Thiết kế hệ thống đo và điều khiển thiết bị sử dụng truyền tải trên đường dây điện

Luận văn Thạc sĩ Khoa học GVHD: PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến Danh mục các bảng TrANG Bảng 1.1 Băng tần truyền thông PLC theo tiêu chuẩn châu Âu…………..... Nội dung luận văn gồm các phần cơ b

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐINH THỊ HẰNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

SỬ DỤNG TRUYỀN TẢI TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2010

Trang 2

LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc GVHD: PGS-TS Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn

Lêi CAM §OAN

T«i cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i, kh«ng sao chÐp cña

ai Néi dung luËn v¨n cã tham kh¶o vµ sö dông tµi liÖu, th«ng tin ®¨ng trªn c¸c t¸c phÈm, t¹p chÝ vµ c¸c trang web theo danh môc tµi liÖu cña luËn v¨n

Hà nội, ngày…… tháng… năm 2010

Trang 3

Luận văn Thạc sĩ Khoa học GVHD: PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến

Mục lục

TrANG

Trang phụ bìa……… 1

Lời cam đoan……… 2

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt……… 8

Danh mục các bảng……… 9

Danh mục các hình……… 10

mở đầu…… ……… 12

Chương I - Tổng quan về PLC……… 13

1.1 Giới thiệu về PLC……… 13

1.2 Lịch sử phát triển……… 14

1.3 Tính kinh tế……… 15

1.4 Thông lượng……… 16

1.5 Phạm vi ứng dụng……… 17

1.5.1 ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát……… 17

1.5.2 Truyền thông đ −ờng dμi tốc độ cao……… 17

1.5.3 Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC……… 18

1.5.4 ứng dụng trong gia đình - Intelligent home……… 18

1.6 Phân loại……… 19

1.6.1 Phân loại theo mức điện áp……… 19

1.6.2 Phân loại theo tốc độ bit………

1.6.3 Phân loại theo phạm vi………

20 20

1.7 Giới thiệu một số modem PLC……… 21

1.7.1 Modem truyền số liệu ST7538……… 22

1.7.2 Modem tốc độ cao 45 Mbps……… 22

1.7.3 Một số sản phẩm khác……… 24

1.8 ứng dụng 27

Trang 4

1.9 Các chuẩn PLC……… … 27

Chương II - Cấu trúc hệ thống PLC……….… 29

2.1 Cấu trúc hệ thống……… …… 29

2.2 Các phần tử mạng PLC……… 30

2.2.1 Các phần tử mạng cơ bản……… … 30

2.2.2 Trạm lặp 31

2.2.3 PLC gateway……… 31

2.3 Kết nối đến mạng lõi và quản lý mạng truy nhập PLC…… …… 32

2.3.1 Các mô hình kết nối 32

2.3.2 Quản lý mạng truy nhập PLC……….…… 34

Chương III - Một số vấn đề trong truyền thông PLC……

35 3.1 Đặc tính kênh truyền đ −ờng cáp điện……….…… 35

3.2 Sự giới hạn băng thông……….……… 36

3.2 Nhiễu trên đ−ờng cáp điện……….…… 37

3.2.1 Nhiễu tần số 50Hz ……….…… 37

3.2.2 Nhiễu xung đột biến……….…… 38

3.2.3 Nhiễu xung tần hoμn 38

3.2.4 Nhiễu xung kéo dμi……….…… 39

3.2.5 Nhiễu chu kỳ không đồng bộ……….…… 39

3.2.6 Nhiễu sóng radio……….…… 39

3.2.7 Nhiễu nền……….…… 40

3.3 Trở kháng đ −ờng truyền vμ sự phối hợp trở kháng……….……… 40

3.4 Suy hao trên l −ới điện……….…… 40

3.5 Hiện t −ợng sóng dừng……….…… 41

3.6 Sự phát xạ sóng điện từ vμ khả năng gây nhiễu……….…… 42

3.7 Tổng trở và sự suy giảm……… 43

Trang 5

Chương IV - kết nối với lưới điện và các phương

pháp điều chế

44

4.1 Kết nối với lưới điện……….… 44

4.1.1 Mạch ghép tín hiệu ……….……… 44

4.1.2 Mạch ghép dung kháng C……….…… 44

4.1.3 Mạch phối ghép R-L-C phức tạp……….…… 47

4.1.4 Các bộ lọc t −ơng tự……….…… 47

4.1.5 Mạch lọc RC……….……… 47

4.1.6 Mạch lọc LC……….…… 48

4.1.7 Các mạch lọc bậc cao khác ……….…… 49

4.2 Các phương pháp điều chế……….…… 50

4.2.1 Kỹ thuật t −ơng tự ……….…… 51

4.2.2 Kỹ thuật điều chế số……….……… 51

4.2.2.1 Khoá dịch biên (ASK)……….…… 52

4.2.2.2 Khoá dịch tần FSK 55

4.2.2.3 Khoá dịch pha (PSK)……….….…… 59

4.2.2.4 Công nghệ trải phổ……… …… 62

4.2.2.5 Trải phổ d∙y trực tiếp kiểu BPSK……….……… 63

4.2.2.6 Trải phổ nhảy tần FH-SS……….…… 67

4.3 Thử nghiệm các phương thức điều chế……… ……… 68

4.3.1 Điều chế và giải điều chế ASK……… ……… 69

4.3.1.1 Điều chế ASK……… ……… 69

4.3.1.2 Giải điều chế ASK……….……… 69

4.3.1.3 Kết quả thử nghiệm……… ………… 70

4.3.2 Điều chế và giải điều chế FSK……… ……… 72

4.3.2.1 Vòng khoá pha (Phase locked loop – PLL)…… ………

72

Trang 6

4.3.2.2 Điều chế FSK dùng vi mạch CD4046……….………… 74

4.3.2.3 Giải điều chế FSK……….………… 75

4.3.2.4 Kết quả thử nghiệm……….………… 76

4.3.3 Điều chế và giải điều chế BPSK……….………… 76

4.3.3.1 Điều chế BPSK……….………… 76

4.3.3.2 Giải điều chế BPSK dùng CD4046……….………… 77

4.3.3.3 Kết quả thử nghiệm……….………… 78

4.3.4.1 Điều chế FM……….………… 79

4.3.4.2 Giải điều chế FM……….…… 80

4.3.4.3 Kết quả thử nghiệm……….……… 80

4.4 Lựa chọn ph ương thức điều chế……… ……… 80

chương V - thiết kế hệ thống truyền tín hiệu vμ điều khiển trên đường dây điện 83 5.1 Yêu cầu thiết kế, lựa chọn phương án thực hiện……… ……… 83

5.1.1 Các yêu cầu của thiết kế……….………… 83

5.1.2 Lựa chọn ph ương án thực hiện……….………… 83

5.2 Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống ……… ………… 84

5.2.1 Thiết kế Modul phát……… ……… 86

5.2.1.1 Mạch điều khiển hoạt động cho máy phát…….……… 86

5.2.1.2 Điều chế FSK vμ FM……….……… 88

5.2.1.3 Mạch khuếch đại âm tần……….……… 89

5.2.1.4 Mạch khuếch đại phát……….……… 89

5.2.1.5 Mạch phối ghép với l ưới điện……….……… 90

5.2.2 Thiết kế modul thu……….…….……… 91

5.2.2.1 Mạch phối ghép với l ưới điện……….……… 91

5.2.2.2 Mạch khuếch đại vμ lọc thông dải 92

5.2.2.3 Mạch giải điều chế FSK……….……… 94

Trang 7

5.2.2.4 Mạch giải điều chế FM……….……… 94

5.2.2.5 Mạch điều khiển thu……….……… 95

5.3 Sơ đồ nguyên lý và lưu đồ thuật toán……….……… 97

5.3.1 L −u đồ thuật toán của Modul phát……… ……… 97

5.3.2 Sơ đồ nguyên lý Modul phát……….……… 98

5.3.3 L −u đồ thuật toán của Modul thu……….……… 99

5.3.2 Sơ đồ nguyên lý Modul thu……… 100

5.4 Chương trình điều khiển trên các module………….……… 101

Kết luận……….……… 114

Tài liệu tham khảo……….……… 115

Trang 8

C¸c thuËt ng÷ viÕt t¾t

cæng m¹ng

c¸p ®iÖn

Trang 9

Danh mục các bảng

TrANG Bảng 1.1 Băng tần truyền thông PLC theo tiêu chuẩn châu Âu………… 16

Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật của Modem PLC 45 Mbps……… ………… 23

Bảng 1.3 Đặc tính kỹ thuật của Modem PLA –

400….……… …………

26

Bảng 3.1 Tải đường dây trở kháng thấp……… ………… 35

Bảng 4.1 Bảng so sánh các phương thức điều chế……… ………… 81

Trang 10

Danh mục các hình vẽ

TrANG

Hình 1-1: ứng dụng PLC trong quản lý điện……… ………… 17

Hình 1-2: Mạng thông tin PLC……… …… ………… 18

Hình 1-3: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình…… …… ………… 18

Hình 1- 4: PLC Indoor……… …… ……….……… ………… 20

Hình 1- 5: PLC Outdoor….………… ……… ………… 21

Hình 2- 1: Cấu trúc một mạng truy nhập PLC…… ………… ………… 29

Hình 2- 2: Cấu trúc mạng PLC trong nhà…… … ……….… ………… 30

Hình 2- 3: Mạng PLC sử dụng trạm lặp… …… ………… ………… 31

Hình 2- 4: Thuê bao PLC kết nối trực tiếp ……… ………… ………… 31

Hình 2- 5: Kết nối thông qua PLC gateway……… ………… ………… 32

Hình 2- 6: Gateway trong mạng truy nhập PLC… ………… ………… 32

Hình 2- 7: Mô hình kết nối mạng truy nhập và mạng lõi…… ………… 33

Hình 2- 8: Quản lý mạng truy nhập PLC……….… ………… 34

Hình 3- 1: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ… ………….… ………… 35

Hình 3- 2: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện….…….… ………… 36

Hình 3- 3: Băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC… …….… ………… 37

Hình 3- 4: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn…… …….… ………… 38

Hình 3- 5: Nhiễu xung tuần hoàn……… … …….… ………… 38

Hình 3- 6: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó…….… 39

Hình 3- 7: Suy hao trong gia đình tại tần số 130kHz……….….… 41

Hình 4- 1: Mạch ghép dung kháng……… ……….….… 45

Hình 4- 2: Mạch ghép kết hợp LC………….……… ……….….… 46

Hình 4- 3: Các mạch lọc RC……….……….……… ……….….… 48

Hình 4- 4: Các mạch lọc LC đơn giản…… ……… ……….….… 49

Hình 4- 5: Mạch lọc thông giải dùng vi mạch HA17741……… 50

Hình 4- 6: Điều chế khóa dịch biên ASK……… 55

Hình 4- 7: Sơ đồ điều chế tín hiệu FSK……… ……… 56

Hình 4- 8: Sơ đồ nguyên lý FSK……… ……… ……… 56

Hình 4- 9: Điều chế khóa dịch tần FSK……… ……… 57

Trang 11

Hình 4- 10: Điều chế tín hiệu PSK…… ………… ……… 60

Hình 4- 11: Sơ đồ mô hình hệ thống thông tin trải phổ… ……… 63

Hình 4- 12: Sơ đồ điều chế trải phổ trực tiếp……… ……… 65

Hình 4- 13: Sơ đồ điều chế trải phổ trực tiếp đơn giản… ……… 65

Hình 4- 14: Sơ đồ giải điều chế trải phổ trực tiếp đơn giản.……… 66

Hình 4- 15: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần……… 68

Hình 4- 16: Sơ đồ điều chế ASK……… …… 69

Hình 4- 17: Mạch giải điều chế ASK……… …… 69

Hình 4- 18: Dạng tín hiệu đo được ở máy phát và thu… ………… …… 72

Hình 4- 19: Mạch vòng khóa pha PLL cơ bản………… ………… …… 73

Hình 4- 20: Sơ đồ điều chế FSK dùng CD4046 BE… …… …… …… 74

Hình 4- 21: Sơ đồ giải điều chế FSK dùng CD4046……… …… …… 75

Hình 4- 22: Dải tần sử dụng cho thử nghiệm FSK……… …… …… 76

Hình 4- 23: Sơ đồ điều chế BPSK……….…… …… …… 77

Hình 4- 24: Sơ đồ giải điều chế BPSK……… …… …… …… 77

Hình 4- 25: Dạng sóng của tín hiệu BPSK tại máy thu… …… …… 78

Hình 4- 26: Điều chế FM với PLL4046……… …… …… 79

Hình 4- 27: Sơ đồ giải điều chế FM ………….………… …… …… 80

Hình 5- 1: Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống.……… …… …… 85

Hình 5- 2: Mạch điều khiển module phát…….………… …… …… 86

Hình 5- 3: Mạch điều chế FSK và FM…….….………… …… …… 88

Hình 5- 4: Mạch khuếch đại âm tần… ….….………… …… …… 89

Hình 5- 5: Mạch khuếch đại phát…… ….….………… …… …… 89

Hình 5- 6: Mạch phối ghép Module phát với lưới điện.… …… …… 90

Hình 5- 7: Mạch phối ghép Module thu với lưới điện.… …… …… 91

Hình 5- 8: Mạch khuếch đại thu……… … …… …… 93

Hình 5- 9: Mạch giải điều chế FSK… ………….… … …… …… 94

Hình 5- 10: Mạch giải điều chế FM … … …….…….… … … 95

Hình 5- 11: Mạch điều khiển thu… … … …….…….… … … 96

Hình 5- 12: Sơ đồ nguyên lý module phát….…….…….… … … 98

Hình 5- 13: Sơ đồ nguyên lý module thu….…….…….… … … 100

Trang 12

để thực hiện các công việc tự động Các thiết bị phụ trợ số cá nhân PDA (Personal Digital Assistant), điện thoại thông minh, và hộp set-top box đang tạo ra các đặc tính và khả năng mới Thiết bị thông minh có khả năng điều khiển các thiết bị điện

tử trong nhà như: tủ lạnh, đèn, quạt, interner, lò vi sóng, các thiết bị âm thanh – hình ảnh,… và các hệ thống bảo vệ trong nhà Để thực hiện được các nhiệm vụ này các thiết bị thông minh và thiết bị điện tử cho gia đình phải có khả năng nối mạng

và kết nối toàn cầu Vì thế công nghệ truyền thông trên mạng lưới điện đang được mọi người chú ý và phát triển nó để đáp ứng mọi nhu cầu của xã hội

và điều khiển thiết bị sử dụng truyền tải trên đường dây điện“ Nội dung luận

văn gồm các phần cơ bản như sau:

- Chương I - Tổng quan về PLC (Power line communication)

- Chương II - Cấu trúc hệ thống PLC

- Chương III - Một số vấn đề trong truyền thông PLC

- Chương IV - kết nối với lưới điện và phương pháp điều chế

- chương V - thiết kế hệ thống truyền tín hiệu vμ điều khiển trên đường dây điện

Sau gần một năm được sự hướng tận tình dẫn của các Thầy cô trong bộ môn

Thị Ngọc Yến, luận văn của em đã hoàn thiện Do thời gian thực hiện luậ văn có

hạn và khả năng còn hạn chế, luận văn em thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót Em mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Thầy cô và các bạn

Hà nội, ngày…… thỏng… năm 2010

Trang 13

Chương I - Tổng quan về PLC 1.1 Giới thiệu về PLC

Powerline communication (PLC) là kỹ thuật truyền tin sử dụng mạng điện sẵn có làm môi trường truyền dẫn PLC còn được gọi là Broadband over Powerline (BPL), nó cung cấp dịch vụ truy cập internet băng rộng đến tận nhà bằng việc sử dụng các phương pháp điều chế số trên dải tần còn lại của đường dây điện

Công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin Với việc sử dụng các đường dây truyền tải điện

để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho phép kết hợp các dịch vụ truyền tin và năng lượng Trước đây, những thành tựu của khoa khọc kỹ thuật từ những năm 50 của thế

kỷ 20 đã cho phép sử dụng đường dây điện lực để truyền các tín hiệu đo lường, giám sát, điều khiển Cùng với tốc độ phát triển nhanh chóng của các công nghệ khác trong kĩnh vực viễn thông và công nghệ thông tin, hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung cấp dịch vụ truyền tải điện kết hợp với truyền dữ liệu trực tiếp tới người

sử dụng

Công nghệ truyền thông PLC sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư Để có thể truyền thông tin qua phương tiện truyền dẫn là đường dây điện, cần phải có các thiết

bị đầu cuối là PLC modem, các modem này có chức năng biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thông truyền như máy tính, điện thoại sang một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện Hiện nay, công nghệ PLC được sử dụng cho các ứng dụng thương mại trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hóa,…Các ứng dụng truyền tin dựa trên PLC hiện đang còn nhiều tiềm năng cần được tiếp tục khai phá

Mạng đường dây điện hạ thế có thể sử dụng như một hệ thống truyền thông Mạng gồm nhiều kênh, mỗi kênh là một đường truyền vật lý nối giữa trạm con và hộ dân, có đặc tính và chất lượng kênh truyền khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian Tín hiệu được truyền trên sóng điện xoay chiều 50Hz sau đó có thể được trích

ra bởi một connector kết nối vào đường dây

Trang 14

Tùy theo từng nước, tổ chức, khái niệm truyền thông tin trên đường dây điện có thể tìm với các từ khóa:

- PLC (Powerline Communication/Powerline Carrier)

- CPL (Courants porteur en ligne)

Trang 15

Năm 1997 những thử nghiệm truyền thông tin trên đường dây điện theo 2 hướng đã được thực hiện

Năm 1998 hãng Nortel Network bắt tay vào việc phát triển và đưa ra thị trường kỹ thuật Digital Power Line (DPL) Kỹ thuật này được dùng để kết nối một mạng truyền thông giữa 35 triệu gia đình ở 7 nước Châu âu và Châu á Kỹ thuật này cho phép kết nối nhanh chóng thông qua mạng lưới phân phối điện Kỹ thuật này đã cung cấp giải pháp kinh tế cho những gia đình, các công ty nhỏ muốn thực hiện kết nối mạng

Tháng 3 năm 2000, có liên minh của các tập đoàn công nghiệp lớn nhất, nhất

là việc giới thiệu các tiêu chuẩn kỹ thuật, sản phẩm điện để cài đặt, ứng dụng PLC Trong những tập đoàn công nghiệp đó, ta có thể điểm tên như EDF, France Telecom, Motorola, Sony, ST&T, sự liên minh này tạo ra tiêu chuẩn kỹ thuật HomePlug 1.0 vào thánh 6 năm 2000

Cũng năm 2000, ta có thể thấy sự ra đời PLCForm với mục đích là khuyến khích phát triển PLC ở Châu Âu Các tổ chức tương tự như PLCA, do vậy năm 2001

để khuyến khích phát triển PLC ở Bắc Mỹ, hàng loạt thử nghiệm đã được thực hiện

ở quy mô lớn ở Fribourg (Suisse) vào năm 2001 dưới sự điều khiển của OFCOM ()

Một thử nghiệm lớn khác cũng được thử nghiệm là Saragosse vào năm 2002 với quy mô là trên 300 ngôi nhà

Tháng 2 năm 2004, ủy ban Châu Âu ra dự án Opera (Open PLC European Research Alliance) trong 4 năm với ngân sách là 20 triệu Euro

1.3 Tính kinh tế

Mạng lưới đường đã được xây dựng nên có lợi thế về chi phí đầu tư cơ bản, cơ sở hạ tầng đường dây điện đã có sẵn, nên có thể cho phép cạnh tranh với giá giẻ hơn các kỹ thuật truy nhập viễn thông nội vùng khác (thường có yêu cầu vốn đầu tư lớn)

Mạng điện hạ thế có thể được dùng để thiết lập một cơ sở hạ tầng mạng có sẵn cho hàng triệu khách hàng, doanh nghiệp riêng biệt trên toàn thế giới, có đường dẫn tới tận các ổ cắm điện phục vụ cho cả thiết bi gia đình và thiết bị điện công nghiệp

Trang 16

Mạng lưới điện có mặt ở hầu khắp nơi

PLC có thể cung cấp khả năng truy nhập tốc độ cao, tốc độ truyền thông đã

User dedication

Bảng 1.1: Băng tần truyền thông PLC theo tiêu chuẩn châu Âu

Theo tiêu chuẩn này, băng tần dành cho truyền thông PLC chỉ đáp ứng được việc truyền một vài kênh thoại hoặc dữ liệu đến vài chục Kbit/s Tốc độ dữ liệu thấp này chỉ phù hợp với các ứng dụng đo đạc trong ngành điện (quản lý tải cho mạng điện, truyền dữ liệu đo đếm công tơ….) chứ không phù hợp với các ứng dụng viễn thông yêu cầu tốc độ cao (trên 2Mbit/s) Để có khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao, phổ tần dành cho PLC phải là băng tần rộng (lên đến 30MHz)

Với các ứng dụng indoor, thông lượng trung bình là 14Mbps

Tốc độ truyền tin càng ngày càng tăng do sự phát triển của công nghệ, khoa học kỹ thuật Vào năm 1998, tốc độ là 0,4Mbps, đến năm 2001 là 2Mbps về mặt lý thuyết Tốc độ phụ thuộc vào kiểu ứng dụng cụ thể, với các ứng dụng đơn giản, chỉ là gửi lệnh điều khiển ON/OF, tốc độ không cần cao (điển hình các sản phẩm của X10) Với kết nối mạng LAN, yêu cầu tốc độ cao Tùy vào sản phẩm lên đến 45 – 224Mbps

Trang 17

Ví dụ như hãng SpidCom, thông qua công nghệ FLIP (FlexIble Powerline) đã thử nghiệm với tốc độ 224Mbps

Tốc độ phụ thuộc vào các yếu tố:

- Khoảng cách giữa máy phát điện và máy biến thế

- Số lượng người sử dụng kết nối vào mạng

- Kiến trúc là “indoor” hay “outdoor”

- Số lượng bộ lặp được cài đặt giữa máy biến thế và máy phát

- Kiểu ứng dụng cụ thể

1.5 Phạm vi ứng dụng

1.5.1 ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát

Hình 1-1: ứng dụng PLC trong quản lý điện

công tơ sẽ được truyền về trung tâm, như thế việc quản lý vμ thu thập số liệu sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với cách lμm truyền thống lμ phải cử người đến từng công tơ

một cách hợp lý hơn

1.5.2 Truyền thông đ ường dμi tốc độ cao

Với ứng dụng công nghệ PLC thì việc truyền thông tin đường dμi, ngoμi

cao Tuy có sự suy hao lớn do bức xạ ra ngoμi không gian nên tầm xa bị hạn chế

Trang 18

chục KV đến hμng trăm KV đều có sẵn ở mọi nơi

1.5.3 Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC

Hình 1-2: Mạng thông tin PLC

đường điện lưới

1.5.4 ứng dụng trong gia đình -

Intelligent home

Hình 1-3: Mô hình ứng dụng

PLC trong gia đình – Intelligent

home

Đó lμ ý tưởng cho một căn nhμ hiện đại

tự động hoμn toμn với các thiết bị điện

Trang 19

thế, các thiết bị điện còn có thể tự động gửi thông tin (nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng quá tải) đến một máy chủ trong nhμ để người sử dụng có thể dễ dμng biết được tình trạng của toμn bộ các thiết bị Ta có thể thấy rõ rμng rằng, nếu không sử dụng công

phức tạp

1.6 Phân loại

1.6.1 Phân loại theo mức điện áp

Mức điện áp thấp: Đây lμ mức điện áp thực sự được cấp đến từng nhμ khách hμng, phạm vi được các nhμ viễn thông quan tâm nhất

Mức điện áp trung bình: Nói chung lμ mức điện áp từ 6.6kV đến 30 kV,

đường dây trung thế cấp điện đến các trạm biến áp

Vì thực thế truyền dẫn tín hiệu trên lưới điện thế thấp thực hiện trực tiếp trên mạng mμ phần lớn các thiết bị điện vận hμnh, tạp âm vμ méo trên những mạng nμy

sẽ rất cao Mặt khác các đặc tính vật lý trên mạng nμy thay đổi theo mỗi tải được

phục những vấn đề vật lý như vậy

1.6.2 Phân loại theo tốc độ bit

PLC băng hẹp – tốc độ bit thấp: ứng dụng PLC đầu tiên được dμnh cho phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng Phạm vi nμy chỉ yêu cầu tốc độ bit thấp Vì lý do đó vμ vì lý do quy định, người ta đã xác định dải tần có thể dùng cho yêu cầu tự động trong nhμ vμ trong lĩnh vực cung cấp điện năng Dải tần đó nằm trong khoảng từ 3kHz đến 148.5 Hz (Tiêu chuẩn CENELEC - châu Âu) hoặc từ

3 kHz đến 450 Hz (Tiêu chuẩn ở Mỹ vμ Nhật)

PLC băng rộng – tốc độ cao: Vì dải tần được quy định bởi CENELEC chỉ

được thực hiện Vấn đề chính của dải tần nμy lμ tín hiệu tần số cao đặt trên dây dẫn

Trang 20

sẽ suy hao lớn Dải tần MHz cũng xung đột với tấn số dùng cho các dịch vụ khác

Hiện nay một số hãng phát triển công nghệ (Mitsubishi, DS2, Main.net) đề nghị phân chia băng tần 0 – 30 MHz lμm 3 đoạn dùng cho 4 liên kết (4 link)

đình; link 3 dùng cho mục đích dự trữ Thực tế Mitsubishi vμ DS2 đã cho thương

link 4) Tuy nhiên những đề nghị nμy chưa được xem xét thμnh chuẩn chung

1.6.3 Phân loại theo phạm vi

PLIC (Power line Indoor Telecoms) Đây chính là công nghệ sử dụng trong nhà, tức là chúng ta có thể sử dụng mạng lưới điện trong nhà để thiết lập một mạng trao đổi thông tin giữa các thiết bị dùng trong nhà với nhau

Hình 1-4: PLC Indoor

PLOC (Power line Outdoor Telecoms) Đây là kỹ thuật PLC sử dụng để trao

đổi thông tin giữa các trạm điện với nhau và với mạng gia đình BPL chính là ứng

Trang 21

Luận văn Thạc sĩ Khoa học GVHD: PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến dụng PLOC có khả năng cung cấp cho người sử dụng khả năng truy cập Internet băng rộng với tốc độ vượt trội vo với ADSL (40Mbps) Một số ứng dụng như: Hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông; hệ thống điều khiển hệ thống chiếu sáng trên đường quốc lộ; Hệ thống thu thập số liệu,

Hình 1-5: PLC Outdoor 1.7 Giới thiệu một số modem PLC

1.7.1 Modem truyền số liệu ST7538

Modem ST5738 có chức năng truyền số liệu với tốc độ thấp (1200, 2400,

4800 baud) Sử dụng điều chế FSK ở dải tần 132 kHz, với phạm vi hoạt động tới

1.7.2 Modem tốc độ cao 45 Mbps

không dây của tập đoμn Sumitomo Electric (Nhật Bản) Với sự tiến bộ cho việc sử

khoảng cách thời gian Tác giả đã đánh giá rằng sự hữu ích của công nghệ OFDM

Bởi vì nguyên mẫu modem lμ cơ sở trên một phạm vi có thể lập trình cổng

Trang 22

Luận văn Thạc sĩ Khoa học GVHD: PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến nghiệm sẽ phải có kết quả đặc biệt lμ sử dụng các vi mạch tích hợp cao (IC) để giảm

cùng lúc Cũng vμo năm 2000, các nhμ sản xuất Chip cũng đưa ra vi mạch phục vụ

với modem đầu tiên của Sumitomo Electric, bao gồm cả điều chế vμ truy nhập hệ thống dù rằng chỉ có modem tại cấp độ FPGA Sumitomo Electric vì thế đã quyết

định sử dụng chip từ DS2 để phát triển modem thực nghiệm

Sự phát triển của modem 45Mbps

Tốc độ truyền dẫn của modem nμy tối đa lμ 45 Mbps (luồng lên 18 Mbps, luồng xuống: 27 Mbps) Sự truyền thông tốc độ cao khoảng 10 Mbps hoặc hơn trong luồng

ENDESA có trụ sở ở thμnh phố Zaragoza, thiết bị đã được đưa tới đó để tiến hμnh kiểm nghiệm

bằng cách đó thực hiện trong môi trường thực tế

Trang 23

Chi tiết kỹ thuật của Modem PLC 45 Mbps

cuối (HE), vμ bộ lặp (RE) HE đ−ợc thiết kế có thể cμi đặt chuyển mạch Gigatbit Ethernet (2-port, Sx hoặc Lx) nên theo kiểu mạng thông vòng hay thông luồng, có

mμ có thể cung cấp năng l−ợng trong 2h khi mất điện Chi tiết cơ bản đ−ợc cho trong bảng

13.8 MHz to 22.8 MHz (Link2)

Mbps)

(HE: Gigabit-Ethernet is available (as option))

Trang 24

Battery box: W223 H301 D250 mm (as option)

B¶ng 1-2: §Æc tÝnh kü thuËt cña Modem PLC 45 Mbps

1 x Electrical Power plugs

1 x RJ45 for 10/100 Ethernet (AutoMDI/MDI-X)

LEDs: Power, Link status, PowerLine Status

Trang 25

LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc GVHD: PGS-TS Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn Co-exists with existing 14Mbps HomePlug 1.0 and 85Mbps Turbo

HomePlug 1.0

Security

128-bit AES Encryption with key management for secure powerline

communications (Utilise Windows 98SE, 2000, ME, XP to enable

Switch Mode 100V-240V Supply for Europe and UK plugs

Physical and Environmental

Temperature (Operating): 0~35°C

Temperature (Storage): -10~65°C

Humidity (Operating): 30% - 80% RH, no condensation

Humidity (Storage): 30% - 95% RH, no condensation

Weight: Approx 155g

Dimensions (W x H x D): Plastic housing 92 mm x 66 mm x 45 mm

Continuous Current Consumption: 6W (approximately)

- S¶n phÈm cña h·ng Zyxel

http://www.zyxel.com

Zyxel PLA-400 Powerline Ethernet Adapter

Trang 26

Part Number: PLA400

Also known as PLA-400

PLA-400 - Seller Information

Manufacturer Website

Frequency Band/Bandwidth: 2 MHz to 30 MHz

Trang 27

Luận văn Thạc sĩ Khoa học GVHD: PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến http://www.devolo.fr/fr_FR/index.html

Devolo dLan 200 AV 200 MBit/s

 Khả năng mở rộng : Mạng phải có khả năng phát triển và mở rộng trên cơ sở khách hàng, kết quả đánh giá đầu tư và nhằm giảm rủi ro trong quá trình nâng cấp mạng

 Dễ dàng mở rộng lên băng thông cao hơn

 Mạng phải có khả năng cho phép mở rộng từ băng thông hiện tại lên băng thông

co hơn trong tương lai mà không cần nâng cấp mạng

Băng tần từ 3 – 9 kHz dành cho nhà cung cấp điện lực

Trang 28

Băng tần A (9 – 95 kHz) dành cho việc trao đổi thông tin giữa khách hàng và nhà

cung cấp

Kiến trúc đa của băng tần A là:

5V ở 9kHz cho tới CENELEC EN50065

Các đặc tính tối 1V ở 45 kHz cho việc sử dụng băng hẹp

5V dùng cho băng thông rộng với 0,75V max đến 200Hz

Biên độ tín hiệu là 0,63V đối với băng tần B, C và D

Băng tần B (95 – 125kHz ) được dùng cho khách hàng tuy nhiên không có giao

thức truy nhập nên có thể coi băng này là băng thông tin tự do

Băng tần C (125 – 140kHz) dành khách hàng sử dụng giao thức truy nhập, sử

dụng giao thức CSMA (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect: Điều chế sóng mang đa truy cập có phát hiện xung đột)

Băng tần D (140 – 148.5kHz) dùng cho người dùng cuối cùng

- Tiêu chuẩn EIA CE Bus (Bắc Mỹ):

Hệ thống CE truyền dẫn sóng mang trong dải tần số 100 – 400kHz và nó có tốc độ baud – rate maximum tại 6,6baud Nó sử dụng loại điều chế Chirp cho PLC

PLC được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau:

+ Điện

+ Truyền thông

+ Tương tác điện từ

Vì vậy các vấn đề chuẩn hóa là vô cùng phức tạp, và do đó, sự thành lập của tổ chức

“Homeplug Power Aliance” để đưa ra những chuẩn cần thiết cho công nghệ này Tổ chức này đã đưa ra chuẩn Homeplug V1.0.1 và thường được gọi ngắn là

“Homeplug” Mới đây, với sự phát triển khoa học kỹ thuật và sự quan tâm ngày càng nhiều của các tổ chức, một chuẩn hóa mới là sự phát triển tiếp của Homeplug

là Homeplug AV

Trang 29

Chương II - Cấu trúc hệ thống PLC 2.1 Cấu trúc hệ thống

Cấu trúc mạng truy nhập PLC dựa trên mạng lưới truyền tải và cung cấp điện hạ thế (lưới hạ thế kết nối với lưới điện trung thế và cao thế thông qua các máy biến

áp như Hình 2.1) Mạng truy nhập PLC kết nối với mạng diện rộng WAN thông qua các trạm gốc đặt tại vị trí các máy biến thế Các thuê bao PLC kết nối với các trạm gốc thông qua các modem PLC đặt tại vị trí các công tơ đo đếm điện (sử dụng các công nghệ truy nhập khác kết nối tới các modem này như DSL hay WLAN) hoặc các ổ cắm điện trong nhà

Hình 2.1 Cấu trúc một mạng truy nhập PLC

Mạng truy nhập PLC dựa trên mạng lưới truyền tải và cung cấp điện hạ thế (lưới hạ thế kết nối với lưới điện trung thế và cao thế thông qua các máy biến áp) Mạng truy nhập PLC kết nối với mạng diện rộng WAN thông qua các trạm gốc đặt tại vị trí các máy biến thế Các thuê bao PLC kết nối với các trạm gốc thông qua modem PLC đặt tại vị trí công tơ đo đếm điện (sử dụng các công nghệ truy nhập khác kết nối tới các modem này như DSL hay WLAN) hoặc qua ổ cắm điện trong nhà

Mạng PLC trong nhà sử dụng điện trong nhà làm phương tiện truyền dẫn (Hình 2.2), để kết nối các thiết bị sử dụng trong nhà như máy tính, điện thoại, máy

in và thiết bị video, gọi là hệ thống mạng PLC LAN Như vậy đã tránh được việc lắp

đặt các mạng cáp mới tốn kém chi phí Về cấu trúc, mạng PLC trong nhà không

Trang 30

Luận văn Thạc sĩ Khoa học GVHD: PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến khác nhiều so với cấu trúc mạng truy nhập PLC sử dụng lưới điện hạ thế Trong cấu trúc này, có một trạm gốc PLC (BS) đặt tại vị trí công tơ điện để kết nối với mạng PLC backbone Các thiết bị trong nhà kết nối với trạm gốc thông qua các modem PLC đặt tại các ổ cắm điện Mạng PLC trong nhà không chỉ có thể kết nối đến trạm truy nhập sử dụng công nghệ PLC mà còn có thể kết nối đến các mạng truy nhập khác

Hình 2.2 Cấu trúc mạng PLC trong nhà

2.2 Các phần tử mạng PLC

2.2.1 Các phần tử mạng cơ bản

Chức năng cơ bản của các phần tử này là chuyển đổi và thu/phát tín hiệu từ các thiết

bị viễn thông sang dạng phù hợp để truyền trên đường dây điện

Modem PLC: Dùng để liên kết các thiết bị người sử dụng (NSD) (máy tính, điện

thoại, ) với đường dây điện Giao diện của PLC với thiết bị phía NSD có thể là Ethernet hoặc USB Modem PLC ngoài chức năng chuyển đổi tín hiệu, còn có vai trò là bộ phối hợp trở kháng, bộ lọc tách tín hiệu điện (tần số 50 hoặc 60Hz) và tín hiệu thông tin (tần số trên 9kHz)

Modem PLC không chỉ thực hiện được tất cả các chức năng lớp vật lý (Physical layer) như mã hóa, điều chế mà còn thực hiện các chức năng lớp Data link (MAC và LLC) trong mô hình tham chiếu OSI

Trạm gốc PLC: Có chức năng kết nối mạng truy nhập PLC với mạng Backbone Các giao diện kết nối với mạng backbone có thể là SDH, XDSL, hoặc WLL

Trang 31

2.2.2 Trạm lặp

Trong trường hợp khoảng cách giữa các modem PLC với trạm gốc là rất xa, cần sử dụng các bộ lặp tín hiệu (repeater) Các bộ lặp này có chức năng khuếch đại tín hiệu Tùy theo phương pháp điều chế sử dụng, các bộ lặp có chức năng điều chế/giải điều

chế hoặc thực hiện cả chức năng ở lớp mạng cao hơn

Hình 2.3: Mạng PLC sử dụng trạm lặp

Nhìn Hình 2.3 ta có thể thấy, sau mỗi trạm lặp, tín hiệu sẽ được truyền trên một tần

số mới Tuy nhiên, băng tần dành cho PLC lại rất hạn chế (xấp xỉ 30MHz) đòi hỏi việc quy hoạch trong sử dụng băng tần Hơn nữa, khi tăng số trạm lặp, băng thông giảm sẽ giảm dung lượng của mạng

2.2.3 PLC gateway

Các thuê bao có thể kết nối vào mạng truy nhập PLC bằng hai cách:

- Kết nối trực tiếp hoặc kết nối gián tiếp qua PLC gateway (Hình 2.4)

Hình 2.4: Thuê bao PLC kết nối trực tiếp

Trang 32

Luận văn Thạc sĩ Khoa học GVHD: PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến Gateay dùng để phân chia mạng truy nhập PLC và mạng PLC trong nhà PLC gateway đóng vai trò như một trạm gốc PLC, có chức năng điều khiển các modem PLC trong nhà và đóng vai trò như một trạm lặp tín hiệu, kết nối các PLC này với mạng truy nhập PLC (Hình 2.5) Như vậy, một mạng PLC có thể chia thành nhiều mạng nhỏ sử dụng cùng một đường truyền vật lý (cùng cấp hạ áp), như Hình 2.6 Cả hai gateway G này hoạt động như các bộ lặp PLC để chuyển đổi giữa các tần số f1

và f2, f3 và f4 Hơn nữa, các PLC trong sơ đồ này cũng hoạt động như những bộ

điều khiển của các mạng con (II, III)

Hình 2.6: Gateway trong mạng truy nhập PLC

Tương tự như việc sử dụng repeater, sử dụng càng nhiều Gateway, dung lượng mạng PLC càng giảm

2.3 Kết nối đến mạng lõi và quản lý mạng truy nhập PLC

2.3.1 Các mô hình kết nối

Việc kết nối mạng truy nhập PLC đến mạng lõi có thể bằng nhiều hình thức như:

- Sử dụng hạ tầng quang hoặc mạng cáp có sẵn có

Trang 33

- Sử dụng các mạng wireless như WIMAX, WLL,

- ứng dụng công nghệ PLC trên mạng lưới truyền tải điện trung thế

Các mô hình kết nối mạng truy nhập đến mạng lõi (Hình 2.7)

Trang 34

2.3.2 Quản lý mạng truy nhập PLC

Do đặc điểm của mạng PLC là phân bố rộng, nên việc tối ưu hệ thống quản lý mạng

là vô cùng quan trọng Quản lý mạng truy nhập PLC bao gồm việc quản lý cấu hình các phần tử mạng Các chức năng quản lý có thể được thực hiện on-site hay quản lý

từ xa

Hình 2.8: Quản lý mạng PLC

Như vậy, việc ứng dụng công nghệ PLC vào mạng truy nhập viễn thông đem lại tiềm năng to lớn, hứa hẹn cung cấp các dịch vụ băng thông rộng, tốc độ cao, tiện dụng và chi phí hạ tầng được tiết kiệm tối đa

Trang 35

Chương III - Một số vấn đề trong

truyền thông PLC 3.1 Đặc tính kênh truyền đ −ờng cáp điện

dải tần, các sóng vô tuyến, các xung điện áp xuất phát từ các thiết bị điện… Ngoμi

rμng thấp hơn trở kháng của dây Một số loại tải có tính dung kháng, tuy trở kháng

đối với tín hiệu điện 50Hz lớn nh−ng lại lμ trở kháng nhỏ so với tín hiệu truyền dẫn tần số cao, do đó lμm suy giảm nghiêm trọng đến sự truyền dẫn tín hiệu của PLC

Trang 36

thông tin nội bộ

Hình 3-2: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện

3.2 Sự giới hạn băng thông

Như mô tả ở trên, bề rộng băng thông lμ tỷ lệ với tốc độ bit, vì thế một băng thông lớn lμ cần thiết trong truyền thông với tốc độ bit cao

ở châu âu, băng thông cho phép được quy định bởi tiêu chuẩn CENELEC,

Hình 3-3 trình bμy băng thông một cách chi tiết của tiêu chuẩn CENELEC

giới hạn cho các nhμ cung cấp năng lượng vμ 3 giới hạn kia dμnh cho tuỳ chọn của khách hμng cung cấp năng lượng Trong phần ghi chú thêm, chuẩn băng tần được

thống nhất cho phép về băng tần của PLC, đó lμ một giới hạn rất lớn ảnh hưởng đến

sự phát triển của PLC

Trang 37

Hình 3-3: Các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC

MHz Nếu khoảng tần số nμy đ−ợc sử dụng, nó có thể lμm tăng thêm rất lớn băng

vấn đề quan trọng lμ một phần của băng tần nμy đã đ−ợc phân cho hệ thống thông tin khác Những hệ thống thông tin khác sử dụng những băng tần cho phép nμy cũng

thông tin trong dải nμy lμ Radio, Radio nghiệp d− vμ hoa tiêu máy bay

3.2 Nhiễu trên đ −ờng cáp điện

cao hμng GHz mang lại Nguồn nhiễu sơ cấp của nhiễu trong khu vực dân c− lμ các thiết bị điện dân dụng: động cơ, đèn chiếu sáng, tivi… Ta có thể chia nhiễu thμnh các loại nh− sau:

3.2.1 Nhiễu tần số 50Hz

Trang 38

Nhiễu nμy xuất hiện đồng thời với sóng mang trên lưới điện, nó bao gồm tín hiệu tần số 50 Hz vμ các hμi của nó Tuy nhiên, do có tần số thấp nên nguồn nhiễu nμy chỉ có ảnh hưởng chút ít tới hoạt động của hệ thống Tần số lμm việc của hệ

3.2.2 Nhiễu xung đột biến

Hình3- 4: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn

sự phóng tia lửa điện tại chỗ tiếp xúc, bản thân tia lửa điện nμy lμ một nhiễu dải

3.2.3 Nhiễu xung tần ho μn

Trang 39

Hình 3-5 Nhiễu xung tuần hoàn Hầu hết nguồn gây nhiễu kiểu nay đều xuất phát từ các Triac điều khiển đèn điện

khác lμ nó sẽ lặp lại sau mỗi nửa chu kỳ (Hình 3-5)

3.2.4 Nhiễu xung kéo dμi

Hình 3-6: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi vμ phổ tần của nó

thiết bị điện (máy khoan, động cơ truyền lực, máy hut bụi vμ nhiều các thiết bị ứng

Trang 40

Luận văn Thạc sĩ Khoa học GVHD: PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến trong những nguyên nhân gây nhiễu trên, xuất hiện với tần số của chuỗi xung khoảng vμi kHz trở xuống (Hình 3-6)

3.2.5 Nhiễu chu kỳ không đồng bộ

Kiểu nhiễu nμy có đường phổ không tương quan với sóng sin 50Hz Việc

rất không ổn định, mức độ nhiễu thay đổi theo từng ngμy, từng giờ tuỳ theo việc sử

đó có nghĩa lμ tín hiệu sóng mang trong PLC sẽ ít bị ảnh hưởng của nhiễu hơn khi tần số được tăng lên

3.2.6 Nhiễu sóng radio

tuyến từ dải tần rất thấp cho đến rất cao Các dải sóng do các đμi phát thanh, phát

gây nhiễu rất đáng kể cho hệ thống thông tin PLC Thêm vμo đó khoảng tần số sử dụng ở PLC cũng bao gồm một khoảng dải tần đã cấp phép sử dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến, chính vì thề mμ các tần số cho radio đó nhiều khi rất gần tần số sử dụng của PLC

3.2.7 Nhiễu nền:

Đây lμ loại nhiễu mμ ta có thể thấy ở bất kì đâu trên lưới điện vμ đối với mọi

bị điện

3.3 Trở kháng đ ường truyền vμ sự phối hợp trở kháng

vμ máy thu phát 50 Ohm Mạng lưới điện sẽ không tương thích Cũng giống như

Định dạng
Số trang	117
Dung lượng	2,31 MB