcom (dựa trên chipset AN1000) 115kbps - Intellon (INT51X1 Chipset) 14 MBps.
- Texas Instruments. (Dựa trên DSP đạt 200Mbps)
Tất cả các công nghệ được liệt kê ở trên vẫn còn trong giai đoạn "thử nghiệm". Sẽ mất một thời gian cho các cơng nghệ này sẽ được đóng gói thành sản phẩm cuối cùng và chứng minh cho sự hứa hẹn về băng thơng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.1.3. Phân loại công nghệ
2.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp
- Mức điện áp cao (110-500kV): kết nối các nhà máy điện với các khách hàng lớn, các khu vực tiêu thụ điện năng với đường truyền tải dài từ vài chục kilomet đến vài trăm kilomet.
- Mức điện áp trung bình (10-30KV): Cung cấp cho các khu dân cư rộng, các khu công nghiệp, khu đô thị, khoảng cách truyền tải ngắn hơn từ vài kilomet đến vài chục kilomet.
- Mức điện áp thấp (110V-380V): Cung cấp điện năng cho các khách hàng là các hộ gia đình, cơ quan, trường học…với khoảng cách truyền tải ngắn từ vài trăm mét đến vài kilomet. Hệ thống lưới điện hạ thế kết nối đến tất cả các khách hàng, do vậy ứng dụng của công nghệ PLC cho mạng truy nhập sử dụng mạng hạ thế có tiềm năng rất lớn.
Vì thực tế truyền dẫn tín hiệu trên lưới điện thế thấp thực hiện trực tiếp trên mạng mà phần lớn các thiết bị điện vận hành, tạp âm và méo trên những mạng này rất cao. Mặt khác các đặc tính vật lý trên mạng này thay đổi theo mỗi tải được bật hay tắt, vì vậy mỗi công nghệ PLC lưới điện hạ thế cần có giải pháp khắc phục những vấn đề vật lý như vậy.
2.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít
-PLC băng hẹp – tốc độ bít thấp: Ứng dụng PLC đầu tiên được dùng cho phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Phạm vi này chỉ u cầu tốc độ bít thấp. Vì lý do đó và vì lý do quy định, người ta đã xác định giải tần có thể dùng cho yêu cầu tự động trong nhà và trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Dải tần đó nằm trong khoảng từ 3KHz đến 148.5KHz (Tiêu chuẩn CENELEC – châu Âu) hoặc từ 3KHz đến 450KHz (Tiêu chuẩn ở Mỹ và Nhật).
-PLC băng rộng – tốc độ cao: Vì giải tần được quy định bời CENELEC chỉ cho phép truyền dẫn ở tốc độ tương đối thấp, các nghiên cứu cho giải tần cao đang được thực hiện. Vấn đề chính của dải tần này là tín hiệu tần số cao đặt trên dây dẫn sẽ suy hao lớn. Dải tần MHz cũng xung đột với tần số dùng cho các dịch vụ khác chẳng hạn như an ninh, điều khiển không lưu, cac dịch vụ phát thanh quảng bá, dịch vụ quảng cáo khác… Đó là lý do tại sao cần phải đề ra các quy định thống nhất. Hiện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nay dải tần từ 1 – 10 MHz được dùng cho các úng dụng ngồi nhà (Outdoor), cịn dải tần từ 10 – 30 MHz dành cho các ứng dụng trong nhà (Inhouse).
2.1.3.3. Phân loai theo phạm vi
-PLC trong nhà (In – House PLC): Hệ thống PLC trong nhà dùng các cáp điện trong nhà để truyền dẫn giữa các thiết bị PLC khác nhau trong nhà. Hệ thống trong nhà có thể hoạt động như mạng riêng mà khơng có bất kỳ một kết nối ra bên ngồi. - “Last mile” PLC: Là mạng truy nhập nội hạt cho phép kết nối giữa mạng trục
truyền thoại và số liệu và điểm cung cấp cho từng khách hàng thông qua các điểm kết nối đến nhà khách hàng. Trong nhiều trường hợp trạm hạ áp sẽ được dùng như điểm kết nối mạng trục và mạng điện hạ thế sẽ được dùng để kết nối đến nhà khách hàng. Điểm kết nối mạng trục cũng có thể được tổ chức ở trạm biến áp trung thế hoặc ở những điểm thích hợp khác.
Tại Châu Âu, ETSI đã xác định kế hoạch phân bố băng tần từ 1,6 Mhz đến 10 Mhz được ấn định dành riêng (hoặc ưu tiên) cho truy nhập nội hạt, dải tần từ 10 Mhz đến 30 Mhz được ưu tiên dành cho ứng dụng mạng gia đình (in-house).
2.1.3.4. Phân loại theo phương thức điều chế
Bốn kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng cho truyền thông qua đường dây điện lực. Với một PLL (vịng khóa pha), q trình truyền tải có thể được thực hiện với các kỹ thuật điều chế số Khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK) hoặc khóa dịch pha (PSK). Đây là một công nghệ nổi tiếng và không tốn kém, nhưng hiệu quả bị hạn chế.
Kỹ thuật thứ hai là dựa trên nguyên lý trải phổ với một bộ tương quan. Ở đây, tín hiệu phát chiếm băng thông lớn hơn đáng kể băng thông tối thiểu cần thiết để gửi các thơng tin vì vậy nó được trải ra và được điều chế. Đầu thu cần biết mẫu phát và tín hiệu được lấy mẫu thường xun. Băng thơng thấp sẽ làm tăng tính nhạy cảm với hiện tượng méo tín hiệu do đó cần phải thay đổi (Máy thu hình là một ví dụ phổ biến của biến dạng méo tín hiệu).
Kỹ thuật thứ ba kết hợp làm việc DSP trong một dải hẹp và sử dụng chế độ hai tần số sóng mang hoạt động với bộ triệt nhiễu xung và một cơ chế điều chỉnh thích ứng với méo tín hiệu.
Kỹ thuật thứ tư kết hợp điều chế của một tần số thấp, xung cường độ cao trong dịng điện để liên lạc. Các loại hình giao tiếp như vậy đã được thử nghiệm bởi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
các công ty phân phối để quản lý tránh các lỗi của tải của họ Trong số các cơng nghệ PLC có sẵn, kỹ thuật này hứa hẹn việc truyền tín hiệu qua máy biến áp và do đó có thể thực hiện trên một khoảng cách dài hơn.
2.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên đƣờng cáp điện lực. cáp điện lực.
2.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống
Ý tưởng cùa cơng nghệ PLC là ghép tín hiệu số liệu có tần số cao vào đường cáp điện có tín hiệu cơ bản là 50/60Hz đưa đến khối sử lý tín hiệu. Việc ghép tín hiệu là một khía cạnh quan trọng của cơng nghệ PLC. Tín hiệu thơng tin cần truyền phải nằm trong dải tần cao hơn nhiều tần số của dịng điện chính và các hài của nó. Đồng thời, tín hiệu phải có cơng suất đủ lớn để đưa vào đường cáp điện. Một biến áp có đặc tính thơng cao có thể được dùng để ghép tín hiệu vào dịng điện chính. Bộ lọc thơng cao đảm bảo dịng điện chính và các hài của nó được cách ly khỏi modem.
Hình 2.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện
Phía thu, bộ lọc được dùng để cách ly tín hiệu điện và tín hiệu số liệu. Bộ lọc thơng cao sẽ chặn lại tín hiệu dịng điện chính 50/60Hz, cho qua tín hiệu tần số cao đưa đến khối xử lý số liệu.
Từ bộ chuyển đổi A/D và lọc thơng thấp
Tầng cơng suất phía phát
Bảo vệ quá áp
Biến áp với bộ lọc thông cao Cáp điện