Chương 1: Cơ sở lý luận Chương 2: Thiết kế phần mềm Chương 3: Nghiên cứu chế tạo phần cứng Chương 4: Thực nghiệm Môû ñaàu Trang 2 Luan van Nghieân cöùu, cheá taïo MODULE ñieàu khieån thieát bò ñieän thoâng qua maïng löôùi ñieän haï theá CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1 Công nghệ truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực 1.1 Công nghệ truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực Công nghệ truyền thông đường điện PLC (Powerline Communication) hay còn gọi là BPL (Broadband PowerLine): Chỉ cần nối một chiếc modem đặc biệt vào ổ cắm điện 220V, bạn có thể gọi điện thoại, gửi fax, xem tivi số và nghe nhạc trực tuyến chất lượng cao, truy cập Internet tốc độ cực lớn. Hơn nữa, giá cước sử dụng hấp dẫn và bạn không phải trả chi phí dẫn cáp quang về tận nhà. Đây không phải là chuyện viễn tưởng mà là thực tế, với công nghệ PLC đã có mặt tại Việt Nam PLC sử dụng lưới điện hạ thế (từ trạm biến áp đến các hộ gia đình) để truyền thông tin. Tại các trạm biến áp (vốn có nhiệm vụ chuyển các dòng điện cao thế thành hạ thế và đưa đến hộ tiêu dùng), một modem tốc độ cao HE (HeadEnd) sẽ nối giữa đường hạ thế và hệ thống cáp quang truyền thông backbone.
Nhiệm vụ của modem HE là ''điều chế'' các tín hiệu truyền thông của cáp quang thành tín hiệu thông tin có tần số 1,6 - 80 Mhz (tùy vào từng hãng mà sử dụng những dãy tần số khác nhau) để truyền vào lưới điện hạ thế và ngược lại. Các tín hiệu thông tin sau khi điều chế sẽ được truyền đi song song với tín hiệu điện trên lưới điện hạ thế đến các toà nhà. Tại đây, một modem PLC (CPE lắp đặt tại gia đình) sẽ nhận các tín hiệu thông tin, giải điều chế, tái tạo lại tín hiệu thông tin ban đầu để có thể sử dụng Internet hoặc dùng điện thoại, fax. Modem PLC cũng có thể đảo ngược quá trình này để gửi các tín hiệu thông tin đã điều chế đến modem HE.
Như vậy, vấn đề đường truyền băng thông rộng đã được giải quyết nhờ tận dụng hệ thống đường cáp điện có tiết diện lớn, tốc độ truyền cao gấp nhiều lần so với dây điện thoại cáp đồng nhỏ bé. Các thiết bị truy cập Internet hay sử dụng mạng LAN nội bộ vẫn dùng giao thức IP để giao tiếp, sử dụng công nghệ quay số như bình thường để kết nối đến máy chủ Internet.2 PLC trên thế giới & lợi ích mang lại cho khách hàng Chöông 1: Cô Sôû Lyù Luaän Trang 3 Luan van Nghieân cöùu, cheá taïo MODULE ñieàu khieån thieát bò ñieän thoâng qua maïng löôùi ñieän haï theá Các modem PLC cho phép nhận và gửi các tín hiệu thông tin tại các ổ cắm điện trên tường nhà. Như vậy, toàn bộ mạng điện trong toà nhà sẽ trở thành một mạng LAN truy cập nội bộ. Cung cấp đường truyền tín hiệu băng thông rộng, không phải đi cáp quang đến từng nhà, khai thác khả năng to lớn của mạng điện hiện có, giải quyết vấn đề đưa đường truyền băng thông rộng đến hộ gia đình.
Tiềm năng to lớn cho phép tăng tốc độ truy cập Internet (vượt xa các công nghệ hiện có). Hiện tại, công nghệ này sử dụng các con chip tốc độ cao 200 Mbps để điều chế thông tin trong các modem PLC. Việc sử dụng mạng điện hiện có (chiếm tới 90% kết nối của các hộ gia đình) sẽ cho phép phổ cập thông tin dễ dàng đến mọi vùng, mọi nhà. Chỉ cần có một đường cáp quang backbone nối tới trạm biến áp, cả một khu vực dân cư lớn sẽ có khả năng truy cập Internet băng thông rộng và các dịch vụ truyền thông khác.
Đây là một giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết vấn đề nút cổ chai tại last mile đối với các dịch vụ băng thông rộng tới hộ gia đình. Thông thường gateway của mạng băng thông rộng hay bị quá tải do gộp dữ liệu nhiều đường thuê bao vào. Dễ dàng cài đặt và triển khai mạng, chỉ cần nối đường cáp quang đến trạm biến áp, lắp modem HE tại trạm, thiết lập hệ thống gateway đưa tới hộ gia đình và lắp modem PLC tại nơi truy cập mạng. Công nghệ PLC sẽ là một bước tiến rất quan trọng của nền công nghệ thông tin và truyền thông của Việt Nam, khắc phục những hạn chế về cơ sở hạ tầng còn hạn chế, phổ cập các dịch vụ băng thông rộng đến mọi người dân.
Đây sẽ là một cơ hội để nền công nghệ truyền thông Việt Nam theo kịp với tốc độ phát triển chung của khu vực. Hiện nay công ty PACIFIC TECHNOLOGY CONSULTING & SERVICES (PTCS) cũng đã nghiên cứu và triển khai thành công công nghệ này tại trường dạy nghề Tân Thành – Bà Rịa.2 Một số ảnh hƣởng đối với việc truyền thông tin trên đƣờng dây điện Khi truyền tín hiệu trên đường dây điện lực, đường dây giống như một anten lớn nhận các nhiễu và phát xạ tín hiệu. Khi sử dụng cho ứng dụng truyền thông tin, quá Chöông 1: Cô Sôû Lyù Luaän Trang 4 Luan van Nghieân cöùu, cheá taïo MODULE ñieàu khieån thieát bò ñieän thoâng qua maïng löôùi ñieän haï theá trình phát xạ cần được xem xét thận trọng. Nhiễu và phát xạ từ đường dây trong nhà các hộ dân cư là một vấn đề cần được chú ý khắc phục bởi nếu các đường dây này không được bọc bảo vệ tốt thì sẽ phát xạ mạnh gây ảnh hưởng đáng kể.
Một giải pháp khắc phục là sử dụng các bộ lọc chặn tín hiệu truyền thông. Mặt khác mọi hệ thống truyền thông luôn cố gắng để đạt được phối hợp trở kháng tốt, nhưng mạng đường dây điện lực chưa thích nghi được với vấn đề này vì trở kháng đầu vào (hay đầu ra) thay đổi theo thời gian đối với tải và vị trí khác nhau, nó có thể thấp cỡ mW hay cao tới hàng nghìn W, và thấp một cách đặc biệt tại các trạm con. Một số trở kháng không phối hợp khác có thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ do các hộp cáp không phối hợp trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn hơn. SNR là một tham số quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông: SNR = công suất thu được/công suất nhiễu SNR càng cao thì truyền thông càng tốt.
Công suất nhiễu trên đường dây điện lực là tập hợp tất cả các nhiễu loạn khác nhau thâm nhập vào đường dây và vào máy thu. Các tải được kết nối vào mạng như ti vi, máy tính, máy hút bụi… phát nhiễu và truyền bá qua đường dây điện; các hệ thống truyền thông khác cũng có thể đưa thêm nhiễu vào máy thu. Khi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu, công suất tín hiệu sẽ bị suy hao, nếu suy hao quá lớn thì công suất thu sẽ rất nhỏ và máy thu không tách ra được. Suy hao trên đường dây điện lực rất cao (lên tới 100 dB) làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn.
Một giải pháp là sử dụng các bộ lặp đặt tại các hộp cáp để tăng chiều dài truyền thông. Để cải thiện tỷ số SNR, ta cũng có thể sử dụng các bộ lọc đặt tại mỗi hộ dân, nhưng chi phí cho việc này sẽ rất cao. Đường dây điện lực được xem như một môi trường rất nhạy cảm với nhiễu và suy hao. Tuy nhiên, các tham số này luôn tồn tại và cũng là những vấn đề luôn cần quan tâm trong mọi hệ thống truyền thông đang sử dụng hiện nay.
Mô hình truyền thông đường dây điện lực với các tham số (trở kháng không phối hợp, suy hao, nhiễu) thay đổi theo thời gian được trình bày trong hình 1. Mọi yếu tố Chöông 1: Cô Sôû Lyù Luaän Trang 5 Luan van Nghieân cöùu, cheá taïo MODULE ñieàu khieån thieát bò ñieän thoâng qua maïng löôùi ñieän haï theá gây suy giảm ngoại trừ nhiễu được chỉ ra như những bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian với đặc trưng là đáp ứng tần số của nó.1 Các yếu tố gây suy giảm trên kênh đường dây điện lực Hàm truyền đạt và nhiễu được ước tính thông qua các số liệu đo và phân tích lý thuyết. Một vấn đề phức tạp của kênh đường dây điện lực là sự thay đổi theo thời gian của các yếu tố ảnh hưởng. Mức nhiễu và suy hao phụ thuộc cục bộ vào các tải được kết nối, mà chúng lại thay đổi theo thời gian dẫn tới trạng thái của kênh cũng thay đổi theo thời gian, gây khó khăn cho việc thiết kế hệ thống.
Một giải pháp được đưa ra là làm cho hệ thống truyền thông thích nghi với trạng thái thay đổi theo thời gian của kênh truyền, tuy nhiên chi phí cho giải pháp này cũng khá cao. Thực tế đường dây điện lực là một môi trường truyền thông rất nhạy cảm, các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào tải và vị trí, cho đến nay các đặc tính cụ thể của kênh vẫn là những vấn đề được nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả.3 Giải pháp truyền tín hiệu trên đƣờng dây điện lực trong và ngoài nƣớc hiện nay 1.1 Hệ thống đọc công tơ từ xa Việc ứng dụng các công nghệ cao vào quản lí điện năng sẽ giảm chi phí nhân công và đặc biệt sẽ giảm được tổn thất thương mại trong quá trình truyền tải. Xuất phát từ thực tế nêu trên, hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam đã bắt đầu xuất hiện hệ thống tự động đọc số liệu công tơ và truyền thông về trung tâm. Hệ thống này mới được thử nghiệm tại Bắc Ninh và một vài cơ sở điện lực khác, nó hoàn toàn mới mẻ đối với ngành điện.
Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống này có một ý nghĩa thực tiễn cao. Hiện nay trong ngành điện lực, công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện năng của khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ công. Phương pháp này bộc lộ khá nhiều Chöông 1: Cô Sôû Lyù Luaän Trang 6 Luan van Nghieân cöùu, cheá taïo MODULE ñieàu khieån thieát bò ñieän thoâng qua maïng löôùi ñieän haï theá nhược điểm như: mất nhiều thời gian, trong một thời điểm không thể kiểm soát được mức tiêu thụ điện năng của các hộ tiêu thụ, không kiểm soát được mức tiêu thụ ở các pha do đó gây khó khăn cho việc xây dựng kế hoạch cân bằng pha trong tương lai, khó phát hiện được các hành vi gian lận điện năng. Để khắc phục được các nhược điểm trên ta có thể sử dụng hệ thống đo đếm công tơ từ xa truyền qua đường dây điện CollectricTM, đây là hệ thống đo lượng điện năng tiêu thụ tiên tiến và thông suốt theo thời gian thực.