1.1.1. Tổng quan về công nghệ PLC
PLC (Power Line Communication) là tên chung cho công nghệ mạng truyền dữ liệu qua dây điện” [3], sử dụng mạng lƣới đƣờng dây cung cấp điện năng có sẵn, làm mơi trƣờng truyền dẫn. Với mục đích truyền tải thơng tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tƣ, bằng cách sử dụng các phƣơng pháp điều chế số trên dải tần còn lại của đƣờng dây điện lực.
Dựa vào cơ sở lƣới điện có sẵn, cơng nghệ PLC tạo thêm một khả năng mới để mạng lƣới đƣờng dây điện lực trở thành một thành phần trong cơ sở hạ tầng thơng tin, có thể biến lƣới điện truyền thống thành một mạng lƣới truyền thông đáp ứng tần số cao, băng thông rộng. Với công nghệ này, dịch vụ truyền tải điện hồn tồn có thể kết hợp với các ứng dụng khác nhƣ: đo lƣờng từ xa, quản lý điều khiển và phân phối tự động từ xa, truy nhập Internet, truyền thoại và video trên đƣờng dây điện lực.
Với xu thế hiện đại và tự động hóa nhƣ hiện nay, hệ thống PLC có thể mang lại một sự đáp ứng đầy đủ nhƣ việc thu thập và giám sát chỉ số công tơ điện cho công ty cung ứng điện, phục vụ tốt cho việc quản lý tình hình tiêu thụ điện năng, tại các nơi sử dụng điện.
Các hệ thống cung cấp điện năng phân thành các cấp độ khác nhau tùy theo từng quốc gia, nhƣng cơ bản bao gồm ba cấp độ:
- Lƣới điện cao thế kết nối các nhà máy phát điện với các khu vực cung cấp lớn hoặc các khách hàng lớn. Chúng thƣờng có khoảng cách dài đƣợc triển khai với đƣờng cáp mắc trên cao.
- Lƣới điện trung thế cung cấp cho các khu dân cƣ rộng lớn, các thành phố, các khu công nghiệp lớn hoặc các khách hàng lớn. Chiều dài ngắn hơn so với lƣới
2
điện cao thế. Các lƣới điện trung thế đƣợc triển khai với cả hai cách mắc trên cao và chôn ngầm dƣới đất.
- Lƣới điện hạ thế cung cấp điện năng cho cho các khách hàng là các hộ gia đình, cơ quan, trƣờng học… với khoảng cách truyền khoảng vài trăm mét. Ở khu vực thành thị, lƣới điện hạ thế đƣợc triển khai chơn ngầm dƣới đất, cịn ở nơng thôn chúng đƣợc mắc trên cao.
Hệ thống lƣới điện hạ thế kết nối trực tiếp đến tất cả khách hàng (với số lƣợng rất lớn), do đó ứng dụng của cơng nghệ PLC trong lƣới điện hạ thế có tiềm năng rất lớn. Theo cấu trúc các mạng lƣới cung cấp điện năng, mạng PLC cũng đƣợc chia thành ba loại: PLC trong nhà, PLC hạ thế và PLC trung thế. PLC hạ thế và trung thế đƣợc gọi là mạng truy cập. Nói chung, cơng nghệ PLC có thể đƣợc chia thành hai nhóm là cơng nghệ băng hẹp và công nghệ băng rộng. “Công nghệ băng hẹp cho phép tốc độ dữ liệu lên tới 100kbps trong khi công nghệ băng rộng cho phép tốc độ dữ liệu vƣợt quá 2 Mbps” [1].
- Các mạng PLC băng hẹp hoạt động với dải tần số đƣợc xác định bởi tiêu chuẩn CENELEC. Các hệ thống PLC băng hẹp cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới vài nghìn bit/giây (bps). Do đó, cơng nghệ PLC băng hẹp đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực liên quan đến quản lý điện năng (bảo vệ khoảng cách, truyền dữ liệu đo đếm công tơ, quản lý cơng suất…) và tự động hóa trong gia dụng (điều khiển các thiết bị điện nhƣ đèn chiếu sáng, điều hoà, cửa … và giám sát an ninh nhƣ cảnh báo khói, đột nhập…).
- Trong khi các mạng băng hẹp chỉ có thể thực hiện một số các kênh thoại và truyền dữ liệu với tốc độ bit rất thấp, các mạng PLC băng rộng cung cấp các dịch vụ viễn thông phức tạp hơn; với nhiều kết nối thoại, truyền dữ liệu tốc độ cao, truyền tín hiệu hình ảnh (video). Do đó, các hệ thống PLC băng rộng cũng đƣợc coi nhƣ một công nghệ viễn thông tiềm năng. Việc triển khai của các dịch vụ truyền thông băng rộng (BPL) qua mạng lƣới đƣờng dây điện lực cung cấp cơ hội lớn với các mạng viễn thông tiết kiệm chi phí mà khơng cần lắp đặt thêm các đƣờng cáp mới.
3
Tuy nhiên, các mạng lƣới điện năng khơng đƣợc thiết kế cho truyền tin và có một vài yếu tố giới hạn sự áp dụng của cơng nghệ PLC băng rộng. Do đó, khoảng cách có thể đƣợc bao phủ, cũng nhƣ tốc độ dữ liệu có thể đƣợc thực hiện bởi các hệ thống PLC bị giới hạn. Một khía cạnh nữa rất quan trọng đối với việc áp dụng của PLC băng rộng là sự tƣơng thích điện từ của nó. Đối với sự thực hiện của PLC băng rộng, phổ tần tƣơng đối rộng là cần thiết (lên tới 30 MHz) lớn hơn dải tần đƣợc cung cấp trong tiêu chuẩn CENELEC. Mặt khác, một mạng PLC đóng vai trị nhƣ một ăng ten trở thành một nguồn nhiễu cho các hệ thống viễn thông khác hoạt động trong cùng dải tần số (ví dụ các dịch vụ vơ tuyến). Do đó, các hệ thống BPL phải hoạt động với tín hiệu bị giới hạn về cơng suất, làm giảm hiệu suất của chúng (tốc độ dữ liệu, khoảng cách).
Công nghệ PLC sớm phát triển sau khi các hệ thống phân phối điện đƣợc thiết lập rộng khắp; tập trung trên ba hệ thống phân phối là hệ thống trung thế (MV), hạ thế (LV) và điện áp trong nhà (IV). Các hệ thống MV điển hình bao gồm các hệ thống truyền ba pha dài vài kilomet từ máy biến thế sơ cấp (điện áp cao: điện áp truyền 3.3/6.6 - 11/33 kV) đến máy biến thế thứ cấp hoạt động ở vài trăm vôn. Các hệ thống LV bao gồm các hệ thống truyền ba pha dài vài trăm mét từ máy biến thế thứ cấp (400/230V) đến các kết nối của ngƣời dùng. Các hệ thống IV có thể áp dụng cho các hệ thống bên trong căn hộ của ngƣời dùng.
1.1.2. Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ PLC
Giống nhƣ bất kỳ hệ thống nào, PLC có những ƣu điểm và nhƣợc điểm khi so sánh với các công nghệ khác. Môi trƣờng truyền đƣờng dây điện là một kênh truyền dẫn không ổn định do sự biến đổi của trở kháng gây ra bởi tính đa dạng của các thiết bị có thể đƣợc kết nối trên đƣờng dây. Vì chúng đƣợc thiết kế cho phân phối năng lƣợng và khơng cho truyền dẫn dữ liệu, thơng tin tín hiệu truyền đi gặp nhiều khó khăn do có nhiều đặc điểm kênh không phù hợp nhƣ độ nhiễu cao, đƣờng dây có điện áp cao, mang năng lƣợng lớn dẫn đến việc thực hiện các bộ ghép nối, lọc và xử lý nhiễu phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao và độ an toàn phải cao. Kênh truyền
4
thu đƣợc mức độ nhiễu nhất định từ các thiết bị điện khác nhau đƣợc kết nối tới dây điện hoặc ở trong không gian lân cận.
Các loại nhiễu khác nhau có thể đƣợc nhận ra trên hoặc xung quanh dây điện: nhiễu xung từ việc tắt và khởi động các thiết bị điện; nhiễu trắng băng rộng, mật độ phổ năng lƣợng của nó giống nhau ở tất cả các tần số; nhiễu tuần hoàn ở nhiều tần số; nhiễu họa âm, bao gồm nhiều tần số sử dụng bởi các thiết bị điện kết nối tới mạng và là bội số của tần số dịng (ví dụ tần số 50 Hz tạo ra bội âm 300Hz, 600Hz…). Ngoài nhiễu trên đƣờng dây điện, các thiết bị đƣợc kết nối tới mạng điện hoặc không kết nối nhƣng đƣợc đặt gần dây điện tạo ra một mức độ nhiễu trên kênh truyền. [5].
Có thể thấy rằng cơng nghệ PLC đang dần chứng tỏ tầm quan trọng, tính thiết thực cho việc phát triển về công nghệ, kỹ thuật cũng nhƣ đời sống xã hội. Nhƣng vấn đề cần phải làm là phải khắc phục những tồn tại hiện nay của hệ thống PLC nhƣ: xử lý nhiễu, giảm suy hao trên đƣờng truyền, giảm lƣợng thông tin thừa bằng cách mã hóa và điều chế phù hợp, rời rạc hóa thích nghi…
Để nghiên cứu sâu hơn về truyền tin trên đƣờng dây điện, đề tài sẽ tập trung vào việc tìm hiểu các loại nhiễu trên đƣờng dây điện lực, lựa chọn phƣơng pháp điều chế tín hiệu và IC điều chế, thiết kế mạch giao tiếp với lƣới điện, module truyền và nhận.