NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TIN TRÊN LƯỚI ĐIỆN ĐỂ GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI ĐIỆN TRONG CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG
Hiện nay, lưới điện thông minh trở thành xu hướng và mục tiêu hướng tới của các công ty điện lực. Trong lưới điện này, tự động hóa các lưới điện trong tòa nhà, khu công sở nhằm tiết kiệm điện năng, sang bằng phụ tải, giảm thời gian mất điện, giảm nhân công… cần phải thực hiện. Để thực hiện các lệch đóng cắt một cách nhanh chóng và chính xác, vấn đề truyền tin đóng vai trò quan trọng. Có nhiều phương pháp truyền tin, trong đó truyền tin trên đường dây tải điện là hướng nghiên cứu của nhiều nhà khoa học.
Truyền tin trên dường dây tải điện sử dụng trên cơ sở hạ tầng có sẵn là hệ thống dây dẫn điện vì vậy dễ dàng triển khai trên diện rộng, không phụ thuộc nhiều vào địa hình. Tuy nhiên đứng về mặt đường truyền thì đường dây điện không phải được thiết kế để truyền tải thông tin, không đồng nhất về các chuẩn loại. Thông tin được gởi vào hệ thống điện có tần số lớn. Vì vậy, tín hiệu nhiễu trong phương pháp PLC rất cao. Mặc dù có nhiều phương pháp để khắc phục hai nhược điểm trên, nhưng các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng, PLC có thể ứng dụng cho các lĩnh vực sau: công tơ điện tử thông minh, truyền thông tin điều khiển các thiết bị điện trong nhà…
Đề tài này, nghiên cứu và thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển phụ tải điện trong các công trình dân dụng với mục đích:
- Thu thập dữ liệu từ các thiết bị điện.
- Đưa ra các tác động điều khiển thiết bị điện theo các mục đích sử dụng.
Nâng cao khả năng giám sát và điều khiển các thiết bị trong tòa nhà, từ đó tăng tính an toàn cũng như độ ổn định. Tiết kiệm chi phí đầu tư và thi công, lắp đặt thiết bị. Ngoài ra việc đo đếm, quản lý, điều khiển phụ tải hợp lý, thông minh sẽ đưa ra được giải pháp san đều điện năng một cách hợp lý giữa các giờ khác nhau trong ngày, nhằm giảm quá tải giờ cao điểm, nhưng vẫn đảm bảo tiện nghi cho người sử dụng.
– Nghiên cứu các hệ thống truyền tín hiệu điều khiển trong hệ thống điện.
– Tìm hiểu các phương pháp, tiêu chuẩn của PLC.
– Xây dựng mô hình lý thuyết (mô phỏng) hệ thống phát, truyền, nhận thông tin.
– Chế tạo mô hình thực nghiệm truyền tin PLC.
– Xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển một vài thiết bị tiêu thụ điện dân dụng.
Đề tài sẽ đi nghiên cứu một số nội dung chính như sau:
- Công nghệ PLC trên lưới điện hạ thế, sử dụng đường dây hạ thế.
- Điều chế tín hiệu PLC với các modul và mạch điện tử.
- Xây dựng mạch giao tiếp giữa thiết bị PLC với máy tính.
- Xây dựng phần mềm và cơ sở dữ liệu giám sát và điều khiển trên máy tính.
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
– Mô hình truyền tin trong hệ thống điện được nghiên cứu trong đề tài là mô hình thu, phát các tín hiệu liên quan đến điện năng tiêu thụ thông qua hệ thống điện trong tòa nhà.
– Hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện thông qua PLC.
b. Phạm vi nghiên cứu
– Đề tài tập trung chủ yếu xây dựng hệ thống truyền thông tin từ phụ tải về trung tâm (máy tính) về thông tin: công suất, dòng điện, điện áp. Các phụ tải nghiên cứu là các phụ tải dân dụng có công suất dưới 3 kW.
– Hệ thống truyền, nhận tín hiệu điều khiển để thao tác (ở đây chủ yếu là các tín hiệu đóng/cắt).
– Thử nghiệm ở tòa nhà thí nghiệm khoa Điện.
c. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực tiễn.
- Đánh giá kết quả trên mô hình lý thuyết và mô hình thí nghiệm thực.
- Đề xuất hướng áp dụng vào thực tế.
Chương 1: Tổng quan giám sát phụ tải điện
Chương 2: Tổng quan về truyền tin trên lưới điện PLC
Chương 3: Xây dựng mô hình truyền tin trên lưới điện
Chương 4: Xây dựng mô hình giám sát và điều khiển phụ tải điện trong các công trình dân dụng
TỔNG QUAN GIÁM SÁT PHỤ TẢI ĐIỆN
- TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT PHỤ TẢI ĐIỆN
- Nước ta đang trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa để từng bước bắt kịp các nước trong khu vực cũng như các nước trên thế giới về mọi mặt kinh tế, kỹ thuật và xã hội. Để đáp áp nhu cầu điện năng cung cấp cho các nhà máy, xí nghiệp, các tòa nhà cao tầng… là một điều cấp bách nhưng lượng điện năng sản xuất ra cũng chưa đáp ứng nhu cầu đó. Do vậy việc tiết kiệm điện năng là rất cần thiết, để tiết kiệm điện năng ta cần một hệ thống giám sát. Ngoài ra, việc hiện đại hóa ngành điện nói chung và hệ thống lưới điện dân dụng nói riêng cũng là nhu cầu cấp bách để phát triển cơ sở hạ tầng bắt kịp nhu cầu sử dụng cũng như sánh ngang các nước phát triển trong khu vực.
- Việc ứng dụng hệ thống giám sát để cải thiện việc phân phối điện được thể hiện như: thông số chế độ vận hành (điện áp, dòng điện, công suất, điện năng,…) được thu thập thông qua các thiết bị, và được hệ thống hoá, lưu trữ, hiển thị bằng các phần mềm mà dựa vào đó các chuyên gia có thể phân tích, dự báo và đưa ra các giải pháp cải thiện. Với hệ thống giám sát, các giải pháp này có thể được thử nghiệm khi triển khai và hiệu quả dễ dàng được kiểm chứng sau khi hoàn tất.
- 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI ĐIỂN
1.2.1. Công nghệ tần số vô tuyến RF (Radio Frequency)
Công nghệ tần số vô tuyến (RF) sử dụng không gian để lan truyền tín hiệu. Không gian bị chia sẻ bởi nhiều tần số phát sóng và phải áp dụng quy định về phần sử dụng riêng của mình do cơ quan chính phủ quản lý, trừ các tần số không bị kiểm soát, do đó có nguy cơ nhiễu loạn cao.
Đứng từ góc độ cơ sở hạ tầng, việc yêu cầu số lượng lớn các nút làm cho giải pháp này không kinh tế khi sử dụng ở các khu vực nông thôn, khu vực ít khách hàng và nằm rải rác trên một khu vực địa lý rộng lớn. Tại các khu vực có các tòa nhà cao tầng có thêm các nút xung quanh các tòa nhà.
1.2.2. Hệ thống tự động hóa quản lý và giám sát Scada
Scada là từ viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó không những là một hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống Scada là hệ thống tự động hóa, với chức năng quản lý và giám sát toàn bộ hệ thống điện của tòa nhà hay khu công nghiệp.
Hệ thống có ưu điểm là có tính ổn định và độ tin cậy cao, khả năng giám sát và điều khiển linh hoạt, phạm vi ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho hệ thống này rất lớn, yêu cầu xây dựng đường truyền tín hiệu riêng biệt, việc vận hành và quản lý hệ thống đòi hỏi nhân lực có trình độ cao.
1.2.3. Hệ thống điều khiển và quản lý BMS
BMS (Building Management System) là một hệ thống đồng bộ cho phép điều khiển và quản lý mọi hệ thống kỹ thuật trong toà nhà như hệ thống điện, hệ thống cung cấp nước sinh hoạt, điều hoà thông gió, cảnh báo môi trường, an ninh, báo cháy – chữa cháy…, đảm bảo cho việc vận hành các thiết bị trong tòa nhà được chính xác, kịp thời.
Hệ thống này có những ưu điểm là đơn giản hóa quá trình giám sát và điều khiển, tác động nhanh và chính xác, dễ dàng nâng cấp và mở rộng. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị và phần mềm quản lý là rất lớn, cần xây dựng đường truyền riêng, yêu cầu đội ngũ vận hành chuyên nghiệp được đào tạo chuyên sâu.
1.2.4. Công nghệ truyền tin qua mạng lưới dây dẫn điện (PLC: Power Line Communication)
Công nghệ truyền thông PLC sử dụng hệ thống truyền tin hữu tuyến, nhưng thay vì phải xây dựng đường truyền riêng biệt, thì hệ thống 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.
+ Các modem PLC cho phép nhận và gửi các tín hiệu thông tin trên lưới điện phân phối trong phạm vi nhất định. Như vậy, toàn bộ mạng điện trong phạm vi lưới điện phân phối đó sẽ trở thành một mạng LAN truy cập nội bộ.
+ Có thể cung cấp đường truyền tín hiệu băng thông rộng thay cho đường cáp mạng thông thường.
+ 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 200Mbps 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. Đây là một giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết vấn đề nút cổ chai tại giai đoạn cuối đối với các dịch vụ băng thông rộng tới hộ gia đình.
+ 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.
– Nhược điểm:
Hệ thống PLC chỉ có một nhược điểm chính đó là suy hao tín hiệu trên đường dây điện là rất lớn và nhiễu về tần số. Để khắc phục vấn đề này ta có thể thêm các thiết bị Repeater để khôi phục tín hiệu và chia băng tần sử dụng ra làm nhiều Model khác nhau để tránh nhiễu các băng tần với nhau.
Công nghệ PLC cho phép mở ra một phương tiện truyền dẫn mới có những ưu điểm đặc biệt so với những công nghệ truyền thống. 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.
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TIN TRONG LƯỚI ĐIỆN PLC
Một hệ thống truyền tin trong mạng lưới điện PLC gồm các thành phần ghi nhận thông tin, truyền thông tin đến các phần còn lại cũng như nhận thông tin từ các phần khác để xử lý thông tin.
2.1.1. Nguyên lý cơ bản của truyền tín hiệu
Ghép và tách tín hiệu ra khỏi lưới điện
2.1.2. Phân tích đường truyền
Môi trường hoạt động là một vấn đề đối với bất kỳ một hệ thống thông tin nào. Lưới điện là một môi trường vô cùng phức tạp với rất nhiều các loại tín hiệu khác nhau cùng tồn tại như tín hiệu xoay chiều 220V – 50Hz, các loại nhiễu trên mọi dải tần, các sóng vô tuyến, các xung điện áp xuất phát từ các thiết bị điện.
Một vấn đề lớn khác ảnh hưởng đến việc truyền thông trên đường cáp điện là sự suy hao. Đối với sóng tần số cao truyền trên lưới điện thì sự suy hao là rất lớn, lớn hơn so với các hệ thống thông tin khác như thông tin vô tuyến, cáp, cáp quang…
Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn, dòng điện cao tần chạy trên lưới điện sẽ phát xạ liên tục ở mọi thời điểm, nhất là những đoạn dây điện có điều kiện bức xạ tốt.
Các khối xử lý trong hệ thống PLC sẽ điều chế và gửi thông tin và sóng mang. Sóng mang sẽ được truyền trong lưới điện song song với nguồn điện lưới.
Khi các khối thu nhận trong mạng PLC bắt gặp được sóng mang này, nó sẽ tiến hành tách tín hiệu sóng mang ra khỏi lưới điện, giải mã để xử lý các gói thông tin chứa trong sóng mang đó.
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2015\KY THUAT DIEN\NGUYEN VAN THAI
