عملکرد قدرت الکتریکی در توزیع و انتقال برق
١-١- اهداف پروژه
مخابره و انتقال اطلاعات با بهر گیری از خطوط برق اعم از خطوط انتقال یا توزیع و نیز سیم کشی برق داخلی منازل را تحت عنوان مخابرات با حامل خط برق[1] قدرت الکتریکی می شناسیم.
امروزه با گسترش و تنوع محصولات الکتریکی و الکترونیکی و استفاده از شبکه های مخابراتی در ادارات همچنین در منازل، نیاز روز افزونی به ایجاد شبکه های مبتنی بر تکنیک های قابل اطمینان و همراه با پیاده‌سازی آسان و کم هزینه احساس می شود.
تکنیک مخابرة از طریق خطوط قدرت الکتریکی بنابر امکان پیاده سازی بر خطوط و کانالهای آماده و به ویژه در ساختمان های پیش ساخته یکی از گزینه های موثر و اقتصادی در ایجاد شبکه های مخابراتی به نظر می رسد.
بر این اساس قصد داریم که به بررسی پیاده سازی بر خطوط و کانالهای آماده و به ویژه در ساختمان‌های پیش ساخته یکی از گزینه های موثر و اقتصادی در ایجاد شبکه های مخابراتی به نظر می رسد.
بر این اساس قصد داریم به بررسی پیاده سازی این روش جهت ایجاد اتوماسیون داخلی منازل بپردازیم . و در این راستا چالشهای پیش رو روشهای مورد استفاده در پیشگیری و رفع این موانع را مورد مطالعه قرار دهیم .
این پروژه به طور ویژه قصد دارد به همراه ساخت ابزار فرستنده و گیرنده با بهره گیری از میکروکنترل‌های خانواده PIC به ارزیابی پروتکل مخابراتی X10 که به منظور استفاده در شبکه های داخلی منازل طراحی شده است بپردازد.
بر اساس این هدف، تحقق موارد زیر انتظار است:
١-مطالعه خطوط قدرت الکتریکی به عنوان یک کانال انتقال و روشهای اتصال و انتقال از طریق آن
٢-ارزیابی پروتکل مخابراتی X10 و رصد نمودن چالشها و کاستی های احتمالی این شیوه در جهت دستیابی به شبکة قابل اطمینان، همچنین مطالعة روش های قابل ارائه جهت رفع این نواقص
٣-طراحی و ساخت ما ژول های فرستنده و گیرندة مبتنی بر روش فوق.
١-٢- سیستم های PLC داخلی منازل
برقراری ارتباط از طریق خطوط برق شیوة مفید و معمولی برای استفادة داخل منازل
می باشد.
از این رو برخی از شیوه های ارتباطی اعم از پروتکل های ارسال و دریافت داده که به نسبت ساده تر هستند برای استفاده در داخل خانه ها به کار برده می شود.
برخی از این سیستم های مورد استفاده در ذیل تشریح می شود.
١-٢-١- CEBus ( (Consumer Electronics Bus
این سیستم بر مبنای استفاده در شبکه های محلی و در منازل طراحی شده است و استانداردهایی را جهت RF و PLC و تعدادی دیگر از شیوه های شبکه های خانگی ارائه می کند. که در مورد PLC، میزان و نحوة اعمال سیگنال با فرکانس معین بر شبکه توسط این استاندارد، تعیین می شود.
به عنوان مثال، مقداردودوئی (1) توسط، سیگنال اعمال شده در s100 مشخص می شود در حالی که (0) دودوئی با اعمال سیگنال به مدت s200 حاصل می شود. بنابراین در نهایت با توجه به تعداد کاراکترهای صفر و یک ارسال شده، وسیلة مورد نظر و نحوة کنترل آن مشخص می شود.
١-٢-٢- 10-X
10-X، نوعی از استاندارد عملی و قابل اجرا در منازل است این استاندارد شامل شیوة آدرس دهی به تک تک وسایل قابل کنترل داخل است در این روش با استفاده از نقاط عبور از صفر حامل( شبکه برق داخل خانه) به عنوان هم زمان کننده (synchronizer) عملیات ارسال و دریافت انجام می شود چنانکه حضور سیگنال پیوستة KHz 120 به عنوان (١) و عدم حضور این سیگنال به منزلة (۰) تلقی می شود در روش X10 ادوات مورد کنترل شامل دو آدرس هستند که عبارتند از آدرس خانه و آدرس ابزار مورد نظر .
و در نهایت یک آدرس کامل برای ارسال به روش X10 شامل کد شروع، آدرس خانه، آدرس ابزار وآدرس (کد) کارکرد می باشد.
سیستم X10 به گونه ای طراحی شده است که جهت ارتباط دو طرفه دچار محدودیت است. ونیز به نسبت استانداردهای دیگر، ازسرعت کمتری برخوردار است. با این وجود این سیستم جهت استفاده در اتوماسیون منازل، مناسب به نظر میرسد. (در فصل دوم به توصیف بیشتر این سیستم خواهیم پرداخت.)
١-٣- بررسی رفتار سیستمهای مبتنی بر PLC در حضور تداخل، نویز و اعوجاج؛
از آنجایی که سیستمهای توزیع و انتقال انرژی الکتریکی در بر دارنده نویز و تداخل ناشی از سیستمهای الکتریکی متصل یا مجاور به آنها می باشند، طبیعتا محیط مناسبی برای کاربری در سیستم های مخابراتی نمی‌باشند.
در زیر به برخی از موارد آسیب زا در سیستمهای مبتنی بر PLC اشاره می کنیم؛
نویز و اعوجاج: از جمله منابع مولد نویز در شبکه برق می توان به پدیده کرنا، جرقه، بانکهای تصحیح ضریب توان و برق شکن ها اشاره کرد. البته در شبکه های فشار ضعیف بسیاری ازین گونه نویزها توسط ترانسفورماتورهای مبدّل MV/LV (فشار متوسط به فشار ضعیف) حذف خواهند شد. در نتیجه بیشترین میزان تداخل و نویز در شبکه های خانگی مربوط به ادوات و ابزارالکتریکی مورد استفاده در منازل و ساختمانهاست.
در مورد اعوجاجهای ﻣﺆﺛﺮ در شکل موج باید گفت که اینگونه اعوجاجها معمولا تاٌثیر کمتری بر سیستمهای مبتنی بر PLC دارند از جمله این اعوجاجها، بیشولتاژ یا زیرولتاژ شدن لحظه ای و نیز هارمونیک های موجود در شبکه است. هارمونیکهای موجود در شبکه از آن جهت قابل چشمپوشی هستند که در فرکانسهایی بسیار کمتر از فرکانس کار سیستم PLC اتفاق می افتد. آسیب عمده اعوجاج، رخداد تغییر در فرکانس می باشد. چنانچه بسیاری از سیستمهای ساده PLC با استفاده از فرکانس برق شهر اقدام به همزمان سازی میان فرستنده و گیرنده می کنند. بنابرین در سیستمهای مدرن از اتّکا به این روش پرهیز شده است.
۱-٤-بررسی امپدانس و تضعیف در کانال خط قدرت
مشخصة امپرانس یک کابل برق بدون بار با استفاده از مدل توزیع پارامتر استاندارد چنین به دست می‌آید:
که این مقدار در خصوص فرکانس های مورد استفاده در PLC ، تقریباً برابر است با به طوریکه L و C به ترتیب اندوکتانس و کاپاسیتانس خط بر واحد طول هستند .
بنابر وجود ادوات و تجهیزات برقی متصل به شبکه برق نمی توان شبکه متعادلی را انتظار داشت بنابراین به دست آوردن امپرانس با دو خطوط و یا حتی پیشگویی آنها دشوار خواهد بود.
اما با توجه به مشاهدات حاصل شده از امپدانس خطوط در فشار ضعیف مقدار این امپدانس کم می باشد .
از طرف دیگر با توجه به نظریه انتقال توان ماکزیمم لازمست که امپدانس کانال و فرستنده مطابق این نظریه تنظیم شود که این با توجه به مشخص نبودن مقدار امپدانس خطوط میسر نیست. از این رو طراحی فرستنده و گیرنده به گونه ای انجام می گیرد که کمترین میزان امپدانس خروجی و ورودی را به ترتیب دارا باشند.
همچنین افت ولتاژ در سیستم قدرت به همراه عدم حصول شرایط انتقال توان ماکزیمم سبب افت و تضعیف شدید در سیگنال مخابراتی خواهد شد.
١-٥-ملاحظات شبکه کوپلاژ
متداولترین شیوة کوپلاژ فرستنده و گیرنده به شکبة برق، شیوة کوپلاژ دیفرانسیلی است در این روش سیم فاز به عنوان ترمینال ورودی، وسیم نول به عنوان ترمینال خروجی در نظر گرفته می شود. در مواردی که سیم نول در دسترس نیست، مثل شبکه های فشار قوی، خط زمین به عنوان خط ترمینال دوم در نظر گرفته می شود .
روش دیگر با عنوان کوپلاژ حالت مشرک هر دو خط فاز و نول ترمینال اول استفاده می شود و خط زمین در طرف ترمینال دوم قرار می گیرد. البته این امر در ظاهر در نظر ما ناممکن جلوه می کند .
زیرا خطوط نول و زمین مستقیماً به ترانسفورماتور متصل شده اند. اما در عمل اندوکتانس ما بین نقطة کوپلاژ و نقطة اتصال کوتاه به اندازه ای است که امکان انتقال سیگنال را به وجود خواهد آورد.
چنین روشی به دلیل ایجاد برخی مشکلات و خطرات کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.
در عمل جهت ایجاد کوپلاژ از دو روش استفاده می شود:
١-روش کوپلاژ خازنی، در این شیوه خازن نقش اصلی ایجاد کوپلاژ را بر عهده دارد.
٢-روش کوپلاژسلفی، در این شیوه با استفاده از یک سلف، سیگنال مخابراتی بر روی شبکة برق قرار می گیرد. بنابراین با قرار دادن سلف، دو شبکه برق و مخابرات از هم جدا می شود. توجه به پاسخ فرکانس از نکات اساسی در طراحی و انتخاب شبکه کوپلاژ است چنانچه در قسمت گیرنده، داشتن مشخصة پاسخ فرکانسی بالا گذر (و در نهایت میان گذر) جهت حذف حاملHz٥۰و گذراندن سیگنال مخابره شده بدون تضعیف مورد نظر است.
همچنین باید توجه داشت که چنین سیستمی نیاز به تطبیق امپدانس با امپدانس شبکه برق جهت انتقال بیشینة توان دارد.
بنابراین در طراحی شبکة کوپلاژ لازم است که ملاحظات بالا در نظر گرفته شود .
اکنون اگر به نحوة طراحی شیوة کوپلاژ سلفی( بدلیل ایمنی بیشتر) نظری بیفکنیم دو اصل زیر حائز اهمیت خواهد بود: