3.2. Giải pháp xử lý nhiễu gây mất tín hiệu trên đƣờng dây tải điện
3.2.3.1.1 Hiệu suất của điều biến FSK
Hiệu suất của điều biến FSK đƣợc đánh giá qua xác suất lỗi Pe. Tín hiệu nhận đƣợc ở đầu vào máy thu bị lệch đi bởi nhiễu. Để đơn giản, nhiễu đƣợc xem nhƣ nhiễu Gaussian với độ lớn mật độ phổ N0 đƣợc thêm vào tín hiệu. Để mơ tả tín hiệu FSK ở đầu vào máy thu, ta đƣa vào năng lƣợng trung bình bởi mỗi bit, Eb , đối với tín hiệu hình sin có biên độ A, thời gian Tb, năng lƣợng này là: [11]
(3.3)
Tác giả đã tính tốn mơ phỏng đƣợc kết quả trên hình 3.7. Từ đồ thị cho thấy, tỉ số của năng lƣợng trung bình bởi mỗi bit so với mật độ phổ đƣợc thêm vào tín
56
hiệu do nhiễu (Eb /N0) lớn dần, đồng thời xác suất lỗi giảm xuống nên hiệu suất của điều biến FSK tăng lên.
Hình 3.7: Xác suất lỗi của điều biến FSK 3.2.3.1.2 Lựa chọn tần số điều biến
Việc lựa chọn tần số điều biến hợp lý nhằm mục đích giảm tổn thất tín hiệu trên kênh truyền.Việc lựa chọn dải tần số để mang các thơng tin hữu ích gặp phải khó khăn vì dây cáp truyền thơng tin gây tổn thất tín hiệu. Nếu chọn tần số khơng phù hợp thì tổn thất tín hiệu trong dây cáp điện tăng, vì vậy cần phải chọn tần số hợp lý. Sự suy giảm của tín hiệu trên kênh truyền ở tần số cao là rất lớn. Nói cách khác, kênh truyền dẫn đƣợc xem nhƣ bộ lọc thông thấp. Tần số càng tăng thì độ lớn của mức nhiễu cũng càng tăng. Ngƣợc lại, trong môi trƣờng nội bộ kênh truyền, mức nhiễu cao hơn nhiều ở tần số thấp.Vì vậy, để xác định sự khác biệt của các mức nhiễu trong từng mơi trƣờng thì ta phải sử dụng giải điều biến FSK.
Độ lớn này thấp hơn trong dải tần số trên 23 MHz (bảng 3.2).
Bảng 3.2: Dải tần số lựa chọn điều biến
Dải tần số (MHz)
6-7 12.5-14 20-21 23-25 28-30
57
Độ suy giảm (dBm) 22 20 21 27 37
Độ lớn thêm vào (dBm) 31 27 29 22 24
3.2.3.1.3 Mô phỏng dữ liệu
Ta thực hiện mô phỏng để xác thực khả năng truyền tín hiệu của điều biến FSK, qua đó xác định xác định xác xuất lỗi khi áp dụng vào thực tế. Các dữ liệu mô phỏng đƣợc thực hiện trong cả 2 miền tần số và thời gian. Các phƣơng pháp tiếp cận theo thời gian đƣợc sử dụng để mô phỏng [3]. Độ nhạy tần số của kênh thông tin đƣợc thực hiện trong miền thời gian bằng cách áp dụng các biến đổi Fourier ngƣợc rời rạc.
Biến đổi này đƣợc tích hợp trong cơng cụ Digital Filter Design của hộp Signal Processing Blockset trong Simulink. Công cụ này cho phép thiết kế bộ lọc kỹ thuật số với đáp ứng xung hữu hạn có đặc tính tƣơng tự kênh truyền. Bộ lọc xung đáp ứng đƣợc tính tốn từ hàm truyền của nó. Hàm truyền của bộ lọc kỹ thuật số đƣợc tính theo cơng thức (3.4) : [4]
F (z)= b0+b1z-1+... + bM z-M
1+a1z-N+... + aN z-N (3.4)
Trong đó, mẫu số vector a = [1,a1,…aN] và tử số b = [b0,b1,…,bM].
Đối với bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn, mẫu số là 1. Do đó, hàm truyền của nó đƣợc tính theo cơng thức (3.5) .[4]
( ) ( ) ∑
(3.5) Tần số(MHz)
Hình 3.8: Hàm truyền của kênh thơng tin và bộ lọc đáp ứng FIR
B
iên độ
(d
B
58
Bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn đƣợc chọn theo sự ổn định và tuyến tính pha của nó. Hàm truyền của kênh thông tin và tần số đáp ứng đƣợc mô phỏng của bộ lọc kỹ thuật số đáp ứng xung hữu hạn, kết quả đƣợc tác giả mơ phỏng trong hình 3.8.
Đối với đáp ứng xung của bộ lọc này đƣợc tính bởi phƣơng trình: [4]
( ) ∑ (3.6) Khi dãy x[n] là đầu vào của bộ lọc này thì dãy đầu ra đƣợc tính theo phƣơng trình:
∑ (3.7)
Chức năng này đƣợc thực hiện bằng cách thực hiện chức năng lọc trong Matlab cú pháp nhƣ sau: y = filter(b,a,X)
Sau khi tất cả các yếu tố này đƣợc xác định,việc mô phỏng kênh truyền thông tin của điều biến FSK giữa hai pha đƣợc thành lập. Việc mô phỏng kênh truyền đƣợc thực hiện theo chu trình đề xuất nhƣ sau:
Tạo ký hiệu (bit cho nhị phân FSK) để truyền ngẫu nhiên. Điều chỉnh lƣu lƣợng bít phát
Độ suy giảm tín hiệu điều biến để tính đến ảnh hƣởng của các khớp nối dây cáp điện.
Lọc tín hiệu bộ lọc thơng thấp để thêm ảnh hƣởng của dây cáp điện đến tín hiệu truyền.
Thêm tín hiệu điều biến PWM.
Độ suy giảm tín hiệu điều biến để tính đến ảnh hƣởng của sự tách dây cáp điện.
Thêm nhiễu vào tín hiệu điều biến. Nhận và giải tín hiệu nhận đƣợc.
So sánh bit nhận đƣợc với bit truyền để xác định tỉ lệ lỗi.
Dựa trên thuật tốn này, chúng tơi đã mơ phỏng việc truyền tín hiệu bằng điều biến FSK với giải điều biến liên tục bằng phần mềm Matlab. Xác suất lỗi thu đƣợc với mã này trên kênh nhiễu trắng Gaussian đƣợc so sánh với lý thuyết xác suất lỗi trong hình 3.9.
59
Hình 3.9: So sánh FSK mô phỏng và FSK lý thuyết trên kênh nhiễu trắng Gaussian
Kết quả so sánh ở hình 3.10 cho thấy việc truyền tín hiệu bằng điều biến FSK mô phỏng và FSK lý thuyết trên kênh nhiễu trắng Gaussian trùng nhau. Nhƣ vậy xác suất lỗi thấp và nó nằm trong vùng kiểm sốt.
Sau khi thực hiện chu trình mơ phỏng theo các bƣớc tiến hành nhƣ trên, kết quả mô phỏng cuối cùng trên hình 6 đã đƣợc mở rộng trong các bƣớc 3, 4, 5, 6 của chu trình mơ phỏng để tính đến thuộc tính của kênh truyền. Điều này bao gồm việc thêm ảnh hƣởng của cáp điện đến tín hiệu truyền, sự tƣơng tác các tín hiệu với tín hiệu PWM, sự suy giảm tín hiệu tại các khớp nối cho phép thêm tín hiệu trên đƣờng dây điện.
3.2.3.1.4 Kết luận
Kỹ thuật điều biến FSK có thể áp dụng cho các dữ liệu truyền qua sóng mang thơng thƣờng. Trên cơ sở phân tích, tính tốn và xây dựng hàm truyền, ta có thể lựa chọn dải tần số điều biến FSK phù hợp với phƣơng tiện truyền tin bằng sóng mang trên đƣờng dây tải điện. Thực tế, kỹ thuật điều biến này có hiệu quả là ít phức tạp và dễ thực hiện. Điều này dẫn đến việc lập dự toán nhu cầu về tốc độ truyền dẫn, sự trễ và tỷ lệ lỗi trên đƣờng truyền sao cho đủ điều kiện để xây dựng hệ thống truyền thông đáng tin cậy. Các thông số thu đƣợc dần dần đƣợc sử dụng để phát triển một dữ liệu giả lập. Giả lập này kết hợp với các mô phỏng của kênh truyền dẫn trƣớc đây đƣợc thành lập và tối ƣu hóa các đặc tính (tần số điều biến, tốc độ...), từ đó mở
60
ra một hƣớng nghiên cứu trong hệ thống truyền thông cho một hệ thống thực.
3.2.3.2. Xử lý nhiễu dùng tụ khử nhiễu
Dùng mạch lọc LC hoặc dùng riêng từng thành phần điện kháng L hoặc tụ điện C. Có trƣờng hợp cơng tơ của khách hàng khơng truyền tín hiệu do nhiễu của tivi đời cũ gây ra, nhân viên Điện lực đã dùng điện kháng để chặn nhiễu thành cơng. Khi tải có cơng suất (dịng điện) lớn, việc chế tạo điện kháng L để chặn nhiễu khá tốn cơng và chi phí cao.
Cách đơn giản hơn là dùng tụ điện C chặn hƣớng lan truyền của nhiễu từ tải khách hàng lan truyền qua công tơ đến đƣờng dây. Nhiễu từ tải khách hàng khép mạch qua tụ điện C có dung kháng thấp ZC = 1/(ωC) làm suy giảm biên độ trƣớc khi đến công tơ và không làm ảnh hƣởng đến tín hiệu PLC của cơng tơ (cả chiều phát và chiều thu).
Cụ thể, với khách hàng 3 pha có lị nƣớng bánh gây nhiễu làm khơng đọc đƣợc công tơ PLC trong phạm vi khá rộng (tỉ lệ đọc cả trạm chỉ ~ 50%), khi đó dùng 3 tụ điện 47uF đấu L-N của từng pha 220V ở vị trí sau cơng tơ đã làm giảm biên độ nhiễu này và kết quả tăng tỷ lệ đọc tồn trạm đến 98% (có một số cơng tơ khơng đọc đƣợc do nguyên nhân khác). Công suất nguồn nhiễu càng lớn, giá trị tụ điện để khử nhiễu càng lớn. Bằng trực quan, có thể thử tác động khử nhiễu của tụ bằng cách quan sát tín hiệu nhiễu trên phần mền Power Log Classic lấy từ thiết bị đo Fluke 1732. Khi có tụ, xung nhiễu phía sau tụ sẽ giảm biên độ. Tăng dần giá trị tụ để giảm dần nhiễu đến mức mong muốn (< 3V). Khi có tụ điện bù mắc trên đƣờng dây, để ít làm suy giảm tín hiệu PLC khơng đƣợc đấu trực tiếp tụ điện vào dây trung tính (N) mà phải đấu qua điện kháng có cơng suất (CS) ≥ 1% CS của tụ điện bù (thử nghiệm thực tế). Đối với giàn tụ 3 pha, nếu mắc tụ theo sơ đồ tam giác sẽ khơng làm suy giảm tín hiệu PLC (mặc dù khơng dùng điện kháng).
Tụ khử nhiễu mắc sau công tơ cũng làm giảm biên độ tín hiệu PLC hƣớng về phía tải, tuy nhiên tín hiệu này hiện nay không sử dụng. Hƣớng truyền từ công tơ về đến DCU khơng bị ảnh hƣởng, do đó bảo đảm việc đọc dữ liệu truyền từ công tơ về DCU (và ngƣợc lại).
61
Hệ thống nghiên cứu đáp ứng của bộ lọc:
Hệ thống đƣợc mô phỏng bằng phần mền Matlab, thể hiện khả năng chặn nhiễu của bộ tụ lọc LC.
Hình 3.10: Hệ thống nghiên cứu đáp ứng của bộ lọc
62
Kết quả mơ phỏng dạng sóng của tín hiệu nhiễu:
Dạng sóng quan sát được từ mơ phỏng khi khơng có bộ lọc:
a. THD% điện áp = 1.789
b. THD% dòng điện = 13.14
Hình 3.12: Dạng sóng tín hiệu khi khơng có bộ lọc
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Chu ky D ie n a p ( V ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Chu ky D o n g d ie n ( A )
63
Dạng sóng quan sát được từ mơ phỏng khi có có bộ lọc:
a. THD% điện áp = 1.299
b. THD% dịng điện = 4.251
Hình 3.13: Dạng sóng tín hiệu khi khơng có bộ lọc
Tín hiệu PLC khi truyền trên đƣờng dây bị suy giảm do có nhánh rẽ, điện trở và điện dẫn sẽ đƣợc các module PLC trên mỗi cơng tơ lặp lại để duy trì mức biên độ cần thiết. Khi tổng trở dây dẫn giảm (Z0~√(L/C): ví dụ dây dẫn là dây cáp hoặc dây
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Chu ky D ie n a p ( V ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Chu ky D o n g d ie n ( A )
64
dẫn đi âm tƣờng làm C tăng, tín hiệu sẽ suy giảm nhanh vì dịng điện lan truyền lớn i=e/Z0=e.√(C/L). Khi 2 công tơ ở khoảng cách khá xa (~350m cho đƣờng dây trên không, ~80m cho dây dẫn âm tƣờng), tín hiệu suy giảm nhiều, cần phải lắp thêm bộ lặp để bảo đảm dữ liệu thu thập đầy đủ.
3.3. Thiết kế phần cứng
Qua thực tế, với sản phẩm Vinasino mang lại nhiều hiệu quả cao trong việc quản lý sử dụng điện năng, nhƣng về vấn đề bản quyền, không công khai cách thiết lập các Module PLC nên khi vận hành sẽ khó cho việc tự thiết lập truyền tín hiệu và hƣớng phát triển ứng dụng sau này.
Sau khi đã nghiên cứu về các đặc tính về sự truyền tín hiệu trên hệ thống lƣới điện phân phối và nhận thấy đƣợc các ƣu, nhƣợc điểm cũng nhƣ các vấn đề cần phải giải quyết để hoàn thiện hệ thống, lên phƣơng án thiết kế, chọn các linh kiện ta chuyển sang giai đoạn thi cơng Board mạch, hồn thành ý tƣởng. Q trình thi cơng địi hỏi phải chính xác cẩn thận, các linh kiện điện tử có mỗi chế độ hoạt động riêng biệt, nếu mắc sai lầm trong việc đấu nối hay bố trí có thể dẫn đến cháy nổ hƣ linh kiện.
3.3.1. Module PLC
3.3.1.1. Module HL-PLC v4.0
Module HL-PLC V4.0 sử dụng điều chế FSK, tần số sóng mang 72 KHz, băng thơng 10K, có khả năng chống nhiễu và hoạt động ổn định. Module hoạt động ở nhiều tốc độ baud có thể tùy chọn: 1200, 2400, 4800, 9600. Ngồi ra cịn có thể chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ truyền dẫn là zero-crossing và normal-crossing.
65
Hình 3.15: Zero-crossing
Trong chế độ normal, tốc độ dữ liệu 670 bytes/s, dữ liệu đƣợc truyền liên tục. Với chế độ zero-crossing là 100 bytes/s, dòng điện xoay chiều AC có dạng sóng sine tần số 50 Hz, mỗi khi sóng sine đạt giá trị bằng 0 thì tín hiệu sẽ gửi đi 1 byte tƣơng ứng với tốc độ 100 bytes/s. Chế độ normal cho tốc độ dữ liệu lớn hơn, chế độ zero- crossing tốc độ dữ liệu thấp nhƣng bù lại độ ổn định cao.
Thông số kỹ thuật:
Kích thƣớc: 48 × 30 × 15mm.
Điện áp hoạt động: 5V - 20V (nên sử dụng nguồn 9V độc lập) Dòng điện hoạt động: 12 - 300mA
Giới hạn dòng điện truyền dẫn: AC ≤ 305V, DC ≤ 700V.
Bảng 3.3: Mô tả chân kết nối của module HL-PLC v4.0
Tên Mô tả Loại chân
TXD Dữ liệu truyền OUT
RXD Dữ liệu nhận IN
RST Chân reset, tích cực mức thấp (nếu khơng dùng có
thể bỏ trống) IN
GND Nối đất Power GROUND
NC Bỏ trống
66
Vplc Cung cấp điện áp hoạt động cho module (9V) Power IN P0 Cổng I/O, sử dụng tùy mục đích (nếu khơng dùng
có thể bỏ trống) IN/OUT
Z/N
Chân lựa chọn chế độ truyền normal hay zero- crossing
1: Normal 0: Zero-crossing
IN
E/N Lựa chọn thiết lập parity 1: parity chẵn
0: không chọn parity IN
B0, B1
Chân lựa chọn tốc độ baud 00: 1200 01: 2400
10: 4800 11: 9600
IN
L, N Chân kết nối với nguồn điện AC để truyền dữ liệu
3.3.1.2. Arduino Nano
Board Arduino Nano là một trong những phiên bản nhỏ gọn của board Arduino. Arduino Nano có đầy đủ các chức năng và chƣơng trình có trên Arduino Uno do cùng sử dụng MCU ATmega328P. Nhờ việc sử dụng IC dán của ATmega328P thay vì IC chân cắm nên Arduino Nano có thêm 2 chân Analog so với Arduino Uno.
Arduino Nano đƣợc kết nối với máy tính qua cổng Mini-B USB và sử dụng chip CH340 để chuyển đổi USB sang UART thay vì dùng chip ATmega16U2 để giả lập cổng COM nhƣ trên Arduino Uno hay Arduino Mega, nhờ vậy giá thành sản phẩm đƣợc giảm mà vẫn giữ nguyên đƣợc tính năng, giúp Arduino giao tiếp đƣợc với máy tính, từ đó thực hiện việc lập trình.
67
Hình 3.16: Arduino Nano
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của Arduino Nano Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit)
Điện áp hoạt động 5V – DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7V-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6V-20V – DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM) Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
68
3.3.2. Sơ đồ khối
Hình 3.17: Sơ đồ khối của hệ thống Chức năng từng khối:
Module giao tiếp với máy tính: Khối giao tiếp với lƣới điện; Khối khuếch đại (Bộ lọc tƣơng tự, Mạch khuếch đại); Khối điều chế và giải điều chế tín hiệu; Khối vi điều khiển; Khối giao tiếp truyền thơng nối tiếp với máy tính.
Module giao tiếp với công tơ: Khối giao tiếp với lƣới điện; Khối khuếch đại; Khối điều chế và giải điều chế tín hiệu; Khối vi điều khiển; Khối giao tiếp truyền thông. 3.3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống: Máy tính Máy tính Khối điều khiển 1 Module PLC 1 Khối điều khiển 2 Module PLC 2
69
Hình 3.18. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống Nguyên lý hoạt động:
1. Máy tính gửi lệnh đọc cơng tơ tới modem PLC qua cổng truyền thông nối