عملكرد قدرت الكتریكی 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 كشی برق داخلی منازل را تحت عنوان مخابرات با حامل خط برق[1] قدرت الكتریكی می شناسیم.

امروزه با گسترش و تنوع محصولات الكتریكی و الكترونیكی و استفاده از شبكه های مخابراتی در ادارات همچنین در منازل، نیاز روز افزونی به ایجاد شبكه های مبتنی بر تكنیك های قابل اطمینان و همراه با پیاده‌سازی آسان و كم هزینه احساس می شود.

    تكنیك مخابرة از طریق خطوط قدرت الكتریكی بنابر امكان پیاده سازی بر خطوط و كانالهای آماده و به ویژه در ساختمان های پیش ساخته یكی از گزینه های موثر و اقتصادی در ایجاد شبكه های مخابراتی به نظر می رسد.

    بر این اساس قصد داریم كه به بررسی پیاده سازی بر خطوط و كانالهای آماده و به ویژه در ساختمان‌های پیش ساخته یكی از گزینه های موثر و اقتصادی در ایجاد شبكه 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 میكروكنترل‌های خانواده PIC به ارزیابی پروتكل مخابراتی X10 كه به منظور استفاده در شبكه های داخلی منازل طراحی شده است بپردازد.

    بر اساس این هدف، تحقق موارد زیر انتظار است:

    ١-مطالعه خطوط قدرت الكتریكی به عنوان یك كانال انتقال و روشهای اتصال و انتقال از طریق آن

    ٢-ارزیابی پروتكل مخابراتی X10 و رصد نمودن چالشها و كاستی های احتمالی این شیوه در جهت دستیابی به شبكة‌ 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 پروتكل های ارسال و دریافت داده كه به نسبت ساده تر هستند برای استفاده در داخل خانه ها به كار 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 شبكه های محلی و در منازل طراحی شده است و استانداردهایی را جهت RF و PLC و تعدادی دیگر از شیوه های شبكه های خانگی ارائه می كند. كه در مورد PLC، میزان و نحوة اعمال سیگنال با فركانس معین بر شبكه توسط این استاندارد، تعیین می شود.

به عنوان مثال، مقداردودوئی (1) توسط، سیگنال اعمال شده در s100 مشخص می شود در حالی كه (0) دودوئی با اعمال سیگنال به مدت s200 حاصل می شود. بنابراین در نهایت با توجه به تعداد  كاراكترهای صفر و یك ارسال شده، وسیلة مورد نظر و نحوة كنترل 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 تك تك  وسایل قابل كنترل داخل است در این روش با استفاده از نقاط عبور از صفر حامل( شبكه برق داخل خانه) به عنوان هم زمان كننده (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 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-بررسی امپدانس و تضعیف در كانال خط قدرت

    مشخصة امپرانس یك كابل برق بدون بار با استفاده از مدل توزیع پارامتر استاندارد چنین به دست می‌آید:

    كه این مقدار در خصوص فركانس های مورد استفاده در PLC ، تقریباً برابر است با  به طوریكه L  و C به ترتیب اندوكتانس و كاپاسیتانس خط بر واحد طول هستند .

    بنابر وجود ادوات و تجهیزات برقی متصل به شبكه برق نمی توان شبكه 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 كم می باشد .

    از طرف دیگر با توجه به نظریه انتقال توان ماكزیمم لازمست كه امپدانس كانال و فرستنده مطابق این نظریه تنظیم شود كه این با توجه به مشخص نبودن مقدار امپدانس خطوط میسر نیست. از این رو طراحی فرستنده و گیرنده به گونه ای انجام می گیرد كه كمترین میزان امپدانس خروجی و ورودی را به ترتیب دارا باشند.

    همچنین افت ولتاژ در سیستم قدرت به همراه عدم حصول شرایط انتقال توان ماكزیمم سبب افت و تضعیف شدید در سیگنال مخابراتی خواهد شد.

    ١-٥-ملاحظات شبكه كوپلاژ

    متداولترین شیوة كوپلاژ فرستنده و گیرنده به شكبة برق، شیوة كوپلاژ 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 شبكه های فشار قوی، خط زمین به عنوان خط ترمینال دوم در نظر گرفته می شود .

    روش دیگر با عنوان كوپلاژ حالت مشرك 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 ناممكن جلوه می كند .

زیرا خطوط نول و زمین مستقیماً به ترانسفورماتور متصل شده اند. اما در عمل اندوكتانس ما بین نقطة كوپلاژ و نقطة اتصال كوتاه به اندازه ای است كه امكان انتقال سیگنال را به وجود خواهد آورد.

    چنین روشی به دلیل ایجاد برخی مشكلات و خطرات کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.

    در عمل جهت ایجاد كوپلاژ از دو روش استفاده می شود:

   ١-روش كوپلاژ خازنی، در این شیوه خازن نقش اصلی ایجاد كوپلاژ را بر عهده دارد.

   ٢-روش كوپلاژسلفی، در این شیوه با استفاده از یك سلف، سیگنال مخابراتی بر روی شبكة برق قرار می گیرد. بنابراین با قرار دادن سلف، دو شبكه برق  و مخابرات از هم جدا می شود. توجه به پاسخ فركانس از نكات اساسی در طراحی و انتخاب شبكه كوپلاژ است چنانچه در قسمت گیرنده، داشتن مشخصة پاسخ فركانسی بالا گذر (و در نهایت میان گذر) جهت حذف حاملHz٥۰و گذراندن سیگنال مخابره شده بدون تضعیف مورد نظر است.

    همچنین باید توجه داشت كه چنین سیستمی نیاز به تطبیق امپدانس با امپدانس شبكه برق جهت انتقال بیشینة توان دارد.

    بنابراین در طراحی شبكة كوپلاژ لازم است كه ملاحظات بالا در نظر گرفته شود .

    اكنون اگر به نحوة طراحی شیوة كوپلاژ سلفی( بدلیل ایمنی بیشتر) نظری بیفكنیم دو اصل زیر حائز اهمیت خواهد بود: