Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điện năng từ xa trên nền tảng iot
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.16 MB, 57 trang )
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT
ĐIỆN NĂNG TỪ XA TRÊN NỀN TẢNG IoT
Sinh viên thực hiện:
TRẦN ĐÌNH ÁI
Lớp 54K2 – CNKTĐ-ĐT
MSSV: 135D5103010006
Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. LÊ VĂN CHƢƠNG
Nghệ An, 05-2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT
ĐIỆN NĂNG TỪ XA TRÊN NỀN TẢNG IoT
Sinh viên thực hiện:
TRẦN ĐÌNH ÁI
Lớp 54K2 – CNKTĐ-ĐT
MSSV: 135D5103010006
Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. LÊ VĂN CHƢƠNG
Cán bộ phản biện:
ThS. PHẠM HOÀNG NAM
Nghệ An, 5-2018
Đánh giá đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho giảng viên hƣớng dẫn)
Giảng viên đánh giá: ThS. Lê Văn Chƣơng
Họ và tên Sinh viên: Trần Đình Ái
MSSV: 135D5103010006
Tên đồ án: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TỪ XA
TRÊN NỀN TẢNG IoT
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10a
10b
10c
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả thuyết
(bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng nhƣ phạm vi ứng dụng của đồ
1
án
Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nƣớc/quốc tế)
1
Nêu rõ và chi tiết phƣơng pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1
Có kết quả mơ phỏng/thƣc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt đƣợc
1
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phƣơng pháp thực hiện
1
dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả đƣợc trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều đƣợc
1
phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt
đƣợc và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất
1
hƣớng giải quyết có thể thực hiện trong tƣơng lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chƣơng logic và đẹp
mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đƣợc đánh số thứ tự và đƣợc
giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu chấm,
1
dấu phẩy v.v), có mở đầu chƣơng và kết luận chƣơng, có liệt kê tài liệu
tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận
1
logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trƣờng hợp)
Có bài báo khoa học đƣợc đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải SVNC
khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thƣởng khoa học (quốc tế/trong
nƣớc) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế
Đƣợc báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên nghiên cứu
khoa học nhƣng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích
trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về chun ngành
Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học
Điểm tổng
Điểm tổng quy đổi về thang 10
2
3
4
5
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
5
5
2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
5
2
0
/50
3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần làm việc
của sinh viên)
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
................................................................................
Nghệ An, ngày…..tháng 05 năm 2018
Ngƣời nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)
Đánh giá đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá: ThS. Phạm Hoàng Nam
Họ và tên Sinh viên: Trần Đình Ái
MSSV: 135D5103010006
Tên đồ án: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TỪ XA
TRÊN NỀN TẢNG IoT
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10a
10b
10c
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả thuyết
(bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng nhƣ phạm vi ứng dụng của đồ
1
án
Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nƣớc/quốc tế)
1
Nêu rõ và chi tiết phƣơng pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1
Có kết quả mơ phỏng/thƣc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt đƣợc
1
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phƣơng pháp thực hiện
1
dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả đƣợc trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều đƣợc
1
phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt
đƣợc và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất
1
hƣớng giải quyết có thể thực hiện trong tƣơng lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chƣơng logic và đẹp
mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đƣợc đánh số thứ tự và đƣợc
giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu chấm,
1
dấu phẩy v.v), có mở đầu chƣơng và kết luận chƣơng, có liệt kê tài liệu
tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận
1
logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trƣờng hợp)
Có bài báo khoa học đƣợc đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải SVNC
khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thƣởng khoa học (quốc tế/trong
nƣớc) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế
Đƣợc báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên nghiên cứu
khoa học nhƣng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích
trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về chun ngành
Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học
Điểm tổng
Điểm tổng quy đổi về thang 10
2
3
4
5
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
5
5
2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
5
2
0
/50
3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
................................................................................
Nghệ An, ngày…..tháng 05 năm 2018
Ngƣời nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin, điện
tử v.v đã làm cho đời sống của con ngƣời ngày càng hồn thiện. Các thiết bị tự động
hóa đã ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt
hằng ngày của mỗi con ngƣời. Gắn liền với cuộc sống con ngƣời hiện nay thì
khơng thể thiếu điện năng. Vì thế làm sao để sử dụng điện năng một cách tiết kiệm,
hiệu quả và hợp lí là một vấn đề cần quan tâm. Với vấn đề đã đặt ra trên cùng với sự
hƣớng dẫn và giúp đỡ của thầy giáo Lê Văn Chƣơng tôi đã quyết định chọn đề tài “
Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Thống Giám Sát Điện Năng Từ Xa Trên Nền Tảng IoT”
Trong q trình làm cịn nhiều thiếu sót vì kiến thức cịn hạn chế mong mọi ngƣời
đóng góp ý kiến để hoàn thành tốt hơn nữa đề tài này.
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Hệ thống sử dụng nguồn 5v để cung cấp cho các bo mạch và linh kiện nên nó
hoạt động bình thƣờng và giảm tổn thất hƣ hỏng cho các thiết bị khi hoạt động. Có
lúc bị giảm công suất do không ổn định về mức điện áp nhƣng khơng đáng kể. Hệ
thống có thể ứng dụng đƣợc nhiều mơ hình trong thực tế. Nó hồn tồn có thể kiểm
soát đƣợc lƣợng điện tiêu thụ ở trong các nhà máy, các xƣởng lớn các công ty và ở
trong các hộ gia đình cũng vậy. Giúp cho việc sử dụng điện năng của chúng ta hợp
lí và hiệu quả hơn.
The system uses 5v power supply for the boards and components so it works
normally and reduces the damage to the equipment while operating. At times, the
power is reduced due to the unstable voltage but not significant. The system can
apply many models in practice. It can also control the amount of electricity
consumed in factories, large factories and even in households. Helping us to use our
electricity more effectively and efficiently.
MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 5
CHƢƠNG I:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG ................ 6
1.1 Giới thiệu về hệ thống giám sát điện năng ................................................................ 6
1.2 Một số thiết bị giám sát điện năng ............................................................................ 6
1.2.1 Hệ thống giám sát năng lƣợng sử dụng SCADA ................................................... 6
1.2.2 Thiết bị giám sát phân tích và quản lí chất lƣợng điện năng PEM 735 ................. 9
1.2.3. Hệ thống quản lí và giám sát điện năng của ECAPRO....................................... 10
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO LƢỜNG ĐIỆN NĂNG .... 12
2.1 Phƣơng pháp đo điện năng bằng cách đo dòng điện ............................................... 12
2.1.1 Đo dòng điện DC ................................................................................................ 12
2.1.2 Đo dòng điện AC ................................................................................................. 13
2.1.3 Ảnh hƣởng của Ampe kế trên mạch đo .............................................................. 16
2.2 Phƣơng pháp đo điện năng bằng cách đo điện áp ................................................... 16
2.2.1 Đo điện áp DC ...................................................................................................... 16
2.2.2 Đo điện áp AC ..................................................................................................... 16
2.2.3 Ảnh hƣởng của vôn kế trên mạch đo ................................................................... 17
2.3 Đo điện năng bằng cách đo công suất ..................................................................... 18
2.3.1 Đo công suất một chiều ....................................................................................... 18
2.3.1.1 Dùng vôn kế và ampe kế .................................................................................. 18
2.3.1.2 Dùng watt kế DC ............................................................................................... 19
2.3.2 Đo công suất xoay chiều 1 pha ........................................................................... 20
2.3.2.1 Dùng vôn kế và ampe kế .................................................................................. 20
2.3.2.2 Dùng Watt-kế điện động ................................................................................... 21
2.3.3 Đo công suất tải ba pha ........................................................................................ 22
2.3.3.1 Đo công suất mạch điện bốn dây ...................................................................... 22
2.4 Đo công suất phản kháng của tải ............................................................................ 24
2.4.1 Công suất phản kháng của tải một pha bằng VAR kế ......................................... 24
2.4.2 Đo công suât phản kháng của tải ba pha .............................................................. 24
1
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT LƢỢNG
ĐIỆN TIÊU THỤ TỪ XA TRÊN NỀN TẢNG IoT ................................................. 26
3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế....................................................................................... 26
3.2 Thiết kế sơ đồ khối ................................................................................................. 26
3.3. Thiết kế, sơ đồ nguyên lí ........................................................................................ 27
3.3.1 Khối điều khiển trung tâm ESP8266.................................................................... 27
3.3.2 Khối cảm biến PZEM004T ................................................................................. 28
3.3.3 Nguồn cung cấp.................................................................................................... 30
3.4 Lập trình phần mềm ............................................................................................... 31
3.4.1 Giới thiệu nền tảng Arduino ................................................................................ 31
3.4.2 Lƣu đồ thuật toán điều khiển .............................................................................. 34
3.4.3 Chƣơng trình phần mềm ...................................................................................... 34
3.5 Thiết kế hệ thống giám sát từ xa trên nền tảng IoT ................................................ 36
3.5.1 Tổng quan về IoT ................................................................................................. 36
3.5.1.1 Khái niệm .......................................................................................................... 36
3.5.2 Giới thiệu nền tảng công nghệ IoT ...................................................................... 37
3.5.1.2 Mơ hình của một hệ thống IoT.......................................................................... 37
3.5.2 Giới thiệu nền tảng công nghệ IoT ...................................................................... 38
3.5.3 Thiết kế các kênh giám sát trên phần mềm mô phỏng Cayenne IoT ......................... 41
3.6 Chế tạo, thử nghiệm ................................................................................................ 43
3.6.1 Mơ hình hệ thống ................................................................................................. 43
3.6.2 Hoạt động của hệ thống........................................................................................ 43
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 48
2
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống SCADA về điện năng ..................................................................... 7
Hình 1.2: Giao diện chính của màn hình SCADA .......................................................... 8
Hình 1.3: Thiết bị giám sát phân tích và quản lí chất lƣợng điện năng PEM 735 .......... 9
Hình 1.4: Hệ thống quản lí giám sát điện năng của ECAPRO ..................................... 10
Hình 2.1: Cách mở rộng tầm đo cơ cấu đo từ điện ....................................................... 12
Hình 2.2 :Cách mở rộng tầm đo dùng nhiều điện trở shunt .......................................... 13
Hình 2.3 :Cách mở rộng tầm đo theo mạch Ayrton ...................................................... 14
Hình 2.4 :Mạch chỉnh lƣu diode dùng cơ cấu đo từ điện .............................................. 14
Hình 2.5: Mạch chỉnh lƣu bằng cầu điode .................................................................... 15
Hình 2.6: Mở rộng tầm đo cho cơ cấu đo từ điện ......................................................... 15
Hình 2.7: Mở rộng tầm đo bằng mạch Ayrton .............................................................. 15
Hình 2.8: Mạch đo điện áp DC ..................................................................................... 16
Hình2.8: Mạch đo điện áp AC bằng cơ cấu đo điện từ ................................................. 17
Hình 2.9 : Ảnh hƣởng của vơn kế lên trục đo ............................................................... 18
Hình 2.10:Đo cơng suất bằng cách mắc A-V................................................................ 18
Hình 2.11 : Đo cơng suất bằng wat kế .......................................................................... 19
Hình2.12: Dùng vơn kế và ampe kế .............................................................................. 20
Hình 2.13 : Gian đồ vector ............................................................................................ 20
Hình 2.14: Cấu tạo của Watt kế điện động ................................................................... 21
Hình 2.15: Đo cơng suất của tải 3 pha 4 dây ................................................................ 22
Hình 2.16: Đo cơng suất mạch điện ba dây .................................................................. 23
Hình 2.17: Cơng suất tiêu thụ trên tải 3 pha cân bằng .................................................. 23
Hình 2.18: VAR kế điện động....................................................................................... 24
Hình 2.19: Đo cơng st phản kháng của tải 3 pha....................................................... 24
Hình 2.20: Giản đồ vector ............................................................................................. 25
Hình 2.21: Mạch đo công suất phản kháng của tải 3 pha cân bằng ............................. 25
Hình 3.1: Module ESP8266 .......................................................................................... 27
Hình 3.2 Sơ đồ nối chân của ESP8266 ......................................................................... 28
Hình 3.3.Sơ đồ nguyên lí ESP8266 .............................................................................. 28
3
Hình 3.4 Bo mạch PZM004T ........................................................................................ 29
Hình 3.5 Sơ đồ ngun lí của PZM004T ...................................................................... 30
Hình 3.6 Bộ cấp nguồn 5v............................................................................................. 30
Hình 3.7: Bo mạch Arduino .......................................................................................... 31
Hình 3.8: The Internet of Things (IoT) ......................................................................... 35
Hình 3.9: Mơ hình của hệ thống IoT ............................................................................. 36
Hình 3.10: Mơ hình nền tảng của cơng nghệ IoT ......................................................... 38
Hình 3.11 Tổng quan về cơng nghệ IoT ....................................................................... 39
Hình 3.5.1 Kênh Hiệu Điện T hế .................................................................................. 40
Hình 3.5.2 Kênh Dịng Điện ........................................................................................ 40
Hình 3.5.3 Kênh cơng suất ............................................................................................ 41
Hình 3.5.4 Kênh Năng Lƣợng ...................................................................................... 41
Hình 3.6 Mơ hình tổng quan của hệ thống .................................................................... 42
Hình 3.7. Khi có tải chạy qua ........................................................................................ 42
Hình 3.8. Khi khơng có tải chạy qua ............................................................................. 43
Hình 3.9 Khi có tải chạy qua ....................................................................................... 43
4
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
1. IoT(Internet of Thing): Kết nối giữa vạn vật với nhau
2. SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition): Điều khiển giám sát và
thu thập dữ liệu
3. PEM 735(Particle Environment Monitor): Thiết bị giám sát
4. DC(Direct Current): Dòng điện một chiều
5. AC(Alternating Current): Dòng điện xoay chiều
6. DIN(Deutsches Institut fur Normung): Viện tiêu chuẩn hóa Đức
7. IEC(International Electrotechnical Commission): Uỷ ban kĩ thuật điện quốc
tế
5
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
1.1 Giới thiệu về hệ thống giám sát điện năng
Ngày nay, sự phát triển của các thiết bị đo năng lƣợng điện tử đã đem lại
những hiệu quả cao hơn rõ rệt trong đo lƣờng so với các thiết bị đo trƣớc đây. Các
thiết bị đo năng lƣợng điện tử nhìn chung có hai ƣu điểm chính nổi bật so với các
thiết bị đo kết cấu cơ điện truyền thống đó là: Cải thiện độ chính xác và mở rộng
các chức năng. Hiện tại, công nghệ vi điều khiển cho phép ta xây dựng đƣợc các
thiết bị đo vừa có giá cả cạnh tranh so với các thiết bị đo truyền thống vừa đƣợc độ
chính xác cao (thiết bị có thể đạt cấp chính xác 1, sai số ±1% hoặc thấp hơn). Bên
cạnh đó, vi điều khiển có thể cho phép các nhà thiết kế bổ sung thêm các chức năng
khác vào thiết bị đo nhƣ truyền phát dữ liệu không dây, cảnh báo mất lƣới, lƣu trữ
dữ liệu…
Hệ thống giám sát điện năng là hệ thống để kiểm soát lƣợng điện năng tiêu thụ
và có những vai trị cực kì quan trọng, phân tích năng lƣợng hao phí, phân tích chất
lƣợng nguồn điện, đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lƣợng và cân bằng năng lƣợng
với các tính năng sau:
Hệ thống giúp ta hiểu rõ biểu đồ phụ tải, theo dõi trực tuyến tiêu thụ điện,
hỗ trợ đội ngũ vận hành và lắp đặt tìm cách giảm chi phí - tiết kiệm năng lƣợng
Xác định rõ chi phí điện cho từng ca, bộ phận, phân xƣởng, sản phẩm..
Xác định tính hợp lý của các giải pháp cải tiến, mạnh dạn đầu tƣ
Chuẩn đoán và giảm thời gian dừng máy sự cố một cách tích cực, theo dõi
liên tục hoạt động hệ thống
Xác định chính xác lọai sự cố chất lƣợng điện năng, thời gian, vị trí của sự cố
Gửi các cảnh báo để đề phịng trƣớc khi sự cố sảy ra
Phân tích nguyên nhân, hỗ trợ xác định nguyên nhân sự cố nhanh và xử lý triệt để
Xác định nguyên nhân sự cố là do thiết bị hay do nguồn điện
1.2 Một số thiết bị giám sát điện năng
1.2.1 Hệ thống giám sát năng lượng sử dụng SCADA
SCADA là hệ thống quản lý và giám sát điện năng tiến tiếnSCADA =
Supervisory control and Data acquisition = cơng nghệ tự động hóa + điều khiển
SCADA là quá trình thu thập dữ liệu thời gian thực từ các đối tƣợng để xử lý, biểu
6
diển, lƣu trữ, phân tích và có khả năng điều khiển những đối tƣợng này. Các hệ
thống SCADA hiện đại là một giai đoạn phát triển hệ thống tự động hố trƣớc đây,
chính là hệ thống truyền tin và báo hiệu (telemetry and signalling).
Trong những hệ thống SCADA dù ít hay nhiều cũng đƣợc thực hiện những
nguyên tắc nhƣ: Làm việc với thời gian thực, sử dụng một khối lƣợng tƣơng đối lớn
thông tin thừa (tần số cập nhật dữ liệu cao), cấu trúc mạng, nguyên tắc hệ thống và
môđun mở, có thiết bị dự trữ để làm việc trong trạng thái "dự trữ nóng”, …
Hình 1.1: Hệ thống SCADA về điện năng
Thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA
Remote terminal unit (rtu) – thiết bị đầu cuối từ xa – thực hiện các công việc xữ
lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực (có 2 loại hệ thống thời gian thực: Hệ thống
thời gian thực cứng và hệ thống thời gian thực mềm) . Rtu rất đa dạng từ những cảm
biến nguyên thuỷ thực hiện thu thập thông tin từ đối tƣợng cho đến những bộ phận máy
móc đã xữ lý thực hiện xữ lý thông tin và điều khiển trong chế độ thời gian thực. Việc
sử dụng rtu có bộ xữ lý cho phép làm giảm đƣợc yêu cầu đối với tốc độ của kênh
truyền kết nối với trung tâm điều khiển.master terminal unit (mtu) trung tâm điều phối,
thực hiện công việc xữ lý dữ liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ thời gian thực
mềm. Một trong những chức năng cơ bản của mtu là cung cấp giao diện giữa con
ngƣời quan sát viên với hệ thống. Mtu có thể bằng những dạng khác nhau, từ một máy
tính đơn lẽ với các thiết bị cũ cho đến hệ thống máy tính lớn bao gồm các server và
client.
7
Communication system (cs) hệ thống truyền thông (kênh liên kết) cần thiết để
truyền dữ liệu từ các địa điểm ở nơi xa đến mtu và truyền tín hiệu điều khiển đến
rtu.
Ngun lí hoạt động
Hình 1.2: Giao diện chính của màn hình SCADA
Một hệ thống SCADA bao gồm một hay nhiều máy tính, dùng kèm với một
phần mềm ứng dụng tích hợp. Một hệ thống SCADA sẽ thu thập thông tin, truyền
thơng tin trở lại vị trí trung tâm, sau đó cảnh báo trạm chính đã có sự cố xảy ra, cần
thực hiện các phân tích và điều khiển, xem xét liệu sự cố đó có nguy cấp hay khơng,
rồi hiển thị thơng tin theo một dạng logic và có tổ chức nhất định. Qua các giao diện
HMI hiển thị trên máy tính, ngƣời vận hành sẽ quan sát đƣợc trực quan hệ thống
đang làm việc nhƣ thế nào, biểu đồ phụ tải của mỗi cụm phụ tải, in ấn, gửi báo cáo,
theo dõi tiến trình, xu hƣớng gia tăng phụ tải, từ đó đề ra phƣơng án vận hành tối
ƣu, linh hoạt hệ thống trong từng thời điểm thích hợp, giảm tổn thất điện năng cho
mạng lƣới điện, giảm tổn hao các dạng năng lƣợng khác.
8
1.2.2 Thiết bị giám sát phân tích và quản lí chất lượng điện năng PEM 735
PEM735 là thiết bị giám sát,phân tích và quản lí chất lƣợng điện năng khá
tồn diện,với đầy đủ các chỉ số của hệ thống điện : Cho phép đo dịng, áp, tần số
sóng hài, tổng điện năng tiêu thụ và biểu đồ dòng áp…để đánh giá chất lƣợng điện
theo DIN 50160. Độ chính xác của đo lƣờng đạt cấp 0,2s theo DIN 62.053-22. Các
đầu vào đo dịng đƣợc kết nối với biến dịng.
Hình 1.3: Thiết bị giám sát phân tích và quản lí chất lượng điện năng PEM 735
Các đặc tính cơ bản
Phân tích dịng điện class a theo tiêu chuẩn DIN 61000-4-30
Giám sát chất lƣợng điện áp theo DIN 50.160
Cấp độ chính xác theo tiêu chuẩn IEC 62053-22:0.2s
Màn hình màuTFT(640x480)5.7
Modbus RTU và moddbus TCP
4 đầu vào của dòng điện
9
5 dòng vào của điện áp
1gb bộ nhớ trong
1.2.3. Hệ thống quản lí và giám sát điện năng của ECAPRO
Tổng quan về hệ thống
Chức năng quản lý và giám sát tồn bộ hệ thống điện của tịa nhà hay khu
công nghiệp giúp nâng cao hiệu quả công trình, hiện đại hố, tiết kiệm điện năng
tiêu thụ, bảo vệ môi trƣờng. Hệ thống thực hiện việc giám sát hệ thống điện qua
thiết bị theo dõi các thông số kỹ thuật chính của nguồn điện nhƣ: Dịng điện, điện
áp, công suất tiêu thụ, công suất phản kháng, công suất biểu kiến... Đây là những
thông số cần đƣợc giám sát chặt chẽ vì có ảnh hƣởng rất lớn tới việc vận hành tất cả
thiết bị sử dụng điện của tòa nhà hay công nghiệp. Quản lý tốt các tham số này đồng
nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của tòa nhà, nâng cao hiệu quả sử dụng thiết
bị. Các tham số đều đƣợc đo bằng bộ đo đếm điện năng kỹ thuật số nối mạng, thể
hiện thông số trên màn hình máy tính, lƣu trữ dữ liệu và giám sát từ xa qua mạng
internet. Phần mềm web đƣợc nhúng trong thiết bị cho phép ngƣời quản lý có thể
xem các tham số đƣợc thể hiện trực quan với nhiều hình thức nhƣ thể hiện dạng
đồng hồ số điện, dạng bảng số liệu, dạng đồ thị thời gian. Ngƣời sử dụng có thể
chiết xuất các cơ sở dữ liệu theo ngày, tháng năm.
Hình 1.4: Hệ thống quản lí giám sát điện năng của ECAPRO
Hệ thống cho phép giám sát điện năng của nhiều điểm khác nhau với khoảng
cách các điểm tới 1km; thiết lập các cảnh báo nhƣ quá tải, quá giờ chạy thiết bị,
10
cảnh báo mất phase và cảnh báo các hệ số khác, đồng thời cho phép giám sát các
thông số khác nhƣ nhiệt độ, áp suất...
Một số lợi ích của hệ thống quản lí và giám sát điện năng của ECAPRO
Giảm thời gian, chi phí nhân cơng để ghi lại dữ liệu từ các đồng hồ cơ, nhập
vào file excel tạo báo cáo mỗi tháng.
Giảm đƣợc sơ sót trong quá trình thu thập dữ liệu bằng tay, tăng độ chính
xác trong đo lƣờng.
Kiểm sốt dữ liệu điện năng liên tục 24 giờ /7 ngày tại bất kỳ nơi đâu.
Khả năng đáp ứng nhanh với bất kỳ sự cố điện nào thông qua các cảnh báo,
giảm đƣợc thời gian dừng máy.
Giảm thời gian xử lý sự cố do dữ liệu đƣợc thu thập đầy đủ, chụp đƣợc
dạng sóng của nguồn điện khi sự cố xảy ra.
Ngăn ngừa khả năng bị điện lực phạt do có chi phí thấp nhờ các báo động.
Theo dõi tồn bộ phụ tải của nhà xƣởng theo thời gian thực, hữu ích cho
việc lên kế hoạch tiết kiệm.
Có khả năng tạo các báo cáo về điện năng tiêu thụ ở dạng bảng, dạng đồ thị,
xuất ra file excell.
Kiểm tra hóa đơn điện lực thơng qua báo cáo về năng lƣợng sử dụng.
Xác định các nhiễu, sóng hài là do nguồn điện lực xông vào hay do các thiết
bị của nhà máy gây ra. Giảm thời gian xác định nguyên nhân.
Duy trì mức tải cho thiết bị hợp lý, tránh trƣờng hợp non hay quá tải.
Đƣa ra quyết định đầu tƣ cho các thiết bị tiết kiệm năng lƣợng hơn.
11
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO LƢỜNG ĐIỆN NĂNG
2.1 Phƣơng pháp đo điện năng bằng cách đo dòng điện
Các phƣơng pháp đo dòng điện phổ biến gồm:
- Phƣơng pháp đo trực tiếp: Dùng các dụng cụ đo dịng điện nhƣ ampemét,mili
ampemét, micrơ ampemét ... Để đo dịng và trực tiếp đọc kết quả trên thang chia độ
của dụng cụ đo.
- Phƣơng pháp đo gián tiếp: có thể dùng vônmét đo điện áp rơi trên một điện
trở mẫu (mắc trong mạch có dịng điện cần đo chạy qua ); thơng qua phƣơng pháp
tính tốn ta sẽ đƣợc dịng điện cần đo.
- Phƣơng pháp so sánh: đo dòng điện bằng cách so sánh dòng điện cần đo với
dòng điện mẫu, chính xác; ở trạng thái cân bằng của dịng cần đo và dòng mẫu sẽ
đọc đƣợc kết quả trên mẫu.
2.1.1 Đo dòng điện DC
Nguyên lý đo:
Các cơ cấu đo điện từ, từ điện và điện động đều hoạt động đƣợc với dòng điện
DC cho nên chúng đƣợc dùng làm bộ chỉ thị cho ampe kế DC.
Muốn đo đƣợc các giá trị đo khác nhau ta cần phải mở rộng tầm đo cho thích hợp.
Mở rộng tầm đo cho cơ cấu đo từ điện
Cách mở rộng tầm đo bằng điện trở SHUNT RS:
Hình 2.1: Cách mở rộng tầm đo cơ cấu đo từ điện
12
RS điện trở shunt.
Rm điện trở nội của cơ cấu đo
Dòng điện đo: I I m I s
Trong đó:
I m là dịng đi qua cơ cấu đo
I s là dòng đi qua cơ cấu đo
I max là dòng đi qua cơ cấu đo
I c là dòng đi qua cơ cấu đo
Cách tính điện trở shunt RS :
Rs
I max Rm
I c I max
Đối với ampe kế có nhiều tầm đo thì dùng nhiều điện trở shunt để mở rộng
tầm đo khi chuyển tầm đo là chuyển điện trở shunt
Cách mở rộng tầm đo theo mạch Ayrton:
Hình 2.3 :Cách mở rộng tầm đo theo mạch Ayrton
Điện trở shunt ởB: RSB R1 R2 R3 R2
Điện trở shunt ởC: RSC R1 R2 còn điện trở R3 nối tiếp với cơ cấu chỉ thị.
Điện trở shunt ở D: RSD R1 còn điện trở R2 R3 nối tiếp với cơ cấu chỉ thị.
2.1.2 Đo dòng điện AC
Nguyên lý đo:
13
Đối với cơ cấu đo từ điện cần phải biến đổi dòng điện AC thành dòng điện DC
trƣớc khi sử dụng.
Mạch chỉnh lƣu một diode:
Hình 2.4 :Mạch chỉnh lưu diode dùng cơ cấu đo từ điện
Dòng điện qua diode mắc nối tiếp với cơ cấu đo từ điện có giá trị trung bình
(giá trị tác động làm lệch cơ cấu đo) đƣợc xác định bởi:
T
id
1
1
id dt
T0
T
T /2
sin tdt
0
1
2
T /2
I
A
sin tdt
0
IA
I
cos t A 0,318 2I dh
2
Trong đó: I A , I HD lần lƣợt là biên độ của dòng ac qua cơ cấu và giá trị hiệu dụng của
nó
Chú ý:
giá trị hiển thị trên cơ cấu đo là giá trị hiệu dụng, liên hệ với giá trị trung bình
Suy ra từ cơng thức trên: I hd
id
0,318 2
Khi dùng cầu diode thì dịng điện ac đƣợc chỉnh lƣu ở nửa chu kỳ và giá trị
trung bình đƣợc xác định :
id
2I
1 T
id dt A 0, 636 2 I hd
0
T
Cách mở rộng tầm đo:
Dùng điện trở shunt:
14
Hình 2.6: Mở rộng tầm đo cho cơ cấu đo từ điện
Diode mắc nối tiếp với cơ cấu đo từ điện, do đó dịng điện chỉnh lƣu qua cơ cấu đo,
dòng điện qua rs là dòng ac
I m dòng điện qua cơ cấu đo.
I max dòng điện cực đại cho phép qua cơ cấu đo
Dùng mạch Ayrton
Hình 2.7: Mở rộng tầm đo bằng mạch Ayrton
Tƣơng tự:
Điện trở shunt ởA: RSA R1 R2 R3
Điện trở shunt ở B: RSB R1 R2 còn điện trở R3 nối tiếp với cơ cấu
chỉ thị
Điện trở shunt ở C: RSA R1 còn điện trở R2 R3 nối tiếp với cơ cấu chỉ
thị
15
2.1.3 Ảnh hưởng của Ampe kế trên mạch đo
Mỗi Ampe-kế đều có nội trở riêng của nó và có thể thay đổi theo mỗi tầm đo.
Việc mắc nối tiếp nó với điện trở tải cần đo dòng điện sẽ ảnh hƣởng đến mạch đo.
Nếu nội trở của Ampe-kế rất nhỏ so với điện trở tải thì sai số do ảnh hƣởng của
Ampe-kế trở nên không đáng kể
2.2 Phương pháp đo điện năng bằng cách đo điện áp
2.2.1 Đo điện áp DC
Ngun lí đo
Hình 2.8: Mạch đo điện áp DC
Các cơ cấu chỉ thị đều có tác dụng với dịng điện đo. Muốn đo đƣợc điện áp
cần chuyển dòng điện đo đƣợc sang điện áp cần đo.
Trong đó: Rm là nội trở của các cơ cấu chỉ thị; Rs là điện trở hạn dòng và mở
rộng tầm đo.
Mở rộng tầm đo
Đối với cơ cấu đo từ điện ngƣời ta mắc nối tiếp thêm điện trở rs để mở rộng
tầm đo.nghĩa là, thay đổi tổng trở vào càng lớn thì tầm đo điện áp càng cao. Ngƣời
ta thƣờng dùng trị số độ nhạy để xác định tổng trở vào của mỗi tầm đo. Độ nhạy
đƣợc định nghĩa là tỷ số của tổng trở vào của vôn-kế trên điện áp tầm đo.
2.2.2 Đo điện áp AC
Nguyên lí đo
Tƣơng tự nhƣ đo dòng điện ac phải dùng mạch chỉnh lƣu diode để biến đổi
điện áp xoay chiều thành một chiều
Mạch chỉnh lƣu bán kì:
16
Hình2.8: Mạch đo điện áp AC bằng cơ cấu đo điện từ
D1 chỉnh lƣu dòng điện AC ở nửa chu kỳ dƣơng.
D2 cho dòng điện ở nửa chu kỳ âm qua (không đi qua cơ cấu đo) và điện áp
nghịch không rơi trên D1 và cơ cấu đo, tránh điện áp nghịch lớn khi đo điện áp AC
có giá trị lớn.
Dòng điện tác dụng lên cơ cấu đo là id quan hệ với giá trị hiệu dụng theo công thức:
id 0,318 2 I hd I max
I hd
I max
0,318 2
I max
I hd max
0,318 2
Ở giá trị tầm đo:
U tamdo Rs Rm
Rs
I max
U D1
0,318 2
U tamdo U D1
Rm
I max
0,318 2
2.2.3 Ảnh hưởng của vôn kế trên mạch đo
Khi vôn-kế đƣợc mắc vào phần tử cần đo điện áp thì có thể xem nhƣ tổng trở
vào của vơn-kế mắc song song với phần tử đó.
Ví dụ: cho mạch điện nhƣ hình
17
