Chương 1: MẠNG ĐIỆN LỰC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TỐC ĐỘ CAO 1. Một số hệ thống tiêu chuẩn quốc tế Trong chương này chúng tôi đưa ra một số những khái niệm về mạng điện lực và truyền tín hệu trên mạng điện lực, các tiêu chuẩn của châu âu và thế giới về truyền thông nói chung và truyền thông tin trong mạng điện lực nói riêng. European Telecommunications Standards Institute (ETSI) là một tổ chức phi lợi nhuận và độc lập, nhiệm vụ của nó là thiết lập lên các tiêu chuẩn về truyền thông cho hiện tại và tương lai. ETSI chịu trách nhiệm chính về việc tiêu chuẩn hoá kỹ thuật về công nghệ thông tin và truyền thông.
CENELEC, Uỷ ban châu Âu về tiêu chuẩn hoá kỹ thuật điện, được thành lập vào năm 1973 với sự kết hợp của hai tổ chức châu Âu: CENELCOM và CNEL. Ngày nay, CENELEC là một tổ chức phi lợi nhuận được thiểt lập dưới pháp luật nước Bỉ và có sự tham gia của uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế của 28 nước châu Âu và 7 uỷ ban quốc tế từ trung đến đông âu. Nhiệm vụ của CENELEC là soạn thảo các tiêu chuẩn kỹ thuật điện và điện tử. International Special Committee on Radio Interference (CISPR) là một tổ chức phi chính phủ được thiết lập bởi uỷ ban quốc tế của uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế.
Được thành lập năm 1934 có nhiệm vụ quy định can nhiễu radio. International Electrotechical Commission (IEC) là tổ chức toàn cầu có nhiệm vụ soạn thảo và công bố các tiêu chuẩn quốc tế về điện, điện tử và các công nghệ liên quan. Mạng điện lực và ứng dụng trong truyền thông Mạng điện lực được phân chia thành ba mạng theo mức điện áp khác nhau : mức điện áp cao (110-380 kV), mức điện áp vừa (10-30kV) và mức điện áp thấp Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Việc phân chia này là do nhưu cầu truyền điện áp đi xa.
Vì khi phải truyền điện áp trên các đường trục với khoảng cách dài thì năng lượng điện suy hao rất lớn, muốn giảm suy hao thì phải tăng thiết diện dây dẫn (điều này rất tốn kém) hoặc phải tăng điện áp lên. Để thực hiện chuyển đổi giữa các mức điện áp khác nhau người ta sử dụng các trạm biế n thế, các trạm này có chức năng hạ điện áp khi chuyển từ mạng có mức điện cao xuống mạng có mức điện áp thấp. Mạng điện lực bắt đầu được sử dụng cho mục đích truyền dữ liệu từ rất sớm (1920). Hệ thống một sóng mang đầu tiên được thực hiện trên mạng điện cao áp với khoảng cách trên 500km sử dụng công suất tín hiệu truyền 10W.
Hệ thống này được sử dụng cho việc truyền thông tin nội bộ của nhà cung cấp điện và thực hiện các nhiệm vụ đo lường và điều khiển từ xa. Ý tưởng chính của PLC là sử dụng lưới điện cho mục đích truyền thông để làm giảm giá thành xây dựng các mạng truyền thông mới. Vì vậy các mạng điện áp vừa và cao được sử dụng để nối khoảng cách xa thay vì phải xây dựng những mạng truyền thông lớn. PLC cũng được sử dụng để truyền thông tin trong nội bộ của một toà nhà hay một căn hộ gia đình.
PLC được chia thành hai mạng chính là mạng in-door và mạng access. PLC sử dụng lưới điện trong nhà để truyền thông tin gọi là mạng in-door, nếu truyền thông tin giữa các toà nhà với nhau người ta gọi là mạng acess. Nếu dùng chung một dải tần số thì mạng in-door sẽ nhiễu sang mạng access cho nên cần phân chia dải tần riêng biệt cho chúng. Việc phân chia dải tần cho hai mạng in-door và access do tiêu chuẩn CENELEC quy định với dải tần từ 1,6 MHz đến 30MHz.
Còn dải tần từ 3kHz đến 148kHz được quy định bởi chuẩn EN 50065. Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Mạng PLC Hai hệ thống access và in-door bắt buộc phải tuân theo các tham số được chỉ ra ở hình 1. Để đảm bảo rằng các hệ thống access và in-door có thể tồn tại trên cùng một mạng, phổ tín hiệu truyền của access và in-door sẽ như hình 1. Với F1=12,7MHz; F2=14,35MHz Hình 1.2: Sự chia cắt giữa access và in-door Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 17 Ptmax là mật độ công suất truyền cực đại Pimax mức nhiễu nền trung bình.
Mật độ công suất nhiễu cực đại Pimax(fMHz)=(fMHz-1,6 MHz)*(Pimax2-Pimax1)/(30 MHz-1,6 MHz)+Pimax1 Pimax1= -105 dBm/Hz Pimax2= -125dBm/Hz A M ạng điện áp vừa A M Electric M S Meter Internet PSTN M ạng điện áp thấp M Outdoor Master M Indoor Master S Outdoor Slave A Indoor Adapter Hình 1.3: Mạng PLC đề suất Hình trên là mô hình một mạng PLC được đề suất. Tín hiệu thông tin được truyền vào mạng điện áp thấp qua Outdoor Master được đặt ở trạm hạ thế. Outdoor Master có chức năng điều chế tín hiệu từ mạng thông tin sang dải access để truyền trong mạng PLC. Tại đồng hồ đo điện của mỗi hộ gia đình sẽ được lắp đặt một Outdoor Slaver và một Idoor Master.
Outdoor Slaver có chức năng giải điều chế Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 18 thông tin và truyền tắt qua đồng hồ đo điện tới Indoor Master. Indoor Master có nhiệm vụ điều chế tín hiệu ở dải Indoor và truyền tới các thiết bị nhận qua mạng điện trong nhà. Tại các thiết bị thu chúng ta sử dụng một thiết bị gọi là Indoor Adapter để giải điều chế lấy thông tin và bảo vệ thiết bị không bị ảnh hưởng bởi dòng điện lưới 40 Hz hoặc 50Hz. Các đặc tính của mạng điện lực.
Như chúng ta đã biết các đặc tính của mạng điện lực ở tần số 40 -50 Hz dùng cho mục đích cung cấp điện năng đã được nghiên cứu rất nhiều nhưng các đặc tính của chúng ở dải tần số cao, đặc biệt là ở dải tần 1,6MHz dến 30MHz mới chỉ được nghiên cứu ở một số nơi trên thế giới [1] [6][10][12]. Việt Nam hiện chưa có một nghiên cứu nào để có thể biết được các đặc tính về nhiễu hay độ suy hao của mạng điện lực cũng như khả năng truyền thông tin của nó. Đường dây điện lực khi được sử dụng để truyền tín hiệu được đặc trưng bởi độ suy giảm và dịch pha được mô tả bởi hàm truyền qua đó thể hiện đặc tính của kênh trong miền tần s ố. Biên độ của hàm truyền hiển thị độ suy giảm của một tín hiệu khi truyền qua kênh, trong khi đó đáp ứng pha cho ta độ trễ của tín hiệu.
Độ suy giảm và dịch pha của tín hiệu truyền dẫn là ngẫu nhiên bởi vì các tải tiêu thụ điện liên tục được nối ngắt một cách ngẫu nhiên gây nên sự thay đổi cấu hình và đặc tính của mạng. Nhiễu trên đường dây điện lực Có năm loại nhiễu có mặt thường xuyên trên mạng điện lực trên các vùng tần số khác nhau Nhiễu màu: Đây là một loại ồn trắng có phân bố Gaussian và giảm theo tần số. Ở đây bao gồm cả ồn nền. Mức độ của ồn nền lớn hơn ồn trắng vào khoảng –120dBm/Hz còn các loại nhiễu màu khác thay đổi theo từng giờ trong ngày.
Các hình dưới đây minh họa các loại ồn này.4-a trình bày kết quả đo ở các ổ cắm khác nhau dB V Hình 1.4 biểu thị các mức biên độ theo theo hệ thức Hz Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 19 dB V P dB V Hz A (1.1) Hz Z Ở đây P là công suất thu được trong dải tần số RBW (Resolution bandwidth) còn z là trở kháng lối vào của máy phân tích phổ (z=50). Đơn vị đo này tương ứng với một giá trị biên độ độc lập với độ phân giải của máy phân tích phổ. Đơn vị đo này được cho bằng hệ thức (1. dB V A U dB V 10log RBW Hz (1.2) Hz Ở đây U là mức biên độ đo được theo dB V , bảng chuyển đổi đơn vị ở phụ lục C.
Nhiễu dải hẹp Đây là nhiễu do các trạm phát radio sóng ngắn của trung ương hoặc địa phương hoặc các máy phát radio cá nhân từ 3MHz đến 27MHz là các nguồn nhiễu rất quan trọng tác động lên PLC. Các sóng ngắn này là các tín hiệu điều chế biên độ với độ rộng dải từ 4,5kHz đến 9 kHz. Các giá trị ngưỡng có thể lớn hơn 40dB so với ồn nền. Các mức độ nhiễu loạn do các sóng này gây ra phụ thuộc vào công suất phát, phụ thuộc vào khoảng cách đến các máy phát và điều kiện truyền dẫn.
Các điều kiện truyền dẫn lại phụ thuộc vào thời gian, mùa, giờ trong ngày hoặc phụ thuộc vào địa hình và từng mạng điện lực cụ thể.4 – d biểu diễn các kết quả đo nhiễu dải hẹp Nhiễu do các dụng cụ điện gia dụng đình hay công nghiệp tạo nên. Các máy móc hay dụng cụ gia đình là các nguồn tiêu thụ điện. Đện áp tiêu thụ của các dụng cụ này có thể khác nhau vì thế biên độ của điện áp 50Hz phải được biến đổi, được lọc nhờ các xung vuông góc tần số cao, giá trị điển hình là từ 100kHz đến 200 kHz. Loại tác động này cũng gây nên trên phổ Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 20 tần số trong dải ta quan tâm.4 – c là các kết quả đo ồn do các nguồn nuôi này gây lên.
Các xung này có giá trị khoảng 5dB trên ồn nền và lặp lại các khoảng 195 kHz. Nhiễu do các loại môtơ điện : Trong mỗi gia đình hay nhà máy rất hay dùng các loại motơ này như máy giặt, máy sấy tóc, lò sấy … mức độ nhiễu do các loại môtơ này gây ra khoảng 10dB đến 30 dB trên ồn nền. Dạng nhiễu loạn này cũng là một trong những loại nhiễu nghiêm trọng.4 – b biểu thị các kết quả đo ồn loại này do một máy cưa gây ra Nhiễu xung : Do các công tắc điện gây ra, thời gian tác động của các loại nhiễu này dưới 100 s. Khi ta bật tắt một đèn huỳnh quang có thể sinh ra một vùng phổ nằm vào khoảng một vài MHz.
Mức độ tác động của các loại nhiễu này phụ thuộc vào các loại chuyển mạch phụ thuộc vào tải tiêu thụ điện từ một vài volt đến 30 volt.8 cho hai ví dụ về nhiễu xung gây ra trên mạng. Chúng ta có thể gặp năm loại nhiễu này trong một căn hộ hoặc ở bên ngoài.