Xây dựng khối đo lường, giám sát nhấp nháy điện áp cho thiết bị đo chất lượng điện năng dựa trên máy tính cá nhân

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Xuân
Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực
hiện đề tài này.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo
Sau đại học, Viện Điện, thư viện Tạ Quang Bửu, cùng các giảng viên Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn tôi trong khóa học và hoàn thành đề tài
này.
Để có được ngày hôm nay tôi không thể không nhắc đến công ơn, tình
cảm của những người thân trong gia đình đã tạo một hậu phương vững chắc giúp
tôi yên tâm hoàn thành công việc và nghiên cứu của mình.
Cuối cùng tôi xin gửi tới toàn thể bạn bè, đồng nghiệp lời biết ơn chân
thành về những tình cảm tốt đẹp cùng sự giúp đỡ quý báu mà mọi người đã dành
cho tôi trong suốt thời gian gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài
này.
Tác giả
Nguyễn Việt Cường

1


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................5
DANH MỤC HÌNH VẼ .........................................................................................6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................7
Chương 1 Giới thiệu chung ..................................................................................10
1.1

Giới thiệu chung về chất lượng điện năng ..............................................10

1.1.1

Phân loại các hiện tượng chất lượng điện năng...............................10

1.1.1.1.

Quá độ ...........................................................................................11

1.1.1.2.

Biến đổi điện áp ngắn hạn .............................................................12

1.1.1.3.

Biến đổi điện áp dài hạn................................................................12

1.1.1.4.

Mất cân bằng điện áp ....................................................................13

1.1.1.5.

Biến dạng sóng điện áp .................................................................13

1.1.1.6.

Dao động điện áp ..........................................................................15

1.1.2.

Hiện tượng chớp nháy điện áp .........................................................15

1.1.2.1.

Định nghĩa hiện tượng chớp nháy điện áp ....................................15

1.1.2.2.

Nguyên nhân .................................................................................16

1.1.2.3 . Các ảnh hưởng của chớp nháy điện áp ............................................17
1.2.

Lý do cần giám sát các hiện tượng về chất lượng điện năng .................18

1.3.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn ..........................................................20

Chương 2

Đo lường hiện tượng chớp nháy điện áp .......................................24

(Flicker measurement ) .........................................................................................24
2.1.

Các nghiên cứu về hiện tượng chớp nháy điện áp ..................................24
2

2.2.

Đo lường hiện tượng chớp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEC ................25

2.2.1.

Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn IEC IEC 61000-4-15 ....................27

2.2.2.

Các khối chức năng của thiết bị đo lường chớp nháy điện áp..........28

2.2.2.1.

Khối 1: Biến đổi điện áp ( input voltage adaptation ) ...................29

2.2.2.2.

Khối 2: Tách thành phần dao động điện áp ( spuaring multiplier )
…………………………………………………………………...29

2.2.2.3.

Khối 3: Lọc các tín hiệu hữu ích ( Filter ) ....................................30

2.2.2.4.

Khối 4 : Mô phỏng quan hệ mắt-não người ( Non-linear variance

estimator ) ......................................................................................................32
2.2.2.5.

Khối 5 : Khối tính toán thống kê ( statistical calculation block ) .35

Chương 3 Xây dựng khối giám sát hiện tượng chớp nháy điện áp dựa trên nền
tảng phần mềm Labview .......................................................................................39
3.1.

Giới thiệu phần mềm Labview ................................................................39

3.2.

Xây dựng khối giám sát hiện tượng chớp nháy điện áp bằng Labview ..41

Chương 4 Mô phỏng kiểm nghiệm và đánh giá kết quả .......................................50
4.1.

Phương thức đánh giá khối đo nhấp nháy điện áp đã xây dựng .............50

4.2.

Khối tạo tín hiệu thử nghiệm ..................................................................53

4.3.

Kết quả mô phỏng ...................................................................................54

4.3.1.

Mô phỏng với biên dạng dao động điện áp theo hình sin ................54

4.3.2.

Mô phỏng với biên dạng dao động điện áp theo dạng xung vuông .56

4.4.

Kết luận ...................................................................................................57

4.5.

Đề xuất nghiên cứu trong tương lai.........................................................59

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................60

3


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan bản luận văn cao học với đề tài: “Xây dựng
khối đo lường, giám sát nhấp nháy điện áp cho thiết bị đo chất lượng điện năng
dựa trên máy tính cá nhân” hoàn toàn do tác giả tự làm và các kết quả chưa từng
được công bố trong các tài liệu nào khác.
Tác giả có tham khảo một số tài liệu được ghi trong mục “Tài liệu
tham khảo”.
Tác giả luận văn
Nguyễn Việt Cường

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1.1 Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp ...............10
Bảng 1.1.2 Giới hạn độ biến dạng sóng hài điện áp .............................................14
Bảng 1.3.1 So sánh ưu, nhược điểm của hai loại thiết bị đo ................................23
Bảng 2.4.1 Qui định về tần số và mức độ dao động điện áp chu kỳ hình sin gây ra
giá trị Pinst,max=1.....................................................................................................34
Bảng 4.1.1 Đáp ứng của thiết bị đo nhấp nháy điện áp với biên dạng dao động
điện áp hình sin (áp dụng với hệ 230V/50Hz). Giá trị đầu ra của khối đo là 1. ... 51
Bảng 4.1.2 Đáp ứng của thiết bị đo nhấp nháy điện áp với biên dạng dao động
điện áp xung vuông (áp dụng với hệ 230V/50Hz). Giá trị đầu ra của khối đo là 1.
...............................................................................................................................52
Bảng 4.3.1 Kết qủa thử nghiệm với biên dạng dao động hình sin .......................55
Bảng 4.3.2 Kết qủa thử nghiệm với biên dạng dao động dạng xung vuông ........56

5


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.1 Dao động điện áp và hiện tượng nhấp nháy do cường độ sáng thay đổi
...............................................................................................................................16
Hình 1.3.1 Thiết bị đo lường chất lượng điện năng của hãng Fluke ....................21
Hình 1.3.2 Cấu trúc điển hình của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC .....22
Hình 1.3.3 Giao diện thiết bị đo lường ảo do người sử dụng tự tạo .....................22
Hình 2.1.1 Ví dụ của nhấp nháy điệp áp chu kỳ ...................................................25
Hình 2.3.1 Đường cong nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEEE 141 và 519 ....27
Hình 2.4.1 Các khâu của thiết bị đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp theo tiêu

chuẩn IEC .............................................................................................................28
Hình 2.4.2 Phương thức tính toán mức độ nhấp nháy điện áp ngắn hạn Pst .........36
Hình 2.4.3 Ví dụ về giá trị nhấp nháy điện áp ngắn hạn đo tại thanh góp cấp điện
cho lò hồ quang .....................................................................................................38
Hình 3.2.1 Sơ đồ khối của khối đo lường nhấp nháy điện áp ..............................41
Hình 3.2.2 Giao diện khối đo lường nhấp nháy điện áp trên máy tính ................42
Hình 4.2.1 Giao diện của khối tạo dao động điện áp............................................53
Hình 4.2.2 Dạng sóng điện áp phát ra và kết quả đo Pinst tương ứng .................54
Hình 4.2.3 Đồ thị nhấp nháy điện áp với biên dạng dao động hình sin …….….55
Hình 4.3.4 Đồ thị nhấp nháy điện áp với biên dạng dao động hình chữ nhật ....57

6


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, vấn đề chất lượng điện năng (CLĐN) ngày càng thu hút được sự
quan tâm của không những các nhà nghiên cứu, sản xuất mà còn của cả khách
hàng và công ty điện lực. Có nhiều lý do về kinh tế, kỹ thuật dẫn đến phải nghiên
cứu và phân tích, đưa ra giải pháp đối với vấn đề CLĐN. Để có thể đưa ra các
đánh giá, phân tích về CLĐN cần có các thiết bị đo lường, giám sát đảm bảo yêu
cầu. Luận văn lựa chọn việc nghiên cứu xây dựng khối đo lường giám sát hiện
tượng nhấp nháy điện áp dựa trên nền máy tính cá nhân.
Lịch sử nghiên cứu
Hiện tượng nhấp nháy điện áp đã được thế giới nghiên cứu từ khá lâu (từ
những năm đầu thế kỷ 20) và các tổ chức như IEEE và IEC đã đặt ra các tiêu
chuẩn để đo lường đánh giá hiện tượng này. Tại Việt Nam các nghiên cứu hiện
mới dừng ở mức giới thiệu về hiện tượng và chuẩn đánh giá, tuy nhiên còn thiếu
các phân tích chi tiết về các chuẩn này.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.

Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu về hiện tượng nhấp nháy điện áp
(flicker) cùng với các nguyên nhân và ảnh hưởng của hiện tượng này. Phần chính
của luận văn sẽ mô tả chi tiết phương pháp đánh giá, đo lường hiện tượng này
dựa theo tiêu chuẩn IEC và xây dựng khối đo lường sử dụng trên máy tính cá
nhân bằng phần mềm Labview.
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản
Mục tiêu chính của luận văn bao gồm:
 Tìm hiểu và phân loại các các hiện tượng về chất lượng điện năng.
 Đi sâu nghiên cứu về hiện tượng nhấp nháy điện áp: nguyên nhân, ảnh hưởng
của hiện tượng này và phương pháp đo lường giám sát theo các tiêu chuẩn
IEC hiện hành
7


 Xây dựng khối đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp dựa trên nền phần
mềm Labview, với mục tiêu để biến máy tính cá nhân thành thiết bị giám sát
chất lượng điện năng.
Để thực hiện các nội dung này thì luận văn được chia làm 4 chương như
sau:
Chương 1: Giới thiệu chung
Giới thiệu khái niệm chất lượng điện năng và các hiện tượng chất lượng
điện thường gặp. Phân tích nguyên nhân, ảnh hưởng của hiện tượng nhấp nháy
điện áp tới hệ thống điện cũng như thiết bị điện. Lý do cần giám sát các hiện
tượng về chất lượng điện năng.
Chương 2: Đo lường hiện tượng chớp nháy điện áp ( flicker measurement)
Đề cập tới các nghiên cứu về hiện tượng nhấp nháy điện áp, kèm theo là
tiêu chuẩn IEC 61000-4-15 qui định về đo lường, đánh giá hiện tượng này.
Chương này cũng đi phân tích chi tiết về các khối cần xây dựng khi thực
hiện việc đo lường nhấp nháy điện áp.
Chương 3: Xây dựng khối giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp dựa

trên nền tảng phần mềm Labview
Giới thiệu khái quát về các đặc điểm của phần mềm Labview, cũng như
thế mạnh của phần mềm này trong việc xây dựng các thiết bị đo lường, giám sát
dựa trên nền tảng máy tính cá nhân (PC).
Sơ đồ chi tiết của khối giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp thực hiện
bằng phần mềm Labview cũng sẽ được phân tích cụ thể trong chương này.

8


Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả
Thực hiện việc mô phỏng các nhấp nháy điện áp như tín hiệu đầu vào để
kiểm tra sự hoạt động của khối đo lường đã được thực hiện. Đánh giá kết quả và
đề xuất các vấn đề cần nghiên cứu trong tương lai.
Các đóng góp mới của tác giả
Tác giả đã đi sâu nghiên cứu và làm rõ vai trò chức năng của từng khâu trong
toàn bộ qui trình đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEC.
Đây là một hướng hầu như chưa được đề cập tới trong các tài liệu về chất lượng
điện năng ở Việt Nam. Thêm vào tác giả đã xây dựng được khối đo lường hiện
tượng nhấp nháy điện áp dựa trên phần mềm Labview với mục đích sử dụng máy
tính cá nhân như một công cụ đo các hiện tượng chất lượng điện năng.

9


Chương 1 Giới thiệu chung
1.1 Giới thiệu chung về chất lượng điện năng
Khái niệm chất lượng điện năng được áp dụng vào rất nhiều các hiện
tượng điện từ trong hệ thống điện. Việc ứng dụng ngày càng nhiều các thiết bị
điện tử càng làm tăng sự quan tâm về chất lượng điện năng và đi kèm với đó là

xác định các thuật ngữ để phân loại các hiện tượng chất lượng điện năng.
1.1.1 Phân loại các hiện tượng chất lượng điện năng
Theo tiêu chuẩn IEEE 1159 – 1995, các hiện tượng điện từ trong hệ thống điện
liên quan đến việc đánh giá chất lượng điện năng được phân loại như sau (1):
Bảng 1.1.1 Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp
Phân loại

Dải tần

Thời gian tồn tại

Biên độ

Quá độ
Quá độ xung
Nanosecond

< 50 ns

Microsecond

50 ns – 1 ms

Milisecond

> 1 ms

Quá độ dao động
Tần số thấp

< 5 kHz

0,3 – 50 ms

0 – 4 pu

Tần số trung bình

5 – 500 kHz

20 micro giây

0 – 8 pu

Tần số cao

0,5 – 6 MHz

5 micro giây

0 – 4 pu

Gián đoạn

0,5 – 30 chu kỳ

< 0,1 pu

Giảm

0,5 – 30 chu kỳ

0,1 – 0,9 pu

Tăng

0,5 – 30 chu kỳ

1,1 – 1,8 pu

Gián đoạn

30 chu kỳ - 3 s

< 0,1 pu

Giảm

30 chu kỳ - 3 s

0,1 – 0,9 pu

Tăng

30 chu kỳ - 3 s

1,1 – 1,4 pu

Biến đổi ngắn hạn
Biến đổi tức thời

Biến đổi chốc lát

Biến đổi tạm thời

10


Gián đoạn

3 sec – 1 min

< 0,1 pu

Giảm

3 sec – 1 min

0,1 – 0,9 pu

Tăng

3 sec – 1 min

1,1 – 1,2 pu

Gián đoạn duy trì

> 1 min

0 pu

Kém điện áp

> 1 min

0,8 – 0,9 pu

Quá điện áp

> 1 min

1,1 – 1,2 pu

Điện áp không cân

Trạng thái ổn định

0,5 – 2%

Thành phần 1 chiều

Trạng thái ổn định

0 – 0,1%

Hài bậc cao (Harmonics)

Trạng thái ổn định

0 – 20%

Hài đa tần

Trạng thái ổn định

0 – 2%

(Interharmonics)
Các
xung nhọn xuất hiện

Trạng thái ổn định

chucác
kỳ (Notching)
Do
thành phần khác

Trạng thái ổn định

0 – 1%

Không liên tục

0,1 – 7%

Biến đổi dài hạn

bằng dạng sóng điện áp

Biến

(Noise)
Dao
động điện áp

1.1.1.1.

< 25 Hz

Quá độ

Khái niệm quá độ đã được dùng trong việc phân tích những biến đổi trong
hệ thống điện nhằm biểu thị những sự kiện xảy ra tạm thời trong quá trình
chuyển đổi từ trạng thái ổn định ban đầu sang một trạng thái khác ổn định khác
hoặc sang trạng thái mất ổn định. Hiện tượng quá độ có thể được chia thành hai
loại: quá độ xung và quá độ dao động.
Quá độ xung là sự thay đổi tức thời theo một chiều (dương hoặc âm) với
tần số khác tần số điện ở trạng thái ổn định (50Hz, 60 Hz). Đặc trưng của quá độ
xung là độ dốc đầu sóng và thời gian suy giảm. Nguyên nhân chủ yếu của quá độ
xung là sét đánh vào đường dây. Ngoài ra, việc đóng cắt các phụ tải cũng có thể
gây nên quá độ xung.
Quá độ dao động là sự thay đổi tức thời theo cả hai chiều (dương hoặc
âm) với tần số khác tần số điện ở trạng thái ổn định. Quá độ dao động đặc trưng

11


bởi tần số dao động, khoảng thời gian tồn tại và độ lớn. Có thể chia thành dao
động tần số thấp, tần số trung bình và tần số cao.

1.1.1.2.

Biến đổi điện áp ngắn hạn

Biến đổi ngắn hạn được quy định cho những biến đổi với thời gian nhỏ
hơn 1 phút. Đối với các biến đổi ngắn hạn, tuỳ theo độ dài thời gian có thể phân
loại nhỏ hơn thành biến đổi tức thời, biến đổi chốc lát, biến đổi tạm thời như ở
bảng 1.1. Biến đổi ngắn hạn gây ra bởi các sự cố trong hệ thống điện. Tuỳ thuộc
vào điều kiện sự cố có thể dẫn đến sụt điện áp, tăng điện áp hoặc gián đoạn điện
áp ngắn hạn.
Các hiện tượng nêu trên xảy ra trong thời gian ngắn nên rất khó xác định
để đánh giá chất lượng điện áp. Sự biến đổi điện áp ngắn hạn sẽ gây ảnh hưởng
đến sự làm việc của các thiết bị điều khiển, điện tử, đặc biệt là máy tính kỹ thuật
số.
1.1.1.3.

Biến đổi điện áp dài hạn

Biến đổi dài hạn liên quan đến sự lệch điện áp so với giá trị hiệu dụng tại
tần số công nghiệp với thời gian lớn hơn 1 phút. Biến đổi dài bao gồm quá điện
áp, kém điện áp và gián đoạn điện áp. Đặt nấc phân áp của máy biến áp không
đúng gây ra quá áp, kém áp. Quá tải đường dây cũng gây ra điện áp thấp, vận
hành non tải đường dây siêu cao áp cũng gây ra điện áp cao. Ảnh hưởng của kém
áp và quá áp đối với các thiết bị dùng điện là rõ ràng. Các thiết bị dùng điện đều
được thiết kế để làm việc ở một dải điện áp hiệu dụng nhất định, nếu vượt ra
ngoài dải này có thể gây ra sự làm việc không đúng hoặc hư hỏng thiết bị điện.
Gián đoạn điện áp liên quan đến việc mất điện và cần phải có sự can thiệp của
con người để khôi phục lại. Thời gian và số lần gián đoạn thường được thông kê
để đánh giá độ tin cậy cung cấp điện.

12


1.1.1.4.

Mất cân bằng điện áp

Độ mất cân bằng điện áp được định nghĩa là độ lệch lớn nhất của giá trị
điện áp chia cho giá trị trung bình của điện áp 3 pha, tính theo đơn vị phần trăm.
Độ mất cân bằng còn được xác định bởi các thành phần không đối xứng, tỷ số
của các thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không đối với thành phần thứ tự thuận
được sử dụng để xác định độ mất cân bằng. Nguyên nhân của mất cân bằng điện
áp chủ yếu là do tải của 3 pha không đều nhau.
Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết
bị dùng điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng.
1.1.1.5.

Biến dạng sóng điện áp

Có 5 loại biến dạng sóng:
1. Biến dạng do thành phần một chiều (dc offset) trong điện áp hoặc dòng điện
xoay chiều. Thành phần này xuất hiện do ảnh hưởng của các chỉnh lưu nửa
chu kỳ. Thành phần một chiều trong dòng xoay chiều có thể có những ảnh
hưởng bất lợi như làm cho lõi từ của máy biến áp bị bão hoà trong chế độ làm
việc bình thường dẫn đến phát nóng và tăng tổn thất máy biến áp cũng như
giảm tuổi thọ máy biến áp. Thành phần một chiều còn gây nên sự ăn mòn
điện phân của các cực nối đất và các mối nối.
2. Sóng hài bậc cao (harmonics) là sóng điện áp hoặc dòng điện hình sin với tần
số là số nguyên lần tần số công nghiệp. Sóng bị biến dạng có thể phân tích
thành tổng của sóng tần số cơ bản và các sóng hài bậc cao. Biến dạng hài xuất

phát từ đặc tính phi tuyến của các thiết bị và phụ tải trong hệ thống điện.
Mức độ biến dạng hài được mô tả bởi toàn bộ phổ hài với biên độ và góc pha của
từng thành phần hài.
Để đánh giá mức độ méo sóng do thành phần hài thường dùng khái niệm tổng độ
biến dạng sóng hài điện áp (dòng điện) (THDV; THDi) là tỷ lệ của giá trị điện áp
(dòng điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (dòng điện)
13


cơ bản, biểu diễn bằng đơn vị phần trăm (%) để đánh giá mức độ biến dạng sóng
hài:
Tổng biến dạng sóng hài theo điện áp:
√∑

Tổng biến dạng sóng hài theo dòng điện:
√∑

Trong đó:
THDv, THDi : là tổng biến dạng sóng hài điện áp, dòng điện;
Vi, Ii: là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại sóng hài bậc i, i = 2,
3…
V1, I1 : là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại tần số cơ bản (50Hz
hoặc 60Hz)
Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá
giới hạn, qui định tại các Thông tư số 12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 tháng
4 năm 2010 và Thông tư số 32/2010/TT-BCT ban hành ngày 30 tháng 7 năm
2010 như sau:
Bảng 1.1.2 Giới hạn độ biến dạng sóng hài điện áp

Cấp điện áp

Tổng biến dạng sóng hài

Biến dạng riêng lẻ

500kV, 220kV

3%

-

110kV

3,0%

1,5%

Trung và hạ áp

6,5%

3,0%

3. Hài đa tần (interharmonics) là những sóng hài có tần số không phải là số
nguyên lần của tần số công nghiệp. Sóng hài loại này thường sinh ra bởi các
14


bộ biến đổi tĩnh, các bộ biến đổi chu kỳ, các động cơ cảm ứng và các thiết bị
hồ quang. Các tín hiệu tải ba (PLC) có thể được coi là hài không nguyên.

4. Xung nhọn xuất hiện chu kỳ là nhiễu loạn điện áp có tính chu kỳ, có dạng
hình V gây ra sự làm việc không bình thường của các thiết bị điện tử công
nghiệp, do các thiết bị điện tử công suất sinh ra (khi các thyristor chuyển
mạch). Do biến dạng hình V xuất hiện liên tục nên có thể được đặc trưng bởi
1 phổ hài. Tuy nhiên, nó thường được xem là 1 trường hợp riêng. Tần số của
biến dạng này thường rất cao và cũng ít có thiết bị để đo thành phần này.
5. Do các thành phần khác là những tín hiệu điện không mong muốn với dải tần
nhỏ hơn 200 kHz, xuất hiện ký sinh trong sóng điện áp và dòng điện. Các
thiết bị gây nên biến dạng này gồm: các thiết bị điện tử công nghiệp, các thiết
bị hồ quang… Các biến dạng lan truyền gây nhiễu loạn các thiết bị điện tử
như các bộ điều khiển lập trình hoặc các bộ vi xử lý. Có thể loại trừ bằng các
bộ lọc, biến áp cách ly…
1.1.1.6.

Dao động điện áp

Dao động điện áp là sự biến đổi có tính hệ thống của giá trị biên độ điện
áp hoặc một loạt sự thay đổi ngẫu nhiên của điện áp, có biên độ biến thiên trong
khoảng 0,9 – 1,1 pu. Những thiết bị dùng điện có sự biến đổi liên tục và nhanh
chóng về dòng điện có thể gây nên biến đổi điện áp được gọi là sự nhấp nháy.
Khái niệm độ nhấp nháy xuất phát từ ảnh hưởng của dao động điện đối với bóng
đèn điện mà mắt người có thể cảm nhận được. Nguyên nhân chủ yếu của hiện
tượng này là do các lò hồ quang.
1.1.2. Hiện tượng chớp nháy điện áp
1.1.2.1.

Định nghĩa hiện tượng chớp nháy điện áp

Dao động điện áp là những biến đổi có tính hệ thống của biên độ dạng sóng điện
áp. Nhìn chung, những biến đổi này nằm trong khoảng từ 0,1% đến 7% điện áp

danh định với tần số dưới 25 Hz. Hiện tượng này gây ra nhấp nháy về ánh sáng
15


phát ra của các đèn chiếu sáng và được gọi chung là hiện tượng nhấp nháy điện
áp. Hiện tượng nhấp nháy điện áp có thể gây ra khó chịu cho người đang làm
việc hay không tùy thuộc rất nhiều vào biên độ dao động điện áp cũng như tần số
biến đổi của điện áp này.
Dao động điện áp và nhấp nháy điện áp là hai thuật ngữ khác biệt về mặt kỹ
thuật, nhưng thường có sự nhầm lẫn khi dùng hai thuật ngữ này.
Tuy nhiên, dao động điện áp và hiện tượng nhấp nháy có liên quan mật thiết với
nhau. Có thể coi nhấp nháy điện áp là hệ quả của dao động điện áp với một tần số
thích hợp vì dao động điện áp làm cường độ chiếu sáng thay đổi (Hình 1.1.1).
Trên thực tế, những biến đổi điện áp với biên độ thấp đến 0,5% có thể làm phát
sinh hiện tượng nhấp nháy và gây khó chịu nếu tần số biến đổi nằm trong phạm
vi từ 6Hz đến 8 Hz.

Hình 1.1.1 Dao động điện áp và hiện tượng nhấp nháy do cường độ sáng thay đổi

1.1.2.2.

Nguyên nhân

Nguyên nhân của hiện tượng nhấp nháy điện áp bắt nguồn từ quá trình
dao động điện áp. Quá trình dao động điện áp có thể xảy ra do nhiều nguyên
nhân khác nhau, ví dụ do các phụ tải lớn có dòng điện tiêu thụ thay đổi liên tục,
nhanh chóng. Một số ví dụ về các tải này là:

16

 Lò hồ quang điện
 Bộ biến tần
 Tời điện
 Máy cán thép
 Máy phát điện gió (công suất phát thường không ổn định vì phụ thuộc vào
mức gió.
Tương tự, các tải điện nhỏ như máy hàn, cần trục và thang máy, có thể gây ra
hiện tượng dao động điện áp và nhấp nháy tùy vào khu vực của hệ thống điện mà
chúng được kết nối.
1.1.2.3 . Các ảnh hưởng của chớp nháy điện áp
Hiện tượng nhấp nháy được coi là tác động lớn nhất của dao động điện áp
vì nó có thể tác động đến môi trường sản xuất bằng cách gây mệt mỏi cho người
làm việc và làm giảm mức độ tập trung trong công việc. Thêm vào đó, dao động
điện áp có thể khiến thiết bị điện và điện tử chịu tác động có hại có thể làm gián
đoạn quá trình sản xuất với mức chi phí thiệt hại tương đối cao.
Chỉ số đánh giá độ nhấp nháy điện áp được chia ra các cấp (ký hiệu bằng chữ P –
Perceptibility Index):
 Chỉ số đánh giá độ nhấp nháy tức thời Pins
 Chỉ số đánh giá độ nhấp nháy ngắn hạn PST (tính trong khoảng thời gian
10 phút).
 Chỉ số đánh giá độ nhấp nháy dài hạn PLT (tính trong khoảng thời gian 2
giờ.
Các yếu tố này chỉ tác động của dao động điện áp lên việc chiếu sáng và ảnh
hưởng của nó đối với con người, ví dụ giá trị PST lớn hơn 1 ứng với trường hợp
nhấp nháy điện áp gây ra sự cảm nhận khó chịu cho 50% số người tham gia quan
sát.

17

1.2.
Lý do cần giám sát các hiện tượng về chất lượng điện năng
Nhu cầu về giám sát chất lượng điện năng (điện áp và dòng điện) ngày càng
tăng do các dây chuyền, thiết bị công nghiệp ngày càng phụ thuộc vào chất lượng
của nguồn điện cung cấp. Sự cần thiết của việc giám sát chất lượng điện năng
thể hiện qua các mục tiêu sau đây (2):
 Giám sát để phân tích đặc tính của hệ thống
Đây là một trong những mục tiêu phổ biến nhất. Trong thị trường điện cạnh
tranh, các đơn vị bán điện cần hiểu rõ đặc tính của hệ thống để cung cấp dịch vụ
với chất lượng đáp ứng yêu cầu, nâng cao khả năng cạnh tranh. Nắm bắt rõ đặc
tính hệ thống cũng giúp nhanh chóng xác định các vấn đề phát sinh và gửi thông
tin đến khách hàng để họ có thể sử dụng các thiết bị với đặc tính kỹ thuật phù
hợp với đặc tính của hệ thống.
 Giám sát để đặc tính hóa các vấn đề cụ thể
Các nhà quản lý hoặc qui hoạch cũng cần nắm bắt các vấn đề về chất lượng
điện năng phát sinh tại các điểm cụ thể để có thể đưa ra các qui hoạch hoặc cấu
hình vận hành hợp lý.
 Giám sát để nâng cao chất lượng dịch vụ
Trong thị trường điện cạnh tranh, các nhà cung cấp điện có thể đưa ra nhiều
mức độ khác nhau của dịch vụ, đi kèm đó là giá bán điện tương ứng. Với các
khách hàng quan trọng, nhà cung cấp có thể đảm bảo cấp điện với độ tin cậy và
chất lượng điện năng cao, tuy nhiên giá bán điện cũng được tính tương xứng.
Trong những trường hợp này việc giám sát chất lượng điện năng là quan trọng để
đảm bảo rằng hợp đồng đã được thực hiện đúng.
 Giám sát để đưa ra kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng hợp lý
Dữ liệu giám sát chất lượng điện năng trong khoảng thời gian đủ dài có thể sử
dụng để cung cấp thông tin về thiết bị đang vận hành. Ví dụ, hiện tượng phóng
điện lặp lại có thể là chỉ báo của cáp điện đang bị xuống cấp, đóng cắt bộ tụ
nhiều lần liên tục có thể là chỉ báo của hư hỏng trong thiết bị tự động đóng/cắt

18


các bộ tụ. Phân tích các hiện tượng này có thể giúp nhanh chóng bảo dưỡng khắc
phục các vấn đề trước khi nó trở nên trầm trọng hơn.
Việc giám sát có thể cần thiết thực hiện tại điểm đấu nối ở lưới hạ áp, trung áp và
kể cả giám sát trên lưới điện cao áp. Mục đích của việc giám sát tại các vị trí này
có thể khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu như sau:
 Giám sát tại các thiết bị
Việc giám sát tại thiết bị giúp xác định chính xác chất lượng điện năng
đang sự dụng. Các dữ liệu của quá tình giám sát còn giúp cho việc phân tích
các vấn đề phát sinh. Khoảng thời giam giám sát có thể thay đổi tùy theo mục
đích nghiên cứu, ví dụ giám sát chất lượng điện năng cần khoảng thời gian
theo dõi ít nhất một tuần, tuy nhiên với các hiện tượng quá độ điện áp chỉ cần
giám sát trong khoảng thời gian đóng cắt thiết bị. Trường hợp đầu tiên thiết bị
đo lường cần đo được giá trị hiệu dụng giá trị trung bình, trường hợp thứ hai
thiết bị đo bắt buộc phải ghi được dạng sóng.
Việc giám sát tại một thiết bị đơn lẻ trong nhiều trường hợp cũng là cần
thiết do các lý do sau đây:
 Kiểm tra chất lượng điện áp & dòng điện (xác định hệ số quá tải
cho phép)
 Phân tích dòng công suất phục vụ cho việc thương thảo hợp đồng
mua bán điện
 Nắm bắt, giám sát các xu hướng biến đổi của chất lượng điện năng
 Phân tích các vấn đề (nếu có) đối với việc lắp đặt thiết bị.
 Giám sát chất lượng điện năng trên lưới điện
Lý do cần thiết cho việc giám sát chất lượng điện năng trên lưới điện hoàn
toàn tương tự như với việc giám sát tại các thiết bị. Ngoài ra còn thêm các lý
do khác như:

 Giám sát chất lượng điện năng của lưới điện phục vụ cho việc vận
hành lưới được tốt hơn
19


 Phục vụ cho công tác qui hoạch, xác lập cấu hình lưới để giám thiểu
các hiện tượng xấu về chất lượng điện năng.
1.3.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu của luận văn là xây dựng được khối giám sát chất lượng điện áp,
cụ thể là hiện tượng nhấp nháy điện áp (Flicker) dựa trên phần mềm Labview.
Khối giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp sẽ cho phép biến máy tính trở thành
thiết bị đo lường các hiện tượng chất lượng điện năng (kết hợp bộ chuyển đổi
A/D và các cảm biến dòng, áp) tương tự như các thiết bị chuyên dụng.
Lý do lựa chọn xây dựng thiết bị giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp
trên nền tảng máy tính cá nhân là do thiết bị sẽ có nhiều ưu điểm hơn trên quan
điểm của người sử dụng, khả năng tùy biến tốt. Các so sánh cụ thể hơn được thể
hiện ở phần sau đây (3).
a. Thiết bị đo lường giám sát chất lượng điện năng chuyên dụng
Các thiết bị giám sát chất lượng điện năng sử dụng phổ biến hiện nay thường do
các nhà sản xuất như Fluke, Hioki..chế tạo. Sơ bộ các thiết bị này có thể phân
loại như sau
 Các thiết bị đo lường cho hệ thống nối đất
 Các đồng hồ vạn năng
 Các máy hiện sóng
 Các thiết bị phân tích nhiễu loạn (distubances)
 Các thiết đo và phân tích sóng hài, phổ tần
 Thiết bị phân tích kết hợp cả sóng hài và các nhiều loạn khác
 Thiết bị đo và giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp
 Thiết bị đo và giám sát điện năng…

Các thiết bị này tùy theo nhu cầu, có thể là dạng lặp đặt cố định phục vụ cho mục
đích đo lường dài hạn với dung lượng lưu trữ lớn, hoặc có thể là các thiết bị xách
tay phục vụ cho công tác chuẩn đoán sơ bộ hoặc đo lường ngắn hạn.

20


Thiết bị giám sát kiểu xách tay
(Fluke 434)

Thiết bị giám sát kiểu lắp đặt cố định
(Fluke 1570)

Hình 1.3.1 Thiết bị đo lường chất lượng điện năng của hãng Fluke

Nhược điểm: Các thiết bị này được chế tạo chuyên dụng với từng mục đích cụ
thể, và do vậy đây cũng chính là nhược điểm khi người sử dụng hoàn toàn lệ
thuộc vào nhà sản xuất trong việc thay đổi tính năng, thay đổi tùy biến. Mặc
khác dung lượng lưu trữ của các thiết bị này thường bị hạn chế, thiết bị với
dung lượng cao thường có giá thành rất đắt, không phù hợp để triển khai lắp
đặt trên diện rộng.
b. Thiết bị giám sát chất lượng điện năng dựa trên máy tính cá nhân
Thiết bi đo lường dựa trên nền tảng máy tính cá nhân thường còn được gọi
là thiết bị đo lường ảo (Virtual Instrument). Các tính năng của thiết bị do người
sử dụng tự tạo ra, dung lượng lưu trữ chỉ phụ thuộc vào dung lượng của máy
tính. Tốc độ xử lý của các thiết bị đo lường ảo được cải thiện đáng kể do bộ vi xử
lý của máy tính có tốc độ cao, năng lực xử lý vượt trội so với các bộ vi xử lý
dùng trong các thiết bị chuyên dụng.
Một ưu điểm nữa của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC là khả năng
truy cập, sử dụng hệ thống mạng Internet trong việc giám sát từ xa, truyền dữ

liệu cần thiết về các trung tâm giám sát. Các thiết bị này còn có khả năng
triển khai trên diện rộng với giá thành hợp lý.

21


Cấu trúc điển hình của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC thể hiện
trên hình 1.3.2

Hình 1.3.2 Cấu trúc điển hình của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC

Hình 1.3.3 Giao diện thiết bị đo lường ảo do người sử dụng tự tạo

So sánh chi tiết của hai loại thiết bị đo lường được thể hiện ở Bảng 1.3.1

22


Bảng 1.3.1 So sánh ưu, nhược điểm của hai loại thiết bị đo

Thiết bị ảo

Thiết bị chuyên dụng truyền thống
Các chức năng được cụ thể hóa bởi nha

Hệ thống hướng ứng dụng với khả năng

sản xuất, khả năng kết nối hạn chế

kết nối tới mạng, thiết bị ngoại vi và các

ứng dụng

Phần cứng đóng vai trò quyết định

Phần mềm quyết định tính năng của thiết
bị

Chi phí tương đối cao

Chi phí thấp, có thể tái sử dụng

Tính năng cố định

Tính năng linh hoạt do người dùng tự tạo

Vòng đời công nghệ dài (5-10 năm)

Vòng đời công nghệ ngắn (1-2 năm)

Chi phí phát triển và bảo trì cao

Phần mềm giúp hạn chế tối đa chi phí phát
triển và bảo trì

23


Chương 2

Đo lường hiện tượng chớp nháy điện áp

(Flicker measurement )

Chương này giới thiệu chi tiết về hiện tượng nhấp nháy điện áp và tập trung
nghiên cứu về các phương pháp, tiêu chuẩn đo lường đánh giá hiện tượng
nhấp nháy điện áp. Tiêu chuẩn IEC 61000-4-15 qui định về phương pháp đo
hiện tượng nhấp nháy điện áp sẽ được phân tích cụ thể làm tiền đề cho việc
phát triển ứng dụng ở chương tiếp theo.

2.1.

Các nghiên cứu về hiện tượng chớp nháy điện áp
Dao động điện áp là những biến đổi có tính hệ thống của biên độ dạng

sóng điện áp với tần số nhỏ hơn tần số công nghiệp 50Hz. Nếu những dao động
điện áp này diễn ra với tần số trong dải từ 0,005Hz ÷ 35Hz sẽ dẫn tới nhấp nháy
của ánh sáng mà mắt người có thể cảm nhận được (4). Hiện tượng dao động độ
sáng của đèn mà mắt người có thể cảm nhận gọi là hiện tượng nhấp nháy điện
áp. Hiện tượng nhấp nháy điện áp có thể gây ra khó chịu cho người đang làm
việc hay không tùy thuộc rất nhiều vào biên độ dao động điện áp cũng như tần số
biến đổi của điện áp này. Ngòai ra mức độ gây khó chịu của nhấp nháy điện áp
cũng phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài cũng như phụ thuộc vào thể
trạng sinh học của mỗi người.
Nhấp nháy điện áp có thể chia ra loại có chu kỳ hoặc không chu kỳ tùy
theo loại dao động điện áp. Ví dụ của nhấp nháy điện áp chu kỳ thể hiện trên
Hình 2.1.1.
Mức độ dao động điện áp xét trong hiện tượng nhấp nháy điện áp thường
được thể hiện bằng phần trăm (%) theo điện áp định mức. Do sử dụng tỷ lệ phần
trăm (hệ đơn vị tương đối) nên không cần đề cập tới đó là điện áp đỉnh, điện áp
hiệu dụng, điện áp pha…công thức tính như sau:
24

Hình 2.1.1 Ví dụ của nhấp nháy điệp áp chu kỳ

=

x100(%)

Trong đó:


V
(%) : mức độ dao động điện áp gây ra nhấp nháp điện áp
V

 Vmax: điện áp lớn nhất của dao động điện áp
 Vmin: điện áp nhỏ nhất của dao động điện áp
 Vdm: điện áp định mức của mạng điện
2.2.

Đo lường hiện tượng chớp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEC

Các nghiên cứu về nhấp nháp điện áp đã diễn ra từ những năm 1900, tuy nhiên
các cố gắng để xây dựng một tiêu chuẩn đánh giá mới chỉ bắt đầu khoảng từ
những năm 1937 (5). Các nghiên cứu ban đầu đã cố gắng lập ra một giới hạn gọi
là đường cong nhấp nháy điện áp (theo tiêu chuẩn IEEE). Các nhà nghiên cứu đã
thử nghiệm rất nhiều nhấp nháy với biên độ và tần số khác nhau do bóng đèn sợi
đốt loại 60W phát ra. Những người tham gia thí nghiệm báo cáo lại về cảm giác
của họ đối với các nhấp nháy khác nhau. Có các mức độ báo cáo như không
trông thấy nhấp nháy; có nhìn thấy nhấp nháy nhưng không thấy khó chịu; và có

trông thấy nhấp nháy và có cảm thấy khó chịu.
25