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

NGUYỄN HỮU TOẢN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN HỮU TOẢN

XÂY DỰNG KHỐI ĐO LƯỜNG, GIÁM SÁT SÓNG HÀI
CHO THIẾT BỊ ĐO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

KỸ THUẬT ĐIỆN

DỰA TRÊN MÁY TÍNH CÁ NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

2011B

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài
liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo
danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả

Nguyễn Hữu Toản

1


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của TS. Nguyễn Xuân
Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện, Trường đại học Bách khoa Hà
Nội - Người chịu trách nhiệm hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Từ đáy lòng mình, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô đã tham gia
giảng dạy trong khóa học, các thầy cô tại Viện Điện, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
giúp tôi hoàn thành khóa học này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và Viện
Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập tại trường.
Lời cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn sự động viên của gia đình, bạn bè, những
người đã tạo điều kiện rất nhiều cho tôi trong suốt chặng đường học tập đã qua.
Tác giả

Nguyễn Hữu Toản

2


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Các thiết bị giám sát chất lượng điện năng được giới thiệu và sử dụng ngày
càng phổ biến, tuy nhiên giá thành của các thiết bị này vẫn còn cao. Mặt khác các thiết
bị đo chuyên dụng của các hãng thường bị giới hạn về các chức năng đo, khách hàng
không có khả năng để tự mở rộng thêm các chức năng này. Trong những năm gần đây
thiết bị đo lường dựa trên nền tảng máy tính cá nhân được chú trọng do có nhiều ưu

điểm như: máy tính cá nhân là thiết bị rất phổ biến nên có thể dễ dàng tận dụng, phần
mềm cho phép lập trình các thiết bị đo trên máy tính như Labview có giao diện thân
thiện và dễ sử dụng, các khối đo lường có thể được lập trình với nhiều chức năng như
mong muốn. Khả năng lưu trữ dữ liệu của thiết bị đo dựa trên máy tính cá nhân cũng
vượt trội so với các thiết bị đo lường khác.
Luận văn nghiên cứu sử dụng phần mềm Labview để lập trình khối đo lường ,
giám sát chất lượng điện áp dựa trên máy tính cá nhân, tập trung phân tích chi tiết hơn
vào phần chất lượng điện năng liên quan tới sóng hài điện áp. Khối đo lường được xây
dựng có độ tùy biến cao về cả tính năng và giao diện, người dùng hoàn toàn có thể mở
rộng áp dụng thêm với việc giám sát dòng điện.
Lịch sử nghiên cứu
Việc sử dụng máy tính để thực hiện các nhiệm vụ đo lường đã được nghiên cứu
trên thế giới, đặc biệt với sự trợ giúp của phần mềm Labview. Tại Việt Nam các
nghiên cứu về thiết bị đo lường ảo (virtual instrument - VI) trên máy tính được giới
thiệu khá nhiều, tuy nhiên sử dụng máy tính và Labview để thiết kế thiết bị đo chất
lượng điện năng thì chưa có tài liệu tham khảo nào đề cập tới.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
-

Nghiên cứu các phương pháp đo lường và đánh giá các tiêu chuẩn chất lượng
điện năng liên quan tới điện áp, có chú trọng vào phần sóng hài.

3


-

Sử dụng phần mềm Labview để lập trình khối đo lường chất lượng điện áp, bao
gồm cả phần sóng hài.
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản

-

Giới thiệu chung về chất lượng điện năng và các nguyên nhân, tác hại của chất
lượng điện năng tới các thiết bị.

-

Phân tích cụ thể các nguyên nhân gây ra sóng hài trong hệ thống điện và các tác
hại của sóng hài.

-

Giới thiệu các tiêu chuẩn để đo các số liệu liên quan tới chất lượng điện năng
(CLĐN).

-

Giới thiệu các tiêu chuẩn để đánh giá mức độ tốt xấu của CLĐN đo được.

-

Sử dụng phần mềm Labview để lập trình trên máy tính tạo ra khối đo lường
chất lượng điện áp bao gồm cả phần sóng hài.

-

Thực hiện thí nghiệm đo đối chứng với thiết bị máy hiện sóng Tektronix. Tín
hiệu đầu vào lấy từ các bộ tạo nguồn áp tại Bộ môn Hệ thống điện, ĐHBK HN
và đo lường sóng hài phát sinh do tải phi tuyến trên bộ mô phỏng hệ thống điện

(Power System Simulator).

-

Tạo các tín hiệu mô phỏng để kiểm chứng thêm các chứng năng đo lường khác.
Các đóng góp mới của tác giả
Luận văn đã sử dụng phần mềm Labview để lập trình tạo ra khối đo lường giám

sát chất lượng điện áp trên máy tính, khối này có bao gồm cả chức năng đo lường,
phân tích sóng hài. Thêm vào đó, luận văn đã đi sâu nghiên cứu và làm rõ vai trò chức
năng của từng khâu trong toàn bộ qui trình đo lường chất lượng 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 chất
lượng 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.

4


MỤC LỤC
Chương mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 3
MỤC LỤC ................................................................................................................. 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ 7
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. 8

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ
SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .............................................................. 10
1.1

Lý do cần giám sát các hiện tượng về chất lượng điện năng .......................... 10

1.2

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn .................................................................. 12

1.3

Giới thiệu chung về các hiện tượng chất lượng điện năng .............................. 15

1.3.1

Phân loại chất lượng điện năng................................................................ 15

1.3.2

Sóng hài trong hệ thống điện: định nghĩa, nguyên nhân và ảnh hưởng .... 17

1.3.3

Sụt áp ngắn hạn: định nghĩa, nguyên nhân và ảnh hưởng ........................ 23

1.3.4

Mất cân bằng điện áp, dòng điện trong hệ thống điện: định nghĩa, nguyên

nhân và ảnh hưởng............................................................................................... 26
CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH TIÊU CHUẨN ĐO LƯỜNG, ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƯỢNG ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .................................................. 30
2.1

Mục đích sử dụng của các tiêu chuẩn đo lường, đánh giá chất lượng điện áp . 30

2.2

Tiêu chuẩn IEC 61000-4-30:2008 áp dụng trong việc đo lường các hiện tượng

chất lượng điện năng ............................................................................................... 30
2.2.1

Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn .............................................................. 31

2.2.2

Các phương pháp đo và tổng hợp giá trị đo sử dụng trong đo lường các

đại lượng chất lượng điện năng ............................................................................ 31

5


2.2.3

Các qui định theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-30:2008 liên quan tới việc đo

lường các đại lượng chất lượng điện năng ............................................................ 34

2.3

Giới thiệu tiêu chuẩn EN50160 sử dụng để đánh giá chất lượng điện năng .... 37

2.3.1

Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn .............................................................. 37

2.3.2

Các qui định chính theo tiêu chuẩn EN50160 .......................................... 39

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG KHỐI ĐO LƯỜNG, GIÁM SÁT SÓNG HÀI ĐIỆN
ÁP DỰA TRÊN NỀN TẢNG PHẦN MỀM LABVIEW ..................................... 43
3.1

Giới thiệu phần mềm Labview ....................................................................... 43

3.2

Xây dựng khối giám sát sóng hài bằng Labview ............................................ 45

3.2.1

Sơ đồ tổng thể của khối đo lường chất lượng điện áp .............................. 45

3.2.2

Diễn giải chi tiết các khối ........................................................................ 48

CHƯƠNG 4 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA KHỐI ĐO
LƯỜNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP DỰA TRÊN MÁY TÍNH ........................... 58
4.1

Phương thức đánh giá độ chính xác của việc lập trình khối đo chất lượng điện

áp đã xây dựng ........................................................................................................ 58
4.2

Kiểm tra đối chứng với máy hiện sóng Tektronix TDS 1001C-EDU ............. 59

4.2.1

Thông số kỹ thuật của bộ phát nguồn áp.................................................. 59

4.2.2

Các bước thử nghiệm đối chứng và kết quả ............................................. 60

4.3

Kiểm tra với tín hiệu mô phỏng trên máy tính ................................................ 72

4.3.1

Các bước tiến hành.................................................................................. 72

4.3.2

Khối tạo tín hiệu mô phỏng thử nghiệm trên máy tính ............................. 73

4.3.3

Kết quả mô phỏng ................................................................................... 74

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 91
5.1

Kết luận ......................................................................................................... 91

5.2

Hướng nghiên cứu trong tương lai ................................................................. 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 92

`

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng biểu chương 1

Trang

Bảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của hai loại thiết bị đo .......................................... 15
Bảng 1.2 Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp theo tiêu chuẩn
IEEE 1159 - 1995 ...................................................................................................... 16
Bảng 1.3 Tiêu chuẩn điện áp theo Thông tư 12 và 32 ................................................. 19

Bảng 1.4 Dạng sóng dòng điện, phổ tầnvà tổng độ méo sóng hài của một số tải phi
tuyến khác ................................................................................................................. 21
Bảng biểu chương 2
Bảng 2.1 Tổng hợp các giới hạn qui định theo tiêu chuẩn EN 50160 ......................... 41
Bảng 2.2 Qui định về mức độ sóng hài trong HTĐ theo tiêu chuẩn EN50160 ............ 42
Bảng biểu chương 4
Bảng 4.1 Bảng kết quả đo biên độ điện áp ................................................................. 79

7


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ chương 1

Trang

Hình 1.1 Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng ................................................ 18
Hình 1.2 Sóng méo dạng và phân tích Fourier tương ứng .......................................... 18
Hình 1.3 Điện áp sin đặt vào tải phi tuyến tạo ra dòng điện không sin ....................... 20
Hình 1.4 Dạng sóng và phổ dòng pha A khi máy biến áp hoạt động trong điều kiện quá
áp 10% điện áp định mức ........................................................................................... 20
Hình 1.5 Định nghĩa hiện tượng sụt áp ngắn hạn ........................................................ 23
Hình 1.6 Sụt giảm điện áp khi động cơ lớn khởi động ................................................ 25
Hình 1.7 Mất cân bằng trong hệ thống điện 3 pha ...................................................... 26
Hình 1.8 Ảnh hưởng của mất cân bằng điện áp tới dòng điện trong động cơ .............. 28
Hình vẽ chương 2
Hình 2.1 Ví dụ tính toán giá trị hiệu dụng dựa trên các mẫu đo được ......................... 31
Hình 2.2 Ví dụ tính toán giá trị hiệu dụng theo phương pháp nửa chu kỳ ................... 32
Hình 2.3 Dạng sóng và sụt áp đánh giá cho từng pha ................................................. 35
Hình 2.4 Đánh giá sụt áp ngắn hạn cho hệ ba pha ...................................................... 35

Hình 2.5 Phân tích sóng hài theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-7 ...................................... 37
Hình vẽ chương 3
Hình 3.1 Sơ đồ khối của khối đo lường chất lượng điện áp ........................................ 46
Hình 3.2 Giao diện chính khối đo lường chất lượng điện áp trên máy tính ................. 47
Hình vẽ chương 4
Hình 4.1 Sơ đồ đấu nối kiểm chứng ........................................................................... 59
Hình 4.2 Sơ đồ kết nối thiết bị khi đo kiểm chứng ..................................................... 61
Hình 4.3 Kết bối thiết bị để đo sóng hài của tải phi tuyến ......................................... 69
Hình 4.4 Tín hiệu mô phỏng và khối đo lường chất lượng điện áp cùng được lập trình
trên máy tính với phần mềm Labview ........................................................................ 72
Hình 4.5 Giao diện và các tùy chỉnh cho phép của khối tạo tín hiệu ........................... 73

8


Hình 4.6 Tín hiệu mô phỏng và khối đo lường chất lượng điện áp cùng được lập trình
trên máy tính với phần mềm Labview ........................................................................ 74
Hình 4.7 Khối bơm tín hiệu điện áp đầu vào 5V ........................................................ 75
Hình 4.8 Khối đo hiển thị với nguồn áp bơm vào 5V ................................................. 76
Hình 4.9 Khối bơm tín hiệu điện áp đầu vào 10V ...................................................... 77
Hình 4.10 Khối đo hiển thị với nguồn áp bơm vào 10V ............................................. 78
Hình 4.11 Khối bơm tín hiệu đầu vào sóng hài .......................................................... 80
Hình 4.12 Khối đo hiển thị khi chưa có thành phần sóng hài, điện áp vào là đối xứng80
Hình 4.13 Khối đo hiển thị khi có thành phần sóng hài, điện áp vào không đối xứng . 83
Hình 4.14 Khối tạo tín hiệu sụt áp.............................................................................. 87
Hình 4.15 Khối đo hiển thị khi tạo ra độ lệch điện áp 20% ........................................ 88
Hình 4.16 Khối đo hiển thị khi tạo ra độ lệch điện áp 40% ........................................ 89

9

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG
HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1 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(1):
 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.

10

 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 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.

11

 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
 Phục vụ cho công tác qui hoạch, xác lập cấu hình lưới để giám thiểu các
hiện tượng xấu về chất lượng điện năng.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu của luận văn là xây dựng được khối giám sát chất lượng điện áp bao
gồm cả về sóng hài đối với hệ 3 pha dựa trên phần mềm Labview. Khối giám sát 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 sóng hài 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 (2).
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
12

 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.
Thiết bị giám sát kiểu xách tay
(Fluke 434)

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

Hình 1.1. 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 bị 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.

13


Cấu trúc điển hình của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC thể hiện trên
Hình 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc điển hình của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC

Hình 1.3 Giao diện thiết bị đo lường ảo do người sử dụng tự thiết lập

14


So sánh chi tiết của hai loại thiết bị đo lường được thể hiện ở Bảng 1.1
Bảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của hai loại thiết bị đo
Thiết bị chuyên dụng truyền thống
Thiết bị ảo dựa trên máy tính
Các chức năng được cụ thể hóa bởi nhà

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

1.3 Giới thiệu chung về các hiện tượng chất lượng điện năng
1.3.1 Phân loại chất lượng điện năng
Trong nhiều tài liệu của châu Âu và Mỹ, "chất lượng điện năng" được hiểu là chất
lượng của sản phẩm điện được nhà cung cấp phân phối cho các hộ sử dụng.
Có thể phân loại các vấn đề của chất lượng điện năng một cách sơ bộ bao gồm:
 Mất cân bằng dòng điện & điện áp
 Sụt giảm điện áp, mất điện áp
 Chớp nháy điện áp
 Quá độ điện áp
 Sóng hài
Theo tiêu chuẩn IEEE 1159 - 1995, các hiện tượng chất lượng điện năng có thể

được phân loại như sau:

15


Bảng 1.2 Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp theo tiêu chuẩn IEEE
1159 - 1995
Thời gian tồn
Loại
Dải tần
Biên độ
tại
1. Quá độ
1.1.

Quá độ xung

1.1.1. Nanosecond

< 50 ns

1.1.2. Microsecond

50 ns – 1 ms

1.1.3. Milisecond

> 1 ms

1.2.

Quá độ dao động

1.2.1. Tần số thấp

< 5 kHz

0,3 – 50 ms

0 – 4 pu

1.2.2. Tần số trung bình

5 – 500 kHz

20 micro giây

0 – 8 pu

1.2.3. Tần số cao

0,5 – 6 MHz

5 micro giây

0 – 4 pu

2.1.1. Gián đoạn

0,5 – 30 chu kỳ

< 0,1 pu

2.1.2. Giảm

0,5 – 30 chu kỳ

0,1 – 0,9
pu

2.1.3. Tăng

0,5 – 30 chu kỳ

1,1 – 1,8
pu

2.2.1. Gián đoạn

30 chu kỳ - 3 s

< 0,1 pu

2.2.2. Giảm

30 chu kỳ - 3 s

0,1 – 0,9
pu

2.2.3. Tăng

30 chu kỳ - 3 s

1,1 – 1,4
pu

2.3.1. Gián đoạn

3 sec – 1 min

< 0,1 pu

2.3.2. Giảm

3 sec – 1 min

0,1 – 0,9
pu

2.3.3. Tăng

3 sec – 1 min

1,1 – 1,2
pu

> 1 min

0 pu

2. Biến đổi ngắn hạn
2.1.

2.2.

2.3.

Biến đổi tức thời

Biến đổi chốc lát

Biến đổi tạm thời

3. Biến đổi dài hạn
3.1.

Gián đoạn duy trì

16


3.2.

Kém điện áp

> 1 min

0,8 – 0,9
pu

3.3.

Quá điện áp

> 1 min

1,1 – 1,2
pu

Trạng thái ổn
định

0,5 – 2%

4. Điện áp không cân bằng
5. Biến dạng sóng điện áp
5.1.

Thành phần 1 chiều

Trạng thái ổn
định

0 – 0,1%

5.2.

Hài bậc cao (Harmonics)

Trạng thái ổn
định

0 – 20%

5.3.

Hài đa tần
(Interharmonics)

Trạng thái ổn
định

0 – 2%

5.4.

Các xung nhọn xuất hiện
chu kỳ (Notching)

Trạng thái ổn
định

5.5.

Do các thành phần khác
(Noise)

Trạng thái ổn
định

0 – 1%

Không liên tục

0,1 – 7%

6. Dao động điện áp

< 25 Hz

7. Biến đổi tần số

< 10 sec

1.3.2 Sóng hài trong hệ thống điện: định nghĩa, nguyên nhân và ảnh hưởng
a. Định nghĩa
Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn, xuất hiện dưới dạng các dòng
điện hay điện áp có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thường
được gọi là tần số sóng cơ bản). Các thành phần sóng hài này do các tải phi tuyến sinh
ra.
Công cụ toán học để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là
phân tích Fourier. Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một sóng méo dạng, có chu
kỳ thì có thể phân tích được thành tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin, bao gồm:
 Sóng hình sin với tần số cơ bản
 Các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, là bội của tần số cơ bản.

17

Hình 1.1 Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng

Dạng sóng méo ở hình dưới đây được phân tích thành một thành phần sóng cơ bản và
thành phần sóng hài bậc 3, bậc 5.

Hình 1.2 Sóng méo dạng và phân tích Fourier tương ứng

b. Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện
Thường dùng khái niệm tổng độ biến dạng sóng hài (Total Harmonic Distiortion)
(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) 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:

18


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).
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 1.3 Tiêu chuẩn điện áp theo Thông tư 12 và 32
Cấp điện áp

Tổng biến dạng sóng hài
Biến dạng riêng lẻ
500kV, 220kV

3%

-

110kV

3%

1,5%

Trung và hạ áp

6,5%

3%

c. Nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện
Sóng hài được phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, phần lớn được sinh ra các
tải phi tuyến hoặc do các thiết bị điện tử công suất khi hoạt động gây ra.
Khi đặt một điện áp hình sin chuẩn vào tải phi tuyến thì dòng điện sinh ra sẽ có dạng
sóng bị méo.

19


Hình 1.3 Điện áp sin đặt vào tải phi tuyến tạo ra dòng điện không sin

Một số nguồn phát sinh sóng hài thường gặp trong hệ thống điện:
 Các máy biến áp: hiện tượng bão hòa mạch từ là một nguyên nhân gây ra sóng hài.
Khi biên độ điện áp từ thông đủ lớn (hiện tượng quá từ thông) để rơi vào vùng
không tuyến tính trên đường cong B-H của mạch từ sẽ dẫn đến dòng điện bị méo
dạng và chứa thành phần sóng hài mặc dù sóng điện áp đặt vào vẫn là hình sin.
Hình 1.4 mô tả dạng sóng dòng điện pha A của máy biến áp khi lõi từ bị quá kích
thích.

Hình 1.4 Dạng sóng và phổ dòng pha A khi máy biến áp hoạt động trong điều
kiện quá áp 10% điện áp định mức

 Động cơ: tương tự máy biến áp, động cơ cũng có lõi từ và khi hoạt động cũng có
thể sinh ra các thành phần sóng hài, tuy nhiên chủ yếu là hài bậc 3.
 Thiết bị điện tử công suất:thiết bị điện tử công suất có sử dụng bộ chỉnh lưu đầu
vào, thiết bị chỉnh lưu này chính là nguồn gây phát sóng hài. Mặt khác các van
công suất khi đóng/cắt cũng có thể gây ra nhiễu, hài với tần số cao. Thiết bị điện tử
công suất sử dụng phổ biến trong các thiết bị công nghiệp, gia dụng như: máy tính,

20


bộ điều tốc động cơ, đèn huỳnh quang, bộ lưu điện UPS....Các thiết bị này tạo ra
dòng điện méo dạng rất lớn tùy thuộc vào công suất định mức.
Bảng 1.4 Dạng sóng dòng điện, phổ tầnvà tổng độ méo sóng hài của một
số tải phi tuyến khác

d. Ảnh hưởng của sóng hài tới các thiết bị trong hệ thống điện
Ảnh hưởng của sóng hài trong hệ thống điện thể hiện trên nhiều nhiều thiết bị, tuy
nhiên việc xác định chính xác mức độ ảnh hưởng vẫn còn là vấn đề cần có các nghiên

cứu chuyên sâu. Những tác hại của sóng hài gây ra có thể gây ảnh hưởng trực tiếp, tuy
nhiên cũng có thể gây ảnh hưởng gián tiếp qua một thời gian dài
 Làm méo hệ thống điện áp: điện áp nguồn phát ra là dạng sóng sin (mức độ méo
sóng rất nhỏ, hoàn toàn có thê bỏ qua), tuy nhiên khi xuất hiện phụ tải phi tuyến
kèm theo dòng điện không sin sẽ gây ra sụt áp không sin trên đường dây. Sụt áp

21


không sin gây ra điện áp tại thanh cái tổng chung bị méo sóng và sẽ ảnh hưởng đến
các thiết bị khác đang nhận điện từ thanh cái chung này.
 Làm xấu hệ số công suất: càng nhiều thành phần sóng điều hòa thêm vào cùng với
thành phần cơ bản, thì giá trị dòng điện hiệu dụng tổng sẽ tăng lên, vì vậy sẽ ảnh
hưởng tới hệ số công suất của mạch.
 Gây thêm phát nóng: Do ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài, làm cho vật dẫn bị
làm nóng nhanh chóng khi tần số dòng điện tăng. Nếu trong điều kiện tồn tại sóng
hài với trị số lớn, thiết bị vẫn có thể bị quá nhiệt ngay cả khi mang dòng định mức
và làm cho tổn hao công suất cũng tăng lên.
 Tổn hao từ trễ tỉ lệ với tần số và dòng fu-cô tỉ lệ với bình phương tần số nên dòng
điều hòa cũng gây tăng tổn thất trong cuộn dây và mạch từ của máy biến áp. Cũng
giống như máy biến áp sóng hài gây ra thêm tổn hao từ trường trong lõi thép của
động cơ. Dòng hài cũng gây nên tổn hao trong cuộn dây động cơ. Một ảnh hưởng
khác nghiêm trọng hơn là sự dao động mômen vì sóng hài. Hai trong số những
sóng hài thường gặp trên lưới điện là hài bậc năm và bậc bảy. Sóng hài bậc năm là
sóng hài thứ tự nghịch, dẫn tới từ trường quay ngược chiều với từ trường cơ bản
với tốc độ bằng năm lần tốc độ cơ bản. Hài bậc bẩy là hài thứ tự thuận, từ trường
quay cùng hướng từ trường cơ bản với tốc độ bằng bẩy lần cơ bản. Từ đó dẫn tới
sự tương tác từ trường và dòng điện cảm ứng trên rotor tạo ra sự dao động của trục
động cơ.
 Ảnh hưởng tới thiết bị bảo vệ rơle và đo đếm: sự xuất hiện thành phần sóng hài làm

cho thiết bị bảo vệ tác động sai hoặc không tác động khi có sự cố. Tùy từng điều
kiện rơle có thể tác động trước hoặc chậm hơn so với yêu cầu hoặc định vị sai vị trí
điểm sự cố (ảnh hưởng nhiều nhất đến các rơle tĩnh và rơle cơ, rơle số thường được
trang bị các bộ lọc rất tốt nên ít bị ảnh hưởng), điều này có thể gây ra những tác
động xấu đến cả hệ thống.
 Các thiết bị đo đếm cũng bị ảnh hưởng, tuy nhiên rất khó để xác định sai số gây ra
là âm hay dương. Sai số này phụ thuộc không những vào tần số sóng hài có trong

22


đại lượng cần đo mà còn cả vào góc pha của sóng hài, do đó rất khó tổ hợp hết các
trường hợp có thể xảy ra để tiến hành thí nghiệm kiểm chứng.
 Gây nhiễu: Đối với các thiết bị đo, hệ thống máy tính, các thiết truyền thông, kĩ
thuật số, y tế đòi hỏi chất lượng điện áp cao, sự xuất hiện của sóng hài có thể làm
chúng hoạt động không chính xác.
 Quá tải các bộ tụ bù: tổng trở của các bộ tụ phụ thuộc vào tần số vận hành, tần số
càng cao thì tổng trở càng giảm thấp. Do vậy, với các sóng hài thì bộ tụ có thể trở
thành nơi hút sóng hài và có thể bị quá tải, quá nhiệt (nhất là với các bộ tụ khô).
Bên cạnh đó, tại các tần số của sóng hài, có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng giữa
bộ tụ và trở kháng của hệ thống, có thể gây lên các dao động mạnh của điện áp và
dòng điện.
1.3.3 Sụt áp ngắn hạn: định nghĩa, nguyên nhân và ảnh hưởng
a. Định nghĩa
Sụt áp ngắn hạn là hiện tượng điện áp tại một điểm nào đó điện áp trong hệ thống giảm
thấp dưới ngưỡng cho phép (nằm trong khoảng từ 10% ÷ 90% điện áp định mức) trong
khoảng thời gian lớn hơn 10ms hay 0,5 chu kỳ. Hình 1.5 mô tả hiện tượng sụt áp
ngắn hạn
Điện áp định mức

Độ sụt áp

Điện áp ngưỡng

Thời gian sụt áp

Điện áp dư

Hình 1.5 Định nghĩa hiện tượng sụt áp ngắn hạn

23


Thuật ngữ được sử dụng: khi đề cập tới sụt áp ngắn hạn thì giá trị được đề cập
là giá trị điện áp dư còn lại. Do dó, sụt áp ngắn hạn 30% nghĩa là sụt áp xảy ra với điện
áp dư còn lại là 30% của điện áp định mức.
Mất điện áp: là trường hợp riêng của sụt áp ngắn hạn khi tại một thời điểm nào đó điện
áp cả 3 pha sụt giảm xuống dưới 10% điện áp định mức.
b. Chỉ số đánh giá
Sụt áp ngắn hạn được đánh giá qua hai thông số:
 Độ lớn sụt giảm: sai khác giữa điện áp tiêu chuẩn và điện áp dư còn lại khi sụt
giảm (Hình 1.5)
Độ lớn sụt giảm điện áp phụ thuộc nhiều yếu tố:
 Phụ thuộc vào vị trí điểm đo đến điểm sự cố
 Phụ thuộc vào tổ đấu dây máy biến áp
 Tùy thuộc dạng sự cố xảy ra trong hệ thống...
 Thời gian sụt giảm: được tính từ khi điện áp xuống dưới ngưỡng đến khi phục
hồi trở lại (Hình 1.5)
Thời gian sụt giảm phụ thuộc vào:
 Phụ thuộc vào thời gian loại trừ sự cố của bảo vệ

 Phụ thuộc vào nguyên nhân gây sụt áp...
c. Nguyên nhân gây sụt áp ngắn hạn trong hệ thống điện
Có nhiều nguyên nhân có thể gây ra sụt áp ngắn hạn trong hệ thống, tuy nhiên
phổ biến nhất vẫn là do ngắn mạch gây ra. Các nguyên nhân có thể liệt kê như sau:
 Sự cố ngắn mạch gây sụt áp tại thanh cái phụ tải
 Đóng /cắt các phụ tải lớn, khởi động động cơ lớn
 Trục trặc trong hệ thống tự động điều chỉnh kích từ của các máy phát điện, hư
hỏng tại các bộ tự động điều chỉnh đầu phân áp các máy biến áp.
24