Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và giám sát từ xa các trạm biến áp công cộng tại điện lực Đồng Nai: luận văn thạc sĩ

1

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Hệ thống điều khiển từ xa nắm giữ vai trò quan trọng trong công cuộc công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Điều khiển từ xa rất đa dạng phong phú: trong lĩnh
vực quân sự được ứng dụng vào điều khiển máy bay không người lái, tên lửa, phi
thuyền, vệ tinh nhân tạo,…; trong dân dụng điều khiển từ xa làm tăng tính tiện ích và
tăng giá trị sử dụng cho các thiết bị.
Điều khiển thiết bị từ xa và tự động quay số báo động khi có sự cố thông qua hệ
thống thông tin liên lạc là sự kết hợp giữa các ngành Điện-Điện tử và Viễn thông, sự
phối hợp ứng dụng vi điều khiển hiện đại và hệ thống thông tin liên lạc đã hình thành
một hướng nghiên cứu và phát triển không nhỏ trong khoa học kỹ thuật. Điều khiển và
giám sát từ xa và tự động quay số báo động khi có sự cố thông qua mạng điện thoại
khắc phục được nhiều giới hạn trong hệ thống điều khiển từ xa và báo động thông
thường. Hệ thống này không phụ thuộc vào khoảng cách, môi trường, đối tượng điều
khiển và đối tượng báo động. Điểm đặc trưng nổi bật của hệ thống là tính lưu động của
tác nhân điều khiển, đối tượng báo động và đối tượng được điều khiển là cố định.
Trên thế giới, ở các nước phát triển có khá nhiều công trình nghiên cứu khoa học
đã thành công khi sử dụng mạng điện thoại để điều khiển và báo động:
Tại Nga có những nhà máy điện, những kho lưu trữ tài liệu quý đã ứng dụng hệ thống
điều khiển từ xa và tự động báo động thông qua đường điện thoại để đóng ngắt những
nơi cao áp, tự động quay số báo động khi có sự cố, tự động xả bình chữa cháy,…và
nhiều hệ thống điều khiển và báo động thông qua mạng Internet để điều khiển nhà máy
điện nguyên tử [1-3].
Ở Mỹ có những chung cư lớn sử dụng hệ thống khóa cửa, két sắt được lắp đặt bí
mật thông qua tổng đài nội bộ [4].
Ở Việt Nam cũng có một số đề tài nghiên cứu sử dụng mạng điện thoại để điều
khiển thiết bị [5-7] nhưng chưa thực sự là một đề tài hoàn chỉnh, bởi vì các phương
pháp điều khiển thiết bị của những đề tài này có sự phản hồi không chính xác, chỉ phản
hồi bằng tiếng nhạc và không thể tắt thiết bị bằng công tắc bên ngoài. Ngoài ra còn có

2
một số đề tài nghiên cứu về sử dụng mạng điện thoại để báo động khi có cháy nhưng
các đề tài này chỉ được thực hiện trên lý thuyết.
Nói tóm lại, hệ thống điều khiển từ xa và quay số báo động qua mạng điện thoại
mặc dù có những đặc trưng nổi bật, nhưng chúng chỉ ứng dụng ở những công trình có
tầm cở vừa và nhỏ, và nó chưa thực sự là một sản phẩm phổ biến trong dân dụng vì giá
thành sản phẩm còn quá cao.
Đặc biệt, trong ngành điện lực những sự cố xảy ra tại trạm biến áp như chạm,
cháy, nổ,…thường gây ra những thiệt hại rất lớn về người và tài sản. Nếu giám sát
được các thông số như dòng điện, điện áp, công suất,…thì chúng ta hoàn toàn điều
khiển cắt nguồn trước khi xảy ra sự cố.
Xuất phát từ những vấn đề trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo
hệ thống điều khiển và giám sát từ xa các trạm biến áp công cộng tại điện lực Đồng
Nai”, với mục đích tạo ra một thiết bị dùng để giám sát và điều khiển trạm biến áp từ
xa nhưng có độ chính xác cao, nhằm tránh những sự cố rủi ro tai nạn về người cũng
như thiết bị, cũng như nâng cao tiện ích cho công nhân vận hành trạm biến áp công
cộng, góp phần vào phát triển kinh tế trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa
đất nước.
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Dựa vào mạng điện thoại di động sẵn có để thiết kế hệ thống tự động giám sát và
điều khiển trạm biến áp (TBA) công cộng khi có sự cố, với sự trợ giúp của kỹ thuật vi
điều khiển. Hệ thống này được thiết kế trên mô hình đóng ngắt TBA công cộng, tự
động quay số báo động khi có sự cố cháy nổ, hoặc có người ngoài ngành điện lực đột
nhập phá hoại. Phương pháp phản hồi kết quả điều khiển, báo động bằng tiếng nói và
tin nhắn được lưu trữ và cài đặt sẵn. Ngoài ra hệ thống chỉ có thể điều khiển được khi
người điều khiển nhập đúng mã Password hoặc giọng nói, nên tuyệt đối an toàn, không
xảy ra trường hợp người ngoài ngành điện lực có thể điều khiển hệ thống do vô tình
hoặc cố ý quay số ngẫu nhiên.

3
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và điều khiển từ xa và giao tiếp với điện
kế PLC để lấy các thông số của trạm điện công cộng tại điện lực Đồng Nai thông qua
smart phone, nhằm mục đích tự động hóa việc đóng cắt trạm điện TBA và giảm bớt
nhân công theo dõi các TBA, nhân công đi lấy các thông số của TBA, của các lộ ra sau
MCCB thuộc phạm vi bán kính cấp điện của TBA, giảm áp lực vận hành đường dây và
TBA công cộng của ngành điện lực.
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ tập trung vào việc điều khiển đóng cắt và giám sát từ xa trạm TBA
công cộng khi có sự cố thông qua smart phone.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
−

Trạm TBA công cộng

−

Truyền nhận thông tin bằng phím nhấn thông qua mạng di động, giải mã
DTMF (Dual-tone multi-frequency)

−

Thuật toán Goertzel để giải mã DTMF

−

Điều khiển thiết bị bằng SIM900 và vi điều khiển ARM

1.4 Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài này tôi sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:
− Phương pháp tham khảo tài liệu: thu thập thông tin và tài liệu từ sách, tạp chí,
báo điện tử và truy cập mạng internet.
− Phương pháp quan sát: khảo sát một số mô hình thực tế và các chương trên
mạng internet.
− Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức chuyên môn vốn
có, người nghiên cứu đã thiết kết và thi công một hệ thống điều khiển giám sát
từ xa các trạm điện thông qua smart phone, và chạy thử nghiệm tại phòng thí
nghiệm vài tháng trước khi triển khai ứng dụng cho trạm điện TBA.


4
1.5 Kế hoạch thực hiện
− Giai đoạn 1 (6/2016–9/2016): Tìm tài liệu tham khảo.
− Giai đoạn 2 (9/2016 – 11/2016): Tìm hiểu và nghiên cứu truyền nhận tín hiệu
bằng bàn phím qua đường dây điện thoại. Thuật toán Goertzel cho giải mã
DTMF
− Giai đoạn 3 (11/2016 – 1/2017): SIM900 và vi điều khiển ARM
− Giai đoạn 4 (1/2017–7/2017): Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám
sát từ xa các trạm điện TBA.
1.6 Kết cấu của luận văn
Luận văn gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương này gồm những nội dung sau:
− Đặt vấn đề;
− Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước;
− Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu;
− Đối tượng nghiên cứu;

− Phương pháp nghiên cứu;
Chương 2: Trạm biến áp TBA
Chương này gồm những nội dung sau:
− Các loại Trạm biến áp;
− Trạm biến giàn.
− Trạm biến áp ngồi.
− Trạm biến kiểu treo.
− Trạm biến áp kiểu compact.
− Trạm biến áp kiểu hộp bộ.
Chương 3: Giải mã tín hiệu DTMF
Chương này gồm những nội dung sau:
− Khái niệm DTMF;


5
− Chế độ quay số đa tần DTMF (Tone);
− Phân tích tín hiệu DTMF bằng IC thu phát MT8880;
− Phân tích tín hiệu DTMF bằng thuật toán Goertzel;
Chương 4: SIM900
Chương này gồm những nội dung sau:
− Giới thiệu Module SIM900;
− Phần cứng của module SIM900;
− Mạch nguồn;
− Giao tiếp với sim card, giao tiếp với điện kế PLC (ĐK theo dõi tổn thất công
công của TBA)
− Kết nối với vi điều khiển;
− Đèn thông tin trạng thái của SIM900;
− Giao tiếp với SIM900 qua AT command;
− Thiết kế chương trình cho SIM900;
− Ví dụ về mô phỏng chương trình;

Chương 5: Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và giám sát từ xa các trạm biến áp
công cộng tại điện lực Đồng Nai
Chương này gồm những nội dung sau:
− Giới thiệu;
− Ý tưởng thiết kế;
− Thiết kế hệ thống;
Chương 6: Kết luận
Chương này gồm những nội dung sau:
− Kết luận;
− Hướng phát triển


6

Chương 2: TRẠM BIẾN ÁP TBA
2.1 Trạm biến áp [8, 9]

Hình 2. 1. Trạm biến áp
Trạm biến áp (TBA) có thể hiểu một cách đơn giản nó là một thiết bị điện từ
tĩnh có tác dụng truyền, đưa năng lượng hoặc tín hiệu điện xoay quanh chiều giữa các
mạch điện thông qua cảm ứng điện từ nhưng nó vẫn giữ nguyên tần số. Trạm biến áp
đóng vai trò rất quan trọng trong việc truyền tải điện năng.
Trong quá trình truyền tải điện năng, TBA có chức năng chuyển đổi điện năng
từ 6 – 22 KV xuống 220 – 380V nhằm cung cấp toàn bộ điện năng đến các hộ gia đình,
các cơ quan, xí nghiệp nhằm phục vụ sản xuất kinh doanh và đời sống sinh hoạt của
người dân.
Việc sử dụng trạm biến áp sẽ giúp truyền tải điện năng đến các hộ gia đình, đảm
bảo quá trình phân phối điện đúng quy trình, phù hợp với từng công suất điện của các
thiết bị điện. Do vậy mà việc xây dựng trạm biến áp tại các khu dân cư, tại các cụm
công nghiệp là một trong những vấn đề đặc biệt quan trọng.

Hiện nay, đối với các công trình mới được xây dựng trong những năm gần đây,
để đảm bảo mỹ quan đô thị, hầu hết các trạm biến áp đều được thiết kế nhỏ gọn, cáp


7
điện được ngầm hóa để đảm bảo mỹ quan. Tuy nhiên, nếu chú ý quan sát, thì tại những
tuyến đường cũ vẫn còn tồn tại đường dây và trạm biến áp trên mặt đất nhằm đảm bảo
cho việc cấp phát điện cho các khu dân cư và trên toàn thành phố. Để đáp ứng kịp so
với nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao của các hộ gia đình hiện nay.
Trạm biến áp muốn hoạt động hiệu quả thì trạm phải hoạt động dưới 80% tải,
bán kính cấp điện phù hợp, và các hệ thống bảo vệ TBA phải phù hợp với công suất
máy biến áp thì mới tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh để cung cấp điện.
Thông thường có 2 loại trạm biến áp để cáp điện đó là: Loại cấp điện cho mục
đích sinh hoạt và kinh doanh sản suất nhỏ lẽ thường những TBA này có công suất nhỏ
và gọn. Hai là loại có kích thước lớn thường được dùng ở các khu công nghiệp tập
trung, trong kinh doanh sản xuất có công suất lớn.
2.2 Phân loại trạm biến áp
2.2.1 Phân loại theo cấp điện áp
Người ta phân ra làm 4 cấp điện áp:
− Siêu cao áp: Lớn hơn 500 KV
− Cao áp: 66kV, 110kV, 220kV và 500kV
− Trung áp: 6kV, 10kV, 15kV, 22kV và 35 kV
− Hạ áp: 0,4kV và 0,2kV và Các điện áp nhỏ hơn 1 KV.
2.2.2 Phân loại trạm biến áp theo ngành điện lực
Theo cách phân loại trên, ta lại có 2 tên trạm biến áp:
− Trạm biến áp trung gian: Nhận điện áp từ 500KV - 220 KV – 110 KV biến đổi
thành điện áp ra 110 KV – 22 KV theo nhu cầu sử dụng.Và theo từng vùng miền
áp dụng các cấp điện áp phù hợp với từng vùng khác nhau.
− Trạm biến áp phân phối: Nhận điện áp 22 KV biến đổi thành điện áp ra 0,4 =>
đây là trạm biến áp được dùng trong mạng hạ áp dân dụng tòa nhà, thường thấy

là trạm 22/0,4 KV.


8
2.2.3 Phân loại theo công suất máy biến áp
− Gồm các máy biến áp có cấp điện áp sơ/thứ cấp: 35/0.4KV, 22/0.4 KV,
10&6.3/0.4 KV
− Công suất biểu kiến Trạm phổ biến: 50KVA, 75KVA, 100KVA, 160KVA,
180KVA, 250KVA, 320KVA, 400KVA, 500KVA, 560KVA, 630KVA,
750KVA, 800KVA, 1000KVA, 1250KVA, 1500KVA, 1600KVA, 1800KVA,
2000KVA, 2500 KVA.3000KVA. 4000KVA.
− Các công ty Sản Xuất máy Biến Áp như: Thibidi, Cơ điện Thủ Đức, Lioa. v.v.
2.3 Các đại lượng cần quan tâm trên trạm
− S: Công suất biểu kiến được ghi trên trạm biến áp (KVA).
− P: Công suất tiêu thụ (KW).
− Q: Công suất phản kháng (KVAR).
− U: điện áp sơ cấp và thứ cấp của trạm (KV hoặc V).
− I: Dòng điện thứ cấp (A), Dòng điện sơ cấp thường rất ít được quan tâm.
2.4 Các dạng trạm trạm biến áp
Hiện nay trên thị trường có một số trạm biến áp điển hình, có thể phân thành trạm
ngoài trời và trạm trong nhà.
Đối với các trạm được xây dựng ngoài trời thông thường là các loại trạm có công
suất lớn nên việc lắp đặt máy biến áp cũng chiếm một khoảng diện tích nhất định. Để
phân loại các trạm biến áp ngoài trời thì cần phải dựa vào giá thành và nhu cầu sử
dụng.
So với trạm biến áp ngoài trời, trạm biến áp trong nhà thường chiếm một diện tích
nhất định, trạm trong nhà cũng có một số dạng thường gặp, như trạm kín và trạm trọn
bộ. Trạm kín là dạng trạm mà hầu hết các thiết bị điện áp đều được đặt trong nhà.
Thông thường trạm kín thường có hai loại: trạm công cộng phục vụ các khu chung cư
cao tầng và trạm khách hàng là sử dụng trong hộ gia đình, đặc biệt là các hộ gia đình

kinh doanh và sản xuất. Trạm trọn bộ này yêu cầu phải được đặt kín, không chịu ảnh


9
hưởng của các tác nhân bên ngoài. Trạm trọn bộ này thường nhỏ, được lắp đặt trên nền
nhà bê tông và sử dụng chính ở vùng nông thôn.
2.4.1 Trạm áp ngồi tháp đỡ trạm bằng sắt.
Trạm biến áp ngồi tháp đỡ bằng sắt là loại trạm biến áp được lắp đặt trực tiếp
trên mặt đất, tháp đỡ hoàn toàn bằng sắt. Đây là loại trạm biến áp thường được sử dụng
trong hệ thống TBA có công suất dưới 630KVA, thường được lắp đặt ở gần có diện
tích hẹp.

Hình 2. 2. Trạm biến áp tháp đỡ bằng sắt
Đây là loại trạm biến áp được lắp đặt ngay ngoài trời. Trạm biến áp có trụ đỡ là
một trụ thép đơn vuông gắn trực tiếp xuống mặt đất.
Trạm được cấu tạo bởi loại thép mạ kẽm có độ dày khá lớn từ 2 đến 8 mm. Đây
là loại vật liệu tương đối bền chắc và thường được sử dụng trong các lĩnh vực chế tạo
máy móc hiện đại. Tùy thuộc vào từng bộ phận khác nhau của trạm biến áp mà người
ta sử dụng loại vật liệu có độ dày phù hợp. Trụ đỡ máy phải được thiết kế theo đúng
các chỉ tiêu kỹ thuật đã được quy ước của Việt Nam và theo tiêu chuẩn quốc tế để đạt
được hiệu quả tối đa. Loại trụ này có thể được sử dụng để nâng đỡ các lợi máy biến áp
có công suất nhỏ dưới 630KVA.


10
Bởi vì chiếm diện tích khá nhỏ do lắp đặt trực tiếp ngoài trời nên chúng thường được
lựa chọn để lắp đặt hơn so với các loại trạm biến áp khác. Đặc biệt, loại trạm này rất
thích hợp sử dụng cho các khu đô thị, thành phố đông dân cư cần đảm bảo diện tích
mặt đất nhỏ và mang tính thẩm mỹ cao.
Ưu điểm và nhược điểm của trạm biến áp đơn thân:

Do trạm biến áp kiểu trụ đơn thân này có thiết kế và chế tạo đơn giản, dễ lắp đặt
và nhỏ gọn cho nên chúng được sử dụng rộng rãi. Có thể dễ dàng bắt gặp trạm biến áp
ngồi trong các công trình từ nhỏ như trường học, bệnh viện, nhà chung cư, cho đến
những nơi có diện tích rộng lớn như công viên, các khu công nghiệp, khu sản suất, khu
đô thị,… Có thể tóm tắt một số ưu điểm của loại trạm này như sau:
− Thứ nhất, vì trạm có thiết kế nhỏ gọn, lại được lắp đặt trực tiếp ngoài trời nên nó
rất thích hợp cho việc sử dụng đối với các khu đô thị, các khu dân cư có diện
tích mặt đật nhỏ. Đồng thời, loại trạm này cũng đảm bảo tính thẩm mỹ rất phù
hợp với những nơi cần quy hoạch như trên.
− Thứ hai, do được cấu tạo bởi loại thép mạ kẽm có độ dày lớn, độ bền cao nên nó
có khả năng chống thấm nước, chống giật điện cao, rất an toàn với người dùng.
Nhất là khi được lắp đặt ở các nơi có dân cư đông đúc, thường xuyên có người
qua lại thì tính an toàn của nó càng được cải thiện.
− Thứ ba, trạm biến áp ngồi được thiết kế đa dạng với nhiều loại công suất khác
nhau từ nhỏ cho đến loại trung bình. Vì vậy, nó đáp ứng tối đa thị hiếu tiêu dùng
của khách hàng. Khách hàng có thể thoải mái lựa chọn loại trạm có công suất
phù hợp với mục đích và yêu cầu của mình.
− Ngoài ra, thiết kế nhỏ gọn dễ vận chuyển trong quá trình lắp đặt và giá cả phù
hợp với từng loại phân khúc khách hành cũng là một điểm cộng lớn cho loại
trạm này. Bởi thế, chúng luôn là sự lựa chọn tiêu dùng hàng đầu của các khách
hành trong nước.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm thì trạm biến áp ngồi cũng còn tồn tại một số
nhược điểm như:


11
− Chúng không thích hợp cho việc sử dụng ở các lưới điện cao áp do công suất
yếu;
− Loại trạm này cũng không thích hợp lắp đặt ở những khu vực có cáp trung thế
nổi mà phải là cáp ngầm.

− Hơn nữa, với mật độ lắp đặt khá dày đặc như hiện nay thì chi phí để sửa chữa ,
thay thế cũng rất lớn, cách thức sửa chữa bảo dưỡng khó khăn cũng là một điểm
trừ nhỏ.
Mặc dù còn tồn tại một số hạn chế, song cũng không thể phủ nhận rằng trạm biến
áp ngồi đã và đang trở nên rất cần thiết đối với cuộc sống của con người. Với những ưu
thế của mình, nếu được cải tiến hơn một chút thì chắc chắn rằng chúng sẽ dần thay thế
những loại trạm biến áp truyền thống, nâng cao năng suất sản xuất cho người tiêu
dùng.
2.4.2 Trạm biến áp nền
Trạm biến áp nền có thiết bị được xây dựng trên mặt đất gây tốn diện tích nên
trạm nền cũng ít được sử dụng tại các thành phố lớn mà tập trung chủ yếu tại các cơ
quan, xí nghiệp, khu công nghiệp. Để xây dựng trạm biến áp dạng nền này yêu cầu
trong quá trình xây dựng cần phải có tường rào bao quanh. Phần dây cáp nối phải được
đặt trên cao hoặc chôn xuống dưới lòng đất. Tuyệt đối không được để lộ thiên, gây
nguy hiểm cho người sử dụng.

Hình 2. 3. Trạm biến áp nền


12
2.4.3 Trạm biến kiểu treo

Hình 2. 4. Trạm biến áp kiểu treo
Đây là loại trạm thiết kế và vận hành ở ngoài trời. Đây là dạng xây dựng trạm
biến áp mà toàn bộ các thiết bị biến áp và hạ áp đều được trep trên cột. Việc sử dụng
loại trạm này giúp làm giảm diện tích tiếp xúc với đất. Các thiết bị của trạm treo này
được lắp đặt trên hệ thống xà đỡ được gia công bằng thép hình và mạ kẽm nóng, được
gắn lên 1 cột điện bằng bê tông cốt thép ly tâm F500.
Ưu điểm: đây là trạm điện có thiết kế đơn giản, giá thành thấp nên được nhiều
người lựa chọn. Tuy nhiên nó vận hành ở ngoài trời nên mức bảo vệ không cao và kém

an toàn, công suất trạm cũng bị hạn chế.


13
2.4.4 Trạm biến kiểu giàn.

Hình 2. 5. Trạm biến áp kiểu giàn
Đây là loại trạm thiết kế và vận hành ở ngoài trời. Đây là dạng xây dựng trạm
biến áp mà toàn bộ các thiết bị biến áp và hạ áp đều được treo trên 02 cột điện bê tông
ly tâm F500. Việc sử dụng loại trạm này giúp làm giảm chi phí đầu tư, dễ dàng thi
công. Các thiết bị của trạm treo này được lắp đặt trên hệ thống xà đỡ được gia công
bằng thép hình và mạ kẽm nóng, được gắn lên 02 cột điện bằng bê tông cốt thép ly tâm
F500.
Ưu điểm: đây là trạm điện có thiết kế đơn giản, giá thành thấp nên được nhiều
người lựa chọn. Tuy nhiên rất chiếm diện tích và mất mỹ quan đô thị, công suất trạm
cũng bị hạn chế.
2.4.5 Trạm biến áp kiểu ngồi
Trạm biến áp ngồi là loại trạm biến áp được thiết kế để thay thế các trạm biến áp
củ có thiết kế chiếm dụng nhiều đất xung quang trạm, chi phí đầu tư thấp, nhiều vật tư
thay thế. Đây là loại trạm biến áp được sử dụng và thiết kế rộng rãi trong điện lực
nhằm vừa đảm bảo mỹ quan thành phố, vừa đảm bảo cung cấp điện và không chiếm
nhiều diện tích đất.


14

Hình 2. 6. Trạm biến áp kiểu ngồi
Kiểu trạm này có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ nên dễ di chuyển, thi công lắp đặt
nhanh, linh hoạt với mọi địa hình của từng khu vực, không chiếm nhiều diện tích, có
tính mỹ quan không đòi hỏi nhiều diện tích lắp đặt nên cũng phù hợp với các nhà

xưởng công nghiệp.
Trạm biến áp này ngày càng quan trọng với cuộc sống con người. Với những ưu
thế của mình, trạm biến áp ngồi đã dần thay thế các loại trạm truyền thống và trở thành
trạm biến áp phổ biến được người tiêu dùng tin tưởng và sử dụng. Nhưng kiểu trạm
này lại hạn chế gam máy biến áp chỉ áp dụng cho các máy có dung lượng từ 100KVA –
560KVA.
2.4.6 Trạm biến áp hợp bộ
Đây là một kiểu trạm thiết kế được lắp đặt trong nhà. Trạm xây bao gồm một số
thiết bị chính như thiết bị đóng cắt trung hạ thế, máy biến áp được lắp đặt trong các
không gian riêng biệt và được cách ly hoàn toàn. Kiểu trạm này vận hành rất an toàn,
phù hợp với mọi loại công suất biến áp, nên phù hợp sử dụng ở các nhà máy, công
nghiệp.
Nhược điểm của trạm là chi phí đầu tư cao, chiếm nhiều diện tích, khi có sự cố
thay thế tương đối khó khăn, vật tư thay thế đa phần nhập từ nước ngoài.


15

Hình 2. 7. Trạm biến áp kiểu xây
2.4.7 Trạm biến áp trọn bộ kiểu compac

Hình 2. 8. Trạm biến áp trọn bộ kiểu Kios
Đối với nhiều trạm phức tạp đòi hỏi sử dụng cấu trúc nối mạng nguồn kiểu vòng
hoặc tủ đóng cắt chứa nhiều máy cắt, gọn, không chịu ảnh hưởng của thời tiết và chịu
được va đập, trong những trường hợp này các trạm trọn bộ kiểu kín được sử dụng .
Các khối được chế tạo sẵn sẽ được lắp đặt trên nền nhà bê tông và được sử dụng
đối với trạm ở đô thị cũng như trạm ở nông thôn.
Ưu điểm của trạm kiểu này là:
−

Tối ưu hóa về vật liệu và sự an toàn do:
• Có sự chọn lựa thích hợp từ các kiểu lắp đặt có thể;
• Tuân theo toàn bộ các tiêu chuẩn quốc tế hiện hành và các tiêu chuẩn dự
định trong tương lai.

−

Giảm thời gian nghiên cứu và thiết kế, giảm chi phí lắp đặt do:


16
• Cực tiểu hóa sự phối hợp vài nguyên lý của xây dựng và kỹ thuật điện;
• Tin cậy, độc lập với xây dựng công trình chính;
• Loại bỏ nhu cầu một kết nối tạm thời tại lúc bắt đầu chuẩn bị thi công công
trình;
• Đơn giản hóa trong thi công, chỉ cần cung cấp một móng bằng bê tông chịu
lực
−

Vô cùng đơn giản trong lắp đặt thiết bị và kết nối.

−

Các trạm kiểu này chắc chắn, gọn đẹp thường được dùng ở các nơi quan trọng
như cơ quan ngoại giao, văn phòng, khách sạn….

2.5 Các sự cố thường gặp ở trạm biến áp công cộng
2.5.1 Một vài hình ảnh về sự cố trạm biến áp

Hình 2. 9. Hình ảnh cháy dây hạ thế sau TBA

17

Hình 2. 10. Hình ảnh xử lý sự cố cáp ngầm TBA compact

Hình 2. 11. Hình ảnh xử lý sự cố TBA 3X100KVA do chập cuộn hạ


18

Hình 2. 12. Hình ảnh sự cố chảy tủ RMU TBA compac
2.5.2 Sự cố cầu chảy
Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố máy biến áp như: Chập cuộn cao máy
biến áp, chập cuộn hạ máy biến áp, quá tải máy biến áp, chập sau MCCB, v.v
Cầu chảy được thiết kế nhằm bảo vệ máy biến áp (MBA), các thiết bị và dịch vụ
liên quan. Khoảng 20 % thời gian trong năm, nếu cầu chảy tác động thì có nghĩa là
MBA đã bị sự cố. Trong phần thời gian còn lại, cầu chảy tác động vì nguyên nhân
không phải là do MBA. Mặc dù vậy, chỉ trừ khi nguyên nhân sự cố đã rõ ràng, còn lại
thì công nhân quản lý vận hành đường dây thường phải tốn nhiều thời gian để tìm kiếm
nguyên nhân. Nếu có một công cụ có thể nhanh chóng nhận diện nguyên nhân sự cố thì
sẽ tiết kiệm được khá nhiều thời gian.
Nếu hiển nhiên là MBA bị sự cố thì có thể chấm dứt bước tìm kiếm nguyên
nhân. Người ta thay thế MBA, đồng thời nhanh chóng huy động nguồn nhân lực để
giải quyết những vấn đề sự cố khác.
Khi công nhân vận hành biết rằng MBA không bị sự cố (mà khả năng này rơi
vào số 80 % của tổng các lần cầu chảy tác động) thì họ có thể truy tìm các nguyên nhân
khác đã khiến cầu chảy tác động trước khi đóng điện trở lại nhằm đảm bảo an toàn.

19
Điều này cho phép công nhân vận hành tập trung vào những nguyên nhân có nhiều khả
năng gây mất điện nhất và từ đó sẽ tìm được giải pháp hiệu quả hơn, an toàn hơn. Như
vậy, trong tất cả các tình huống cầu chảy đã tác động, nếu có công cụ giúp nhanh
chóng nhận diện sự cố MBA thì công nhân vận hành sẽ tiết kiệm được nhiều thời gian.
2.5.3 Sự cố máy biến áp (MBA)
Tỷ lệ sự cố MBA là vấn đề hay được tranh luận. Không nhiều công ty điện lực
có hệ thống theo dõi số liệu đầy đủ, tuy nhiên, cũng có một số ít công ty như Progress
Energy hoặc Hydro One đang lưu giữ những hồ sơ chi tiết về sự cố MBA. Chúng tôi
cũng tham khảo số liệu từ các nguồn này, và nói chung các cán bộ kỹ thuật và vận
hành đều thấy các số liệu đó là đúng, đây là những số liệu tham khảo tốt nhất có được
mang tính định lượng. Việc công nhân vận hành đóng điện lại cho các MBA bị sự cố là
chuyện xảy ra hết sức thường xuyên, điều này có nghĩa là, hầu hết các sự cố MBA là
không trầm trọng.
Nếu MBA và cầu chảy được chế tạo tốt và phù hợp với nhau, sự cố diễn biến
bên trong MBA, và hạn chế được dòng điện sự cố thì sẽ tạo ra được mức bảo vệ an
toàn cho hệ thống điện. Khi sự cố được mô tả là không trầm trọng thì chúng ta cần hiểu
đó chỉ là một thuật ngữ mang tính tương đối, nghĩa là sự cố này chưa trầm trọng tới
mức gây nổ dẫn đến trào chảy dầu. Nhưng không nên quên rằng trong những thủ thuật
khác nhau nhằm nhận diện sự cố bên trong MBA có cả việc tra lại dây chảy cầu chảy,
do đó, nếu MBA đã bị sự cố bên trong thật, thì chính sự kiện nổ cầu chảy sẽ là một
biến cố nguy hiểm đối với người công nhân vận hành, có chăng nó chỉ chút ít kém
phần nặng nề so với trường hợp MBA bị phá hỏng hoàn toàn.
2.5.4 Sự cố MBA trầm trọng
MBA được xem là sự cố trầm trọng khi thùng dầu bị phá hủy đến mức có thể
nhìn thấy, do sự cố từ bên trong MBA gây nên. Sự phá hủy này hoặc có thể chưa gây
nên tác hại lớn lắm ngoài việc phải thay thế thùng dầu (vỏ máy), hoặc cũng có thể là
một thảm họa. Các MBA phân phối luôn tiềm ẩn nguy cơ bị sự cố trầm trọng.

20
Để nâng cao khả năng tải của đường dây, nhiều năm qua, người ta đã nâng cao điện áp
đường dây, (và khuynh hướng này vẫn tiếp tục tăng), theo đó, dòng điện sự cố cũng
tăng lên, lúc này, mối tiềm ẩn về nguy cơ sự cố MBA được nhận biết qua sự gia tăng
tần suất sự cố MBA. Năng lượng có thể được giải phóng tính từ thời điểm bắt đầu sự
cố đến khi cầu chảy loại trừ được sự cố thường vượt quá khả năng chịu đưng của vỏ và
nắp MBA.
Mặc dù dòng điện liên quan đến sự cố tăng cao, nhưng sét vẫn là nguyên nhân
chính gây nên sự cố. Dòng điện cao từ các cú sét đánh (hoặc từ các nguồn điện khác)
có thể gây nên phóng điện hồ quang trong dầu, hoặc gây nên sự tăng vọt điện áp qua
van chống sét, hoặc làm chuyển dịch các đầu dây ra trên dây quấn của MBA do lực
điện từ phát sinh từ các xung áp gây nên.
Ngoài ra, khi có sự cố, bản thân dầu MBA cũng có thể giải phóng năng lượng
khi khí hydro thoát ra do phá vỡ cấu trúc phân tử.
Nhiều nhà nghiên cứu đã nhận diện được cơ chế phá hủy này, nó luôn gắn liền
với sự cố phóng điện hồ quang trong thùng dầu, tạo nên xung hoặc sóng va đập với
dầu. Hồ quang này có thể chỉ ở phía dưới mặt dầu, hoặc bên trên ruột máy, hoặc dưới
sâu bên trong thùng dầu. Năng lượng hồ quang tạo nên xung áp lực với thời gian tăng
trưởng nhanh và áp lực tại đỉnh cao trong lớp không khí phía trên mặt dầu. Chỗ gắn
nắp thùng dầu thường là điểm yếu và các đường hàn cũng có thể bị phá bung ra.
Khi khảo sát một sự cố trầm trọng ở MBA, thường có một câu hỏi là: Đâu là
ngưỡng dưới để không xảy ra sự cố trầm trọng?. Mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu,
nhưng vẫn chưa tìm ra câu trả lời thỏa đáng. Một số chương trình thử nghiệm đã đưa ra
quan hệ giữa năng lượng sự cố (I2t), năng lượng hồ quang (jun hoặc Ws), năng lượng
kỳ vọng của dòng sự cố không đối xứng (I*t) và dòng sự cố đỉnh. Các kết quả cho thấy
khi dòng điện sự cố đối xứng nhỏ hơn 2.500 A thì việc phá hủy thùng dầu hầu như
không xảy ra. Tất nhiên với điều kiện tất cả các bộ phận cơ khí của hệ thống cầu chảy
làm việc đúng như thiết kế và thùng dầu MBA không bị hư hại về kết cấu.

21

Chương 3: GIẢI MÃ TÍN HIỆU DTMF
3.1 Khái niệm DTMF
DTMF là viết tắt của cụm từ Dual Tone Multiple Frequency, tạm dịch là lưỡng
âm đa tần (hay nói dễ hiểu hơn là âm thanh 2 giai điệu). Khi một thuê bao A thực hiện
cuộc goi cho thuê bao B, khi thuê bao A nhấc máy và nhấn phím để gọi, người gọi sẽ
nghe được âm thanh phát ra đó là âm của DTMF, hoặc trong quá trình liên lạc đó nếu
bên gọi nhấn các phím số thì bên nghe sẽ nghe được một âm thanh, đó chính là âm
thanh của DTMF [10].
DTMF là một phương pháp để hướng dẫn một hệ thống chuyển mạch của số
điện thoại được gọi đi hoặc ra lệnh cho hệ thống chuyển mạch hay thiết bị điện thoại có
liên quan bằng cách truyền tín hiệu đi. DTMF được tích hợp trên hầu hết điện thoại
trong hệ thống viễn thông. Đây là tín hiệu mà chúng ta tạo ra khi bấm các nút điện
thoại. Với DTMF, mỗi phím chúng ta bấm vào điện thoại sẽ tạo ra hai tông của tần số
cụ thể. Do đó một giọng nói không thể bắt chước các tông, vì một trong những âm điệu
được tạo ra từ một nhóm tần số cao và các cái khác từ một nhóm tần số thấp.
Hệ thống DTMF sử dụng 8 tín hiệu tần số khác nhau được truyền đi theo cặp tần
số đại diện cho 16 con số, biểu tượng và chữ cái có sẵn trên một bàn phím điện thoại
thông dụng.
Thực tế thì DTMF là tổ hợp âm thanh có hai tần số khác nhau và nó được biễu
diễn bởi phương trình:
f (t ) = A0 sin (2p f at )+ B0 sin (2p f bt )

Hình sau biểu diễn sự tương quan giữa các phím và tần số:

(3.1)


22

Hình 3. 1. Qui ước tần số cho từng bàn phím
Như vậy theo hình trên khi ta nhấn bất kì một phím số nào trên điện thoại thì sẽ
tạo ra một âm thanh DTMF và các phím số khác nhau sẽ có âm thanh này khác nhau.
Vấn đề chính là ở DTMF là các phím số khác nhau sẽ có DTMF khác nhau, để
điều khiển nó chúng ta chỉ cần giải mã tín hiệu DTMF này.
3.2 Chế độ quay số đa tần DTMF (Tone)
Khi ấn một số nào đó thì máy phát đi một tổ hợp tần số gồm một tần số cao và
một tần số thấp nằm trong dải tần thoại (0,3÷3,4 kHz). Tổ hợp 2 tần số đó là các tín
hiệu hình sin. Ở tổng đài có bộ thu tổ hợp tần số này, sau đó giải mã để biết con số mà
thuê bao đã phát đi.
Thời gian để nhận biết một số được ấn là 50ms và thời gian chờ ấn số tiếp theo
là 50ms. Như vậy, tổng thời gian để gởi một con số bất kì là 100ms.
Ví dụ: Tính thời gian trung bình để quay số 5555555555 cho chế độ Pulse và Tone.
Tính thời gian quay số ở chế độ Pulse:


23
tP1 = 5(xung/số)×100ms×10(con số) = 5s
tP2 = tI×(số con số-1) = 700ms×9 = 6.3s
tP = tP1+ tP2 = 11.3s
Tính thời gian quay số ở chế độ tone:
tT = (số con số)×100ms = 10×100ms = 1s
Như vậy, thời gian quay số thuê bao trên ở chế độ Tone nhanh hơn nhiều lần ở
chế độ Pulse.
Để giải mã tín hiệu DTMF chúng ta có 2 cách,

(1)

một là dùng IC chuyên dụng

MT8870 (2) hai là dùng thuật toán để giải mã trực tiếp từ vi điều khiển.
3.3 Giải mã tín hiệu DTMF bằng IC thu phát MT8870-MT8880 [11]
Module MT8870 này cho phép chúng ta nhận mã tín hiệu DTMF và giải mã
chúng bằng cách tạo ra 4-bit ở ngõ ra. Chúng ta có thể kết nối module này cho một
điện thoại di động và nhận tín hiệu DTMF từ một điện thoại di động khác ở xa. Do đó
chúng ta có thể gửi tín hiệu DTMF từ một điện thoại di động và nhận với một điện
thoại khác có kết nối với module MT8870. Các module nhận được tín hiệu thông qua
điện thoại di động và tạo ra 4-Bit ở ngõ ra. Nếu kết nối 4 tải khác nhau với các chân
đầu ra, chúng ta có thể bật và tắt các tải bằng cách gửi mã DTMF từ điện thoại di động
cho dù chúng ta đang ở đâu miễn có sóng điện thoại.
Hay nói cách khác, MT8870 là một thiết bị thu tín hiệu DTMF có tích hợp sẵn
bộ lọc tín hiệu DTMF và giải mã chuyển đổi 16 mã DTMF thành một số 4bit dạng số ở
đầu ra.
MT8870 có thể ứng dụng để thu tín hiệu DTMF thông qua tín hiệu Audio lấy từ
điện thoại có tích hợp tính năng DTMF.
MT8880 là một IC thu phát tone DTMF trọn bộ kèm theo một bộ lọc thoại (Call
Progress Filter). Bộ thu DTMF dựa trên kỹ thuật chuẩn của IC MT8870, còn gọi là bộ
phát DTMF sử dụng phương pháp biến đổi D/A biến dung (Switched Capacitor) cho ra
tín hiệu DTMF chính xác, ít nhiễu hơn MT8870. Các bộ đếm bên trong giúp hình thành
chế độ Brust Mode nhờ vậy các cặp tone xuất ra với thời hằng chính xác. Bộ lọc Call
Progress cho phép bộ vi xử lý phân tích các tone trạng thái đường dây. Bus chuẩn của


24
nó kết hợp với MPU và đặc biệt thích hợp họ 6800 của Motorola. MT8870 có 5 thanh
ghi bên trong để giao tiếp với µP, có thể chia làm 3 loại:
− Nhận phát data: 2 thanh ghi
− Thanh ghi trạng thái
− Nhận từ điều khiển: 2 thanh ghi

Module MT8870.

Hình 3. 2. Module MT8870
− Signal connector and DC jack: Các module có một kết nối 2 chân và một jack
cắm DC tương thích. Những kết nối và jack cho phép kết nối các module với
điện thoại di động.
− Power pins: + 5V và chân GND được kết nối đến + 5V và chân GND của một
nguồn điện DC tương ứng.


25
− Power switch: Sau khi kết nối các chân nguồn với nguồn điện, công tắc trắng
được nhấn để cấp nguồn cho mạch.
− Power Indicator LED: Chỉ báo nguồn, LED đỏ sẽ phát sáng ngay sau khi mạch
được cấp nguồn.
− Signal indicator LED: Tín hiệu LED trắng nhấp nháy một lần mỗi khi điện thoại
di động kết nối nhận được một tín hiệu từ một điện thoại di động khác.
− Output pins: Có 4 chân đầu ra cụ thể là Output1-Output4. Ở đây chúng ta sẽ
nhận được tín hiệu đầu ra 4-bit được tạo ra bởi các bộ giải mã DTMF MT8870
tương ứng với tín hiệu nhận được điện thoại di động.
− STD pin: Chân này lên mức cao mỗi khi một giao tiếp diễn ra.
3.4 Giải mã tín hiệu DTMF bằng thuật toán Goertzel [12]
Thuật toán Goertzel có thể thực hiện phát hiện Tone DTMF mà sử dụng ít công
suất CPU hơn nhiều so với chuyển đổi Fourier nhanh, nhưng ít có ai sử dụng nó.
Hầu hết chúng ta đã quen với việc chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) và chúng ta
sẽ gặp rắc rối khi sử dụng một phép biến đổi FFT đã "đóng gói" sẵn để phát hiện ra
một hoặc nhiều âm trong một tín hiệu âm thanh. Tuy nhiên, không cần phải dò ra toàn
bộ tần số âm thanh, mà chúng ta chỉ cần phát hiện một vài tần số âm thanh là đủ để
chúng ta xử lý, có một phương pháp xử lý nhanh hơn nhiều, người ta được gọi là thuật
toán Goertzel.

Đầu tiên cần nhìn tổng quan nhanh về thuật toán: một số xử lý trung gian được
thực hiện trong mỗi mẫu. Phát hiện tone thực tế xảy ra mỗi mẫu thứ N.
Cũng giống như biến đổi FFT, chúng ta làm việc với các khối mẫu. Tuy nhiên,
điều đó không có nghĩa là chúng ta phải xử lý dữ liệu theo khối. Chỉ cần xử lý số ngắn
gọn là đủ để được thực hiện trình dịch vụ ngắt ISR (Interrupt Service Routines) mà
đang thu thập các mẫu (nếu nhận được một gián đoạn cho mỗi mẫu). Hoặc, nếu chúng
ta nhận được các bộ đệm mẫu, thì chúng ta có thể tiếp tục xử lý một loạt mẫu cùng một
lúc.
Trong thực tế, trước khi thực hiện thuật toán Goertzel, cần phải thực hiện một số
tính toán sơ bộ: