tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ĐƯỜNG dây điện lực ỨNG DỤNG CHO hệ THỐNG đọc CÔNG tơ điện từ XA

Đề tài nghiên cứu hệ thống truyền thông quađường dây tải điện đã và đang được Việt Nam và cácnước trên thế giới rất quan tâm và đầu tư nghiên cứuứng dụng mạnh mẽ vì nó tận dụng được cơ s

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Học Viên: Bùi Trọng Tuấn

Lớp: CHK11 KDT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

HDKH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

THÁI NGUYÊN - 2010

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Học Viên: Bùi Trọng Tuấn

Lớp: CHK11 KDT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử HDKH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS.TS Nguyễn Hữu Công Bùi Trọng Tuấn

THÁI NGUYÊN - 2010

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài nghiên cứu hệ thống truyền thông quađường dây tải điện đã và đang được Việt Nam và cácnước trên thế giới rất quan tâm và đầu tư nghiên cứuứng dụng mạnh mẽ vì nó tận dụng được cơ sở sẵn cócủa ngành điện và mang lại những lợi ích to lớn nhưsau:

Phương pháp truyền thông qua đường dây tảiđiện sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng lưới điệnphải được thực hiện trên những tần số tách biệt hẳnvới tần số của dòng điện phục vụ sản xuất và sinh hoạt(f≠50Hz) để tránh tương tác với điện áp đường dây Vìtrong quá trình truyền tải dữ liệu có xảy ra hiện tượngcộng hưởng ở tần số thấp nên tần số truyền phải đợcđiều tần thành tần số cao (tần số RADIO) Phươngpháp truyền tải dữ liệu có tần số được điều biến thànhtần số Radio trên đường dây tải điện được gọi là ph-ương pháp truyền thông trên đường dây tải điện PLC(Power Line Communication)

Phương pháp truyền thông qua đường dây điệnlực khi đưa vào áp dụng trong thực tế ta có thể đưavào rất nhiều loại tín hiệu thông tin (với các dải tần sốkhác nhau) Chính vì vậy phương pháp truyền thôngqua đường dây điện lực có thể truyền thông tin:INTERNET, điện thoại cố định, phục vụ đọc công tơ,đọc đồng hồ nước, đồng hồ khí ga từ xa…

- Hiệu quả kinh tế lớn

- Độ tin cậy thông tin tốt và tính liên tục trongcác khâu từ khâu ghi chỉ số đến khâu ra hoá đơn thutiền điện được tự động hoá

- Có thể giám sát sự hoạt động và tình trạng kỹthuật của hệ thống đo đếm từ xa thông qua thiết bịhiển thị đặt tại phòng điều khiển trung tâm

- Giảm được rất nhiều nhân công từ quá trìnhghi chỉ số công tơ, nhập số liệu từ sổ ghi chữ vào phầnmềm kinh doanh (CMIS), in ấn và rà soát hoá đơn,giảm thiểu được những rủi ro khi con người tham giavào những công việc thủ công như hiện nay

- Ngoài ra nó còn có thể tích hợp chức năng đọcxa: nước, khí đốt

Xuất phát từ các vấn đề trên, tác giả tập trung

“Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực - Ứng dụng cho hệ thống tự động đọc công tơ điện từ xa ”

2 Ý nghĩa của đề tài

2.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra đượcnguyên lý cơ bản của hệ thống tự động đọc công tơđiện từ xa, đưa ra các đặc tính cần phải khảo sát trongquá trình thiết kế như: sự giới hạn của băng thông,nhiễu trên đường dây cáp điện, suy hao trên lưới, hiệntượng sóng dừng, sự phát xạ sóng điện từ và khả nănggây nhiễu

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế và khai thác mạng, làm giảm giá thành sản phẩm dịch vụ và góp phần phát triển cơ sở hạ tầng của mạng viễn thông.

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG ĐỌC CÔNG TƠ TỰ ĐỘNG TỪ XA AMR (AUTOMATED METER READING

SYSTEM) 1.1 Tổng quan hệ thống AMR

1.1.1 Lịch sử phát triển

1.1.1.1 Khái niệm AMR

Hệ thống tự động đọc công tơ (AMR) đề cậpđến việc thu thập từ xa các dữ liệu tiêu thụ từ người sửdụng điện với mục tiêu quy hoạch, kiểm soát và giámsát mức tiêu thụ điện của công ty phân phối Hệ thốngcủa AMR cho phép tiết kiệm chi phí và lao động, thựchiện việc đo đạc một cách chính xác hơn và cũng cókhả năng thực hiện nhiều chức năng khác nhau màtiện ích không chỉ cho các nhà cung cấp điện, mà còncho người sử dụng điện

1.1.1.2 Triển khai các hệ thống Smart IMS trên toàn thế giới

1.1.2 Kiến trúc chung của AMR

1.1.2.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động

Nguyên lý cơ bản của quá trình truyền thông giữa một công ty và khách hàng thông qua hệ thống

AMR

1.1.2.2 Các yêu cầu cần thiết cho hệ thống AMR

1.1.3 Các phần tử chính trong hệ thống AMR

1.1.3.1 Công tơ điện tử

1.1.3.2 Thiết bị giao tiếp truyền thông (Trong trạm biến áp)

1.1.3.3 Môi trường truyền thông

1.1.3.4 Thiết bị giao tiếp truyền thông (Trong trạm biến áp)

1.1.3.5 Máy tính với phần mềm điều khiển AMR

1.1.4 Lợi ích và những khó khăn khi triển khai công nghệ AMR

- Độ tin cậy của việc cung cấp năng lượng sẽ đượccải thiện;

- Công suất yêu cầu sẽ thấp;

- Mất mát trên toàn bộ hệ thống sẽ thấp hơn;

- Quản lý của việc cung cấp năng lượng sẽ được dễdàng hơn;

- Việc gia tăng định kỳ của các khoản trả cho nănglượng điện sẽ thấp hơn

1.2 Phân loại các hệ thống AMR theo môi trường truyền thông

1.2.1 Một số môi trường truyền thông cho AMR

1.2.2 Các tiêu chí lựa chọn môi trường truyền thộng cho AMR

1.2.3.1 Băng thông của mạng điện thoại

1.2.3.2.Thiết bị giao tiếp truyền thông: Modem 1.2.3.3 AMR dựa trên PSTN

1.2.3.4 Chia sẻ đường dây thoại cho AMR

1.2.3.5 Các yêu cầu chú ý khi xây dựng AMR trên PSTN

1.2.4 Triển khai AMR thông qua truy nhập di

động GSM

1.2.4.1 Kiến trúc mạng GSM

1.2.5.4 Lợi ích của hệ thống AMR dựa tên LPR

1.2.6 AMR trên kênh vô tuyến công suất lớn (High

power Radio)

1.2.7 AMR qua kênh truyền thông điện lực Power line communications

1.2.7.1 Sơ đồ khối cơ bản

1.2.7.2 Quá trình thu thập dữ liệu đo

1.3 Hệ thống AMR qua đường dây điện lực hạ thế CollectricTM

1.3.1 Giới thiệu Công nghệ

1.3.2 Bộ Tập Trung – Concentrator

1.3.3 Thiết bị phát từ xa một chiều – RTU

1.3.4 Thiết bị đo xa 2 chiều PRTU

1.3.7.2.Thiết bị Điều khiển tải - LC100MM

1.3.7.3 Đèn LED hiển thị 6 chữ số 0.1kWh (Lựa chọn)

1.3.7.4 Công tơ Điện tử 1 pha - RR1M

1.3.7.5.Công tơ Điện tử 3 Pha - RR3M

1.3.7.6.Thiết bị Hiển Thị Cầm Tay - Portable Display

1.4 Kết luận chương

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC 2.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC

2.1.1 Khái niệm PLC

PLC ( Power Line Communication ) là côngnghệ sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điệnnăng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệmchi phí đầu tư

Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực

2.1.2 Một số thành tựu đạt được của PLC

2.1.3 Phân loại công nghệ

2.1.3.1 Phân loại theo mức điện áp

2.1.3.2 Phân loại theo tốc độ bít

2.1.3.3 Phân loai theo phạm vi

2.1.3.4 Phân loại theo phương thức điều chế

2.2 Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của HTTT trên đường cáp điện lực.

2.2.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống

Nguyên lý cơ bản của hệ thống

2.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống.

Sơ đồ khối của hệ thống.

2.2.2.1 Khối cách ly (Power Line Isolation)

2.2.2.2 Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) 2.2.2.3 Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification)

Từ bộ chuyển đổi A/

D và lọc thông th p ấp

Tầng công suất phía phát Bảo vệ quá áp

Biến áp với bộ lọc thông cao Cáp điện

a Ghép tín hiệu vào đường dây i n điện ện

Cáp điện

Biến áp với bộ lọc

thông cao

Bộ lọc dải vào

Xử lý

số liệu Dòng điện chính

b.Tách tín hiệu ra khỏi đường dây i n điện ện

2.2.1.4 Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation)

2.3 Một số ứng dụng thực tiễn của PLC

2.3.1 Ứng dụng trong các HT quản lý, giám sát

lưới điện và đồng hồ.

2.3.2 Truyền thông đường dài tốc độ cao

2.3.3 Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC

2.3.4 Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home

2.4 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện

2.4.1 Sự giới hạn băng thông

2.4.2 Nhiễu trên đường cáp điện

2.4.2.1 Nhiễu tần số 50Hz

2.4.2.2 Nhiễu xung đột biến

2.4.2.3 Nhiễu xung tuần hoàn

2.4.2.4 Nhiễu xung kéo dài

2.4.2.5 Nhiễu chu kỳ không đồng bộ

2.5.1 Mạch ghép tín hiệu

2.5.1.1 Mạch ghép dung kháng C

2.5.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C

2.7 Các phương thức điều chế tín hiệu

2.7.1.Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông.

2.7.2.Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK.

2.8 Kỹ thuật trải phổ

2.8.1 Trải phổ dãy trực tiếp

2.8.1.1 Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK

2.8.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK

2.8.2 Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence

Hopping Spread Spectrum)

3.1.1 Giới thiệu

Dựa trên các ứng dụng của truyền thông trênđường dây điện lực được chỉ ra ở phần trước, trongchương này sẽ thiết kế một hệ thống sử dụng côngnghệ truyền thông trên đường dây điện lực tương tựnhư AMR PLC Hệ thống này vừa điều khiển các thiết

bị, vừa đọc số liệu từ một công tơ từ xa

3.1.2 Modem truyền thông trên đường dây điện

TDA5051A là một modem vi mạch (IC), hoạt động ở điện áp 5V cung cấp tốc độ dữ liệu ở 600 hoặc

1200 baud Nó sử dụng điều chế và giải điều chế ASK

để tạo dạng và tái tạo sóng mang số Sự giải điều chế

số của nó cho ra dữ liệu ở băng cơ bản Xung đồng hồ cao của bộ chuyển đổi 6-bit số thành tương tự giúp loại bỏ các thành phần răng cưa và nó có bộ lọc số băng hẹp Nó đảm bảo cho tỉ lệ lỗi bít thấp Nó cũng tích hợp mạch bảo vệ quá tải Hơn nữa, chip này dễ dàng tích hợp với EN50065-1 bằng cách sử dụng một mạng ghép đơn giản

3.1.3 Bộ vi điều khiển PIC16F876

Vi mạch PIC16F877A là một máy tính có tập lệnh giảm thiểu hiệu năng cao RISC (Redunce Instruction Set Computer) Tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ duy nhất, ngoại trừ các nhánh của chương trình được thực hiện trong 2 chu kỳ PIC16F877A có

bộ nhớ Flash (Flash Program Memory) lên tới 8K x 14words (1 word=2bytes), 368 x 8 bytes bộ nhớ dữ liệu (RAM), 156 x 8 bytes bộ nhớ dữ liệu EEPROM Các đặc trưng ngoại vi mở rộng cũng có được ở kiểu bộ vi điều khiển này Hơn nữa, bộ vi điều khiển này cũng cung cấp chuẩn giao tiếp ngoại vi đồng bộ/không đồng

bộ USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) để sử dụng cho truyền thông.3.1.3.1 Các cổng vào ra (I/O)

3.1.3.2 Bộ thu phát đồng bộ/ không đồng bộ đa năng (USART)

3.1.3.3 Lựa chọn tốc độ Baud

3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

3.2.1 Hoạt động của hệ thống.

điều khiển thiết bị tới modem PLC qua cổng truyềnthông nối tiếp khi nút đọc công tơ trên GUI đượcnhấn

rồi gửi qua đường dây điện sử dụng điều chế ASK

dữ liệu và giải điều chế từ tín hiệu được điều chếASK thành tín hiệu nối tiếp

bật , tắt thiết bị dựa vào tín hiệu nhận được hoặcchuyển sang chế độ truyền số liệu của công tơ vềmáy tính

Sơ đồ tổng quan của hệ thống PLC

3.2.2 Phần mềm thi hành

3.2.2.1 Lập trình PIC16F876

3.2.2.2 Sơ đồ lập trình cho PIC16F876

3.2.3 Thiết kế phần cứng

3.2.3.1 Bộ vi điều khiển PIC16F876

Sơ đồ mạch của khối điều khiển

3.2.3.2 Truyền thông nối tiếp

Sơ đồ mạch của truyền thông nối tiếp

3.2.3.3 Mạch nạp PIC16F876

Sơ đồ mạch nạp JDM

3.2.3.4 Modem Philips TDA5051A

Modem điện Philips TDA5051A

3.2.3.5 Mạch ghép

3.2.3.6 Khối cấp nguồn

Sơ đồ cấp nguồn

3.2.3.7 Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad)

Sơ đồ thiết kế mạch in cho các Modul PLC

3.3.2 Khuôn dạng khung truyền dẫn

3.3.3 Giao diện đồ họa (GUI)

Giao diện đồ họa (GUI) chính là giao diện củachương trình trên máy tính dùng để giao tiếp với conngười thông qua các phím bấm Trong đề tài này sửdụng phần mềm Microsoft Visual Basic 6 để thiết kếGUI Sử dụng Microsoft Visual Basic 6 vì phần mềmnày cung cấp khả năng cho việc truyền thông nối tiếp

3.4 Kết luận chương

Chương này thiết kế một hệ thống đơn giảnđiều khiển thiết bị và đọc công tơ qua mạng điện hạthế Giao thức đặc biệt được thiết kế riêng cho loạiứng dụng này Giao thức này sử dụng truyền thông đanút song công để tăng tối đa số thiết bị có thể điềukhiển được từ một máy tính chủ (server) ở xa Hệthống này có thể điều khiển tổng số tối đa lên tới 255thiết bị Nó được thiết kế dựa trên công nghệ X-10,tuy nhiên nó lại có thêm một số nét đặc biệt vì vậy mà

có thể sử dụng được trong việc đọc công tơ thay vì chỉ

có ứng dụng trong các ngôi nhà thông minh

năng và tiện dụng Sử dụng giao thức đơn giản, cáctập lệnh dễ sử dụng và chi phí thực hiện thấp Sử dụngmột modul chuẩn khi cắm vào ổ cắm chuẩn xoaychiều có thể điều khiển các thiết bị và quảng bá dữliệu qua mạng điện lưới Một modul khác đùng để đọc

dữ liệu từ mạng điện và hiển thị chỉ số công tơ ngoàiviệc quảng bá dữ liệu điều khiển So với các phươngpháp khác, chi phí thực hiện của phương án này rấtthấp

Về sự chống nhiễu: Mạch cho thấy khả năngchống nhiễu khá tốt, ngay cả vào thời gian nhiễu lớnnhất trong ngày, và cùng với sự hoạt động của các thiết

bị gây nhiễu mạnh như máy khoan, máy mài kim loại…cũng chưa thấy gây tác động đến hoạt động của hệthống Khi kiểm tra sự ảnh hưởng của máy phát đến cácthiết bị điện nhạy cảm như TV thì cũng không thấy cótác động tiêu cực nào

tra hệ thống hoàn toàn hoạt động tốt trong phạm vimột hoặc vài căn hộ lân cận (dưới 100m về chiều dàiđường điện), ở khoảng cách về đường điện xa hơn(vào khoảng 100m) thì hệ thống hoạt động bắt đầukém đi, phụ thuộc vào điều kiện gây suy hao là sự

tiêu thụ điện sinh hoạt Như vậy, tuy mới chỉ thửnghiệm công suất ra rất thấp, đặc biệt là công suấtphát thực lên đường truyền càng nhỏ hơn rất nhiềunhưng kết quả về tầm hoạt động thu được là khá tốt.

cần được kiểm nghiệm thêm do khả năng trôi tần số

là có thể xảy ra

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU

TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI

1 Kết luận chung

Cùng với sự phát triển của khoa học thông tin,truyền thông số tốc độ cao trên đường dây điện lực trởthành một lĩnh vực hấp dẫn đối với các nhà khoa học.Cho đến nay, có thể kể đến các ứng dụng quan trọngcủa truyền thông điện lực bao gồm quản lý tải điện,đọc công tơ từ xa, tự động hóa tòa nhà, nhà thôngminh, mạng thông tin nội bộ… Cùng với sự lớn mạnhcủa thị trường viễn thông, mạng truyền tải điện cũng

có thể được sử dụng như là một mạng truy nhập bêncạnh các mạng truy nhập khác như mạng thoại, mạngCATV Các dịch vụ số được cung cấp cho các kháchhàng như ngân hàng điện tử, e-mail, truy nhập internet

và quảng bá âm thanh video số sử dụng mạng điện hạthế làm môi trường truyền tải sẽ trở nên thông dụngtrong tương lai gần

Tuy nhiên, đường dây điện không phải là một

kênh truyền thông lý tưởng Rất nhiều thực nghiệmcho thấy mạng điện hạ thế tồn tại rất nhiều loại nhiễubao gồm nhiễu nền, nhiễu băng hẹp và nhiễu xung.Bên cạnh đó, sự suy giảm của tín hiệu trên kênhtruyền, sự phân bố của các thiết bị khá xa nhau trênmạng điện, sự phản xạ ở các node tồn tại trên mạngcũng là những yếu tố đáng ngại Tất cả điều này tạonên hiệu ứng đa đường và do vậy đó là một thách thứclớn cho việc truyền số liệu tốc độ cao trên mạng điện.Vấn đề quan trọng nhất cần giải quyết là tìm raphương thức phối ghép tín hiệu, mã hóa, điều chế phùhợp bên cạnh đó cần xây dựng hệ thống dựa trên cácgiao thức đã được sửa đổi tối ưu và chuẩn hóa.

Sau một thời gian tìm hiểu nghiên cứu, luậnvăn đã trình bày được các vấn đề sau:

thông qua đường dây điện lực; Phân tích được cácyếu tố ảnh hưởng đến hệ thống và đưa ra các giảipháp kỹ thuật khắc phục; Cập nhật các thành tự đạtđược trên thế giới về công nghệ truyền thông PLC;

khai hệ thống AMR và đặc biệt là AMR-PLC; Cậpnhật các thành tựu của thế giới về AMR-PLC; Phântích một hệ thống tiêu biểu ColectricTM;

thức và thiết kế, lắp ráp một hệ thống AMR PLCđơn giản dùng vi điều khiển PIC16F877A và