Thiết kế thiết bị đo điện trở mối nối của đường dây tải điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Họ và tên tác giả luận văn
NGUYỄN TRỌNG TOẢN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TRỞ MỐI NỐI CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
Chuyên ngành : Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS. Phạm Thị Ngọc Yến

Hà Nội – Năm 2012


MỤC LỤC
Trang

Danh mục các bảng
Bảng 1.1: Bảng tần sử dụng cho truyền thông PLC theo tiêu chuẩn châu Âu. ......... 23
Bảng 2.1: Bảng chọn hệ số đầu vào cho kênh 1 ............................................................ 31
Bảng 2.2: Các bit của thanh ghi truyền thơng............................................................... 37

Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1: Mơ hình hệ truyền tải điện............................................................................... 9
Hình 1.2: Cuộn dây tải điện ............................................................................................ 10
Hình 1.3: Minh họa một đoạn đường dây khơng phân nhánh .................................... 10

Hình 1.4: Sơ đồ tương đương của đoạn dây ................................................................. 11
Hình 1.5: Minh họa một hệ thống đo điện trở Master- Slave ..................................... 14
Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống đo điện trở đường dây ................................................ 15
Hình 1.7: Sơ đồ khối của một Slave ............................................................................... 15
Hình 1.8: Sơ đồ khối Master ........................................................................................... 16
Hình 1.9: Hình minh họa mối nối ................................................................................... 17
Hình 1.10: Sơ đồ tương đương của mối nối. ................................................................. 17
Hình 1.11: Mơ hình hệ thống đo điện trở mối nối gắn cố định .................................. 19
Hình 1.12: Mơ hình thiết bị đo điện trở mối nối di động ............................................ 19
Hình 1.13: Minh họa đầu đo dạng kín và dạng kìm ..................................................... 20
Hình 1.14: Sơ đồ khối hệ thống đo điện trở mối nối .................................................... 20
Hình 1.15: Sơ đồ khối thiết bị đo điện trở mối nối...................................................... 21
Hình 1.16: Truyền thơng tin qua đường dây điện ........................................................ 22
Hình 2.1: Sơ đồ chân ADE7753 ..................................................................................... 29
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc ADE7753 ............................................................................... 30
Hình 2.3: Xử lý tín hiệu RMS kênh 1 ............................................................................. 33
Hình 2.4: Tính tốn cơng suất tác dụng ........................................................................ 34
Hình 2.5: Truy nhập địa chỉ trong ADE 7753 .............................................................. 36
Hình 2.6: Giản đồ thời gian quá trình đọc trên một thanh ghi tron g ADE 7753 ..... 37
3


Hình 2.7: Giản đồ thời gian viết vào một thanh ghi của ADE 7753 ........................ 37
Hình 3.1: Sơ đồ khối thiết bị đo điện trở mối nối ......................................................... 40
Hình 3.2: Sơ đồ khối nguồn ............................................................................................ 42
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ........................................................................... 42
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối CĐCH và ADE7753 .................................................. 43
Hình 3.5: Khối xử lý trung tâm ....................................................................................... 44
Hình 3.6: Khối truyền thơng ........................................................................................... 45
Hình 3.7: Khối hiển thị tại chỗ ....................................................................................... 46

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo............................................................................. 47
HÌnh 3.9: Lớp bottom sau khi đã phủ đồng .................................................................. 48
Hình 3.10: Lớp top ........................................................................................................... 49
Hình 3.11: Sơ đồ sắp xếp linh kiện ................................................................................ 50
Hình 4.1: Lưu đồ thuật tốn chương trình chính ......................................................... 51
Hình 4.2: Chỉnh định offset cho kênh đo năng lượng tác dụng .................................. 53
Hình 4.3: Chỉnh định góc lệch pha ................................................................................ 54
Hình 4.4: Chỉnh định offset hiệu dụng dịng điện ........................................................ 56
Hình 4.5: Chỉnh định offset hiệu dụng điện áp ............................................................. 57
Hình 4.6: Lưu đồ thuật tốn giao tiếp giữa vi điều khiển và PC trên PC ................. 58
Hình 4.7: Lưu đồ thuật toán giao tiếp giữa vi điều khiển và PC trên vi điều khiển 58
Hình 5.1: Mặt dưới của mạch phần cứng ..................................................................... 60
Hình 5.2: Mặt trên của mạch phần cứng khi chưa có thiết bị hiển thị tại chỗ ......... 61
Hình 5.3: Mặt trên mạch phần cứng khi có thiết bị hiển thị tại chỗ .......................... 62
TRANG PHỤ BÌA…………………………………………………………………..1
LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………...2
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 7
ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................................... 8
PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................... 9
CHƯƠNG I: ĐO ĐIỆN TRỞ ĐƯỜNG DÂY VÀ MỐI NỐI ....................................... 9
I.1. ĐO ĐIỆN TRỞ ĐƯỜNG DÂY. ............................................................................9

4


I.1.1. Giới thiệu hệ thống đường dây tải điện. .........................................................9
I.1.2. Các phương pháp đo điện trở đường dây. ....................................................10
I.1.2.1. Đo điện trở đường dây khơng có dịng điện. ........................................10
I.1.2.2. Đo điện trở đường dây có dịng điện. ....................................................10
I.1. 3. Hệ thống đo điện trở đường dây một pha có dịng điện. ...........................13

I.1.3.1. Nguyên lý hoạt động hệ thống đo điện trở đường dây một pha có
dịng điện. ...............................................................................................................13
I.1.3.2. Sơ đồ khối hệ thống đo điện trở đường dây 1 pha có dịng điện. ......14
I.2. ĐO ĐIỆN TRỞ MỐI NỐI. ....................................................................................17
I.2.1. Các phương pháp đo điện trở mối nối. .........................................................17
I.2.2 Thiết bị đo điện trở mối nối. ...........................................................................19
I.2.2.1. Hoạt động của thiết bị đo điện trở mối nối. ..........................................19
I.2.2.2. Sơ đồ khối hệ thống. ...............................................................................20
I.2.2.3. Các phương pháp truyền thông. .............................................................22
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU ADE7753........................................................................... 29
II.1. MÔ TẢ CHUNG. ..................................................................................................29
II.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ADE7753. ...............................................30
II.2.1. Tính giá trị hiệu dụng trên kênh 1................................................................32
II.2.2. Tính tốn cơng suất tác dụng. .......................................................................33
II.2.3. Giao diện nối tiếp của ADE7753. ................................................................34
PHẦN II: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TRỞ MỐI NỐI ...................................... 39
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TRỞ MỐI
NỐI ...................................................................................................................................... 40
III.1. SƠ ĐỒ KHỐI VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN .................................................40
III.2. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG ........................................42
III.2.1. Khối nguồn ....................................................................................................42
III.2.2.Khối chuyển đổi chuẩn hóa và ADE7753 ..................................................42
III.2.3.Khối xử lý trung tâm và máy tính................................................................43
III.2.4. Khối hiển thị tại chỗ .....................................................................................45

5


III.2.5. Phần giao diện quản lý và nhận dữ liệu điện trở đo được trên máy tính
......................................................................................................................................46

III.4. Sơ đồ mạch in của thiết bị đo .............................................................................48
III.4.1. Lớp bottom ....................................................................................................48
III.4.2. Lớp top ...........................................................................................................49
III.4.3 Sơ đồ sắp xếp linh kiện .................................................................................50
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ PHẦN MỀM ...................................................................... 51
IV.1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH .................................51
IV.2. LƯU ĐỒ CHỈNH ĐỊNH THIẾT BỊ ĐO ..........................................................52
IV.2.1. Chỉnh offset cho năng lượng tác dụng .......................................................52
IV.2.2. Chỉnh định pha..............................................................................................53
IV.2.3. Chỉnh offset cho dòng điện hiệu dụng IRMS ...........................................55
IV.2.4. Chỉnh định offset cho điện áp VRMS........................................................57
IV.3. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN GIAO TIẾP GIỮA VI ĐIỀU KHIỂN VÀ PC...58
PHẦN III: KẾT LUẬN..................................................................................................... 60
CHƯƠNG V: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................... 60
V.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.......................................................................................60
V.1.1. Mạch phần cứng.............................................................................................60
V.2. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .........................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 64

6


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu, làm luận văn tốt nghiệp em đã được sự giúp đỡ
nhiệt tình của các thầy cơ giáo, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn GS. Phạm Thị Ngọc Yến, người đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp này.
Em xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ
thuật đo & Tin học cơng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ em trong q trình làm luận
văn tốt nghiệp.

Trong quá trình làm luận văn em không tránh khỏi những khiếm khuyết nhất
định do những nguyên nhân chủ quan và khách quan. Với mong muốn hoàn thiện
bản luận văn này hơn nữa, em hy vọng nhận được nhiều sự đóng góp ý kiến của
thầy cơ giáo, đồng nghiệp và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn.
Thái nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2012
Học viên thực hiện
Nguyễn Trọng Toản

7


ĐẶT VẤN ĐỀ
Điện năng là một phần không thể thiếu được của nền sản xuất công nghiệp
cũng như trong đời sống xã hội. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển
của kinh tế đất nước thì ngành điện đã không ngừng phát triển, tuy nhiên vẫn chưa
đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao. Trong ngành điện thì vấn đề tổn
hao điện năng và giảm tổn thất điện năng là một vấn đề được đặt ra cần phải giải
quyết cấp thiết. Tổn hao điện năng có rất nhiều nguyên nhân gây nên nhưng nguyên
nhân chủ yếu là do tổn hao trên các máy biến áp và trên đường dây. Tổn hao trên
đường dây là do điện trở đường dây và mối nối. Điện trở của mối nối có sự thay đổi
khá lớn khi mạng điện đang vận hành, do lúc vận hành thì mối nối sẽ bị đốt nóng
nên điện trở sẽ tăng lên. Chúng ta muốn đánh giá được chính xác chất lượng của
mối nối, điện trở đường dây thì cần phải có thiết bị đo điện trở mối nối, điện trở
đường dây. Thiết bị này phải đo được lúc mạng điện đang vận hành.
Ngày nay với sự tiến bộ vượt bậc của các ngành kỹ thuật đã cho ra đời nhiều
chip đo các thơng số các đại lượng điện, đặc biệt là dịng ADE77xx do hãnh Analog
Devices chế tạo, là một chip mạnh trong việc đo điện năng một pha cũng như ba
pha, có độ chính xác rất cao và làm việc ở các điều kiện khác nhau.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó em chọn đề tài “Thiết kế thiết bị đo điện trở

mối nối của đường dây tải điện” sử dụng ADE7753 của hãnh Analog Devices cho
đề tài luận văn tốt nghiệp của mình.
Nội dung luận văn bao gồm:
Phần I: Cơ sở lý thuyết
Phần II: Thiết kế thiết bị đo điện trở mối nối
Phần III: Đánh giá và kết luận

8


PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I: ĐO ĐIỆN TRỞ ĐƯỜNG DÂY VÀ MỐI NỐI
I.1. ĐO ĐIỆN TRỞ ĐƯỜNG DÂY.
I.1.1. Giới thiệu hệ thống đường dây tải điện.
Như ta đã biết điện năng phát ra từ các nhà máy điện muốn đến được với
khách hàng phải có hệ thống truyền tải điện. Hệ thống truyền tải điện bao gồm các
máy biến áp và hệ thống đường dây tải điện. Một mơ hình minh họa đơn giản của
hệ thống truyền tải điện như hình 1.1.

Hình 1.1: Mơ hình hệ truyền tải điện.

Điện năng truyền tải từ nhà máy đến nơi tiêu thụ bị tổn thất một phần qua các
máy biến áp ở các trạm và tổn thất một phần trên đường dây. Chính vì thế việc đo
điện trở đường dây là khá quan trọng, qua đó mà người ta có thể xác định được
lượng tổn thất trên đường dây. Có 2 phương pháp đo điện trở đường dây dựa theo
trạng thái của cuộn dây: đo điện trở dây khi có dịng điện và đo điện trở dây khi
khơng có dịng điện. Các phương pháp đo này sẽ được trình bày ở phần sau.

9

I.1.2. Các phương pháp đo điện trở đường dây.
I.1.2.1. Đo điện trở đường dây khơng có dịng điện.
Nếu là dây thẳng chúng ta cấp một nguồn điện vào đường dây đó thì sẽ giống
như trường hợp đo đường dây có dịng điện, cách đo sẽ được trình bày ở mục dưới.
Nếu đường dây đang ở dạng cuộn thì có thể đo giống như đo điện trở bình
thường (Dùng đồng hồ đo).

Hình 1.2: Cuộn dây tải điện

I.1.2.2. Đo điện trở đường dây có dịng điện.
Có hai loại lưới điện là: lưới điện một pha và lưới điện ba pha. Lưới điện một
pha thường dùng trong sinh hoạt với công suất tải là nhỏ. Lưới điện ba pha thường
được dùng trong công nghiệp với các tải có cơng suất lớn. Do đó có hai loại đường
dây cho 2 lưới điện nói trên. Khi đo điện trở đường dây ta cần xét đến hai trường
hợp:
-

Đo điện trở đường dây một pha có dịng điện

-

Đo điện trở đường dây ba pha

a. Đo điện trở đường dây 1 pha có dịng điện.
Mơ hình một đoạn đường dây 1 pha có dịng điện khơng phân nhánh được
trình bày ở hình 1.3
A
UA
PA

I

B
UB
PB

Hình 1.3: Minh họa một đoạn đường dây không phân nhánh

10


trong đó: với AB là đường dây khơng phân nhánh
- P A là ký hiệu công suất tại điểm A.
- P B là ký hiệu công suất tại điểm B.
- I là dòng điện chạy trên đường dây.
- UA là điện thế tại điểm A.
- UB là điện thế tại điểm B.
Sơ đồ tương đương như hình 1.4:
∆P

I

ZAB
∆U

Hình 1.4: Sơ đồ tương đương của đoạn dây

trong đó

- ZAB là ký hiệu tổng trở của đoạn dây AB.
- ΔP = P B – P A là hiệu công suất tác dụng giữa hai điểm A và B
- ΔU = UB – UA là hiệu điện thế giữa hai điểm A và B

Đường dây phân nhánh chính là sự kết nối của nhiều đường dây không phân
nhánh lại với nhau. Để đo điện trở của đường dây khơng phân nhánh ta có thể đo
từng đoạn dây không phân nhánh cấu tạo nên nó và cộng lại với nhau. Để tính điện
trở của đoạn dây khơng phân nhánh ta có thể tính theo các cách sau:
Cách 1: Tính điện trở đường dây thơng qua chênh lệch cơng suất và dịng điện.
Theo cơng thức dưới đây:
RAB =

P
I

2

=

PB

PA
I

2

trong đó:
- P B, P A: Là cơng suất tại điểm A và điểm B.
- ΔP = P B – P A là hiệu công suất tác dụng giữa A và B
- I: Là dòng điện chạy trong đường dây.

- RAB: Là điện trở của đoạn đường dây AB

11


Đo cơng suất tại A và B, đo dịng trên đường dây ta sẽ tính được RAB. Do
trên đường dây thì dịng điện I tại hai đầu A và B không khác nhau nhiều nên sai số
phép đo không quá nhiều.
Cách 2: Tính điện trở đường dây thơng qua tổng trở của nó và góc lệch pha giữa
điện áp và dịng điện. Tổng trở tính theo sụt áp giữa hai đầu đường dây và dịng
điện. Theo cơng thức dưới đây:
Z AB

U
I

Cosφ =

UB U A
I

P
S

RAB = ZAB × cosφ
trong đó:
- U B, UA: Điện áp hai đầu A và B
- ΔU = UB – UA là hiệu điện thế giữa hai điểm A và B
- I: Dòng điện chạy trong đường dây
- P, S: Công suất hiệu dụng và công suất biểu kiến đo tại A hoặc B

- Z AB, R AB: Là tổng trở và điện trở của đoạn dây AB
- cosφ: Là hệ số công suất
Đo điện áp tại A và B, đo S và P, đo dòng I ta sẽ tính được điện trở đường
dây. Tuy nhiên trong phương pháp này thì góc lệch trên đường dây tại các vị trí
khác nhau sẽ có sự khác nhau vì vậy gây ra sai số khá lớn.
Cách 3: Tính điện trở đường dây thơng qua tổng trở của nó và góc lệch pha giữa
điện áp và dịng điện. Tổng trở tính theo sụt áp giữa hai đầu đường dây và công suất
tác dụng. Theo công thức dưới đây:
Z AB
Cos
RAB

U2
P
P
S

UB UA
P

Z AB cos

trong đó:

12

2


- U B, UA: Điện áp hai đầu A và B

- ΔU = U B – UA là hiệu điện thế giữa hai điểm A và B
- I: Dòng điện chạy trong đường dây
- P, S: Công suất hiệu dụng và công suất biểu kiến đo tại A hoặc B
- ZAB, RAB: Là tổng trở và điện trở của đoạn dây AB
- cosφ: Là hệ số công suất
Trong cách này thì góc lệch pha trên đường dây tại các vị trí khác nhau sẽ có
sự khác nhau vì vậy gây ra sai số khá lớn.
Trong phạm vi luận văn này em chọn cách 1 để thực hiện phép đo do đây là
cách thực hiện đơn giản nhất.
b. Đo điện trở đường dây 3 pha có dịng điện.
Đối với đường dây 3 pha khi ta xét từng pha một thì nó giống với đường dây
một pha. Vì vậy, bài tốn đo điện trở đường dây 3 pha có dịng điện được đưa về bài
toán đo điện trở đường dây 1 pha có dịng điện đã trình bày ở mục I.1.2.2.a ở trên.
Kết luận: Các bài toán đo điện trở đường dây khơng có dịng điện và đường dây 3
pha có dịng điện đều có thể đưa về bài tốn tốn đo điện trở đường dây một pha có
dịng điện. Do đó chúng ta chỉ xét đến bài toán đo điện trở đường dây 1 pha có dịng
điện.
I.1. 3. Hệ thống đo điện trở đường dây một pha có dịng điện.
I.1.3.1. Ngun lý hoạt động hệ thống đo điện trở đường dây một pha có dịng
điện.
Phần này em xin trình bày một cách tổng quát về một hệ thống đo điện trở
đường dây một pha có dịng điện. Hệ thống đo điện trở đường dây một pha có dịng
điện được thiết kế dựa theo phương pháp đo như cách 1 (mục I.1.2.2.a). Hệ thống
đo điện trở này phải đo được công suất tác dụng ở hai đầu đoạn dây cần xác định
giá trị điện trở (giả sử đoạn dây AB) là P A và P B. Đường dây truyền tải điện có đặc
thù là hai đầu đường dây cách nhau một khoảng cách lớn, vị trí của hai đầu đường
dây cách mặt đất. Vì vậy một hệ thống đo điện trở đường dây cần có 2 thiết bị đo
gắn tại hai đầu của đoạn dây cần đo điện trở để đo công suất tác dụng tại hai điểm
13

đó. Hai thiết bị đo này đóng vai trị là các Slave trong hệ thống đo điện trở đường
dây. Các Slave này sẽ truyền số liệu về Master, đồng thời được điều khiển bởi
Master.
Slave 1 có nhiệm vụ đo giá trị của cơng suất đầu đường dây và đo dịng điện
ở phía đầu đường dây. Slave 2 có nhiệm vụ đo công suất cuối đường dây. Slave 1
và Slave 2 sau khi đo được các số liệu sẽ truyền các số liệu này về Master.
Master có nhiệm vụ đồng bộ hoạt động cho cả hệ thống, nhận số liệu công
suất đầu dây, cơng suất cuối dây và giá trị dịng điện từ các Slave gửi về. Khi có số
liệu nó tính tốn các giá trị cần đo, so sánh các giá trị với các ngưỡng đã đặt và đưa
ra cảnh báo. Sau đó Master gửi số liệu tính tốn được về máy tính. Hệ thống đo điện
trở đường dây được minh họa như hình 1.5:

Hình 1.5: Minh họa một hệ thống đo điện trở Master- Slave

Số liệu được truyền từ các Slave về Master, hay từ Master về máy tính chủ
PC thông qua các chuẩn truyền tin: RS232, RS485, USB, PLC hay truyền tin không
dây ….
I.1.3.2. Sơ đồ khối hệ thống đo điện trở đường dây 1 pha có dịng điện.
Dựa trên nguyên lý hoạt động đã trình bày ở trên, một hệ thống đo điện trở
đường dây có sơ đồ khối như hình 1.6:

14


Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống đo điện trở đường dây

Sơ đồ khối của một Slave.
Mỗi một Slave có sơ đồ khối hình 1.7:

Hình 1.7: Sơ đồ khối của một Slave

Biến dịng(TI): biến dịng có tác dụng biến dịng sơ cấp thành dịng ra có giá
trị phù hợp với dịng vào của khối chuyển đổi chuẩn hóa.
Biến áp (TU): làm nhiệm vụ tạo ra áp phù hợp để đưa vào khối chuyển đổi
chuẩn hóa.
CĐCH: Chuyển đổi chuẩn hóa làm nhiệm vụ chuẩn hóa tín hiệu vào phù hợp
với khối xử lý.
Khối xử lý:làm nhiệm vụ điều khiển mọi hoạt động của thiết bị đo. Tín hiệu
đo sau khi chuẩn hóa được đưa vào khối xử lý. Khối xử lý nhận tín hiệu về
và xử lý tính tốn ra giá trị điện trở cần đo. Giá trị điện trở tính toán được

15


khối xử lý truyền về Master. Khối xử lý thường được sử dụng là các vi điều
khiển.
Khối giao tiếp với Master : là module truyền thông giữa Slave và Master,
thông thường khối này có sẵn trên khối xử lý nếu truyền theo giao tiếp
RS232, RS485… Khi truyền theo chuẩn khác như (Bluetooth…) thông
thường là module gắn thêm.
Sơ đồ khối của Master.
Nguyên lý hoạt đ ộng:
Master làm nhiệm vụ điều khiển cả hệ thống, có sơ đồ khối như hình 1.8:

Hình 1.8: Sơ đồ khối Master

Xử Lý: Ở đây có thể dùng trực tiếp máy tính hoặc sử dụng vi điều khiển.
Nó có nhiệm vụ đồng bộ hoạt động của tồn hệ thống. Nhận các giá trị đo
từ các Slave và tính tốn, so sánh với các giá trị ngưỡng đặt để đưa ra các

cảnh báo.
Hiển thị: Là module hiển thị tại chỗ.
Bộ nhớ: Là module bộ nhớ. Dùng để lưu giữ thông tin.
Giao tiếp Slave: là module truyền thông giữa các Slave và Master.
Trong hệ thống đo điện trở đường dây thì cấu trúc các khối đều như trên. Khi
khoảng cách dây khác nhau thì phần truyền thơng từ Master và trạm chủ (Main) sử
dụng các phương thức truyền thông khác nhau. Trong hệ thống này, phương pháp
16


truyền thông sử dụng chỉ phù hợp với phương pháp truyền thông không dây hoặc
truyền thông bằng PLC(Power Line Carrier). Do nếu dùng cách thức truyền thông
bằng cáp như RS232, RS485… thì việc lắp đặt dây cáp là rất khó thực hiện. Các
phương pháp truyền thơng có thể sử dụng sẽ được trình bày trong mục ở dưới (Mục
I.3 - Chương I).
I.2. ĐO ĐIỆN TRỞ MỐI NỐI.
Trong thực tế, các mối nối thường nằm trên các đường dây tải điện, cách xa
mặt đất (6,5 m – 150 m) và cũng dễ gây nguy hiểm nếu người lại gần. Các mối nối
đều có một tổng trở. Tổng trở của mối nối sẽ gây nên một tổn hao điện năng trong
hệ thống điện. Tổng trở của mối nối thì thành phần chủ yếu là điện trở của nó.
Chúng ta muốn giảm tổn hao điện năng do các mối nối gây ra cần xác định các mối
nối có chất lượng kém để sửa chữa. Từ trước đến nay để xác định mối nối có chất
lượng kém thường được thực hiện bằng cách quan sát và theo kinh nghiệm (Ví dụ
người ta nhận biết mối nối xấu trên đường dây tải điện đó là những mối nối thấy đỏ
vào ban đêm). Đây là phương pháp chỉ mang tính định tính. Để có kết quả chính
xác hơn cần phải có một thiết bị đo điện trở mối nối.
I.2.1. Các phương pháp đo điện trở mối nối.
Trong lưới điện chỗ nối các thiết bị điện lại với nhau hoặc giữa các đoạn dây
dẫn với nhau chính là các mối nối (minh họa hình 1.9)

I

Zmn

Hình 1.9: Hình minh họa mối nối

∆U
Hình 1.10: Sơ đồ tương đương của mối nối.
17


Trong mạch điện mối nối tương đương một tổng trở. Có thể biểu diễn tương
đương (hình 1.10):
trong đó:
Zmn : là tổng trở tương đương của mối nối.
∆ U: là điện áp rơi trên mối nối.
I: dòng điện chạy trên dây dẫn và qua mối nối .
Rmn : là điện trở tương đương của mối nối.
Điện trở của mối nối có thể tính theo các cách sau:
Cách 1: Tính thơng qua tổng trở và hệ số cơng suất.
Cơng thức tính điện trở mối :
U
I

Zmối nối =

Rmối nối = Zmối nối × cosφ
trong đó:
ΔU:
I:

Cosφ:

Điện áp hai đầu mối nối
Dịng điện chạy trong đường dây
Góc lệch pha giữa dịng điện và điện áp trên mối nối

Đo được ΔU, I và cosφ ta sẽ đo được giá trị điện trở của mối nối. Trong
cách tính này thì tính tốn cosφ chính xác là phức tạp.
Cách 2: Tính qua tổn hao cơng suất trên mối nối và dịng điện chạy qua nó.
Cơng thức tính điện trở mối nối:
R mối nối =

P
I2

trong đó: ΔP là hiệu công suất tác dụng hai đầu mối nối
Đo được ΔP và I ta sẽ đo được giá trị của điện trở mối nối.
Trong luận văn này em sử dụng cách 2 để thực hiện xây dựng thiết bị đo điện
trở mối nối vì nó dễ thực hiện (Chỉ phải đo 2 đại lượng là ΔP và I ).

18


I.2.2 Thiết bị đo điện trở mối nối.
I.2.2.1. Hoạt động của thiết bị đo điện trở mối nối.
Trong phần này em xin trình bày chi tiết về thiết bị đo điện trở mối nối.
Thiết bị đo điện trở mối nối xây dựng dựa theo công thức:
Để đo R

mối nối

R mối nối =

P
.
I2

trước hết đo ΔP và I. Cách đo như sau: ta cho đầu vào là độ sụt áp

trên mối nối và dòng điện chạy qua mối nối làm đầu vào của thiết bị. Dựa vào đó
thiết bị tính ra cơng suất tác dụng và dịng điện hiệu dụng. Sau tính ra giá trị điện
trở. Việc cho thiết bị đọc nhiều lần liên tục các giá trị ΔP và I tính tốn và lấy giá trị
trung bình có tác dụng làm tăng độ chí nh xác cho phép đo. Dữ liệu tính tốn được
gửi về máy tính hoặc mạch Main để quản lý, hiển thị và lưu trữ.
Thiết bị đo điện trở mối nối có hai loại tùy thuộc vào mục đích sử dụng là:
Thiết bị cố định và thiết bị di động (hình 1.11 và 1.12).

Hình 1.11: Mơ hình hệ thống đo điện trở mối nối gắn cố định

Hình 1.12: Mơ hình thiết bị đo điện trở mối nối di động
19


Hai loại này về nguyên tắc hoạt động là giống nhau. Chúng chỉ khác nhau về
cấu tạo hình dáng của đầu đo (Cố định thường dùng biến dòng dạng khung kín, di
động thường dùng dạng kìm để đo dịng điện) như hình 1.13 minh họa.

Hình 1.13: Minh họa đầu đo dạng kín và dạng kìm

Tương tự như hệ thống đo điện trở đường dây hệ thống đo điện trở mối nối

cũng bao gồm ít nhất 2 thành phần: mạch đo điện trở mối nối gắn trực tiếp vào 2
đầu mối nối và một mạch Main đặt tại trạm quan sát có nhiệm vụ thu thập, hiển thị
và lưu trữ giá trị đo, truyền dữ liệu về máy tính PC. Trong một số trường hợp phần
mạch Main và máy tính PC có thể gộp chung làm một.
I.2.2.2. Sơ đồ khối hệ thống.

Hình 1.14: Sơ đồ khối hệ thống đo điện trở mối nối

Thiết bị đo: là phần thiết bị được gắn trực tiếp vào hai đầu của mối nối. Thiết bị
đo có nhiệm vụ đo giá trị điện trở của mối nối mà nó gắn vào. Sau khi đo được giá
trị điện trở thiết bị đo sẽ truyền giá trị đó về mạch Main. Thiết bị n ày đóng vai trị là
một Slave trong hệ thống đo điện trở mối nối.
Main: Đặt tại trạm quan sát, có nhiệm vụ thu thập lưu trữ, hiển thị giá trị đo
và truyền giá trị đó về máy tính PC quản lý.

20


Hiển thị: hiển thị tại giá trị điện trở mối nối đo được. Khối hiển thị được
điều khiển bởi mạch Main.
Lưu trữ: lưu trữ dữ liệu về các giá trị điện trở đo được, quá trình hệ thống
hoạt động
Sơ đồ khối chức năng của thiết bị đo điện trở mối nối như hình 1.15 :

Hình 1.15: Sơ đồ khối thiết bị đo điện trở mối nối

Do điện trở của mối nối là khá nhỏ cỡ mΩ nên điện áp hai đầu của mối nối
là khá nhỏ vì vậy ta có thể đưa trực tiếp vào ADE 7753.
Biến dòng(TI): biến dòng có tác dụng biến dịng sơ cấp thành dịng ra có
giá trị phù hợp với dịng vào của khối chuyển đổi chuẩn hóa.

CĐCH: Chuyển đổi chuẩn hóa làm nhiệm vụ chuẩn hóa tín hiệu vào phù hợp
với khối xử lý.
Khối xử lý: Khi ta đưa vào đầu dòng và áp vào thì nó có nhiệm vụ nhân điện
áp và dịng điện tạo ra cơng suất P, tính các giá trị hiệu dụng của dòng và áp
và lưu lại dưới dạng số. Nó sẽ lấy các giá rị này để tính ra giá trị điện trở của
mối nối. Nó sẽ điều khiển mọi hoạt động của thiết bị đo. Nó lấy các giá trị so
sánh với giá trị ngưỡng và đưa ra cảnh báo. Đưa giá trị tính tốn được ra hiển
thị, đưa giá trị ra cổng truyền thông về máy tính hoặc mạch Main.
TT: Khối truyền thơng, truyền kết quả điện trở mối nối đo được về mạch
Main hoặc máy tính quản lý.
Truyền thơng trong đo điện trở mối nối cũng chỉ phù hợp với phương pháp
truyền không dây hoặc hoặc truyền thông bằng PLC(Power Line Carrier). Do nếu
dùng cách thức truyền thơng bằng cáp như RS 232, RS 485…thì việc lắp đặt dây

21


cáp là rất khó thực hiện. Các phương pháp truyền thơng có thể sử dụng sẽ được
trình bày cụ thể ở dưới đây.
I.2.2.3. Các phương pháp truyền thông.
Ở đây em chỉ trình bày những phương pháp truyền thơng có thể sử dụng phù
hợp trong hệ thống đo điện trở đường dây và mối nối. Trong truyền thông được chia
làm hai loại:
- Truyền thơng có dây như: RS232, RS485, PLC…
- Truyền thông không dây như: RF, Zigbee, UWB, Bluetooth…
a. Truyền PLC (Powe r Line Carrie r).
Công nghệ truyền thông PLC (Power Line Communications) sử dụng mạng
lưới đường dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thơng tin nhằm tiết
kiệm chi phí đầu tư.

Hình 1.16: Truyền thơng tin qua đường dây điện

Hình vẽ cho thấy để có thể truyền thơng tin qua phương tiện truyền dẫn là
đường dây dẫn điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem
này có chức năng biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thơng truyền thống như máy
tính, điện thoại sang một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện.
Các phần tử mạng cơ bản
Chức năng cơ bản của các phần tử này là chuyển đổi và thu/phát tín hiệu từ
các thiết bị viễn thơng sang dạng phù hợp để truyền trên đường dây điện.
Modem PLC: Dùng để kết nối các thiết bị người sử dụng (NSD) (máy tính,
điện thoại…) với đường dây điện. Giao diện của PLC với thiết bị phía NSD có thể
là Ethernet hoặc USB. Modem PLC ngoài chức năng chuyển đổi tín hiệu, cịn có vai
22


trò là bộ phối hợp trở kháng, bộ lọc tách tín hiệu điện (tần số 50 hoặc 60Hz) và tín
hiệu thông tin (tần số trên 9kHz). Modem PLC không chỉ thực hiện tất cả các chức
năng lớp vật lý (Physical layer) như mã hố, điều chế mà cịn thực hiện các chức
năng lớp Data link (MAC và LLC) trong mô hình tham chiếu OSI .
Trạm gốc PLC: Có chức năng kết nối mạng truy nhập PLC với mạng
backbone. Các giao diện kết nối với mạng backbone có thể là SDH, xDSL, hoặc
WLL.
Tuy nhiên, do mạng lưới truyền tải điện không được thiết kế với mục đích để
truyền tải thơng tin, nên nó khơng phải là đường truyền vật lý lý tưởng để truyền
thông tin. Kênh truyền PLC qua đường dây điện có đặc tính là phụ thuộc tần số,
thay đổi theo thời gian của các yếu tố ảnh hưởng (tải, vị trí, nhiễu…). Theo tiêu
chuẩn châu Âu (Cenelec EN50065), băng tần cho truyền thông PLC được phân chia
như bảng 1.
Bảng 1.1: Bảng tần sử dụng cho truyền thông PLC theo tiêu chuẩn châu Âu.

Theo tiêu chuẩn này, băng tần dành cho truyền thông PLC chỉ đáp ứng được
việc truyền một vài kênh thoại hoặc dữ liệu đến vài chục Kbit/s. Tốc độ dữ liệu thấp
này chỉ phù hợp với các ứng dụng đo đạc trong ngành Điện (quản lý tải cho mạng
điện, truyền dữ liệu đo đếm công tơ...) chứ không phù hợp với các ứng dụng viễn
thông yêu cầu tốc độ cao (trên 2Mbit/s). Để có khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao,
phổ tần dành cho PLC phải là băng tần rộng (lên đến 30MHz). Đến nay, chưa có
một tiêu chuẩn nào quy định băng tần cho cơng nghệ PLC ngoài tiêu chuẩn
Cenelec.
Ưu điểm:

23


Việc truyền số liệu không cần kéo thêm dây riêng, lợi dụng trực tiếp dây điện
lực để truyền số liệu đây là ưu điểm lớn nhất của phương thức truyền PLC. Nó tiết
kiệm được chí cũng như dễ dàng trong việc thi cơng lắp đặt.
Nhược điểm:
Có thể bị nhiễu: Trên đường dây hạ thế các loại thiết bị điện phát sinh tín
hiệu nhiễu, tần phổ của nó phức tạp, cường độ tương đối cao. Các loại đồ điện như
chấn lưu điện tử, công tắc nguồn điện, máy biến áp hàn… là các nguồn nhiễu cực
mạnh.
Tín hiệu suy giảm: Trên đường dây sẽ có nhiều phụ tải dẫn đến tín hiệu bị
suy giảm.
Phối hợp trở kháng khó thực hiện: Lưới điện lực khi khơng tải thì trở kháng
của nó có thể đạt hàng chục ơm (Ω) thậm chí hàng trăm ơm (Ω). Vậy mà lúc mang
tải nặng lại dưới 0,1 Ω. Trở kháng biến thiên trong khoảng lớn như vậy làm cho
phát tải và tiếp nhận tải khó phân phân phối trở kháng có hiệu quả.
Sóng dừng và phản xạ: Đối với tần số khác nhau, mạng lưới dây điện lực tùy
theo sự biến hóa của phụ tải mà liền đó phát sinh điểm dừng (Stand point), ở gần
điểm dừng có phản xạ tồn phần đối với tín hiệu, làm cho vùng phụ cận trở thành

vùng mù ghi chữ.
Dùng tần số cao để truyền sinh ra tụ ký sinh giữa dây và dây hoặc dây và đất.
b. Truyền thông không dây.
Truyền thông không dùng dây dẫn hiện tại hay sử dụng các phương pháp
sau:
-

Công nghệ Zigbee

-

Công nghệ UWB

-

Công nghệ Bluetooth

Công nghệ Zigbee
Zigbee là tên một phương thức giao tiếp cao cấp sử dụng sóng radio số dựa theo
chuẩn IEEE 802.15.4 cho mạng WPANs.
Lĩnh vực ứng dụng:

24


Giao thức Zigbee được dành để dùng cho các ứng dụng nhúng, nơi yêu cầu
tốc độ truyền dữ liệu thấp và nguồn cung cấp thấp. Hiện tại Zigbee được dùng cho
các mục đích thơng thường, rẻ, tự tổ chức cấu trúc mạng “mesh”, có thể dùng trong
điều khiển cơng nghiệp, cảm biến nhúng, thu thập dữ liệu y tế, cảnh báo khói và tự
động hóa tịa nhà.

Các loại thiết bị Zigbee:
Có 3 loại thiết bị khác nhau:
-

Zigbee coodinator (ZC): chứa thông tin về mạng.

-

Zigbee router (ZR): làm nhiệm vụ như một router, chuyển dữ liệu giữa các
thiết bị.

-

Zigbee end device (ZED): chứa đủ các hàm để giao tiếp giữa các “node”

Các đặc điểm cơ bản:
Zigbee dựa trên lớp vật lý (PHY) và phần MAC của lớp “data link”. Chuẩn
này hoạt động ở dải tần 2.4GHz, 915MHz và 868MHz “ISM band”. Trong dải 2.4
Ghz có 16 kênh Zigbee, với mỗi kênh yêu cầu 5Mhz độ rộng dải thông.
ZigBee sẽ chạy với tốc độ từ 10 đến 115,2 kb/giây, nhanh gấp 2 lần tốc độ
của Modem dial-up,nhưng chỉ bằng một phần tốc độ của Bluetooth.
ZigBee có thể truyền dữ liệu trong phạm vi từ 10 tới 75 m, dài hơn
Bluetooth. Về khả năng tiêu thụ điện, các module sử dụng chuẩn ZigBee sẽ có tuổi
thọ từ 6 tháng đến 2 năm nếu sử dụng một đơi pin AA. Các module đó hoạt động
qua các dải tần số radio, tích hợp với một ăng ten và bộ điều khiển số.
ZigBee có khả năng kết nối tới 65000 node, MiWi dành riêng cho Microchip
chỉ kết nối được 1000 “node”.
Công nghệ UWB

UWB (Ultra Wide Ban) là một cơng nghệ sóng vơ tuyến. Nó có thể được sử

dụng ở mức năng lượng rất thấp. UWB sử dụng một băng tần cực rộng trong phổ
tần sóng radio để truyền dữ liệu. Công nghệ UWB cho phép kết nối và truyền dẫn
thông tin không dây trong phạm vi hẹp với tốc độ rất cao, đủ các loại hình dịch vụ:

25


hình ảnh, âm thanh, dữ liệu. Nhờ vậy, trong cùng một khoảng thời gian, UWB
truyền được lượng dữ liệu lớn hơn nhiều lần so với các công nghệ trước đây.
UWB là phổ tần mới và duy nhất được công nhận chính thức gần đây cho
phép dùng băng tần rộng đến 7GHz, trải từ tần số 3,1GHz đến 10,6GHz. Do được
phép sử dụng băng thơng tín hiệu lớn như vậy nên các thiết bị này bị qui định
nghiêm ngặt về năng lượng phát sóng sao cho mức năng lượng mà thiết bị UWB sử
dụng không nằm trong vùng năng lượng dành cho thiết bị băng tần hẹp. Công suất
bị hạn chế nhỏ, tối đa là 41dBm/Mhz.
Mọi thiết bị UWB đều có thể trở thành thiết bị nhận và thiết bị nguồn. Thiết
bị sẽ tự động sàng lọc giá trị của tất cả thiết bị trong chuỗi mà nó có thể kết nối đến.
Máy phát UWB hoạt động bằng cách phát đi hàng tỷ xung trong một dải tần số rộng
hàng GHz (độ rộng băng tần phải lớn hơn 20% tần số trung tâm hoặc ít nhất là 500
MHz). Máy thu UWB làm việc bằng cách thu tất cả các xung phát đi và chọn lọc
lấy những xung tương hợp với nó. Công nghệ UWB cho khả năng chống nhiễu rất
tốt, kể cả khi sử dụng chung dải tần số. Mỗi kênh sóng có thể có băng thơng lớn hơ n
500MHz tùy thuộc vào tần số trung tâm.
Giới hạn về năng lượng buộc hệ thống UWB phải chọn lựa áp dụng những
công nghệ tiêu thụ ít năng lượng nên nhà sản xuất đã rất chú trọng ứng dụng cơng
nghệ CMOS. Với tính tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp và tốc độ dữ liệu cao
(trong phạm vi gần), UWB thật sự được hướng đến môi trường mạng cá nhân
không dây (WPAN-Wireless Pesonal Area Network) tốc độ cao. Công nghệ UWB
cho phép tái sử dụng tần số làm việc.
Trong kết nối ngoại vi, UWB kế thừa được hiệu năng và tính dễ dùng của

chuẩn giao tiếp USB, một trong những chuẩn giao tiếp ngoại vi hữu tuyến phổ biến
hiện nay.
Trong tương lai, công nghệ UWB có thể được sử dụng trong WPAN với
những vai trị:
• Thay cáp IEEE1394 nối giữa thiết bị điện tử đa phương tiện dân dụng như máy
quay phim, máy chụp hình số, thiết bị phát MP3

26