Mạng lưới thông minh, có khả năng cấu hình và thích ứng toàn diện, kết nối nhà sản xuất và người tiêu dùng điện chính là cốt lõi của lưới điện thông minh. Lưới điện thông minh tạo ra một nền tảng mạng dữ liệu mạnh mẽ, cho phép trao đổi dữ liệu hai chiều cho tất cả các nguồn điện và thiết bị điện được kết nối với lưới điện. Điều này cho phép giám sát từ xa và chủ động hoạt động của lưới điện và các điều kiện bất thường, mang lại lợi ích của một lưới điện hiệu suất cao, tự động kiểm soát và điều chỉnh nguồn cung cấp và tiêu thụ điện, tránh sự cố hoặc mất điện.

Việc sử dụng giao tiếp đường dây điện (PLC) và tần số vô tuyến công suất thấp (RF) làm phương tiện truyền thông cho lưới điện thông minh mang lại nhiều lợi thế so với mạng RS-485 xoắn đôi. Do không có cáp dữ liệu giữa các nút PLC và RF, việc lắp đặt dễ dàng và tiết kiệm hơn, đồng thời cũng mang lại khả năng bảo mật truyền thông tốt hơn so với RS-485.

Công nghệ mạng RF công suất thấp

Mạng RF công suất thấp đề cập đến việc sử dụng tần số 315 MHz/433 MHz/780 MHz/2,4 GHz với công suất phát bằng hoặc nhỏ hơn 50 mW. Các mô-đun RF công suất thấp có thể được nhúng bên trong công tơ điện để cho phép truyền dữ liệu không dây trong Hệ thống Đọc Đồng hồ Tự động (AMR) nhằm theo dõi mức tiêu thụ năng lượng và thu thập dữ liệu. Các mô-đun này có thể được nhúng trực tiếp vào công tơ trong quá trình sản xuất và lắp đặt tại chỗ mà không cần lắp đặt cáp khi sử dụng.

Công nghệ mạng lưới không dây tiên tiến hơn cho phép bộ tập trung giao tiếp với tất cả các đồng hồ đo trong một mạng lưới được kiểm soát. Loại mạng RF công suất thấp này phù hợp nhất cho các ứng dụng trong phạm vi hạn chế với nhiều mô-đun giao tiếp công suất thấp (ví dụ: trong một tầng của tòa nhà hoặc phòng nơi đồng hồ đo điện được kết nối với mạng).

Mạng RF công suất thấp cũng đi kèm với các tính năng như tiêu thụ điện năng thấp, định tuyến mạng tự động, giao tiếp thời gian thực hai chiều và tính di động. Các mô-đun RF có thể dễ dàng được tích hợp vào đồng hồ đo điện, thiết bị trung tâm dữ liệu (DCU) và các thiết bị gia dụng.

Do truyền thông RF công suất thấp sử dụng tần số vô tuyến công cộng, các thiết bị khác sử dụng cùng tần số chắc chắn sẽ gây nhiễu. Ngoài ra, tín hiệu RF dễ bị ảnh hưởng bởi các vật cản như tường, dẫn đến mất ổn định tín hiệu và phạm vi liên lạc hiệu quả bị rút ngắn. 

Nhảy tần có thể giúp giảm nhiễu. Tuy nhiên, khi các thiết bị khác cũng sử dụng nhảy tần để ngăn nhiễu, điều này sẽ tạo ra nhiều nhiễu hơn, khiến việc giải quyết vấn đề nhiễu trở nên khó khăn.

Việc tín hiệu RF dễ bị nhiễu cũng là một hạn chế khi sử dụng trong lưới điện thông minh. Ví dụ, tường dày thường cản trở giao tiếp không dây giữa các tầng (ví dụ: giữa tầng hầm và tầng trệt), dẫn đến kết nối không ổn định hoặc không có kết nối. Mạng PLC có thể dễ dàng giải quyết những vấn đề này.

Công nghệ mạng PLC

PLC cung cấp một kênh truyền thông độc đáo cho hệ thống phân phối điện, tận dụng tối đa phạm vi phủ sóng rộng rãi của đường dây điện mà không cần hệ thống cáp chuyên dụng. Công nghệ này đang thu hút sự chú ý từ cả nhà sản xuất điện và người dùng cuối, và giống như các mô-đun không dây RF, việc tích hợp mô-đun PLC vào công tơ điện rất dễ dàng.

Với mạng lưới lưới, DCU có thể trao đổi thông tin với tất cả các đồng hồ đo điện trong mạng lưới điều khiển. Dây điện chạy xuyên qua sàn và tường trong tòa nhà, vì vậy về mặt lý thuyết, miễn là có dây điện, chúng ta có thể giao tiếp qua chúng. 

Tuy nhiên, đường dây truyền tải điện chủ yếu được xây dựng nhằm mục đích truyền tải điện. Mạng lưới phân phối điện phức tạp và môi trường nhiễu có thể gây ra nhiều dạng nhiễu khác nhau cho PLC, dẫn đến truyền thông không ổn định. Các yếu tố gây nhiễu bao gồm:

• Thay đổi đáng kể về trở kháng tải: Thay đổi trở kháng tải sẽ ảnh hưởng đến điện áp tín hiệu PLC được kết nối với đường dây điện, ảnh hưởng trực tiếp đến khoảng cách truyền tín hiệu. Thay đổi hệ số công suất và vị trí tải sẽ khiến trở kháng tải thay đổi động theo thời gian.
• Suy giảm tần số sóng mang chọn lọc của PLC: Việc chuyển mạch ngẫu nhiên các thiết bị điện trên mạng lưới cung cấp điện có thể dẫn đến thay đổi thông số công suất, làm suy giảm tín hiệu PLC trên tần số chọn lọc. Trong cùng một vị trí và tình huống, hiệu ứng này có thể khác nhau đối với các tần số sóng mang PLC khác nhau. Khi một tần số nhất định không phù hợp với PLC, việc chuyển sang tần số khác để giao tiếp có thể mang lại kết quả tốt hơn.
• Tiếng ồn nghiêm trọng: Thiết bị điện trên lưới điện, chẳng hạn như bộ nguồn chuyển mạch và bộ biến tần, có thể tạo ra tiếng ồn đáng kể trên nhiều tần số thay đổi ngẫu nhiên.

Các thiết bị PLC, giống như thiết bị RF, có thể được kết nối mạng, giúp tăng đáng kể khoảng cách giao tiếp hiệu quả giữa DCU và đồng hồ đo. Tuy nhiên, việc thiết lập giao tiếp đường dài đáng tin cậy giữa hai điểm nên là nền tảng của mạng PLC. Không giống như RF công suất thấp, PLC thường chỉ sử dụng toàn bộ băng tần giao tiếp đường dây điện từ 50 đến 500 kHz, điều này tạo ra ba vấn đề nêu trên và ảnh hưởng đến khả năng quản lý độ tin cậy hiệu quả của PLC.

Có hai cách để giải quyết các vấn đề trên. Phương pháp thứ nhất là công suất đầu ra của máy phát phải được tự động điều chỉnh, tùy thuộc vào các tình huống trở kháng tải khác nhau. Phương pháp này sẽ tăng tín hiệu kết nối với đường dây điện khi cần thiết và tối đa hóa khoảng cách truyền dẫn.

Phương pháp thứ hai liên quan đến việc sử dụng một tần số nhảy đơn. Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) của PLC, sử dụng nhiều tần số sóng mang, có thể giải quyết hiệu quả vấn đề suy giảm tần số sóng mang chọn lọc. Tuy nhiên, vấn đề tỷ lệ công suất đỉnh/trung bình vốn có của công nghệ này lại tạo ra một loạt vấn đề khác, dẫn đến việc giảm công suất tín hiệu trung bình so với việc sử dụng một tần số sóng mang duy nhất. 

Một phương pháp khác, tương tự như nhảy tần trong OFDM, sử dụng một tần số sóng mang duy nhất để tự động chuyển sang tần số sóng mang tiếp theo, tốt hơn khi tần số sóng mang hiện tại bị nhiễu. Ưu điểm của loại nhảy tần số duy nhất này là đảm bảo đủ công suất được kết nối với đường dây điện, đồng thời giải quyết các vấn đề nhiễu do thay đổi trở kháng tải và suy giảm tần số sóng mang chọn lọc.

Việc thay đổi công suất truyền và tần số sóng mang giữa hai nút trong giao tiếp điểm-điểm giúp giải quyết các vấn đề về điện trở tải, suy giảm tín hiệu và nhiễu. Ngược lại, việc cải thiện độ tin cậy và khoảng cách trong giao tiếp điểm-điểm sẽ nâng cao tính ổn định của mạng lưới.

Sự kết hợp tốt nhất của cả hai thế giới

Mặc dù các biện pháp này hiệu quả, nhưng chúng không thể đảm bảo mạng PLC luôn an toàn trong mọi tình huống và mọi lúc. Để đạt được mục tiêu này, cần tích hợp công nghệ mạng không dây RF công suất thấp và PLC. 

Một giải pháp đã được chứng minh là sử dụng PLC làm xương sống của mạng, được bổ sung bằng công nghệ RF công suất thấp. PLC dễ dàng hoạt động như xương sống giữa các phòng hoặc tầng. RF công suất thấp sau đó hoạt động như xương sống ở những khu vực có nhiễu quá mạnh, nơi đường dây điện bị cô lập hoặc nơi pha khác nhau. Hơn nữa, RF công suất thấp, để tránh nhiễu lẫn nhau, có thể được sử dụng ở những khu vực mở với mật độ thiết bị điện dày đặc.