تحقیق عملكرد قدرت الكتريكي در توزيع و انتقال برق

١-١- اهداف پروژه

مخابره و انتقال اطلاعات با بهر گيري از خطوط برق اعم از خطوط انتقال يا توزيع و نيز سيم كشي برق داخلي منازل را تحت عنوان مخابرات با حامل خط برق[1] قدرت الكتريكي مي شناسيم.

امروزه با گسترش و تنوع محصولات الكتريكي و الكترونيكي و استفاده از شبكه هاي مخابراتي در ادارات همچنين در منازل، نياز روز افزوني به ايجاد شبكه هاي مبتني بر تكنيك هاي قابل اطمينان و همراه با پياده‌سازي آسان و كم هزينه احساس مي شود.

تكنيك مخابرة از طريق خطوط قدرت الكتريكي بنابر امكان پياده سازي بر خطوط و كانالهاي آماده و به ويژه در ساختمان هاي پيش ساخته يكي از گزينه هاي موثر و اقتصادي در ايجاد شبكه هاي مخابراتي به نظر مي رسد.

بر اين اساس قصد داريم كه به بررسي پياده سازي بر خطوط و كانالهاي آماده و به ويژه در ساختمان‌هاي پيش ساخته يكي از گزينه هاي موثر و اقتصادي در ايجاد شبكه هاي مخابراتي به نظر مي رسد.

بر اين اساس قصد داريم به بررسي پياده سازي اين روش جهت ايجاد اتوماسيون داخلي منازل بپردازيم . و در اين راستا چالشهاي پيش رو روشهاي مورد استفاده در پيشگيري و رفع اين موانع را مورد مطالعه قرار دهيم .

اين پروژه به طور ويژه قصد دارد به همراه ساخت ابزار فرستنده و گيرنده با بهره گيري از ميكروكنترل‌هاي خانواده PIC به ارزيابي پروتكل مخابراتي X10 كه به منظور استفاده در شبكه هاي داخلي منازل طراحي شده است بپردازد.

   بر اساس اين هدف، تحقق موارد زير انتظار است:

١-مطالعه خطوط قدرت الكتريكي به عنوان يك كانال انتقال و روشهاي اتصال و انتقال از طريق آن

٢-ارزيابي پروتكل مخابراتي X10 و رصد نمودن چالشها و كاستي هاي احتمالي اين شيوه در جهت دستيابي به شبكة‌ قابل اطمينان، همچنين مطالعة روش هاي قابل ارائه جهت رفع اين نواقص

٣-طراحي و ساخت ما ژول هاي فرستنده و گيرندة مبتني بر روش فوق.

   ١-٢- سيستم هاي PLC داخلي منازل

برقراري ارتباط از طريق خطوط برق شيوة مفيد و معمولي براي استفادة داخل منازل
مي باشد.

از اين رو برخي از شيوه هاي ارتباطي اعم از پروتكل هاي ارسال و دريافت داده كه به نسبت ساده تر هستند براي استفاده در داخل خانه ها به كار برده مي شود.

برخي از اين سيستم هاي مورد استفاده در ذيل تشريح مي شود.

    ١-٢-١-   CEBus ( (Consumer Electronics Bus

اين سيستم بر مبناي استفاده در شبكه هاي محلي و در منازل طراحي شده است و استانداردهايي را جهت RF و PLC و تعدادي ديگر از شيوه هاي شبكه هاي خانگي ارائه مي كند. كه در مورد PLC، ميزان و نحوة اعمال سيگنال با فركانس معين بر شبكه توسط اين استاندارد، تعيين مي شود.

به عنوان مثال، مقداردودوئي (1) توسط، سيگنال اعمال شده در s100 مشخص مي شود در حالي كه (0) دودوئي با اعمال سيگنال به مدت s200 حاصل مي شود. بنابراين در نهايت با توجه به تعداد  كاراكترهاي صفر و يك ارسال شده، وسيلة مورد نظر و نحوة كنترل آن مشخص مي شود.

 ١-٢-٢- 10-X

10-X، نوعي از استاندارد عملي و قابل اجرا در منازل است اين استاندارد شامل شيوة آدرس دهي به تك تك  وسايل قابل كنترل داخل است در اين روش با استفاده از نقاط عبور از صفر حامل( شبكه برق داخل خانه) به عنوان هم زمان كننده (synchronizer) عمليات ارسال و دريافت انجام مي شود چنانکه حضور سيگنال پيوستة KHz 120 به عنوان (١) و عدم حضور اين سيگنال به منزلة (۰) تلقي مي شود در روش X10 ادوات مورد كنترل شامل دو آدرس هستند كه 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-بررسي امپدانس و تضعيف در كانال خط قدرت

مشخصة امپرانس يك كابل برق بدون بار با استفاده از مدل توزيع پارامتر استاندارد چنين به دست مي‌آيد:

كه اين مقدار در خصوص فركانس هاي مورد استفاده در PLC ، تقريباً برابر است با  به طوريكه L  و C به ترتيب اندوكتانس و كاپاسيتانس خط بر واحد طول هستند .

بنابر وجود ادوات و تجهيزات برقي متصل به شبكه برق نمي توان شبكه متعادلي را انتظار داشت بنابراين به دست آوردن امپرانس با دو خطوط و يا حتي پيشگويي آنها دشوار خواهد بود.

اما با توجه به مشاهدات حاصل شده از امپدانس خطوط در فشار ضعيف  مقدار اين امپدانس كم مي باشد .

از طرف ديگر با توجه به نظريه انتقال توان ماكزيمم لازمست كه امپدانس كانال و فرستنده مطابق اين نظريه تنظيم شود كه اين با توجه به مشخص نبودن مقدار امپدانس خطوط ميسر نيست. از اين رو طراحي فرستنده و گيرنده به گونه اي انجام مي گيرد كه كمترين ميزان امپدانس خروجي و ورودي را به ترتيب دارا باشند.

همچنين افت ولتاژ در سيستم قدرت به همراه عدم حصول شرايط انتقال توان ماكزيمم سبب افت و تضعيف شديد در سيگنال مخابراتي خواهد شد.

١-٥-ملاحظات شبكه كوپلاژ

متداولترين شيوة كوپلاژ فرستنده و گيرنده به شكبة برق، شيوة كوپلاژ ديفرانسيلي است در اين روش سيم فاز به عنوان ترمينال ورودي، وسيم نول به عنوان ترمينال خروجي در نظر گرفته مي شود. در مواردي که سيم نول در دسترس نيست، مثل شبكه هاي فشار قوي، خط زمين به عنوان خط ترمينال دوم در نظر گرفته مي شود .

روش ديگر با عنوان كوپلاژ حالت مشرك هر دو خط فاز و نول ترمينال اول استفاده مي شود و خط زمين در طرف ترمينال دوم قرار مي گيرد. البته اين امر در ظاهر در نظر ما ناممكن جلوه مي كند .

زیرا خطوط نول و زمين مستقيماً به ترانسفورماتور متصل شده اند. اما در عمل اندوكتانس ما بين نقطة كوپلاژ و نقطة اتصال كوتاه به اندازه اي است كه امكان انتقال سيگنال را به وجود خواهد آورد.

چنين روشي به دليل ايجاد برخي مشكلات و خطرات کمتر مورد استفاده قرار مي گيرد.

در عمل جهت ايجاد كوپلاژ از دو روش استفاده مي شود:

١-روش كوپلاژ خازني، در اين شيوه خازن نقش اصلي ايجاد كوپلاژ را بر عهده دارد.

٢-روش كوپلاژسلفي، در اين شيوه با استفاده از يك سلف، سيگنال مخابراتي بر روي شبكة برق قرار مي گيرد. بنابراين با قرار دادن سلف، دو شبكه برق  و مخابرات از هم جدا مي شود. توجه به پاسخ فركانس از نكات اساسي در طراحي و انتخاب شبكه كوپلاژ است چنانچه در قسمت گيرنده، داشتن مشخصة پاسخ فركانسي بالا گذر (و در نهايت ميان گذر) جهت حذف حاملHz٥۰و گذراندن سيگنال مخابره شده بدون تضعيف مورد نظر است.

همچنين بايد توجه داشت كه چنين سيستمي نياز به تطبيق امپدانس با امپدانس شبكه برق جهت انتقال بيشينة توان دارد.

بنابراين در طراحي شبكة كوپلاژ لازم است كه ملاحظات بالا در نظر گرفته شود .

اكنون اگر به نحوة طراحي شيوة كوپلاژ سلفي( بدليل ايمني بيشتر) نظري بيفكنيم دو اصل زير حائز اهميت خواهد بود:

١-مقدار مناسب براي خازنC_eq  جهت ايجاد امپدانس كافي و در نتيجه حذف فركانس برق Hz50.

٢-رخ داد تشديد در مدار سري L₁C_eq جهت انتقال سيگنال با كمترين مشخصة امپدانس

شكل ۱: توپولوژي I

شكل ۱، ساده ترين توپولوژي كوپلاژ را نشان مي دهد نكته اي كه در اينجا نبايد از نظر دور داشت آن است كه استفاده از ترانسفورماتورهاي هسته آهني به سبب داشتن اندوكتانس نامشخص و متغير، باعث ايجاد تغيير در مشخصات شبكة كوپلاژ خواهد شد. و جهت اصلاح اين عيب می توان از ترانسفورماتور با دو سيم پيچ ثانويه استفاده كرد در اين صورت مشخصات شبكه كمتر تحت تأثير تغييرات اندوكتانس موثر ترانس قرار خواهند داشت زيرا با استفاده از ترانسفورماتور دو سيم پيچ پهناي باند وسيعتر شده شيب پاسخ فركانسي در فركانس نصف توان، نسبت به قبل كاهش مي يابد بنابراين چنين سيستمي نسبت به تغييرات اندوكتانس سيم پيچها، تغييرات فركانسي كمتري از خود نشان خواهد داد براي تبديل پهناي باند به حالت ميان گذر، چنانچه در قسمت گيرنده مورد نياز است بايد از فيلترهايي در ثانويه اي كه به گيرنده اتصال مي‌يابد، استفاده نمود.

شكل ٢: توپولوژي I به صورت اصلاح شده.

 ٢-١- استفاده از پروتكل 10-X:

اشاره،

پيشتر اشاره شد كه پروتكل 10-X براي ايجاد ارتباط و مخابرة داده ها از طريق خطوط الكتريكي داخل منازل طراحي شده است سيگنال مخابره شونده در اين شيوه يك سيگنال پيوسته با فركانس KHz١٢۰ است كه پس از عبور حامل (ولتاژ برق) از صفر ارسال مي شود. وقوع اين سيگنال به مدت ms١ به منزلة ارسال (١) منطقي و عدم ارسال سيگنال به منزله صفر منطقي خواهد بود دامنة سيگنال ارسالي نيز در وسعت               v_p-p١۰-٥ در نظر گرفته شده است البته اين ميزان در مسير انتقال بدليل انتشار و مواجهة با موانع به كاهش مي يابد.

لازم است به منظور بررسي موانع استفاده از اين روش، نحوة رفتار كانال انتقال خطوط حامل الكتريكي را خصوصاً در فركانسهاي بالا تر مورد ارزيابي قرار دهيم .

خط انتقال و توزيع برق، در فركانس kHz١٢۰ پيچيدگي قابل توجهي از خود نشان خواهد داد از جمله مي توان به وقوع تشديد در قله و گره هاي برق به دليل تأثير خازن ها و القاگرهاي موجود در خطوط توزيع اشاره كرد.

اضافه برآن، موانعي بر سر راه ارسال سيگنال وجود خواهد داشت كه از طريق مكنده هاي سيگنال و يا مولد هاي نويز ايجاد خواهد شد از اين رو بايد با بهره گيري از روش هايي عملي به رفع اين مشكلات كمك شود.

در زير به برخي از روشهاي قابل اجرا اشاره شده است كه هر كدام به طور جداگانه در بخشهاي بعد شرح خواهد شد.

١-چنانچه  تضعيف زيادي در سيگنال دريافت شده مشاهده شود لازم است كه شبكة كوپلاژ استفاده شود همچنين اگر دريافتي توسط يكي از گيرنده ها ابزارهاي مورد كنترل در منزل تضعيف بيشتري نسبت به ديگر ابزارها داشته باشد لازم است آن مدار مورد بازبيني قرار گيرد و احتمال وجود مكندة سيگنال در آن بررسي شود .

٢- ساده ترين روش براي انجام اين كار جداسازي قسمت هاي مختلف ادوات الكتريكي از آن مدار و متصل نمودن تك تك آنها به شبكه برق بنابراين هر گاه افت ولتاژ حاصل شد همان قسمت به عنوان مكندة سيگنال عمل نموده و لازم است از مدار فيلتر شود.

مولد هاي نويز، مانع ديگري در انتشار سيگنال در x-10 مي باشد بروز نويز به ويژه در باند عبوري مورد نظر ممكن است سبب شود تا صفر منطقي ارسال شده در گيرنده به صورت 1 منطقي آشكار سازي شود ادوارت مولد نويز نيز به مانند مكندة سيگنال عمدتاً منابع تغذيه سوئيچينگ، لامپ هاي فلورسنت دادوات مخابرة بي سيم، هستند بنابراين چنانچه

1-Power Line Carrier Communication (PLCC).