Hƣớng phát triển của đề tài, tiếp tục thử nghiệm các kỹ thuật mã hóa, trải phổ và kỹ thuật điều chế OFDM nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống. Bên cạnh đó cũng phát triển thêm những ứng dụng từ module HL- PLC V4.0 để thực hiện nghiên cứu việc đóng/cắt điện từ xa các dây nhánh khách hàng, cụ thể: Dựa trên các đặt tính truyền nhận từ module HL-PLC và giao tiếp arduino, đặt 01 contactor không tiếp điểm tại đầu nhánh dây khách hàng, từ tín hiệu truyền nhận về máy tính có thể tiến hành đóng cắt dây nhánh khách hàng, thơng qua phần mềm giám sát.
72
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. PGS.TS. Nguyễn Hữu Công (2007), Nghiên cứu hệ thống đọc công tơ từ xa, Khoa điện tử - Trƣờng đại học kỹ thuật công nghiệp TP. Hồ Chí Minh,.
[2]. Lê Văn Doanh, Phạm Khắc Chƣơng (1998), Kỹ Thuật Vi Điều Khiển, Nhà xuất bản khoa học & kỹ thuật, Hà Nội.
[3]. Phạm Minh Hà (2008), Kỹ thuật mạch điện tử , Nhà xuất bản khoa học & kỹ thuật, Hà Nội.
[4]. Nguyễn Thanh Hà, Nguyễn Phƣơng Huy, Ứng dụng kỹ thuật điều chế OFDM cho truyền thông trên đƣờng dây điện lực hạ thế, Tạp chí khoa học cơng nghệ ĐH TP. Hồ Chí Minh,, Trang 52-57,tập 66 số 4 , năm 2010.
[5]. Văn Thế Minh (2006), Họ vi điều khiển PIC 16F87xA , NXB Khoa học kỹ thuật.
[6]. Tống Văn On (2000) ,Vi mạch và tạo sóng , Nhà xuất bản giáo dục.
[7]. Tống Văn On , Hoàng Đức Hải (2001), Họ vi điều khiển 8051, Nhà xuất bản lao động và xã hội, 2001.
Tiếng Anh
[8]. J. Ahola. Applicability of power line communication to data transfer of online condition monitoring of electrical drives. Dissertation, Lappeenranta University of Technology, Finland, 2003.
[9]. J. Ahola, T. Lindh and J. Partanen. Simulation model for input impedance of low voltage electric motor at frequency band 10kHz-30kHz. IEEE international electric machines and Drives conference, 2 :1127-1132, 2003.
[10]. J. Anatory and N. Theethayi (2010), Broadband Power-line Communication Systems - Theory and Applications, WIT Press, Southampton.
[11]. Xavier Carcelle (2006), Power Line Communications in Practice, Artech House, Boston.
- 1 -
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC
(POWER LINE COMMUNICATION) TRONG ĐO ĐẾM ĐIỆN NĂNG QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC
RESEARCH TECHNOLOGY APPLICATIONS PLC
(POWER LINE COMMUNICATION) IN MEASUREMENT ELECTRICAL POWER LINE THROUGH
Trƣơng Đình Nhơn(1,a)
; Lê Cơng Phu(2,b)
1Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
2
Học viên cao học Trường ĐHSPKT TP.HCM
(a)
nhontd@hcmute.edu.vn, (b)phule2308@gmail.com
TÓM TẮT
Bài báo này trình bày phương pháp nghiên cứu về cơng nghệ PLC, truyền dữ liệu qua đường dây điện lực. Tìm hiểu về các đặc tính kênh truyền, phân tích ảnh hưởng của nhiễu và suy hao tín hiệu trên đường dây điện lực. Trong đề tài, đề xuất biện pháp khắc phục bằng các kỹ thuật mã hóa và điều chế phù hợp và ứng dụng cho hệ thống đọc công tơ từ xa, thiết kế Modul truyền nhận tín hiệu dữ liệu sử dụng cơng nghệ PLC, với các mục đích hạn chế nhiễu gây mất dữ liệu từ công tơ điện tử. Bên cạnh, cùng với hướng phát triển đề tài, nghiên cứu đóng/cắt từ xa dây nhánh khách hàng, hạn chế nhân lực quản lý.
Từ khóa: Truyền dữ liệu qua đường dây điện lực ABSTRACT
This paper presents the research method about PLCs, transfer data through the electric force. Tìm hiểu về các kênh truyền đặc trưng, nhiễu hạt của tín hiệu và suy hao tín hiệu trên dây điện. In tài khoản, đề xuất các biện pháp khắc phục bằng các mã kỹ thuật và phù hợp điều khiển và ứng dụng cho công việc đọc từ xa, thiết kế Modul truyền nhận dữ liệu sử dụng công nghệ PLC, với các destimal target target cel has data from the technology. Outside, along with the development development projects, research policy close, cutting policy from the remote branchs, supervisor of the limit.
Key words: Power Line Communication 1. GIỚI THIỆU
PLC (Power Line Communication) là tên chung cho công nghệ mạng truyền dữ liệu qua dây điện” [3], sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điện năng có sẵn, làm mơi trường truyền dẫn.
Dựa vào cơ sở lưới điện có sẵn, cơng nghệ PLC tạo thêm một khả năng mới để mạng lưới đường dây điện lực trở thành một thành phần trong cơ sở hạ tầng thông tin, có thể biến lưới điện truyền thống thành một mạng lưới truyền thông đáp ứng tần số cao, băng thông rộng. Với công nghệ này, dịch vụ
- 2 - truyền tải điện hồn tồn có thể kết hợp với các ứng dụng khác như: đo lường từ xa, quản lý điều khiển và phân phối tự động từ xa, truy nhập Internet, truyền thoại và video trên đường dây điện lực.
2. XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ VÀ PHƢƠNG PHÁP
2.1. Xác định vấn đề
Hiện nay, Tổng Công ty Điện lực Miền Nam đang ứng dụng công nghệ PLC trong đo đếm điện năng, đáp ứng tốt nhu cầu quản lý tự động thu thập chỉ số công tơ, giám sát chế độ sử dụng điện của khách hàng, mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý kỹ thuật cũng như kinh doanh.
Với hạ tầng điện sẵn có, cơng nghệ này mang lại với nhiều lợi ích, nhưng bên cạnh đó, nó cũng đặc ra những vấn đề cần phải giải quyết, nhiễu và suy giảm tín hiệu được xem là bài tốn khó và ln được nhắc đến trong hệ thống PLC.
Để giải quyết vấn đề đó, ta cần phân tích các phương thức truyền tin khác nhau trong hệ thống điện, từ đó lựa chọn phương thức phù hợp nhất tập trung nghiên cứu. Phương thức lựa chọn tính tốn và nghiên cứu là truyền tin thơng qua lưới điện. Tiến hành tính tốn lý thuyết để thiết kế Module cho hệ thống truyền tin cũng như giám sát điện năng tiêu thụ. Sản xuất thiết bị thử nghiệm và xây dựng ứng dụng trên đó.
2.2. Giải pháp xử lý nhiễu gây mất tín hiệu từ cơng tơ.
Trong thực tế việc truyền thông tin trên đường dây tải điện bằng công nghệ PLC
được mơ hình hóa bằng một hệ thống số, được miêu tả như sau:
Hình 3.1: Hệ thống thơng tin số
Ta đã biết, đường dây điện được ra đời phục vụ cho việc truyền năng lượng điện chứ khơng nhằm mục đích truyền thơng tin, nay ta đưa thơng tin truyền trên đó, ta sẽ gặp phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu. Nhiễu trên đường dây điện có thể quy về 4 loại sau:
Nhiễu nền (Background noise), Tạp nhiễu ( Impulse noise), Nhiễu băng hẹp (Narrow band noise), Nhiễu hoạ âm (Harmonic noise).
2.2.1. Sử dụng điều chế FSK tích hợp trong Module truyền nhận.
Hiệu suất của điều biến FSK được đánh giá qua xác suất lỗi Pe. Tín hiệu nhận được ở đầu vào máy thu bị lệch đi bởi nhiễu. Để đơn giản, nhiễu được xem như nhiễu Gaussian với độ lớn mật độ phổ N0 được thêm vào tín hiệu. Để mơ tả tín hiệu FSK ở đầu vào máy thu, ta đưa vào năng lượng trung bình bởi mỗi bit, Eb , đối với tín hiệu hình sin có biên độ A, thời gian Tb, năng lượng này là: [11]
Tác giả đã tính tốn mơ phỏng được kết quả trên hình 2.1. Từ đồ thị cho thấy, tỉ số của năng lượng trung bình bởi mỗi bit so với mật độ phổ được thêm vào tín hiệu do nhiễu (Eb /N0) lớn dần, đồng thời xác suất lỗi
- 3 - giảm xuống nên hiệu suất của điều biến FSK tăng lên.
Hình 2.1: Xác suất lỗi của điều biến FSK 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 được xem như bộ lọc thơng thấp. Tần số càng tăng thì độ lớn của mức nhiễu cũng càng tăng. Ngược lại, trong môi trường 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 trường thì ta phải sử dụng giải điều biến FSK.
2.2.2. 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 trường 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 công. 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 hướng lan truyền của nhiễu từ tải khách hàng lan truyền qua công tơ đến đường dây. Nhiễu từ tải khách hàng khép mạch qua tụ điện C có dung kháng thấp ZC = 1/(ωC) làm suy giảm biên độ trước khi đến công tơ và khơng làm ảnh hưởng đến tín hiệu PLC của công tơ (cả chiều phát và chiều thu).
Cụ thể, với khách hàng 3 pha có lị nướng bánh gây nhiễu làm không đọc được 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 công tơ không đọc được 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 đường dây, để ít làm suy giảm tín hiệu PLC khơng được 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 không làm suy giảm
- 4 - tín hiệu PLC (mặc dù không dùng điện kháng).
Tụ khử nhiễu mắc sau công tơ cũng làm giảm biên độ tín hiệu PLC hướng về phía tải, tuy nhiên tín hiệu này hiện nay khơng sử dụng. Hướng truyền từ công tơ về đến DCU không bị ảnh hưởng, do đó bảo đảm việc đọc dữ liệu truyền từ công tơ về DCU (và ngược lại).
Hệ thống nghiên cứu đáp ứng của bộ lọc:
Hệ thống được mô phỏng bằng phần mền Matlab, thể hiện khả năng chặn nhiễu của bộ tụ lọc LC.
Hình 2.2. Hệ thống nghiên cứu đáp ứng của
bộ lọc
Hình 2.3: Bộ lọc đề xuất
Kết quả mơ phỏng dạng sóng của tín hiệu nhiễu:
Dạng sóng quan sát được từ mơ phỏng 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 ) a. THD% điện áp = 1.789 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 ) b. THD% dịng điện = 13.14
Hình 3.12: Dạng sóng tín hiệu khi khơng có
bộ lọc
Tín hiệu PLC khi truyền trên đường dây bị suy giảm do có nhánh rẽ, điện trở và điện dẫn sẽ được các module PLC trên mỗi công 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 dẫn đi âm tường 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 đường dây trên không, ~80m cho dây dẫn âm tường), tín hiệu suy giảm nhiều, cần phải lắp thêm bộ lặp để bảo đảm dữ liệu thu thập đầy đủ.
3. THIẾT KẾ MẠCH TRUYỀN NHẬN
3.1. 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
- 5 - giữa hai chế độ truyền dẫn là zero-crossing và normal-crossing.
Hình 3.1: Module HL-PLC v4.0 3.2. Arduino Nano
Arduino Nano được 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 như trên Arduino Uno hay Arduino Mega, nhờ vậy giá thành sản phẩm được giảm mà vẫn giữ nguyên được tính năng, giúp Arduino giao tiếp được với máy tính, từ đó thực hiện việc lập trình.
Hình 3.2: Arduino Nano
3.3. Sơ đồ khối
Chức năng từng khối:
- Module giao tiếp với máy tính: Khối giao tiếp với lưới điện; Khối khuếch đại (Bộ lọc tương 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 lưới điện; Khối khuếch đại; Khối điều chế và giải điều chế tín hiệu; Khối vi điều khiển; Khối giao tiếp truyền thông. Sơ đồ nguyên lý hệ thống:
Hình 3.18. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Nguyên lý hoạt động:
1. Máy tính gửi lệnh đọc công tơ tới modem PLC qua cổng truyền thông nối tiếp khi nút đọc công tơ trên GUI được nhấn.
2. Module PLC điều chế dữ liệu nhận được rồi gửi qua đường dây điện sử dụng điều chế FSK.
- 6 - 3. Module PLC đầu cuối sẽ nhận dữ liệu và thực hiện giải điều chế tín hiệu đã được điều chế FSK thành tín hiệu nối tiếp.
4. Bộ vi điều khiển nhận tín hiệu nối tiếp và truyền số liệu của cơng tơ về máy tính.
3.4. Kết luận
Phần trên đưa ra thiết kế một hệ thống đọc công tơ qua mạng điện hạ thế. Hệ thống này sử dụng truyền thông đa nút song công để tăng tối đa số thiết bị có thể điều khiển được từ một máy tính chủ (server) ở xa. Và đề xuất một bộ lọc giảm nhiễu cho tín hiệu khi truyền dẫn trên đường dây.
Đây là một sản phẩm thiết kế đầy đủ chức năng và tiện dụng. Sử dụng giao thức đơn giản, các tập lệnh dễ sử dụng và chi phí thực hiện thấp. Một modul khác dùng để đọc dữ liệu từ mạng điện thực hiện lệnh điều khiển đồng thời phát lệnh báo ngược trở lại modul phát.
4. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
4.1. Kết quả thu đƣợc
Sau một thời gian tìm hiểu nghiên cứu, luận văn đã trình bày được các vấn đề sau: - Trình bày nguyên lý cơ bản của các hệ thống truyền thông qua đường dây điện lực; - Phân tích được các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống và đưa ra các giải pháp kỹ thuật khắc phục; Cập nhật các thành tự đạt được trên thế giới về công nghệ truyền thơng PLC;
- Phân tích các phương pháp khác nhau cho việc triển khai hệ thống AMR và đặc biệt là AMR-PLC; Cập nhật các thành tựu
của thế giới về AMR-PLC; Phân tích một hệ thống tiêu biểu ColectricTM;
- Để xuất, phân tích, lựa chọn thiết bị, lựa chọn giao thức và thiết kế, lắp ráp một hệ thống AMR PLC sử dụng điều chế FSK xây dựng modem truyền thông HL-PLC V4.0 giải quyết được vấn đề nhiễu từ ngay trong modem, điều khiển thiết bị cũng như đọc công tơ từ xa bằng máy tính với chi phí thấp.
- Tìm ra được giải phát để khử được nhiễu bằng tụ khử gây mấy tính hiệu trên đường truyền, cho các hệ thống đo ghi từ xa hiện có của Điện lực.
4.2. Hƣớng phát triển đề tài
Hướng phát triển của đề tài, tiếp tục thử nghiệm các kỹ thuật mã hóa, trải phổ và kỹ thuật điều chế OFDM nhằm nâng cao chất lượng hệ thống. Bên cạnh đó cũng phát triển thêm những ứng dụng từ module HL- PLC V4.0 để thực hiện nghiên cứu việc đóng/cắt điện từ xa các dây nhánh khách hàng, cụ thể: Dựa trên các đặt tính truyền nhận từ module HL-PLC và giao tiếp arduino, đặt 01 contactor không tiếp điểm tại đầu nhánh dây