Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ thống đọc công tơ điện từ xa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN

THÔNG QUA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN LỰC

ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỌC

CÔNG TƠ ĐIỆN TỪ XA

BÙI TRỌNG TUẤN

Thái Nguyên, 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN

THÔNG QUA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN LỰC

ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỌC

CÔNG TƠ ĐIỆN TỪ XA

Ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 605270

Học viên: Bùi Trọng Tuấn

Người HD khoa học: PGS. TS. Nguyễn Hữu Công

Thái Nguyên, 2010

Trang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Bùi Trọng Tuấn

Lớp: Cao học - K11

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Ngày giao đề tài: 20 tháng 01 năm 2010.

Ngày hoàn thành: … tháng … năm 2010.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Hữu Công

HỌC VIÊN

Bùi Trọng Tuấn

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

Trang ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết

quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi,

luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trước

đó.

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 8 năm 2010

Tác giả luận văn

Bùi Trọng Tuấn

Trang iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận

tình của các thầy cô giáo và tôi đặc biệt muốn cảm ơn Thầy giáo PGS. TS. Nguyễn

Hữu Công, Trưởng khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp- Đại học

Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài,

cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.

Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn

nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự

đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp.

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Bùi Trọng Tuấn

Trang iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI NÓI ĐẦU

Điện lực là ngành xương sống của xã hội hiện đại. Điện quyết định cho công

cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước. Điện là thành phần khẩn yếu cho

sự tăng trưởng kinh tế cho mỗi quốc gia. Ngoài việc cung cấp năng lượng, đường

dây điện còn được sử dụng như một kênh truyền thông và được ứng dụng làm môi

trường để giám sát, điều khiển các thiết bị điện gần cũng như từ xa.

Chính vì vậy, việc tìm hiểu các đặc tính, phát huy các ưu điểm và khắc phục

các nhược điểm của đường truyền thông điện lực, nhằm tiến tới xây dựng một mạng

lưới viễn thông qua đường dây điện lực là một yêu cầu cấp thiêt. Để từ đó ta có thể

ứng dụng để giám sát và điều khiển các thiết bị điện thông qua đường dây điện lực,

thực hiện các giải pháp cho nhà thông minh và đặc biệt là triển khai ứng dụng đọc

công tơ từ xa truyền thông ngay trên đường truyền điện lực.

Được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Hữu

Công cùng các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - Trường đại học kỹ thuật công

nghiệp Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung:

“Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ

thống đọc công tơ điện từ xa”. Đề tài gồm các nội dung chính như sau:

Chương 1: Hệ thống tự động đọc công tơ từ xa AMR – Chương này đưa ra

các khái niệm cơ bản về hệ thống tự động đọc công tơ từ xa; Các phương pháp

truyền thông khác nhau nhằm xây dựng hệ thống và đặc biệt là phương pháp truyền

thông qua đường điện (PLC). Trên cơ sở đó nội dung chương cũng cập nhật các

thành tựu đạt được trên thế giới về AMR-PLC, phân tích rõ hệ thống ColectricTM

là hệ thống đã được triển khai nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam.

Chương 2: Tổng quan về công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý cơ bản và

sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của

PLC; Phân tích rõ đặc điểm của kênh truyền điện lực với các yếu tố nhiễu và suy

hao tác động. trên cơ sở đó chỉ ra những kỹ thuật cải tiến trên PLC như phối ghép

lưới điện, mã hóa và điều chế thông tin.

Chương 3: Thiết kế ứng dụng – Trên cơ sở các kiến thức có được từ chương

1 và 2 chương này ứng dụng vi điều khiển Pic thiết kế minh họa một hệ thống điều

khiển thiết bị và đọc công tơ từ xa đơn giản truyền thông 2 chiều trên đường dây

điện lực.

Trang v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Cuối cùng là những phân tích đánh giá nhằm rút ra kết luận và hướng phát

triển của đề tài.

Do đây là một đề tài còn mới, được hoàn thành trong một thời gian ngắn và

điều kiện tiếp cận để nghiên cứu, cùng với năng lực bản thân còn hạn chế nên có thể

chưa đề cập được hết các vấn đề liên quan đến đề tài một cách đầy đủ, sâu sắc và

cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu, trình bày.

Kính mong các thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đến nội dung của đề tài, góp ý

kiến để tôi có điều kiện tiếp thu và phát triển đề tài cũng như bổ xung thêm kiến

thức cho bản thân được đầy đủ, đúng đắn và để luận văn của tôi được hoàn thiện

hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên ngày 30 tháng 08 năm 2010

Người thực hiện

Bùi Trọng Tuấn

Trang vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Nội dung Trang

Thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Lời nói đầu iv

Mục lục vii

Danh mục các bảng biểu xii

Danh mục các hình vẽ xiii

Các thuật ngữ viết tắt xiv

CHƢƠNG 1 HỆ THỐNG ĐỌC CÔNG TƠ TỰ ĐỘNG TỪ XA AMR

(AUTOMATED METER READING SYSTEM)

1

1.1. Tổng quan hệ thống AMR 1

1.1.1. Lịch sử phát triển 1

1.1.1.1. Khái niệm AMR 1

1.1.1.2. Triển khai các hệ thống Smart IMS trên toàn thế giới 2

1.1.2. Kiến trúc chung của AMR 4

1.1.2.1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động 4

1.1.2.2. Các yêu cầu cần thiết cho hệ thống AMR 7

1.1.3. Các phần tử chính trong hệ thống AMR 10

1.1.3.1. Công tơ điện tử 10

1.1.3.2. Thiết bị giao tiếp truyền thông (Trong trạm biến áp) 10

1.1.3.3. Môi trƣờng truyền thông. 10

1.1.3.4. Thiết bị giao tiếp truyền thông (Trong trạm biến áp) 10

1.1.3.5. Máy tính với phần mềm điều khiển AMR 11

1.1.4. Lợi ích và những khó khăn khi triển khai công nghệ AMR 11

1.2. Phân loại các hệ thống AMR theo môi trƣờng truyền thông 13

1.2.1. Một số môi trƣờng truyền thông cho AMR 13

1.2.2. Các tiêu chí lựa chọn môi trƣờng truyền thộng cho AMR 14

1.2.2.1. Giá cả 14

1.2.2.2. Độ tin cậy của truyền thông 14

1.2.2.3. Chống can thiệp 14

1.2.2.4. Chống đƣợc ảnh hƣởng gây ra bởi môi trƣờng hay con ngƣời 14

Trang vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.2.2.5 Bảo mật 15

1.2.2.6 Giao tiếp dễ dàng 15

1.2.3. Triển khai AMR dựa trên mạng điện thoại công cộng (PSTN) 15

1.2.3.1. Băng thông của mạng điện thoại 16

1.2.3.2.Thiết bị giao tiếp truyền thông: Modem 16

1.2.3.3. AMR dựa trên PSTN . 16

1.2.3.4. Chia sẻ đƣờng dây thoại cho AMR 17

1.2.3.5. Các yêu cầu chú ý khi xây dựng AMR trên PSTN 17

1.2.4. Triển khai AMR thông qua truy nhập di động GSM 18

1.2.4.1. Kiến trúc mạng GSM 18

1.2.4.2. Trạm di động 19

1.2.4.3. Phân hệ trạm gốc 19

1.2.4.4. Phân hệ mạng 19

1.2.4.5.Giao tiếp truyền thông cho AMR trên GSM 20

1.2.4.6. Lợi ích của việc lắp đặt AMR qua GSM 21

1.2.5.AMR trên kênh vô tuyến công suất thấp (Low power Radio) 21

1.2.5.1. Sơ đồ khối hệ thống AMR dựa trên LPR 21

1.2.5.2. Nguyên lý hoạt động 22

1.2.5.3. Các mô hình hoạt động 22

1.2.5.4. Lợi ích của hệ thống AMR dựa tên LPR 23

1.2.6.AMR trên kênh vô tuyến công suất lớn (High power Radio) 23

1.2.7.AMR qua kênh truyền thông điện lực Power line communications 25

1.2.7.1. Sơ đồ khối cơ bản 25

1.2.7.2. Quá trình thu thập dữ liệu đo. 26

1.3. Hệ thống AMR qua đƣờng dây điện lực hạ thế CollectricTM 27

1.3.1 Giới thiệu Công nghệ 27

1.3.2. Bộ Tập Trung – Concentrator 28

1.3.3 Thiết bị phát từ xa một chiều – RTU 29

1.3.4 Thiết bị đo xa 2 chiều PRTU 30

1.3.5 . Máy tính cầm tay 31

1.3.6. Main Computer 32

1.3.7 Các thiết bị khác 32

1.3.7.1. Thiết bị Khuyếch Đại - Amplifier 32

Trang viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.3.7.2.Thiết bị Điều khiển tải - LC100MM 33

1.3.7.3. Đèn LED hiển thị 6 chữ số 0.1kWh (Lựa chọn). 34

1.3.7.4. Công tơ Điện tử 1 pha - RR1M 34

1.3.7.5.Công tơ Điện tử 3 Pha - RR3M 35

1.3.7.6.Thiết bị Hiển Thị Cầm Tay - Portable Display 36

1.4. Kết luận chƣơng 37

CHƢƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC

38

2.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC 38

2.1.1. Khái niệm PLC 38

2.1.2. Một số thành tựu đạt đƣợc của PLC 40

2.1.3. Phân loại công nghệ 41

2.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp 41

2.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít 41

2.1.3.3. Phân loai theo phạm vi 42

2.1.3.4. Phân loại theo phƣơng thức điều chế 42

2.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của HTTT trên đƣờng cáp điện lực. 43

2.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống 43

2.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống. 44

2.2.2.1. Khối cách ly (Power Line Isolation) 44

2.2.2.2. Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) 45

2.2.2.3. Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification) 45

2.2.1.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) 45

2.3. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC 45

2.3.1. Ứng dụng trong các HT quản lý, giám sát lƣới điện và đồng hồ. 46

2.3.2. Truyền thông đƣờng dài tốc độ cao 46

2.3.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC 46

2.3.4. Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home 47

2.4. Đặc tính kênh truyền đƣờng cáp điện 47

2.4.1. Sự giới hạn băng thông 49

2.4.2. Nhiễu trên đƣờng cáp điện 50

2.4.2.1. Nhiễu tần số 50Hz. 50

2.4.2.2. Nhiễu xung đột biến 50

Trang ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.4.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn 51

2.4.2.4. Nhiễu xung kéo dài 51

2.4.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ 52

2.4.2.6. Nhiễu sóng radio 52

2.4.2.7. Nhiễu nền 52

2.4.3. Trở kháng đƣờng truyền và sự phối hợp trở kháng 52

2.4.4. Suy hao trên lƣới điện 53

2.4.5. Hiện tƣợng sóng dừng 54

2.4.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu 54

2.4.7. Kết luận 55

2.5. Ghép nối với lƣới điện – xử lý tín hiệu 56

2.5.1. Mạch ghép tín hiệu 56

2.5.1.1. Mạch ghép dung kháng C 56

2.5.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C 58

2.5.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp 59

2.5.2. Các bộ lọc tƣơng tự 59

2.5.2.1. Mạch lọc RC 59

2.5.2.2. Mạch lọc LC 60

2.5.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác 61

2.6. Các phƣơng thức mã hóa 61

2.6.1 Mã xoắn 62

2.6.2. Mã Reed – Solomon 65

2.7. Các phƣơng thức điều chế tín hiệu 68

2.7.1.Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông. 68

2.7.2.Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK. 70

2.7.3.Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK 71

2.7.4.Điều chế PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK. 72

2.7.5.Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực. 72

2.7.5.1. Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu 72

2.7.5.2. Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu. 74

2.8. Kỹ thuật trải phổ 74

2.8.1. Trải phổ dãy trực tiếp 75

2.8.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK 75

Trang x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.8.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK 79

2.8.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) 81

2.9. Công nghệ OFDM 82

2.9.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM 82

2.9.2. Tính trực giao 83

2.9.3 Hệ thống OFDM 85

2.9.4. Chống nhiễu liên ký hiệu bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 87

2.10. Các giao thức truyền thông qua đƣờng dây điện lực 88

2.10.1. X10 88

2.10.2.Lonwork 89

2.10.3. CEBus 90

2.10.4. HomePlug 91

2.11. Kết luận chƣơng 92

CHƢƠNG 3

THIẾT KẾ ỨNG DỤNG

93

3.1. Tổng quan hệ thống 93

3.1.1 Giới thiệu 93

3.1.2. Modem truyền thông trên đƣờng dây điện 93

3.1.3. Bộ vi điều khiển PIC16F876 97

3.1.3.1. Các cổng vào ra (I/O) 98

3.1.3.2. Bộ thu phát đồng bộ/ không đồng bộ đa năng (USART) 100

3.1.3.3. Lựa chọn tốc độ Baud 100

3.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống 101

3.2.1 Hoạt động của hệ thống. 101

3.2.2. Phần mềm thi hành 103

3.2.2.1 Lập trình PIC16F876 103

3.2.2.2. Sơ đồ lập trình cho PIC16F876 104

3.2.3. Thiết kế phần cứng 105

3.2.3.1. Bộ vi điều khiển PIC16F876 105

3.2.3.2. Truyền thông nối tiếp 107

3.2.3.3 Mạch nạp PIC16F876 109

3.2.3.4. Modem Philips TDA5051A 110

3.2.3.5 Mạch ghép 111

Trang xi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.2.3.6 Khối cấp nguồn 111

3.2.3.7. Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad) 112

3.3. Các kết quả thu đƣợc 113

3.3.1 Giao thức mạng 113

3.3.2 . Khuôn dạng khung truyền dẫn 116

3.3.3 Giao diện đồ họa (GUI) 118

3.4. Kết luận chƣơng 119

Kết luận và kiến nghị 120

Tài liệu tham khảo 121

Phụ lục1 124

Phụ lục 2 130

Phụ lục 3 132

Trang vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Nội dung Trang

Bảng 1.1. Các tiêu chuẩn quốc tế cho công tơ điện tử của hệ thống AMR 9

Bảng 3.1. Mô tả các chân của TDA5051A 94

Bảng 3.2.Các thanh ghi kết hợp với PORTA 98

Bảng 3.3. Toàn bộ các thanh ghi được gán với PORTB 99

Bảng 3.4. Công thức tính tốc độ baud 101

Bảng 3.5. Tốc độ baud ở chế độ không đồng bộ 101

Bảng 3.6. Minh họa các từ mã 117

Trang xiii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Nội dung Trang

Hình 1.1. Nguyên lý cơ bản của quá trình truyền thông giữa một công ty

phân phối và khách hàng thông qua hệ thống AMR (Tele Tec. Co,

General description, 2009)

5

Hình 1.2. Phương thức truyền tải dữ liệu trong AMR 6

Hình 1.3. Định địa chỉ nhiều mức trong AMR 6

Hình 1.4. Đường cầu về điện của khách hàng 12

Hình 1.5. Đường cong yêu cầu thay đổi theo tải 12

Hình 1.6. Kiến trúc hệ thống AMR dựa trên PSTN 17

Hình 1.7. Kiến trúc mạng GSM 18

Hình 1.8. Nguyên lý hệ thổng AMR dựa trên kênh vô tuyến công suất lớn 23

Hình 1.9. Sơ đồ khối hệ thống AMR dựa trên PLC 26

Hình 1.10. Kiến trúc mạng AMR-PLC 27

Hình 1.11. Hệ thống AMR Collectric TM 28

Hình 1-12: Bộ Tập Trung 28

Hình 1-13: RTU 29

Hình 1-14: PRTU 30

Hình 1.15. Máy Tính Cầm Tay 31

Hình 1.16. Main Computer 32

Hình 1.17.Bộ Khuyếch Đại 32

Hình 1.18. Thiết bị Điều khiển tải - LC100MM 33

Hình 1.19. Công tơ Điện tử 1 pha - RR1M 34

Hình 1.20. Công tơ Điện tử 3 Pha - RR3M 35

Hình 1.21. Thiết bị hiển thị cầm tay 36

Hình 2.1. Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực 38

Hình 2.2. Truyền thông tin qua đường dây điện 39

Hình 2.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện 43