پروژه 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 مخابره 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 شبکه ‌ قابل اطمینان، همچنین مطالعه روش های قابل ارائه جهت رفع این نواقص

    ٣-طراحی و ساخت ما ژول های فرستنده و گیرنده مبتنی بر روش فوق.

   ١-٢- سیستم های PLC داخلی منازل

    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 نحوه 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، وسیله مورد نظر و نحوه 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 شیوه 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 پیوسته KHz 120 به عنوان (١) و عدم حضور این سیگنال به منزله (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

    مشخصه 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 شیوه کوپلاژ فرستنده و گیرنده به شکبه برق، شیوه 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 نقطه کوپلاژ و نقطه 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 شبکه 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 مشخصه 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 بیشینه توان دارد.

    بنابراین در طراحی شبکه کوپلاژ لازم است که ملاحظات بالا در نظر گرفته شود .

    اکنون اگر به نحوه طراحی شیوه کوپلاژ سلفی( بدلیل ایمنی بیشتر) نظری بیفکنیم دو اصل زیر حائز اهمیت خواهد بود:

   ١-مقدار مناسب برای خازنCeq  جهت ایجاد امپدانس کافی و در نتیجه حذف فرکانس برق Hz50.

   ٢-رخ داد تشدید در مدار سری L1Ceq جهت انتقال سیگنال با کمترین مشخصه امپدانس

شکل ۱: توپولوژی I

    شکل ۱، ساده ترین توپولوژی کوپلاژ را نشان می دهد نکته ای که در اینجا نباید از نظر دور داشت آن است که استفاده از ترانسفورماتورهای هسته آهنی به سبب داشتن اندوکتانس نامشخص و متغیر، باعث ایجاد تغییر در مشخصات شبکه کوپلاژ خواهد شد. و جهت اصلاح این عیب می توان از ترانسفورماتور با دو سیم پیچ ثانویه استفاده کرد در این صورت مشخصات شبکه کمتر تحت تأثیر تغییرات اندوکتانس موثر ترانس قرار خواهند داشت زیرا با استفاده از ترانسفورماتور دو سیم پیچ پهنای باند وسیعتر شده شیب پاسخ فرکانسی در فرکانس نصف توان، نسبت به قبل کاهش می یابد بنابراین چنین سیستمی نسبت به تغییرات اندوکتانس سیم پیچها، تغییرات فرکانسی کمتری از خود نشان خواهد داد برای تبدیل پهنای باند به حالت میان گذر، چنانچه در قسمت گیرنده مورد نیاز است باید از فیلترهایی در ثانویه ای که به گیرنده اتصال می‌یابد، استفاده نمود.

شکل ٢: توپولوژی I به صورت اصلاح شده.

   ٢-١- استفاده از پروتکل 10-X:

    اشاره،

    پیشتر اشاره شد که پروتکل 10-X برای ایجاد ارتباط و مخابره داده ها از طریق خطوط الکتریکی داخل منازل طراحی شده است سیگنال مخابره شونده در این شیوه یک سیگنال پیوسته با فرکانس KHz١٢۰ است که پس از عبور حامل (ولتاژ برق) از صفر ارسال می شود. وقوع این سیگنال به مدت ms١ به منزله ارسال (١) منطقی و عدم ارسال سیگنال به منزله صفر منطقی خواهد بود دامنه سیگنال ارسالی نیز در وسعت               vp-p١۰-٥ در نظر گرفته شده است البته این میزان در مسیر انتقال بدلیل انتشار و مواجهه با موانع به کاهش می یابد.

    لازم است به منظور بررسی موانع استفاده از این روش، نحوه رفتار کانال انتقال خطوط حامل الکتریکی را خصوصاً در فرکانسهای بالا تر مورد ارزیابی قرار دهیم .

    خط انتقال و توزیع برق، در فرکانس kHz١٢۰ پیچیدگی قابل توجهی از خود نشان خواهد داد از جمله می توان به وقوع تشدید در قله و گره های برق به دلیل تأثیر خازن ها و القاگرهای موجود در خطوط توزیع اشاره کرد.

    اضافه برآن، موانعی بر سر راه ارسال سیگنال وجود خواهد داشت که از طریق مکنده های سیگنال و یا مولد های نویز ایجاد خواهد شد از این رو باید با بهره گیری از روش هایی عملی به رفع این مشکلات کمک شود.

    در زیر به برخی از روشهای قابل اجرا اشاره شده است که هر کدام به طور جداگانه در بخشهای بعد شرح خواهد شد.

    ١-چنانچه  تضعیف زیادی در سیگنال دریافت شده مشاهده شود لازم است که شبکه کوپلاژ استفاده شود همچنین اگر دریافتی توسط یکی از گیرنده ها ابزارهای مورد کنترل در منزل تضعیف بیشتری نسبت به دیگر ابزارها داشته باشد لازم است آن مدار مورد بازبینی قرار گیرد و احتمال وجود مکنده سیگنال در آن بررسی شود .

   ٢- ساده ترین روش برای انجام این کار جداسازی قسمت های مختلف ادوات الکتریکی از آن مدار و متصل نمودن تک تک آنها به شبکه برق بنابراین هر گاه افت ولتاژ حاصل شد همان قسمت به عنوان مکنده سیگنال عمل نموده و لازم است از مدار فیلتر شود.

    مولد های نویز، مانع دیگری در انتشار سیگنال در x-10 می باشد بروز نویز به ویژه در باند عبوری مورد نظر ممکن است سبب شود تا صفر منطقی ارسال شده در گیرنده به صورت 1 منطقی آشکار سازی شود ادوارت مولد نویز نیز به مانند مکنده سیگنال عمدتاً منابع تغذیه سوئیچینگ، لامپ های فلورسنت دادوات مخابره بی سیم، هستند بنابراین چنانچه پس از روشن کردن هر کدام از این ابزار سطح نویز به میزان زیادی افزایش یافت برخی از ابزارهای مونیتورینگ سیگنال سطح نویزهای زمینه را نشان می دهد باید آن ابزار را به عنوان مولد نویز شناخته مشابه مکنده های سیگنال از سیستم ایزوله نمود.

    انتظار می رود پس ایجاد ایزولاسیون و کوپلاژ مناسب، توان سیگنال ارسالی و صحت آشکار سازی آن قابل قبول باشد اگر چنانچه در مورد بعضی از ابزارهای مورد کنترل همچنان ایرادهایی وجود داشته باشد می باید آن وسیله را تا حد امکان به جعبه تقسیم برق نزدیک تر کرد. این کار، به منظور کاهش اثر القائی خطوط الکتریکی صورت می گیرد همچنین استفاده از تقویت کننده سیگنال در خروجی فرستنده و یا در تابلوی جعبه تقسیم برق وجود دارد.

    2-2- بروز نویز و مکش سیگنال در سیستم های مبتنی بر XIO:‌

    2-2-1- مکنده های سیگنال :

    منابع تغذیه ای سوئیچینگ، بنابر امکان و دستیابی به سطوح مختلف تغذیه و حجم کم و قیمت مناسب، یکی از گزینه های پر کار برد در وسایل الکترونیکی می باشد. اینگونه منابع با یکسو سازی ولتاژ ها 220، ایجاد یک ولتاژ DC ابتدایی نموده و از طریق اعمال این ولتاژ به مدار برشگری با فرکانس بالا [2] و عبور ولتاژ خارجی مدار برشگر از یک ترانسفورماتور با فرکانس بالا، سطوح مختلف تغذیه مورد نیاز را فراهم می‌نماید. همچنانکه به نظر می رسد، برشگر ها تولید کننده نویزهای الکتریکی، قابل انتشار بر روی خطوط الکتریکی توزیع کننده برق می باشند از این رو سازندگان این گونه منابع سعی در کاهش این اثرات دارند. از جمله رایجترین روشهای فیلتر کردن این منابع، به کار گیری خازن در ورودی جهت شنت کردن سیگنالهای تداخل به زمین است.

    همین امر سبب ایجاد مشکلاتی برای ابزارهای دارای خط الکتریکی مشترک با این منابع می شود. زیرا سیگنالهای فرکانس بالای موجود در این خطوط، توسط چنین منابعی وارد زمین خواهند شد. اینگونه منابع و ادوات مشابه آنها را با عنوان «مکنده های سیگنال[3]» می شناسیم.

بهترین راه رفع این مشکل، جدا سازی منابع تغذیه سوئیچینگ و سیستم های مشابه از طریق فیلتر کردن می‌باشد. ( فیلتری با نام XPPF ، به منظور استفاده از سیستم های مبتنی بر X10 طراحی شده و در بازار موجود می باشد) روش های مختلفی برای یافتن مکنده های سیگنال در خطوط الکتریکی وجود دارد از جمله می توان ابتدا مسیرهای انشعابات خطوط برق داخل ساختمان را مشخص کرد( به کمک نقشه و یا با آزمون هر پریز برق که نیاز به مهارت دارد) سپس با اتصال مدار فرستنده سیگنال در نزدیکترین محل به جعبه تقسیم برق و نیز در دست داشتن اسکوپ جهت مشاهده قدرت سیگنال ارسالی، قوت سیگنال را در انشعاب مورد مطالعه قرار دهیم سپس با وارد نمودن هر مدار الکتریکی به آن انشعاب به تغییرات سیگنال را مشاهده نمائیم. در این صورت با مشاهده تغییرات چشمگیر سیگنال می توان مدار مکنده سیگنال را مشخص و آنرا جدا سازی نمود.

    ذکر دو نکته در  این قسمت ضروری به نظر می رسد:

    1-از آنجا که از تأثیر قابل ملاحظه مدارات تغذیه سوئیچینگ مطلع هستیم بهتر است ابتدا این منابع و سیستم ها را استفاده کننده از آنها نظیر کامپیوترهای شخصی را از اتصال به خطوط برق خارج نمائیم.

    2- به منظور جدا سازی مکنده های سیگنال و نیز مولدهای نویز، فیلترهای خاصی طراحی شده است که توصیه می شود در صورت دسترسی داشته حتماً از آنها استفاده شود.

    2-2-2- مولدهای نویز

    همانطور که پیشتر اشاره شد، مانع دیگر در ایجاد قابلیت اطمینان در سیستم X10 مولدهای نویز هستند. مولدهای نویز از آنجا که ذاتاً دارای نویز بوده و بدون هیچ فیلتر از پیش طراحی شده ای مستقیماً به برق متصل می شوند، سبب بروز اشکال در گیرنده X10 می شود و دلیل این مطلب آنست که فرکانس نویز ایجاد شده درست در محدوده باند عبور سیگنال ارسالی X10 قرار دارد.

    متهمان عمده در این بخش لامپ های فلورسنت فشرده هستند. چه آنکه برخی از انواع این دسته از لامپها درست با مرکزیت نقاط عبور از صفر ایجاد نویز می کنند. یعنی دقیقاً در زمان ارسال سیگنال در استانداردX10.

شکل (1-2)، ارسال سیگنال X10 در حضور نویز انتشار یافته از لامپ فلورسنت 

     همچنین ممکن است در موارد پیچیده تر که چندین لامپ فلورسنت موجودند. با نویزهای به وجود آمده به صورت ضربان های دوره ای مواجه شویم(شکل ٢-٢) . این موضوع به دلیل تغییر فرکانس اندکی مابین برشگرهای موجود در لامپها به وجود می آید.  زیرا بروز اندک تفاوتی در فرکانس سبب تقویت یا تضعیف دامنه در نقاط مشخص می گردد.

شکل (٢-٢)، نویز تولید شده از چند لامپ فلورسنت به صورت ضربانهای متناوب

     روشهای خطا یابی (یافتن مولد نویز) و جدا سازی توسط فیلتر در این بخش نیز مشابه روش به کار رفته در مکنده های سیگنال است تنها به نوع فیلتر قابل استفاده باید توجه شود که جهت استفاده در این سیستم و حذف این دسته از نویزها طراحی شده باشد. از جمله این نمونه ها، XPPF و  Leviton 6287  پیشنهاد می شود.

     شاید اینگونه به نظر برسد که استفاده از پروتکل X10 به همراه صرف وقت و هزینه برای دستیابی به سیستم مطمئن چندان مقرون به طرفه نیست. باید توجه داشت که ارائه پروتکل X10 به دهه 70 میلادی باز می گردد. زمانی که منازل و ساختمانها به هیچ وجه مانند امروز مملو از ابزارها و ادوات مصرف کننده برق نبوده است از این جهت ایجاد صرف وقت و هزینه بیشتر متوجه تولید کنندگان ابزارهای مولد نویز و یا مکنده های سیگنال خواهد بود. با وجود این اصلاحاتی در این پروتکل مخابراتی صورت پذیرفته است. و با عنوان پروتکل XTB مورد استفاده قرار خواهد گرفت.