Kiểm soát hoàn thuế giá trị gia tăng đối với hàng hóa, dịch vụ xuất khẩu tại cục thuế tỉnh bình định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
QUẢN LÝ VÀ GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Bình Định - Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
QUẢN LÝ VÀ GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG THÔNG MINH

Chuyên ngành:

Kỹ thuật điện

Mã số:

8520201
60520202

Người hướng dẫn: TS. Ngô Minh Khoa


i

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện
dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Ngô Minh Khoa – Khoa Kỹ thuật &
Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn. Các số liệu, những kết luận nghiên
cứu được trình bày trong luận văn này hồn tồn trung thực.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.
Học viên

Nguyễn Thanh Bình


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i
MỤC LỤC ..................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................ ix
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 4
3.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 4

3.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 5
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 6
4.1. Nghiên cứu lý thuyết........................................................................... 6
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm .................................................................... 6
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................. 7
6. Tởng quan tình hình nghiên cứu của đề tài ............................................... 7
CHƯƠNG 1....................................................................................................... 9
TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ VÀ GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG ................... 9
1.1. Mở đầu ................................................................................................... 9
1.2. Chất lượng điện năng ............................................................................. 9
1.2.1. Tiêu chuẩn về CLĐN ..................................................................... 10
1.2.2. Nguyên nhân làm giảm CLĐN ...................................................... 13
1.2.3. Ảnh hưởng của CLĐN đối với khách hàng sử dụng điện ............. 13
1.3. Đo lường các đại lượng điện ................................................................ 15
1.3.1. Yêu cầu chung ............................................................................... 15


iii

1.3.2. Sơ đồ đo ......................................................................................... 16
1.3.3. Đo trị hiệu dụng ............................................................................ 17
1.3.4. Đo quá trình quá độ ...................................................................... 17
1.3.5. Thuật toán tổ hợp đo lường .......................................................... 18
1.4. Quản lý và giám sát điện năng ............................................................. 19
1.4.1. Quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) .................................................... 19
1.4.2. Giám sát điện năng ....................................................................... 20
1.4.3. Lợi ích của doanh nghiệp khi quản lý và giám sát điện năng ...... 22
1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................ 22
CHƯƠNG 2..................................................................................................... 24
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG ........................................... 24

2.1. Mở đầu ................................................................................................. 24
2.2. Các phần tử của mạch lực .................................................................... 25
2.2.1. Sơ đồ mạch lực .............................................................................. 25
2.2.2. Nguồn ............................................................................................ 26
2.2.3. Tải.................................................................................................. 27
2.3. Các phần tử của mạch đo lường và điều khiển .................................... 27
2.3.1. Cảm biến dòng điện ...................................................................... 27
2.3.2. Cảm biến điện áp .......................................................................... 30
2.3.3. Bo mạch Arduino Wemos D1 R32 ................................................ 32
2.3.4. Môđun rơle .................................................................................... 34
2.3.5. Màn hình LCD............................................................................... 35
2.4. Cấu trúc phần cứng của hệ thống ......................................................... 35
2.4.1. Sơ đồ lắp ráp chi tiết ..................................................................... 35
2.4.2. Tổng thể phần cứng ....................................................................... 36
2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................ 36
CHƯƠNG 3..................................................................................................... 38


iv

THIẾT KẾ PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG.............................................. 38
3.1. Mở đầu ................................................................................................. 38
3.2. Giới thiệu các phần mềm được áp dụng .............................................. 38
3.2.1. Phần mềm Arduino IDE ................................................................ 38
3.2.2. Phần mềm Blynk............................................................................ 39
3.3. Phương pháp xác định trị hiệu dụng .................................................... 41
3.3.1. Phương pháp đỉnh – đỉnh .............................................................. 42
3.3.2. Phương pháp trị hiệu dụng RMS .................................................. 43
3.3.3. Lựa chọn phương pháp ................................................................. 43
3.4. Đo lường các đại lượng điện ................................................................ 46

3.4.1. Đo điện áp trị hiệu dụng (Urms ) .................................................... 46
3.4.2. Đo dòng điện trị hiệu dụng (Irms) .................................................. 47
3.4.3. Đo lường công suất tác dụng (P) .................................................. 48
3.4.4. Đo lường các đại lượng khác (S, Q, A, cos) ............................... 49
3.4.5. Giải thuật đo lường đại lượng điện .............................................. 50
3.4.6. Giải thuật DSM và bảo vệ quá/thấp áp ........................................ 53
3.5. Thiết kế giao diện quản lý, giám sát và điều khiển từ xa..................... 54
3.5.1. Thiết lập các biến ảo cho các đối tượng ....................................... 54
3.5.2. Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát ..................................... 55
3.5.3. Lập trình đối tượng trên Blynk...................................................... 59
3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................ 60
CHƯƠNG 4..................................................................................................... 61
CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................. 61
4.1. Mở đầu ................................................................................................. 61
4.2. Kịch bản 1: Chế độ làm việc bình thường ........................................... 62
4.3. Kịch bản 2: Chế độ quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) ............................ 71
4.4. Kịch bản 3: Chế độ bảo vệ quá/thấp áp ............................................... 72


v

4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................ 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................... 74
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 77
PHỤ LỤC .................................................................................................... 79


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
HTĐ

Hệ thống điện

LĐPP

Lưới điện phân phối

CLĐN

Chất lượng điện năng

DSM

Quản lý nhu cầu phụ tải

RMS

Trị hiệu dụng

LCD

Màn hình hiển thị

FFT

Biến đởi Fourier nhanh

DFT

Biến đởi Fourier rời rạc

ACS712

Cảm biến dòng điện

ZMPT101B

Cảm biến điện áp

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

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sóng điện áp và dịng điện ba pha. ................................................. 10
Hình 1.2. Sơ đồ đo theo IEC 6100-3-40 [1].................................................... 16
Hình 1.3. Các kỹ thuật cơ bản của quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) [11]. ...... 19
Hình 1.4. Dạng tởng qt của hệ thống quản lý năng lượng. ......................... 21
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống quản lý và giám sát điện năng. ................ 25
Hình 2.2. Sơ đồ mạch lực. ............................................................................... 26
Hình 2.3. (a) Cảm biến dòng điện ACS712; (b) Sơ đồ kết nối với Arduino. . 28
Hình 2.4. (a) Sơ đồ mạch của ACS712; (b) Đặc tuyến vào ra........................ 29
Hình 2.5. Tín hiệu đầu ra của cảm biến dòng điện xoay chiều ACS712. ....... 30
Hình 2.6. (a) Cảm biến điện áp ZMPT101B; (b) Mạch cảm biến điện áp. .... 30
Hình 2.7. Đặc tuyến đầu ra của ZMPT101B [9]. ............................................ 31
Hình 2.8. Bo mạch Arduino Wemos D1 R32. ................................................ 32
Hình 2.9. Adapter cấp nguồn cho Arduino Wemos D1 R32. ......................... 34
Hình 2.10. Relay 5V 10A. (a) Hình tởng thể; (b) Sơ đồ chân. ....................... 34
Hình 2.11. Sơ đồ lắp ráp chi tiết của hệ thống. ............................................... 35
Hình 2.12. Tởng thể phần cứng của hệ thống. ................................................ 36
Hình 3.1. Giao diện chương trình Arduino IDE. ............................................ 39
Hình 3.2. Chức năng chính của Blynk. ........................................................... 40
Hình 3.3. Giao diện thiết kế project của Blynk............................................... 41
Hình 3.4. (a) Tín hiệu tương tự; (b) Tín hiệu số hóa. ..................................... 42
Hình 3.5. Đo điện áp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện áp hình sin lý tưởng. .... 44
Hình 3.6. Đo điện áp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện áp có thành phần hài. ... 45
Hình 3.7. Đo điện áp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện áp có mẫu lạ. ................ 46
Hình 3.8. Mối tương quan giữa u(t), i(t), p(t) và P. ........................................ 49
Hình 3.9. Giải thuật đo lường các đại lượng điện. .......................................... 50

viii

Hình 3.10. Kỹ thuật giảm đỉnh, nâng đáy đối với vấn đề DSM. .................... 53
Hình 3.11. Giao diện nhóm 1. ......................................................................... 56
Hình 3.12. (a) Giao diện lựa chọn phương thức báo cáo; (b) Dạng file *.csv
trong Excel của báo cáo phương thức One-time. ............................................ 57
Hình 3.13. Giao diện nhóm 2. ......................................................................... 58
Hình 3.14. Giao diện nhóm 3. ......................................................................... 59
Hình 4.1. Hệ thống thực nghiệm. .................................................................... 61
Hình 4.2. Kết quả ở chế độ bình thường. ........................................................ 63
Hình 4.3. (a) Giao diện lựa chọn phương thức báo cáo; (b) Dạng file *.csv
trong Excel của báo cáo phương thức One-time. ............................................ 64
Hình 4.4. Điện áp U ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. ............... 65
Hình 4.5. Dịng điện I1 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. .......... 65
Hình 4.6. CSTD P1 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. ................ 66
Hình 4.7. Điện năng A1 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. ......... 66
Hình 4.8. Dịng điện I2 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. .......... 66
Hình 4.9. CSTD P2 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. ................ 67
Hình 4.10. Điện năng A2 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. ....... 67
Hình 4.11. Dịng điện I3 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. ........ 67
Hình 4.12. CSTD P3 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. .............. 68
Hình 4.13. Điện năng A3 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019. ....... 68
Hình 4.14. Kết quả thực nghiệm chức năng DSM. ......................................... 72


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài điện áp. ........................... 10
Bảng 1.2. Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài dịng điện. ....................... 11
Bảng 1.3. Chỉ số méo dạng sóng hài điện áp theo Thơng tư 32. .................... 12
Bảng 1.4. Chỉ số mức nhấp nháy theo Thông tư 32........................................ 12
Bảng 2.1. Các phần tử cơ bản trên mạch lực. ................................................. 26
Bảng 2.2. Các thông số chính của cảm biến dịng điện ACS712. .................. 29
Bảng 2.3. Các thơng số chính của cảm biến điện áp ZMPT101B. ................. 32
Bảng 2.4. Các thông số cơ bản của bo mạch Arduino Wemos D1 R32. ........ 33
Bảng 3.1. Danh sách các biến ảo trên ứng dụng Blynk. ................................. 54
Bảng 3.2. Ý nghĩa của các lệnh lập trình đối tượng trên Blynk. .................... 59


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của 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. Để tiết kiệm điện phụ thuộc ở 2 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.
Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, quản lý 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. Một phương án tối ưu hiện
nay là thiết lập hệ thống tự động quản lý và giám sát điện năng từ xa [1, 2].
Một cách tổng quát, cấu trúc của một hệ thống quản lý và giám sát điện
năng được thể hiện như Hình 1. Trong đó bao gồm cấu trúc phần cứng được
thể hiện như Hình 1(a) bao gồm phương thức kết nối truyền thông giữa các
thiết bị đo đếm tại các vị trí cần đo với hệ thống máy chủ và phần mềm của hệ
thống được thể hiện như Hình 1(b) là các phần giao diện người máy (HMI)
trên máy tính hoặc các thiết bị smartphone giúp con người thực hiện các chức
năng của hệ thống như hiển thị, báo cáo, phân tích, lưu trữ... từ xa.


2

(a) Cấu trúc phần cứng

(b) Phần mềm của hệ thống
Hình 1. Cấu trúc của hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh.
Các chức năng quản lý và giám sát 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 môi trường. Hệ thống thực hiện việc giám sát điện năng,
theo dõi các thơng số kỹ thuật chính của nguồn điện như: điện áp, dịng điện,
cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng, hệ số công suất,... Đây là những
thông 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 [3-7].


3

Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm điện năng kỹ thuật số nối
mạng, thể hiện thông 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.
Với tính ứng dụng thực tế cũng như nhu cầu cấp thiết hiện nay như trên,
tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý và giám sát
điện năng thông minh” để làm đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ của
mình. Nhằm hướng đến tính ứng dụng, kết quả đầu ra của đề tài sẽ là một hệ
thống quản lý và giám sát điện năng thực hiện các chức năng cơ bản như sau:
- Giám sát và cảnh báo các thơng số vận hành:
+ Điện áp;
+ Dịng điện;
+ Cơng suất: P, Q, S;
+ Hệ số công suất cos;
+ Điện năng tiêu thụ.
- Quản lý điện năng tiêu thụ:
+ Quản lý nhu cầu phụ tải (DSM)
+ Báo cáo điện năng tiêu thụ phụ tải theo ngày, tuần, tháng.
+ Vẽ đồ thị xu hướng các giá trị U, I, P, cosφ,...
- Phân quyền truy cập hệ thống (user account)
2. Mục tiêu nghiên cứu
Dựa trên tính cấp thiết cũng như phần tởng quan về tình hình nghiên cứu
đã được trình bày như trên, tác giả nghiên cứu đề tài này hướng đến mục tiêu
nghiên cứu như sau:

4

- Tổng hợp cơ sở lý thuyết về quản lý và giám sát điện năng; cơ sở của
việc đo lường các thông số cần thiết từ hệ thống.
- Thiết kế phần cứng mơ hình thực nghiệm hệ thống quản lý và giám sát
điện năng thông minh một pha 220VAC.
- Thiết kế chương trình phần mềm giám sát các thơng số của hệ thống
trong thời gian thực như: U, I, P, cos, A.
- Điều khiển và giám sát hệ thống từ xa bằng smartphone hoặc máy tính
thơng qua mạng internet wifi, 3G hoặc 4G.
- Tự động gửi báo cáo điện năng tiêu thụ của phụ tải theo qui luật hàng
ngày, hàng tuần, hàng tháng.
- Thiết kế chức năng quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) sử dụng kỹ thuật
giảm đỉnh và nâng đáy.
- Tích hợp một số chức năng khác như:
+ Bảo vệ quá/thấp áp;
+ Bảo vệ quá dòng;
+ Cảnh báo sự cố qua tin nhắn điện thoại.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống giám sát và quản lý
điện năng thông minh được áp dụng cho các phụ tải điện ví dụ như: các nhà
máy xí nghiệp, nhà hàng, khách sạn, cơng sở, bệnh viện,...
- Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu để thiết kế hệ thống quản lý và giám sát
các thông số điện năng như: điện áp, dịng điện, cơng suất, hệ số cơng suất,
điện năng tiêu thụ,... của các phụ tải nói trên.
- Đồng thời sẽ xây dựng chương trình phần mềm nhằm giám sát các
thông số của hệ thống từ xa thông qua mạng wifi internet bằng cách sử dụng
smartphone hoặc máy tính.

5

Hình 2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng dựa trên các thiết bị
phần cứng như: bo mạch Arduino Wemos, cảm biến điện áp ZMPT101b, cảm
biến dòng điện ACS712,...
- Hệ thống này sẽ được thử nghiệm và áp dụng cho mạng điện một pha
220V, còn đối với phần mạng điện ba pha hay mạng điện cao áp sẽ được đưa
vào phần kiến nghị đề xuất của đề tài.
- Thiết kế phần mềm quản lý và giám sát từ xa tất cả các thông số của hệ
thống trên smartphone và máy tính.
Mô-đun wifi

u(t)

Màn hình LCD
Arduino

i(t)

Cloud

Smartphone/ Máy tính

Rơle
Ghi sự kiện

Giám

sát

Điều
khiển

Báo
cáo

Hình 3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài (hệ thống 1 pha 220 VAC).


6

4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp được áp dụng để nghiên cứu nhằm hồn thành mục đích
của đề tài đã đặt ra sẽ bao gồm hai nội dung chính đó là: Nghiên cứu lý thuyết
và nghiên cứu thiết kế hệ thống thực nghiệm.
4.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Tổng hợp và đánh giá tởng quan các cơng trình đã cơng bố liên quan
đến đối tượng nghiên cứu của đề tài nhằm phân tích các ưu nhược điểm của
những cơng trình đó, đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu của đề tài.
- Tổng hợp và so sánh các cơ sở lý thuyết về đo lường các thông số của
mạch điện như: U, I, S, P, Q, cosφ, A... Nghiên cứu mơ hình hóa và mơ phỏng
trên phần mềm Matlab/Simulink để đánh giá và lựa chọn cơ sở lý thuyết phù
hợp sẽ được áp dụng để thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng.
- Tởng hợp, phân tích và đánh giá cơ sở lý thuyết về các phương pháp
quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) để lựa chọn phương pháp phù hợp để thiết kế
tích hợp vào hệ thống thực nghiệm.
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Nghiên cứu các chức năng cơ bản của các phần tử trong mơ hình phần

cứng của hệ thống và lựa chọn các phần tử phù hợp để thiết kế hệ thống. Làm
thực nghiệm với các ví dụ đơn giản để hình thành kỹ năng ứng dụng các phần
cứng này nhằm đạt được mục đích của đề tài.
- Nghiên cứu lựa chọn các thiết bị phần cứng phù hợp để thiết kế mơ
hình thực nghiệm chẳng hạn như bo mạch Arduino, các cảm biến dòng điện,
cảm biến điện áp, các module relay, LCD,... cũng như nghiên cứu ứng dụng
các phần mềm, các app có liên quan để thiết kế chương trình giám sát và điều
khiển các thông số cần thiết từ xa thông qua smartphone hay máy tính.
- Tiến hành làm hệ thống thực nghiệm, đo đạc và kiểm chứng các kết
quả thực nghiệm với các thiết bị chuyên dụng chẳng hạn như: oscilloscope,


7

đồng hồ đo đếm điện năng,... để đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng thực
tiễn của hệ thống.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Đề tài có ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu giải quyết bài toán
quản lý và giám sát điện năng của các phụ tải thơng qua mạng internet. Các
nhà quản lý có thể truy cập ở bất cứ nơi nào, bất cứ lúc nào để có thể giám sát
cũng như theo dõi các thơng số vận hành của đơn vị mình.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Trong xu thế phát triển của nền công nghiệp 4.0 hiện nay, việc ứng dụng
điểm mạnh của internet trong lĩnh vực của ngành điện ngày càng được quan
tâm, nó góp phần hiện đại hóa và mang lại nhiều hiệu quả hơn trong công tác
quản lý, giám sát và điều khiển hệ thống điện nói chung và các trạm phụ tải
nói riêng.
6. Tởng quan tình hình nghiên cứu của đề tài
Ở Việt Nam, hệ thống quản lý và giám sát điện năng Scada đã được triển

khai và áp dụng trong nhiều năm qua. Mục đích của hệ thống là để quản lý,
giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp… Về lĩnh vực nghiên cứu ứng
dụng Scada trong việc quản lý và giám sát điện năng cũng đã được nghiên
cứu và cơng bố trong một số cơng trình có liên quan như [3, 4].
Với kiến trúc mã nguồn mở của Arduino, cho phép người dùng khai thác
nhiều tính năng khác nhau trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tự động hóa,
hệ thống điện, đo đếm thơng minh,… thì việc áp dụng nó để nghiên cứu thiết
kế các hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh còn khá hạn chế.
Các tác giả trong tài liệu [5] đã ứng dụng Arduino để thiết kế thiết bị giám sát
điện năng khơng dây. Tuy nhiên vẫn chưa tích hợp được nhiều chức năng
khác nhau vào trong thiết bị này. Chính vì thế, đề tài này sẽ nghiên cứu khai


8

thác tối đa chức năng mã nguồn mở của Arduino để thiết kế hệ thống quản lý
và giám sát điện năng thông minh. Bên cạnh việc giám sát các thông số đo
thơng thường thì hệ thống trong đề tài này sẽ được tích hợp thêm nhiều chức
năng khác.


9

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ VÀ GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
1.1. Mở đầu
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. 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. Hoặc người dùng có thể theo dõi các thiết bị từ xa bằng điện thoại hoặc
máy tính thơng qua internet wifi [8, 9].
Hệ thống có khả năng đo đếm dòng điện tải và điện áp các thiết bị điện
trong gia đình, cơ quan… từ đó cho biết được lượng điện tiêu thụ và chi phí
tiêu thụ điện. Người dùng có thể đặt mức giới hạn lượng điện tiêu thụ theo
từng ngày hoặc từng tháng nhằm tối ưu hóa khả năng sử dụng và tiết kiệm
điện, đồng thời giảm được chi phí điện cho gia đình, cơ quan. Khi lượng điện
tiêu thụ đạt mức ngưỡng cho phép của người dùng thì xuất ra các thơng báo
cảnh báo, gửi SMS tới điện thoại người dùng nếu đang ở xa, tự động tắt các
thiết bị nếu vượt ngưỡng cho phép. Hệ thống có thể gửi dữ liệu điện năng qua
điện thoại cho người dùng thơng qua SMS, từ đó người dùng có thể tự quản
lý, giám sát được ngơi nhà của mình từ xa [10].
1.2. Chất lượng điện năng
Chất lượng điện năng (CLĐN) là những vấn đề liên quan đến điện áp,
dòng điện, tần số làm cho các thiết bị điện vận hành khơng bình thường hoặc
bị hư hỏng [1, 2].


10

Hình 1.1. Sóng điện áp và dịng điện ba pha.
Vì sao phải quan tâm đến CLĐN [1]:
- CLĐN ảnh hưởng trực tiếp đến các quá trình sản xuất hiện đại.
- CLĐN ảnh hưởng trực tiếp quá trình vận hành và tuổi đời của thiết bị.
- CLĐN luôn là mối quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất thiết bị.
- Yêu cầu cung cấp cho khách hàng với CLĐN cao nhất là mục tiêu của
các công ty điện lực.

- Mối quan tâm của xã hội đến CLĐN ngày càng được nâng cao.
Tóm lại, CLĐN là của mọi bên, từ các điện lực, khách hàng cho đến các
nhà sản xuất, chế tạo thiết bị và của xã hội.
1.2.1. Tiêu chuẩn về CLĐN
1.2.1.1. Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 về sóng hài dịng và áp
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài điện áp.
Cấp điện áp

Sóng hài riêng lẻ (%)

Tởng độ biến dạng sóng hài THDv (%)

≤ 69 kV

3.0

5.0

69 – 161 kV

1.5

2.5

≥ 161 kV

1.0

1.5

11

Bảng 1.2. Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài dịng điện.
Tỉ lệ: Isc/IL

Tởng biên độ sóng hài dịng điện THDI (%)
< 69 kV

69 – 161 kV

> 161 kV

< 20

5.0

2.5

2.5

20 - 50

8.0

4.0

2.5

50 - 100

12.0

6.0

3.75

100 - 1000

15.0

7.5

3.75

>1000

20.0

10.0

3.75

1.2.1.2. Tiêu chuẩn theo Thông tư 32 của Bộ Cơng thương
Ngày 15/04/2010 Bộ Cơng Thương có ban hành Thông tư 32 về việc quy
định hệ thông điện truyền tải trong đó có yêu cầu chi tiết về các thông số điện
năng như sau:
a) Điện áp:
- Điện áp danh định trong hệ thống phân phối bao gồm: 110kV, 35kV,
22kV, 15kV, 10kV, 6kV và 0.4kV.

- Trong điều kiện bình thường, dao động điện áp cho phép so với điện áp
danh định là:
+ Khách hàng: không được vượt quá ±5%.
+ Nhà máy điện: không được vượt quá +10% và -5%.
- Trong điều kiện sự cố đơn lẻ, độ dao động cho phép là +5% và -10%.
- Trong điều kiện sự cố nghiêm trọng, độ dao động cho phép là ±10%.
b) Tần số:
Tần số định mức là 50Hz, dao động tần số cho phép so với tần số định
mức như sau:
- Trong điều kiện bình thường, dao động cho phép là ±2%.
- Trong điều kiện hệ thống chưa ổn định, dao động cho phép là ±5%.
c) Sóng hài dịng và áp:


12

Sóng hài điện áp:
Bảng 1.3. Chỉ số méo dạng sóng hài điện áp theo Thông tư 32.
Cấp điện áp

Tổng độ biến dạng

Biến dạng riêng lẻ

sóng hài (THDU)
Từ 110 kV trở lên

3,0%

1,5%

Trung và hạ áp

6,5%

3,0%

Sóng hài dịng điện:
- Đối với đầu nối vá cấp điện áp hạ áp công suất tới 10kW thì giá trị
dịng điện sóng hài bậc cao khơng được vượt quá 5A cho 1 pha và 14A cho 3
pha.
- Đối với đầu nối vào cấp điện áp trung áp hoặc đầu nối có cơng suất từ
10kW đến 50kW thì giá trị dịng bậc cao khơng được vượt q 20% dòng phụ
tải.
- Đối với đầu nối vào cấp điện áp cao áp hoặc cơng suất lớn hơn 50kW
thì giá trị dịng hài khơng được vượt q 12% dịng phụ tải.
d) Cân bằng pha:
Trong chế độ làm việc bình thường, thành phần thứ tự nghịch của điện
áp pha không được vượt quá 3% điện áp danh định đối với cấp điện áp 110kV
và 5% đối với cấp điện áp trung áp và hạ áp.
e) Nhấp nháy điện áp:
Mức nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn như sau:
Bảng 1.4. Chỉ số mức nhấp nháy theo Thông tư 32.
Cấp điện áp

Mức nhấp nháy ngắn hạn Mức nhấp nháy dài hạn
cho phép (Pst 95%)

cho phép (Pst 95%)

Cao áp từ 110kV

0,80

0,60

Trung áp

1,00

0,80

Hạ áp

1,00

0,80


13

1.2.2. Nguyên nhân làm giảm CLĐN
1.2.2.1. Từ đơn vị cung cấp điện
Đơn vị cung ứng điện cung cấp điện không đủ tiêu chuẩn về CLĐN theo
luật điện lực, nghị định 105/2005/NG-CP, Thông tư 12/2010/TT-BCT, Thông
tư 32/2010/TT-BCT. Cụ thể như sau:
- Các tổ máy phát điện cung cấp nguồn điện không đạt yêu cầu về
tiêu chuẩn CLĐN.
- Việc khắc phục các sự cố trên đường dây truyền tải không kịp
thời, giảm độ tin cậy trong viêc cung cấp điện.

- Khách hàng sử dụng điện, gây ra sóng hài dịng & áp lớn, gây méo
dạng cho nguồn điện lưới, giảm chất lượng nguồn điện cung cấp…
1.2.2.2. Từ khách hàng sử dụng điện
Quá trình vận hành của các phụ tải phi tuyến bao gồm:
- Bộ biến tần
- Hệ thống khuếch đại pha
- Bộ chỉnh lưu
- Bộ điều khiển góc pha điện tử như hệ thống thyristor
- Hệ thống đóng cắt nguồn bằng điện tử
- Hệ thống lò luyện kim loại như lò hồ quang, lò trung tần
- Các loại nhiệt điện trở.
Sẽ làm phát sinh ra sóng hài dịng và áp, tăng độ nhấp nháy điện áp, làm
giảm CLĐN.
1.2.3. Ảnh hưởng của CLĐN đối với khách hàng sử dụng điện
Nhiễu sóng hài và nhấp nháy điện áp ảnh hưởng rất tiêu cực đến hệ
thống điện như:
1.2.3.1. Với động cơ điện và máy phát điện


14

Sóng hài làm tăng tởn thất dưới dạng nhiệt trên lõi sắt và dây quấn đồng.
Gây ra tiếng ồn lớn, gây rung trong quá trình làm việc của động cơ. Các sóng
hài bậc 5 và bậc 7 gây ra hiện tượng dao động giữa tuabin và máy phát hoặc
giữa động cơ và hệ thống tải.
1.2.3.2. Với máy biến áp
Tăng tiếng ồn, gây rung, lắc và phát nóng máy biến áp. Sóng hài cịn làm
tăng tởn thất trong cuộn dây và lõi từ của máy biến áp. Gây quá tải, giảm t̉i
thọ thậm chí cịn gây cháy máy biến áp.
1.2.3.3. Với cáp điện

Giảm công suất truyền tải, tăng tổn hao nhiệt, có thể dẫn đến hư hỏng và
cháy cáp.
1.2.3.4. Với tụ điện
Dịng điện sóng hài và điện áp sóng hài dễ dàng đánh thủng tụ do quá
điện áp.
1.2.3.5. Với các thiết bị điện tử
Các thiết bị điện tử rất nhạy cảm với sự không ổn định của nguồn điện
cung cấp cho nó. Do vậy, khi có sóng hài tác động có thể làm nhiễu loạn hoặc
cháy các vi mạch điện tử.
1.2.3.6. Thiết bị đo lường bảo vệ
Các thành phần sóng hài sẽ tác động làm sai kết quả thực tế của thiết bị
đo và thiết bị bảo vệ, dẫn đến đưa tín hiệu tác động nhầm.
1.2.3.7. Các lị luyện thép
Tăng thời gian nấu chảy kim loại, cũng như tăng thời gian tạo ra sản
phẩm dẫn đến chi phí vận hành và chi phí năng lượng tăng cao. Ngồi ra cịn
giảm cơng suất nguồn cấp dẫn đến giảm hiệu suất vận hành của lò luyện.
1.2.3.8. Chất lượng sản phẩm