Nghiên cứu ứng dụng công nghệ iot thiết kế hệ thống giám sát và phân tích chất lượng điện năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

HỒ VĂN TRÌNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ IoT
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Bình Định - Năm 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

HỒ VĂN TRÌNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ IoT
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Chuyên ngành:
Mã số:

Kỹ thuật điện
8520201

Người hướng dẫn: TS. Ngô Minh Khoa

i

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi và là một nhánh nội
dung của đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ (Mã số: B2020-DQN-02), được thực
hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Ngô Minh Khoa - Khoa Kỹ thuật và
Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu
được trình bày trong luận văn này hồn toàn trung thực. Ngoài ra, toàn bộ luận
văn này được soạn thảo bằng phần mềm LATEX.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này./.
Bình Định, ngày .... tháng .... năm 2020
Học viên

Hồ Văn Trình


ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

i

MỤC LỤC

ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
MỞ ĐẦU

vi
vii
1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
VÀ CÔNG NGHỆ IoT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 8
1.1

1.2

Các khái niệm cơ bản về chất lượng điện năng . . . . . . . . . . .

8

1.1.1

Chất lượng điện năng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.1.2

Các dạng nhiễu loạn chất lượng điện năng . . . . . . . . . 10

1.1.3

Giám sát chất lượng điện năng . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.1.4

Phân tích tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Tổng quan về công nghệ IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1

Giới thiệu về điều khiển giám sát thiết bị qua Internet . . 20

1.2.2

Internet of Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.2.3

Một số ứng dụng IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3

Lợi ích của giám sát và phân tích CLĐN . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.4

Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG

25


iii
2.1

2.2

2.3

Các phần tử chính của hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1

Module Wifi ESP8266 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.2

Module Wemos D1 R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1.3

Module PZEM004T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Cấu hình phần cứng của hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.1

Cấu hình chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.2

Cấu hình chi tiết lắp ráp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT VÀ
PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DỰA
TRÊN CƠNG NGHỆ IoT
3.1

3.2

3.3

3.4

37

Các giao thức truyền thông trong các ứng dụng IoT . . . . . . . . 37
3.1.1

MQTT (Message Queue Telemetry Transport) . . . . . . . 38

3.1.2

CoAP (Constrained Applications Protocol) . . . . . . . . . 38

3.1.3

AMQP (Advanced Message Queue Protocol) . . . . . . . . 40

3.1.4

DDS (Data Distribution Service) . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.5

XMPP (Extensible Messaging và Presence Protocol) . . . 41

Giới thiệu các phần mềm để thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1

Phần mềm ThingSpeak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2.2

Phần mềm Arduino IDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Xây dựng thuật tốn chương trình . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.1

Thuật toán chương trình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.3.2

Chương trình trên ThingSpeak . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.3.3

Chương trình trên Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VỀ GIÁM
SÁT VÀ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 57
4.1

Đối sánh kết quả đo với các thiết bị đo chuẩn . . . . . . . . . . . . 57


iv

4.2

4.3

4.4

4.1.1

Lựa chọn các thiết bị đo chuẩn . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.1.2

Kiểm chứng kết quả đo lường . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Kết quả giám sát chất lượng điện năng . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1

Giám sát điện áp và tần số trên Thingspeak . . . . . . . . 63

4.2.2

Giám sát dòng điện và hệ số công suất trên ThingSpeak . 64

4.2.3

Giám sát công suất và điện năng tiêu thụ trên ThingSpeak 66

Phân tích chất lượng điện năng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.1

Phân tích phổ điện áp và phổ tần số trên Thingspeak . . . 66

4.3.2

Phân tích trên chương trình Matlab . . . . . . . . . . . . . 67

Kết luận chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)

71

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CLĐN

Chất lượng điện năng

IoT

Internet of Things

RMS

Trị hiệu dụng

CLĐA

Chất lượng điện áp

IEEE

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

CSTD

Công suất tác dụng

CSPK

Công suất phản kháng

ĐNTT

Điện năng tiêu thụ

PTN

Phịng thí nghiệm

SCADA Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu
DCS

Hệ thống điều khiển phân tán


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1

Ứng dụng IoT trong giám sát và phân tích CLĐN . . . . . .

2

Hình 1.1

Dạng sóng điện áp lý tưởng hình sin tần số 50 Hz . . . . . .

9

Hình 1.2

Các dạng sóng quá độ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Hình 1.3

Biến thiên điện áp ngắn hạn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Hình 1.4

Biến thiên điện áp kéo dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Hình 1.5

Các dạng méo dạng sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Hình 1.6

Chập chờn điện áp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Hình 1.7

Sơ đồ đo lường và giám sát chất lượng điện năng . . . . . . . 18

Hình 1.8

Ảnh minh họa điều khiển qua Internet . . . . . . . . . . . . . 20

Hình 1.9

Internet of Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Hình 2.1

Module ESP8266 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Hình 2.2

Các chế độ hoạt động của ESP8266 . . . . . . . . . . . . . . 28

Hình 2.3

Module Wemos D1 R1 và sơ đồ chân . . . . . . . . . . . . . . 28

Hình 2.4

Mạch ngun lí của module Wemos D1 R1 . . . . . . . . . . 29

Hình 2.5

Hình ảnh PZEM004T trên thực tế . . . . . . . . . . . . . . . 30

Hình 2.6

Sơ đồ đấu dây của module PZEM004T . . . . . . . . . . . . 31

Hình 2.7

Cấu hình phần cứng của hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . 34

Hình 2.8

Sơ đồ nối dây chi tiết trên phần mềm Proteus 8.8 . . . . . . 34

Hình 2.9

Hình ảnh tổng thể của hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Hình 3.1

Giao thức truyền thơng MQTT . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Hình 3.2

Ví dụ về mơ hình sử dụng giao thức CoAP và HTTP . . . . 39

Hình 3.3

Giao thức truyền thơng AMQP . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Hình 3.4

Giao thức truyền thơng DDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Hình 3.5

Một ví dụ về XMPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

vii
Hình 3.6

Giao diện đăng ký tạo tài khoản trên ThingSpeak . . . . . . 43

Hình 3.7

Giao diện tạo Data Channel trên ThingSpeak . . . . . . . . 43

Hình 3.8

Giao diện lấy URL để upload dữ liệu trên ThingSpeak . . . 44

Hình 3.9

Giao diện upload dữ liệu từ Blocky trên ThingSpeak . . . . 44

Hình 3.10 Giao diện chương trình Arduino IDE . . . . . . . . . . . . . . 45
Hình 3.11 Lưu đồ thuật tốn chương trình trên ThingSpeak . . . . . . 48
Hình 3.12 Giao diện khởi tạo các kênh trên ThingSpeak . . . . . . . . . 50
Hình 3.13 viết code Matlab trực tiếp trên ThingSpeak . . . . . . . . . . 51
Hình 3.14 Kênh 1 giám sát điện áp, tần số trên ThingSpeak . . . . . . 51
Hình 3.15 Kênh 2 giám sát dịng điện, hệ số cơng suất trên ThingSpeak 53
Hình 3.16 Kênh 3 giám sát công suất và ĐNTT trên ThingSpeak . . . 53
Hình 3.17 Kênh 4 giám sát phổ tần số, phổ điện áp, biểu đồ công suất
ba pha và vị trí địa lý trên google maps . . . . . . . . . . . . . . . 54
Hình 3.18 Giao diện chương trình phân tích CLĐN trên Matlab . . . . 55
Hình 4.1

Nguồn cung cấp ba pha có điều chỉnh . . . . . . . . . . . . . 58

Hình 4.2

Tải biến trở ba pha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Hình 4.3

Đồng hồ đo lường chất lượng điện năng . . . . . . . . . . . . 60

Hình 4.4

So sánh dịng điện với kết quả của máy đo CLĐN . . . . . . 61

Hình 4.5

So sánh điện áp với kết quả của máy đo CLĐN . . . . . . . 63

Hình 4.6

Kết quả giám sát trực tuyến điện áp và tần số trên kênh 1 . 64

Hình 4.7

Kết quả giám sát dịng điện và hệ số công suất trên kênh 2 . 65

Hình 4.8

Kết quả giám sát cơng suất và ĐNTT trên kênh 3 . . . . . . 67

Hình 4.9

Kết quả phân tích phổ điện áp và phổ tần số trên kênh 4 . . 68

Hình 4.10 Các kết quả khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Hình 4.11 Kết quả giám sát tần số từ ngày 1-3/3/2020 . . . . . . . . . 69
Hình 4.12 Kết quả giám sát điện áp từ ngày 1-3/3/2020 . . . . . . . . 69
Hình 4.13 Kết quả giám sát dòng điện từ ngày 1-3/3/2020 . . . . . . . 70
Hình 4.14 Kết quả giám sát cơng suất từ ngày 1-3/3/2020 . . . . . . . 70
Hình 4.15 Kết quả giám sát hệ số cơng suất từ ngày 1-3/3/2020 . . . . 70


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1

Các biến số đo lường của PZEM004T . . . . . . . . . . . . . 32

Bảng 3.1

Một số hàm đọc giá trị đo từ PZEM004T . . . . . . . . . . . 46

Bảng 3.2

Một số hàm gửi dữ liệu từ Arduino WeMos lên ThingSpeak

Bảng 3.3

Các kênh và các trường trong mỗi kênh trên ThingSpeak . . 52

Bảng 3.4

Các dạng cú pháp của lệnh ThingSpeakRead . . . . . . . . . 55

47


1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước, nhu cầu về tiêu thụ điện
năng ngày càng cao trong khi khả năng cung cấp điện cịn rất nhiều khó khăn,
từ đó vấn đề sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trở thành vấn đề cấp bách. Việc
ý thức tiết kiệm điện của người dân chưa được nâng cao, các biện pháp đề ra
để tiết kiệm điện cịn khá ít và việc áp dụng nó vào thực tiễn cịn nhiều bất cập
[1, 2]. Để tiết kiệm điện phụ thuộc ở hai yếu tố: thiết bị điện và thói quen sử
dụng của con người. Người dùng thường bận rộn với cơng việc nên ít có thời
gian giám sát được việc sử dụng các thiết bị trong gia đình hay cơ quan, dẫn
đến nhiều thiết bị hoạt động khơng cần thiết, gây lãng phí năng lượng điện và
tăng chi phí điện cho gia đình, cơ quan. Để giải quyết vấn đề quản lý và giám sát
được việc sử dụng điện năng của các phụ tải điện thì việc thiết kế một hệ thống
thơng minh có thể giúp người dùng tiết kiệm điện năng qua việc giám sát lượng
điện và có thể định ngưỡng tiêu thụ điện trong mỗi ngày hoặc mỗi tháng [3-5].
Khi lượng điện vượt mức giới hạn thì thơng báo cho người dùng biết mà đưa ra
việc điều khiển thiết bị điện phù hợp, hoặc hệ thống tự động tắt các thiết bị khi
khơng cần thiết [6, 7]. Hoặc người dùng có thể theo dõi các thiết bị từ xa bằng

điện thoại hoặc PC thông qua Internet Wifi [5]. Trong cuộc sống hiện đại ngày
nay, quản lý, điều khiển và giám sát điện năng là yếu tố vô cùng quan trọng và
càng quan trọng hơn trong sản xuất và kinh doanh của doanh nghiệp. Một bài
toán đặt ra cho các nhà quản lý là làm sao quản lý tòa nhà, nhà máy hay xí
nghiệp của mình một cách hiệu quả nhất nhằm để tiết giảm chi phí, tiết kiệm
năng lượng ở mức tối đa, tạo điều kiện thuận lợi cho doanh nghiệp trong những
hoạt động kinh doanh. Hiện nay, công nghệ IoT đang là xu thế phát triển đối
với các tập đồn cơng nghệ trên thế giới [7-10]. IoT cơ bản là sự kết nối của các


2
thiết bị với Internet, trong đó các thiết bị điện phải giao tiếp với nhau và giao
tiếp với máy tính bảng cũng như với Internet để tạo thành một hệ thống thông
minh trao đổi dữ liệu, điều khiển lẫn nhau. IoT đang trở thành xu hướng công
nghệ ảnh hưởng ngày càng lớn tới đời sống của cả thế giới và có ứng dụng vơ
cùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong tương lai, trong đó có ngành điện. Sự
phát triển IoT có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và khả năng vận hành, triển
khai của lưới điện. Do đó, phương án tối ưu hiện nay là thiết lập hệ thống tự
động giám sát và phân tích chất lượng điện năng ứng dụng cơng nghệ IoT như
Hình 1.

Hình 1: Ứng dụng IoT trong giám sát và phân tích CLĐN

Với xu thế phát triển IoT hiện nay, tác giả tập trung nghiên cứu và thử
nghiệm giao thức IoT, các thiết bị tự động hóa và điều khiển từ xa nhằm xây
dựng một hệ thống giám sát và phân tích chất lượng điện năng theo xu hướng
IoT cho các mạng điện hạ áp. Các chức năng giám sát và phân tích chất lượng
điện năng của hệ thống này sẽ giúp nâng cao hiệu quả cơng trình, hiện đại hố,
tiết kiệm điện năng tiêu thụ và góp phần vào việc bảo vệ mơi trường. Hệ thống
thực hiện việc giám sát điện năng, theo dõi các thơng số kỹ thuật chính của

3
nguồn điện như: điện áp, dịng điện, cơng suất tác dụng, công suất phản kháng,
hệ số công suất,... Đây là những thơng số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh
hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết bị sử dụng điện của các nhà máy,
xí nghiệp,... Quản lý tốt các tham số này đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận
hành của các nhà máy, xí nghiệp đồng thời nâng cao được hiệu quả sử dụng
thiết bị [8]. Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm điện năng kỹ thuật số nối
mạng, thể hiện thơng số trên màn hình máy tính, lưu trữ dữ liệu và giám sát
từ xa qua mạng Internet. Phần mềm web được nhúng trong thiết bị cho phép
người quản lý có thể xem các tham số được thể hiện trực quan với nhiều hình
thức như thể hiện dạng đồng hồ số điện, dạng bảng số liệu, dạng đồ thị thời
gian. Người sử dụng có thể thực hiện chức năng chiết xuất các cơ sở dữ liệu theo
ngày, tháng năm để phục vụ cơng tác báo cáo.
2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
2.1. Trong nước
Sự tăng nhanh của phụ tải tiêu thụ, sự xuất hiện ngày càng nhiều các nguồn
năng lượng mới, năng lượng tái tạo, cùng với sự phát triển của các giải pháp
quản lý hệ thống dựa trên công nghệ phần mềm, công nghệ nhúng và hệ thống
các thiết bị đo thơng minh đã hình thành nên một khái niệm mới trong ngành
điện, đó là lưới điện thơng minh [1]. Để đảm bảo cho lưới điện thông minh vận
hành bình thường ổn định thì việc trang bị các thiết bị đo đếm thông minh, cơ
sở hạ tầng truyền thông dữ liệu cần phải đảm bảo. Như vậy việc quản lý các
thiết bị điện và giám sát, phân tích chất lượng điện năng cho các khách hàng
trở nên cần thiết nhằm góp phần mang lại hiệu quả vận hành cho thiết bị, tiết
kiệm điện năng, giảm chi phí đầu tư thiết bị,... Ở Việt Nam cũng có một số
cơng trình có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài. Trong [2], hệ thống
quản lý và giám sát tiêu thụ điện năng sử dụng trong công nghiệp khai thác
than ở Việt Nam được giới thiệu và mô tả một cách chi tiết. Hệ thống được

thiết kế với mục đích thu thập các tín hiệu đo lường từ các thiết bị đo đếm điện
năng về phòng giám sát trung tâm để theo dõi, tổng hợp, phân tích đánh giá


4
và lưu trữ các thông số này theo thời gian thực. Hệ thống cịn có khả năng tính
tốn điện năng tiêu thụ theo ba giá và bố trí phụ tải hợp lý vào các giờ cao
điểm. Các tác giả trong các cơng trình [3, 4] đã trình bày việc thiết kế hệ thống
điều khiển giám sát cho các phụ tải là tòa nhà và mạng cơ quan, doanh nghiệp.
Các hệ thống này dựa trên cấu trúc chủ yếu của hệ thống SCADA để thu thập,
điều khiển và giám sát các thông số vận hành của các phụ tải. Một hướng tiếp
cận khác về lĩnh vực giám sát điện năng không dây dựa trên kiến trúc mở của
Arduino được đề cập trong cơng trình [5]. Hệ thống này có thể giám sát đồ thị
phụ tải, đo được các đại lượng: điện áp, dịng điện, cơng suất tiêu thụ thực tế,
điện năng tiêu thụ kWh, hệ số cosφ và số tiền điện sử dụng theo tháng. Các
trang mạng [6, 7] đã giới thiệu về hệ thống giám sát PMS: Tối ưu hóa sử dụng
năng lượng cho các cơng trình và hệ thống quản lý điện năng thông minh với
các ưu điểm và lợi ích cho khách hàng sử dụng điện. Từ những phân tích các
cơng trình ở trên cho thấy rằng ứng dụng công nghệ IoT trong việc thiết kế hệ
thống giám sát và phân tích chất lượng điện năng là một hướng cịn khá mới
mẻ ở Việt Nam hiện nay.
2.2. Ngồi nước
Hiện nay, công nghệ IoT đang là xu thế phát triển đối với các tập đồn cơng
nghệ trên thế giới. IoT cơ bản là sự kết nối của các thiết bị với Internet, trong
đó các thiết bị điện phải giao tiếp với nhau và giao tiếp với máy tính bảng cũng
như với Internet để tạo thành một hệ thống thông minh trao đổi dữ liệu, điều
khiển lẫn nhau. IoT đang trở thành xu hướng công nghệ ảnh hưởng ngày càng
lớn tới đời sống của cả thế giới và có ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực trong tương lai, trong đó có ngành Điện. Giới thiệu tổng quan về sự phát
triển của IoT có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và khả năng vận hành, triển

khai của lưới điện thơng minh được trình bày trong [1, 2]. Trong đó, [1] trình
bày tổng quan về vai trị, tác động và những thách thức của việc ứng dụng công
nghệ IoT trong các hệ thống điện và năng lượng. Còn [2] mô tả các hệ thống
cảm biến hiện đại trong hệ thống điện trong tương lai. Các đồng hồ thông minh,


5
hệ thống cảm biến hiện đại và công nghệ IoT để giám sát hiệu quả dòng năng
lượng trao đổi giữa các nút trong lưới điện. Đối với các phụ tải là các ngơi nhà
thơng minh thì một hệ thống quản lý năng lượng được đề xuất và trình bày
trong [3]; hệ thống này sẽ thu thập dữ liệu điện năng tiêu thụ của mỗi ngôi nhà
thông minh và truyền dữ liệu đó đến server trung tâm để phục vụ xử lý và phân
tích sau đó. Hệ thống giám sát điện áp và dịng điện thơng minh được đề xuất
trong [4]; nó giám sát hệ thống điện ba pha sử dụng Arduino như là một bộ vi
điều khiển để đọc điện áp và dịng điện từ các cảm biến, sau đó truyền không
dây các dữ liệu đo lường để giám sát kết quả đo sử dụng ứng dụng Android.
Các tác giả trong [5] đã thiết kế một hệ thống quản lý ngôi nhà được điều khiển
bằng các thiết bị di động bằng cách tích hợp Arduino với AppInventor. Trong
khi đó, các tác giả trong [6] ứng dụng một phương pháp để giám sát các tham
số chất lượng điện năng bằng cách sử dụng Ethernet dựa trên đo đếm điện năng
thông minh. Dữ liệu điện năng tiêu thụ được truyền đến server bằng thiết bị đo
năng lượng thông minh và lưu trữ ở đó; chương trình LabVIEW cũng được sử
dụng để phân tích dữ liệu từ server và các thơng số chất lượng điện năng cũng
được tính tốn. Bo mạch Arduino cũng được nghiên cứu ứng dụng để thiết kế hệ
thống đo đếm điện năng thông minh [7, 8]. Trong [9], MSP430 MCU và ZigBee
cũng được áp dụng để thiết kế hệ thống đo đếm điện năng. Từ phần tổng quan
ở trên cho thấy rằng ứng dụng công nghệ IoT trong việc thiết kế hệ thống giám
sát và phân tích chất lượng điện năng là một hướng đang được quan tâm nghiên
cứu.
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Dựa trên tính cấp thiết cũng như phần tổng quan về tình hình nghiên cứu
trong và ngồi nước đã được trình bày như trên, tác giả nghiên cứu đề tài này
hướng đến mục tiêu như sau:
- Tổng hợp cơ sở lý thuyết về giám sát và phân tích chất lượng điện năng, cơ
sở của việc đo lường các thông số cần thiết từ hệ thống.
- Nghiên cứu các giao thức truyền thông được sử dụng trong công nghệ IoT


6
nhằm truyền nhận dữ liệu thông qua mạng Internet giữa thiết bị người dùng và
hệ thống.
- Thiết kế phần cứng hệ thống thực nghiệm mơ hình giám sát và phân tích
chất lượng điện năng.
- Thiết kế chương trình phần mềm giám sát các thông số của hệ thống trong
thời gian thực chẳng hạn như: điện áp, dịng điện, cơng suất, hệ số công suất,...
- Giám sát hệ thống từ xa bằng smartphone hoặc máy tính thơng qua mạng
Internet Wifi, 3G hoặc 4G.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
- Các phương pháp đo lường các đại lượng điện.
- Các cảm biến các đại lượng điện, các bộ vi xử lý.
- Các phần mềm lập trình và các ứng dụng trên các thiết bị di động.
- Các phụ tải một pha và ba pha trong các mạng điện hạ áp.
- Cấu trúc chung của hệ thống giám sát và phân tích chất lượng điện.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
- Kỹ thuật đo lường các đại lượng điện.
- Công nghệ IoT và chuẩn giao thức truyền thông.
- Thiết kế phần cứng của hệ thống giám sát và phân tích chất lượng điện
năng.
- Xây dựng sơ đồ thuật toán phần mềm để thực hiện chức năng của hệ thống

thực nghiệm.
- Đo đạc, thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá sai số các thông số đo của hệ
thống thực nghiệm.
- Triển khai lắp đặt vận hành hệ thống và thu thập dữ liệu đo lường trong
thời gian thực.
- Giám sát đối với các phụ tải điện của các mạng điện hạ áp 380/220 VAC.


7
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về lĩnh vực
của đề tài để tổng hợp cơ sở lý thuyết có liên quan đến nội dung thiết kế hệ
thống giám sát và phân tích chất lượng điện năng.
- Mơ hình hóa và mô phỏng các kết quả ban đầu từ các phần mềm chuyên
dụng để làm cơ sở đánh giá, phân tích và thiết kế hệ thống thực nghiệm của hệ
thống đã thiết kế.
- Căn cứ theo các tiêu chuẩn có liên quan đến đo lường các đại lượng điện để
thiết kế phần cứng và phần mềm của hệ thống một cách phù hợp.
- So sánh các kết quả giám sát từ hệ thống với các thiết bị đo thương mại để
nhằm đánh giá hiệu quả cũng như sai số của hệ thống.


8

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
VÀ CÔNG NGHỆ IoT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước, nhu cầu về tiêu thụ điện
năng ngày càng cao trong khi khả năng cung cấp điện cịn rất nhiều khó khăn,

từ đó vấn đề sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trở thành vấn đề cấp bách. Việc
ý thức tiết kiệm điện của người dân chưa được nâng cao, các biện pháp đề ra
để tiết kiệm điện cịn khá ít và việc áp dụng nó vào thực tiễn còn nhiều bất
cập [1, 2]. Để tiết kiệm điện phụ thuộc ở hai yếu tố: thiết bị điện và thói quen
sử dụng của con người. Để giải quyết vấn đề quản lý và giám sát được việc sử
dụng điện năng của các phụ tải điện thì việc thiết kế một hệ thống thơng minh
có thể giúp người dùng tiết kiệm điện năng qua việc giám sát lượng điện và có
thể định ngưỡng tiêu thụ điện trong mỗi ngày hoặc mỗi tháng [3-5]. Khi lượng
điện vượt mức giới hạn thì thơng báo cho người dùng biết mà đưa ra việc điều
khiển thiết bị điện phù hợp, hoặc hệ thống tự động tắt các thiết bị khi không
cần thiết [6, 7]. Hoặc người dùng có thể theo dõi các thiết bị từ xa bằng điện
thoại hoặc PC thông qua Internet Wifi [5].

1.1. Các khái niệm cơ bản về chất lượng điện năng
1.1.1. Chất lượng điện năng
Về nguyên tắc để đảm bảo chất lượng điện năng là phải đảm bảo cả về điện
áp và tần số. Chỉ cần một trong hai yếu tố đó khơng đảm bảo, chất lượng điện
năng sẽ không đảm bảo. Về cơ bản hệ thống các máy phát ln đảm bảo các
đặc tính kỹ thuật về điện áp và dạng sóng điện áp hình sin lý tưởng như Hình


9
1.1. Tuy nhiên, chất lượng điện năng lại bị ảnh hưởng bởi nhiều nguyên nhân
khác nhau trên quá trình truyền tải và phân phối từ nhà máy điện đến nơi tiêu
thụ điện. Ảnh hưởng nhiều nhất là do sự phát triển liên tục các thiết bị điện tử
công suất, thiết bị điều khiển tốc độ động cơ mà đặc tính làm việc của nó gây

U (V)

biến dạng sóng điện áp, sụt áp,... trên hệ thống điện.

400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

Time (s)

Hình 1.1: Dạng sóng điện áp lý tưởng hình sin tần số 50 Hz
Nhiễu loạn chất lượng điện năng có thể gây ra các hậu quả nghiêm trọng
chẳng hạn như rơle tác động nhầm, các tải nhạy cảm làm việc sai, các qui trình
sản xuất bị gián đoạn và làm giảm tuổi thọ của các thiết bị [1]. Một yêu cầu
cơ bản để đảm bảo chất lượng điện năng là phải giám sát chất lượng điện năng
từ phía nguồn và kịp thời ngăn chặn dựa trên việc phát hiện và phân loại chính
xác các nhiễu loạn chất lượng điện năng đó.
Phân tích nhiễu loạn chất lượng điện năng thường được chia thành ba phần
đó là: (1) nhiễu loạn tĩnh chẳng hạn như sóng hài và notching; (2) nhiễu loạn
động chẳng hạn như lõm áp, tăng áp và mất áp thoáng qua; (3) Nhiễu loạn quá
độ chẳng hạn như quá độ dao động do các sự cố hoặc đóng tụ bù trên lưới gây
ra. Sóng hài xảy ra ở hầu hết ở các cấp điện áp trong hệ thống điện và nó có
thể xuất hiện kèm theo trong bất kỳ một nhiễu loạn khác. Do đó để cho cơng
cụ giám sát chất lượng điện năng có thể được áp dụng trong hệ thống điện thì
nó phải có khả năng phân tích sóng hài.


10
Các kỹ thuật để giám sát nhiễu loạn chất lượng điện năng đã ứng dụng biến
đổi wavelet liên tục, biến đổi wavelet rời rạc thông thường và kết hợp giữa chúng
với một bộ lọc nhất định. Tuy nhiên hầu như những cơng trình nghiên cứu đó
chỉ sử dụng những biến đổi wavelet để phát hiện nhiễu loạn và một vài cơng
trình khác thì sử dụng cho mục đích phân loại nhiễu loạn chất lượng điện năng.
Ngoài ra các kỹ thuật biến đổi wavelet liên tục có mức độ tính tốn phức tạp và
khó khăn trong việc ứng dụng trong các hệ thống thời gian thực. Các kỹ thuật
biến đổi wavelet rời rạc khơng phù hợp trong việc phân tích sóng hài, bởi vì các
dải tần số của nó khơng có cùng độ rộng [7]. Bên cạnh đó việc lựa chọn wavelet
mẹ trong hệ thống giám sát chất lượng điện năng dựa theo biến đổi wavelet
đóng một vai trị hết sức quan trọng [9], bởi vì wavelet mẹ sẽ ảnh hưởng đến độ
chính xác của các chỉ số nhiễu loạn chất lượng điện năng chẳng hạn như trị số

RMS, méo dạng hài tổng (THD) và biên độ điện áp của các nhiễu loạn.
1.1.2. Các dạng nhiễu loạn chất lượng điện năng
Để có thể phân loại các dạng khác nhau của nhiễu loạn chất lượng điện năng,
việc đặc trưng hóa mỗi một dạng cần phải được thực hiện. Thông thường các
nhiễu loạn chất lượng điện năng được phân thành hai dạng: nhiễu loạn tĩnh và
nhiễu loạn động. Sự phân loại này dựa theo khái niệm về các thành phần tần số
xuất hiện trong các tín hiệu điện áp trong q trình nhiễu loạn, thời gian tồn
tại và biên độ điện áp của các nhiễu loạn. Các nhiễu loạn này được gây ra bởi
các nguyên nhân chính [10] như sau:
- Các tác nhân bên ngồi đến hệ thống điện: ví dụ như sét gây ra quá độ
xung có biên độ lớn.
- Các tác động đóng/ngắt trong hệ thống điện: ví dụ điển hình là việc đóng
tụ sẽ gây ra quá độ dao động.
- Các sự cố mà có thể bị gây ra bởi sét (đối với đường dây trên không) hoặc
hư hỏng cách điện (đối với đường dây cáp). Lõm áp và mất áp là các nhiễu loạn
có liên qua đến sự cố ngắn mạch.


11
- Các tải sử dụng các thiết bị điện tử cơng suất sẽ sinh ra sóng hài.
Các nhiễu loạn chất lượng điện năng khác nhau được phân loại theo tiêu
chuẩn IEEE Std. 1159, 1995 [9] sẽ được thảo luận như sau:
Quá độ là một hiện tượng có trị số thay đổi giữa hai chế độ xác lập trong
một khoảng thời gian ngắn. Quá độ có thể là dạng xung về một phía cực tính
hoặc là dạng sóng dao động suy giảm có giá trị đỉnh về cả hai phía cực tính [8].
Q độ dẫn đến dao động sóng điện áp có thể gây ra quá áp trong khoảng 1/4
chu kỳ của tần số cơ bản. Quá độ được phân loại thành quá độ xung hoặc quá
độ dao động như Hình 1.2.
1.1.2.1. Quá độ (Transient)

(a) Quá độ xung

(b) Quá độ dao động

Hình 1.2: Các dạng sóng q độ

1.1.2.2. Q độ xung (Impulse transient)
Theo [1] quá độ xung là sự thay đổi phi tần số đột ngột trong điều kiện xác
lập của điện áp hoặc dịng điện về một phía cực tính (dương hoặc âm).
1.1.2.3. Quá độ dao động (Oscilatory transient)
Đây là sự thay đổi đột ngột trong điều kiện xác lập của điện áp hoặc dịng
điện. Nó bao gồm cả hai phía cực tính và được mơ tải bởi thành phần phổ, thời


12
gian và biên độ của nó. Bằng cách sử dụng thành phần phổ quá độ dao động
được phân thành 3 dạng: quá độ dao động tần số cao, quá độ dao động tần số
trung bình, quá độ dao động tần số thấp.
1.1.2.4. Biến thiên điện áp ngắn hạn (Short-time voltage variation)
Biến thiên điện áp ngắn hạn là các dao động giá trị hiệu dụng (RMS) của
điện áp so với điện áp định mức trong một khoảng thời gian lớn hơn 0,5 chu kỳ
của tần số cơ bản nhưng nhỏ hơn hoặc bằng 1 phút. Dạng nhiễu loạn này như
Hình 1.3 thường được phân loại dựa theo sự dao động của biên độ điện áp (ví
dụ: lõm áp, tăng áp, mất áp) và cũng có thể được phân loại theo thời gian tồn
tại chúng (ví dụ: tức thời, thống qua, tạm thời) [1].

(a) Lõm áp

(b) Tăng áp

(c) Mất áp

Hình 1.3: Biến thiên điện áp ngắn hạn

1.1.2.5. Lõm áp (Voltage sag)
Lõm áp là sự suy giảm điện áp trị hiệu dụng xuống còn 0,1 đến 0,9 p.u ở tần
số cơ bản trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút.
1.1.2.6. Tăng áp (Voltage swell)
Tăng áp là sự tăng cao điện áp trị hiệu dụng lên đến 1,1 đến 1,8 p.u ở tần số
cơ bản trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút.


13
1.1.2.7. Mất áp (Voltage interruption)
Mất áp là mất hoàn toàn điện áp (< 0,1 p.u) trên một hoặc nhiều pha trong
khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 3 giây (thoáng qua) và giữa 3 giây đến 1
phút (tạm thời).
1.1.2.8. Biến thiên điện áp kéo dài (Long-time voltage variation)
Biến thiên điện áp kéo dài là sự biến thiên điện áp trị hiệu dụng so với điện
áp định mức trong một khoảng thời gian lớn hơn 1 phút. Dạng nhiễu loạn này
thường được phân loại dựa theo sự dao động của biên độ điện áp (ví dụ: thấp
áp, quá áp, mất áp) như Hình 1.4. Nó được gây ra bởi sự dao động tải hoặc các
thao tác đóng/cắt trong hệ thống.

(a) Quá áp

(b) Thấp áp

Hình 1.4: Biến thiên điện áp kéo dài

1.1.2.9. Quá áp (Over-voltage)
Quá áp là hiện tượng điện áp đo được lớn hơn điện áp định mức trong một
khoảng thời gian lớn hơn 1 phút. Các giá trị điển hình là 1,1 – 1,2 p.u.
1.1.2.10. Thấp áp (Under-voltage)
Thấp áp là hiện tượng điện áp đo được bé hơn điện áp định mức trong một
khoảng thời gian lớn hơn 1 phút. Các giá trị điển hình là 0,8 - 0,9 p.u.


14
1.1.2.11. Mất áp lâu dài (Sustained interruption)
Mất áp lâu dài có điện áp nguồn bằng zero trong một khoảng thời gian lớn
hơn 1 phút.
1.1.2.12. Mất đối xứng áp (Voltage imbalance)
Mất đối xứng áp là hiện tượng có sự sai lệch giữa điện áp của ba pha. Tỉ
số giữa thành phần thứ tự nghịch hoặc thứ tự không với thành phần thứ tự
thuận thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm. Các giá trị sai lệch điển
hình thường nằm trong khoảng từ 0,5 – 2% [7]. Các tải một pha trên hệ thống
điện ba pha là nguyên nhân chính gây ra mất đối xứng áp.
1.1.2.13. Méo dạng sóng (Voltage distortion)
Méo dạng sóng là sự dao động xác lập so với sóng sin lý tưởng của tần số
cơ bản, về cơ bản méo dạng sóng được đặc trưng bởi các thành phần phổ của
chúng. Có 5 dạng méo dạng sóng [6] như Hình 1.5.
1.1.2.14. Thành phần một chiều (DC offset)
Thành phần DC được định nghĩa như là sự xuất hiện của điện áp hoặc dòng
điện DC trong hệ thống điện xoay chiều. Hiện tượng này có thể xảy ra như là
một hậu quả của nhiễu loạn hoặc do ảnh hưởng của chỉnh lưu nửa chu kỳ. Thành
phần DC trong lưới điện xoay chiều có thể gây ra những bất lợi bởi vì nó làm
tăng bảo hịa từ của máy biến áp, ảnh hưởng đến khả năng chịu đựng của cách
điện và các ảnh hưởng xấu khác.
1.1.2.15. Sóng hài (Harmonics)

Sóng hài là điện áp hoặc dịng điện hình sin có chứa các tần số bằng bội số
nguyên lần tần số cơ bản mà tại đó hệ thống được thiết kế để vận hành. Sóng


15
hài cùng với điện áp hoặc dòng điện tần số cơ bản có thể sinh ra méo dạng sóng.
Méo dạng sóng tồn tại là do các đặc tính phi tuyến của các thiết bị và các tải
trong hệ thống điện. Méo dạng điện áp là hậu quả do dòng điện hài gây ra các
điện áp rơi phi tuyến trên các tổng trở của hệ thống điện.
1.1.2.16. Liên sóng hài (Interharmonics)
Liên sóng hài được định nghĩa như là điện áp hoặc dịng điện có các thành
phần tần số khơng phải bằng bội số nguyên lần của tần số cơ bản mà tại đó
hệ thống được thiết kế để vận hành. Liên sóng hài có thể tồn tại trong các lưới
điện ở các cấp điện áp. Chúng được xem như là các tần số rời rạc hoặc như là
một phổ băng thông rộng. Các ngun nhân chính của méo dạng liên sóng hài
là các bộ chuyển đổi tần số tĩnh, các động cơ không động bộ và các thiết bị sinh
hồ quang điện.

(a)

(b)

(d)

(c)

(e)

Hình 1.5: Các dạng méo dạng sóng
(a) Thành phần DC; (b) Sóng hài; (c) Liên sóng hài;

(d) Xung nhọn; (e) Nhiễu

1.1.2.17. Xung nhọn (Notching)
Xung nhọn là nhiễu loạn chất lượng điện năng có tính chu kỳ bởi việc vận
hành bình thường các thiết bị điện tử cơng suất khi dịng điện được chuyển
mạch từ pha này đến pha khác. Xung nhọn điện áp là một trường hợp đặc biệt
giữa quá độ và sóng hài. Các bộ chuyển đổi ba pha sinh ra dòng điện DC là một
nguyên nhân phổ biến nhất gây ra xung nhọn điện áp.