Đồ án thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mạng cung cấp điện công nghệ iot dựa trên raspberry pi và esp 32 Lora

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
-----  -----

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
MẠNG CUNG CẤP ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IoT

GVHD: ThS. NGUYỄN AN TỒN
SVTH: NGUYỄN NGỌC THIỆN
MSSV: 3951070137
KHĨA: 39

Bình Định, 01/2021

i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
-----  -----

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
MẠNG CUNG CẤP ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IoT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện, Điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN AN TỒN
SVTH: NGUYỄN NGỌC THIỆN

Bình Định, 01/2021


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp“Thiết kế hệ thống điều khiển và giám
sát mạng cung cấp điện dựa trên cơng nghệ IoT” là cơng trình của tôi và được
thực hiện dưới sự hướng dẫn ThS. Nguyễn An Toàn. Các số liệu và kết quả là
hoàn toàn trung thực.
Để hồn thành luận văn này, tơi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong
danh mục “Tài liệu tham khảo” và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào
khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Bình Định, ngày 10 tháng 01 năm 2021
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Thiện


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, nhóm xin bày tỏ lịng tri ân sâu sắc và kính trọng đến ThS. Nguyễn
An Tồn, người đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong q trình
nghiên cứu.
Nhóm xin trân trọng cảm ơn các giảng viên và cán bộ Khoa Kỹ thuật và Công
nghệ - Đại học Quy Nhơn đã tận tình giúp đỡ nhóm trong q trình nghiên cứu và
hồn thiện đồ án.
Nhóm xin trân trọng cảm ơn các cán bộ, sinh viên và cựu sinh viên tại khoa
Kỹ thuật và Công nghệ - Đại học Quy Nhơn đã hỗ trợ nhóm trong quá trình thực
hiện đồ án. Cảm ơn các bạn Đinh Quốc Đạt, Đào Tấn Phương, Nguyễn Văn Quốc.
Đặc biệt,nhóm xin cảm ơn TS. Ngô Minh Khoa đã hỗ trợ trang thiết bị cho
nhóm trong q trình nhóm học tập và nghiên cứu tại phịng lưới điện thơng minh.
Nhóm xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Quy Nhơn, Ban

Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho
nhóm được tập trung học tập tại Quy Nhơn trong suốt thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các bạn sinh
viên học tại lớp KTĐ-ĐTK39A.

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... iv
MỤC LỤC ............................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .............................................................................................vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................................... xi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1.

Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1

2.

Nội dung .................................................................................................................. 1

3.

Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 1

4.

Cấu trúc đồ án tốt nghiệp ......................................................................................... 2

Chương 1 ............................................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TẠI
VIỆT NAM ............................................................................................................................ 3
1.1

Giao thức truyền thông IEC 60870-5-101 ............................................................... 3

1.2

Giao thức truyền thông IEC 60870-5-104 ............................................................... 4

1.3

Tủ điện phân phối hạ thế DB ................................................................................... 6

1.4

MOF – Metering Out Fit ......................................................................................... 7

1.5

Kết luận chương 1.................................................................................................. 10

Chương 2 ............................................................................................................................. 11
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG .................................................................... 11
2.1

Cấu trúc phần cứng của hệ thống .......................................................................... 11

2.2

Các thiết bị phần cứng của hệ thống ...................................................................... 12
2.2.1 Raspberry Pi ................................................................................................... 12
2.2.2 WIFI Lora 32(V2) .......................................................................................... 15
2.2.3 Điện kế đa chức năng SENTRON PAC4200 ................................................. 17
2.2.4 PZEM-004T V3 .............................................................................................. 18

2.3

Kết luận chương 2.................................................................................................. 19

Chương 3 ............................................................................................................................. 20

v


Mục lục

THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG HOÁ CHO HỆ THỐNG ................................................................ 20
Lập trình tự động hố cho trạm 1 .......................................................................... 20

3.1

3.1.1 Sơ đồ ghép nối thiết bị cho trạm 1.................................................................. 20
3.1.2 Lập trình cho Rasberry Pi ............................................................................... 20
3.1.3 Lập trình cho WIFI LoRa 32(V2) của trạm 1 ................................................. 24
Lập trình tự động hoá cho trạm 2 .......................................................................... 27

3.2

3.2.1 Sơ đồ ghép nối thiết bị cho trạm 2.................................................................. 27
3.2.2 Lập trình cho WIFI LoRa 32(V2) của trạm 2 ................................................. 28
3.3

Thiết kế giao diện cho hệ thống............................................................................. 30
3.3.1 Thiết kế giao diện trên Rasberry Pi ................................................................ 30
3.3.2 Thiết kế giao diện trên ThingsBoard .............................................................. 32
Kết luận chương 3.................................................................................................. 33

3.4

Chương 4 ............................................................................................................................. 34
THỰC NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH ................................................................................... 34
4.1

Mơ hình thực nghiệm............................................................................................. 34
4.1.1 Mơ hình thực nghiệm của trạm 1.................................................................... 34
4.1.2 Mơ hình thực nghiệm của trạm 2.................................................................... 37

4.2

Thực nghiệm mơ hình ............................................................................................ 40
4.2.1 Giám sát trên giao diện ................................................................................... 40
4.2.2 Thực nghiệm mô hình trên trạm 1 .................................................................. 43
4.2.3 Thực nghiệm mơ hình trên trạm 2 .................................................................. 44

4.3

Kết luận chương 4.................................................................................................. 45

KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 47
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA ĐỒ ÁN.............................................. 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 49
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 51
P.1

Chương trình lập trình cho Raspberry ................................................................... 51

P.2

Chương trình lập trình cho WIFI LoRa 32(V2) tại trạm 1 .................................... 57

P.3

Chương trình lập trình cho WIFI LoRa 32(V2) tại trạm 2 .................................... 63


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

U

V,kV

Điện áp

I

A, kA

Dòng điện

P

W, kW

Công suất tác dụng

Q

VAr

S

VA, kVA

cosφ

Độ

A

kWh

Công suất phản kháng
Công suất biểu kiến
Góc lệch pha
Điện năng tiêu thụ

vii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Nghĩa tiếng Việt

Viết tắt

Tên tiếng Anh

IEC

International
Commission

MSB

Main Distribution Switchboard

Tủ điện phân phối tổng

DB

Distribution Board

Tủ điện phân phối hạ thế

PSTN

Public
Switched
Network

FBS
PCM

Fall Back Switch
Pulse - Code Modulation

Thiết bị chuyển mạch
Điều chế mã xung

RTU

Remote Terminal Unit

Thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa

Electrotechnical Tiêu chuẩn hoá trong lĩnh vực
điện - điện tử

Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng

SCADA Supervisory Control And Data Hệ thống điều khiển giám sát và
Acquisition
thu thập dữ liệu
DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

TCP/IP

Transmission Control Protocol/ Giao thức điều khiển truyền nhận/
Internet Protocol
Giao thức liên mạng

PCTTH

Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến tổng hợp

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber Đường dây thuê bao bất đối xứng
Line
Cơ sở dữ liệu

CSDL
MCB

Miniature Circuit Breaker

Cầu dao/aptomat (cắt dòng nhỏ)

MCCB

Molded Case Circuit Breaker

Cầu dao/aptomat (cắt dòng lớn)

ATS

Automatic Transfer Switches

Tủ chuyển nguồn tự động

PLC
MOF
TI
TU

CPU
GPU
I/O

Programmable Logic Controller
Metering Out Fit
Current Transformer
Voltage Transformer
Central Processing Unit
Graphics Processing Unit
Input/Output

Bộ điều khiển logic lập trình được
Hợp bộ đo lường
Máy biến dịng điện
Máy biến điện áp
Bộ xử lí trung tâm (của máy tính)
Bộ xử lí đồ hoạ (card đồ hoạ)
Đầu vào/đầu ra

viii


Danh mục các chữ viết tắt

USB
HD
RAM
UART
Opto

THD

Universal Serial Bus
High Definition
Random Access Memory
Universal Asynchronous Receiver
/ Transmitter
Optocoupler
Total Harmonic Distortion

Chuẩn kết nối tuần tự
Độ (phân giải) nét cao
Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên
Giao thức truyền dữ liệu nối tiếp
Linh kiện quang điện tử
Giá trị tổng biến dạng sóng hài


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số Raspberry Pi 3B+. ....................................................................14

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Phương thức kết nối truyền thông theo giao thức IEC 60870-5-101. ........3
Hình 1.2: Phương thức kết nối truyền thơng theo giao thức IEC 60870-5-104. ........5
Hình 1.3: Tủ điện phân phối DB. ...............................................................................6
Hình 1.4: Cấu tạo thiết bị MOF..................................................................................7
Hình 1.5: Sơ đồ đấu nối thiết bị MOF........................................................................8

Hình 1.6: Thơng số kỹ thuật của MOF. .....................................................................8
Hình 1.7: Đặc điểm kỹ thuật và kích thước MOF. .....................................................9
Hình 1.8: Dải dịng sơ cấp định mức theo cơng suất cực đại. ..................................10
Hình 2.1: Sơ đồ thiết bị phần cứng của hệ thống. ....................................................11
Hình 2.2: Raspberry Pi và các cổng kết nối chính. .................................................13
Hình 2.3: Mạch Raspberry Pi 3B+. ..........................................................................14
Hình 2.4: WIFI Lora 32(V2). ...................................................................................15
Hình 2.5: Sơ đồ chân của WIFI LoRa 32(V2). ........................................................16
Hình 2.6: Điện kế đa chức năng PAC4200. .............................................................17
Hình 2.7: PZEM-004T V3. .......................................................................................18
Hình 3.1: Sơ đồ ghép nối thiết bị của trạm 1. ..........................................................20
Hình 3.2: Sơ đồ thuật tốn của Rasberry Pi. ............................................................21
Hình 3.3: Chương trình con điều khiển Relay. ........................................................23
Hình 3.4: Lập trình cho Rasberry Pi. .......................................................................24
Hình 3.5: Sơ đồ thuật tốn lập trình cho WIFI LoRa 32(V2) của trạm 1. ...............25
Hình 3.6: Lập trình WIFI LoRa 32(V2) cho trạm 1. ...............................................26
Hình 3.7: Sơ đồ ghép nối thiết bị của trạm 2. ..........................................................27

xi


Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Hình 3.8: Sơ đồ thuật tốn lập trình cho WIFI LoRa 32(V2) của trạm 2. ...............29
Hình 3.9: Lập trình WIFI Lora 32(V2) cho trạm 2. .................................................30
Hình 3.10: Mở đầu giao diện....................................................................................31
Hình 3.11: Bản đồ biểu hiện vị trí của các trạm đo..................................................31
Hình 3.12: Giao diện quan sát các thông số và biểu đồ trong thời gian thực. .........32
Hình 3.13: Bảng các thơng số của hệ thống trên giao diện của Rasberry Pi. ..........32
Hình 3.14: Giao diện trên ThingsBoard. ..................................................................33

Hình 4.1: Hình ảnh mơ hình thực nghiệm trạm đo 1. ..............................................34
Hình 4.2: Rasberry Pi và WIFI LoRa 32(V2) phía trên mơ hình. ............................36
Hình 4.3: Mạch điều khiển Relay lắp phía ở phía sau của WIFI LoRa 32(V2).......36
Hình 4.4: Hình ảnh sơ đồ đấu nối thiết bị tại trạm 2. ...............................................37
Hình 4.5: Các thiết bị gắn trên mơ hình của trạm đo 2. ...........................................38
Hình 4.6: Ba bộ PZEM-004T V3 ở trạm đo 2. ........................................................39
Hình 4.7: Mạch điều khiển Relay lắp phía sau mơ hình của trạm 2. .......................39
Hình 4.8: Giao diện mở đầu của Rasberry Pi. ..........................................................40
Hình 4.9: Hình ảnh bản đồ thế hiện vị trí của các trạm đo. .....................................40
Hình 4.10: Hình ảnh giao diện giám sát thơng số trạm đo 1....................................41
Hình 4.11: Hình ảnh giao diện giám sát thơng số trạm đo 2....................................41
Hình 4.12: Giao diện giám sát trên ThingsBoard. ...................................................42
Hình 4.13: Kết quả thu được sau khi đo thực hiện đo thực tế tại trạm 1. ................43
Hình 4.14: Các thơng số PZEM-004T V3 đo được hiển thị trên giao diện Rasberry
Pi tại trạm 2. ..............................................................................................................44
Hình 4.15: Các thơng số mẫu được đo bằng PAC4200 trạm 2. ...............................45


MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Khi hệ thống lưới điện thơng mình được áp dụng ngày càng phổ biến thì nhu

cầu ứng dụng những công nghệ đo đếm, điều khiển thiết bị điện từ xa đã trở thành
một nhu cầu tất yếu để giảm thiểu nhân lực trực trạm, thao tác thiết bị, tăng khả
năng thao tác chính xác, an toàn, hiệu quả, giảm thiểu tai nạn xảy ra trong quá trình
đo đạc, thao tác các thiết bị cũng như tiết kiệm thời gian cũng như chi phí cho nhà
đầu tư trong khâu giám sát và điều khiển.
Xuất phát từ lý do này nhóm đã nảy ra ý tưởng về việc thiết kế một hệ thống

khơng những có thể giải quyết các vấn đề trên mà còn tối ưu hơn đó là “Thiết kế hệ
thống điều khiển và giám sát mạng cung cấp điện dựa trên công nghệ IoT”.
2.

Nội dung
Thiết kế một hệ thống hỗ trợ đo đạc, giám sát, điều khiển thời gian thực các

thiết bị điện từ xa tại trạm với chi phí thấp, đơn giản, dễ dàng lắp đặt, bảo hành,
thay thế, sửa chữa. Khả năng ứng dụng cao, trực quan khi quan sát. Dễ dàng thao
tác mà không cần quá nhiều nhân lực, thiết bị hay dây nối phức tạp.
3.

Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu cách thức lập trình với các ngơn ngữ lập trình hiện nay.
- Nghiên cứu các tập lệnh phục vụ việc lập trình trên các vi điều khiển thơng

qua những phần mềm chuyên dụng.
- Thiết kế giao diện trên các phần mềm đang có.
- Thiết kế hồn chỉnh mơ hình đo đếm các thơng số tại trạm đo.
Nghiên cứu thực nghiệm
- Nghiên cứu phần cứng máy tính mini Raspberry Pi 3B+.

1


Mở đầu

- Nghiên cứu lập trình cho WIFI LoRa 32(V2).
- Nghiên cứu kết nối truyền thông giữa các thiết bị với nhau.

- Nghiên cứu phương pháp ghép nối các thiết bị phần cứng với nhau.
Đối tượng nghiên cứu
Các thức lập trình bằng ngơn ngữ Python, thiết kế giao diện trên
ThingsBoard, kết nối, truyền thông các thiết bị phần cứng. Nghiên cứu các module
chuyên dụng như mạch Raspberry Pi 3B+, WIFI LoRa 32(V2), PZEM004T,
PAC4200, mạch Relay.
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu là ứng dụng mạch Raspberry Pi 3B+ kết hợp với WIFI
LoRa 32(V2) và các thiết bị hỗ trợ khác để tạo ra một hệ thống có khả năng đo đạc,
giám sát, điều khiển các thiết bị điện tại trạm từ xa có thể khắc phục những nhược
điểm mà các thiết bị hiện nay vẫn cịn mắc phải thơng qua giao diện có thể dễ dàng
truy cập từ internet mà khơng u cầu q nhiều thiết bị phức tạp, ít dây dẫn mà vẫn
đảm bảo tính tin cậy, chính xác trong thời gian thực và chi phí thấp.
4.

Cấu trúc đồ án tốt nghiệp
Cấu trúc đồ án tốt nghiệp được chia làm bốn chương:
• Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển tại
Việt Nam.
• Chương 2: Thiết kế phần cứng của hệ thống.
• Chương 3: Lập trình tự động hố cho hệ thống.
• Chương 4: Thực nghiệm trên mơ hình.

2


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN TẠI VIỆT NAM
1.1 Giao thức truyền thông IEC 60870-5-101

Giao thức truyền thông IEC 60870-5-101 được mô tả trong Hình 1.1.

Hình 1.1: Phương thức kết nối truyền thơng theo giao thức IEC 60870-5-101.

Main line: đường truyền thơng chính sử dụng kết nối qua hạ tầng cáp quang
với các thiết bị ghép kênh (PCM) và truyền dẫn (STM1, STM4).
Backup line: sử dụng phương thức truyền thông PSTN qua mạng điện thoại
có dây của các nhà cung cấp dịch vụ.
Việc chuyển đổi kênh truyền thông từ “main line” sang “backup line” và
chuyển đổi máy chủ xử lý dử liệu theo cơ chế (Hot/Standby) đường thực hiện bằng
thiết bị chuyển mạch Fall Back Switch (FBS). Với cơ chế truyền thông như trên,
giao thức IEC101 có một số hạn chế như: Các kênh truyền thông V24 (hoặc 4W) từ
3


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển tại Việt Nam

RTU hoặc Gateway từ trạm đến hệ thống SCADA phải qua nhiều thiết bị (modem
V24/4W, PCM, STM1,4...) làm tăng nguy cơ sự cố trên đường truyền. Thực tế
trong quá trình vận hành, sự cố các thiết bị như Modem, PCM, nguồn DC thường
xuyên xảy ra, thời gian xử lý kéo dài vì phân cấp quản lý. Phương thức truyền thơng
dự phịng bằng dịch vụ PSTN không tin cậy.
Việc bắt tay của giao thức IEC101 đối với các thiết bị khác hãng khá phức tạp
do định nghĩa lớp vật lý (physical layer) của giao thức qua kết nối RS232 thường
khơng đồng nhất hồn tồn, dẫn đến tình trạng phát sinh bit lỗi trong các bản tin
truyền, tín hiệu truyền thơng khơng ổn định.
Hệ thống MicroSCADA quản license IEC101 theo kênh vật lý RS232, do đó
với tốc độ 9600 bps nên việc ghép nối nhiều station trên một line IEC101 khá hạn
chế để đảm bảo yêu cầu thời gian thực của tín hiệu, đồng thời các tín hiệu đo lường
32 bit có đáp ứng rất chậm do kích thước bản tin lớn. Yêu cầu bắt buộc phải sử

dụng các thiết bị đầu cuối khác nhau trên các kênh độc lập (không thể ghép chung
các RTU, Gateway của các hãng khác nhau lên 1 line IEC101), làm tăng chi phí
mua license line.
1.2 Giao thức truyền thơng IEC 60870-5-104
Giao thức IEC104 hồn tồn tương thích với giao thức IEC101 về lớp liên kết
(link layer) và lớp ứng dụng (aplication layer), do đó việc xây dựng CSDL cho các
đối tượng điều khiển trên hệ thống MicroSCADA không thay đổi.
Giao thức IEC60870-5-104 thực hiện kết nối vật lý trên nền giao thức TCP/IP
nên việc bắt tay trên lớp vật lý thực hiện đơn giản, dễ dàng tương thích giữa hệ
thống SCADA với các thiết bị Gateway và RTU của các hãng khác nhau.
Giao thức truyền thông IEC 60870-5-104 được mơ tả trong Hình 1.2 đang
được PC TTH thực hiện. Tín hiệu truyền thơng IEC104 kết nối từ RTU đến hệ
thống SCADA được thực hiện trên kênh FE của các thiết bị truyền dẫn, hoặc qua
thiết bị chuyển đổi giao diện E1/FE (main line).

4


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển tại Việt Nam

Hình 1.2: Phương thức kết nối truyền thông theo giao thức IEC 60870-5-104.

Giao thức IEC104 của RTU có thể hổ trợ trên 2 địa chỉ máy chủ, do đó
phương thức truyền thơng dự phòng dễ dàng thực hiện trên các lớp mạng khác
nhau. Đường truyền thơng dự phịng (backup line) được đề xuất thực hiện qua các
kênh Internet (3G/GPRS hoặc ADSL), có chi phí thấp.
IEC104 hổ trợ giao diện kết nối qua Ethernet (kênh FE) nên việc đầu tư các
thiết bị truyền thông tương đối rẽ tiền và dể quản lý bảo dưỡng hoặc dễ dàng thuê
kênh FE của các nhà cung cấp dịch vụ khác với chi phí có thể chấp nhận.
Với tốc độ cơ bản của kênh FE từ 128kb/s đến 2Mb/s do đó tốc độ đáp ứng

tín hiệu của giao thức IEC104 tốt hơn giao thức IEC101, hổ trợ các gói tin đo lường
32 bit.
Tất cả các RTU và Gateway tại trạm đều hổ trợ giao thức truyền thông
IEC104. Đối với hệ thống MicroSCADA, với tốc độ đáp ứng tín hiệu tốt và cơ chế
quản lý địa chỉ trạm (ADSU Address) theo địa chỉ IP nên việc ghép nhiều station
trên một line sẽ đảm bảo tính kinh tế trong việc đầu tư license cho hệ thống.
Trên cơ sở đánh giá các ưu điểm của giao thức IEC 60870-5-104 và khả năng
hổ trợ của hệ thống MicroSCADA của ABB đối với phương thức truyên thông cho

5


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển tại Việt Nam

các TBA truyền tải dựa trên nền tảng ừng dụng giao thức IEC104, PCTTH đã có
báo cáo đề xuất CPC cho áp dụng phương thức truyền thông bằng giao thức IEC104
đối với các dự án trạm 110kV đang triển khai trên địa bàn Tỉnh TT-Huế. CPC đã có
văn bản thống nhất việc áp dụng giao thức IEC104 kết nối truyền thông các trạm
110kV Điền Lộc và Huế 3 với hệ thống SCADA của Công ty Điện lực TT-Huế.
1.3 Tủ điện phân phối hạ thế DB
Chức năng chính của các tủ điện phân phối hạ thế là: phân phối điện, đóng
cắt, chuyển mạch, bảo vệ an toàn cho hệ thống phụ tải hoạt động bên dưới.
Tên gọi DB là từ viết tắt của Distribution Board. Hiểu theo nghĩa kỹ thuật
điện Việt Nam là tủ điện phân phối DB hay tủ điện hạ thế DB.
Tủ điện phân phối DB đảm nhận chức năng phân phối điện cho các bảng điện
khác trong từng khu vực hoặc trực tiếp cung cấp năng lượng cho tải. Các tủ DB
thường được cấp nguồn từ đầu ra của tủ điện MSB.
Hình 1.3 mơ tả các thiết bị bên trong của một tủ điện phân phối DB.

Hình 1.3: Tủ điện phân phối DB.

Chức năng bảo vệ của tủ điện phân phối hạ thế DB được điều chỉnh cao hơn
một cấp so với tủ điện phân phối MSB. Mục đích chính là để đảm bảo an toàn cho
khu vực cấp nguồn mà không ảnh hưởng đến các khu vực khác.

6


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển tại Việt Nam

Tủ điện DB này thường được đặt gần các phụ tải, bên trong tủ chỉ bao gồm
MCB/RCCB, đèn báo pha, cầu chì. Một số tủ đặc biệt có gắn đồng hồ đo kWh,
Amper kế, Volt kế, bảo vệ mất pha, tụ bù… lắp tại các phịng vận hành của các khu
cơng nghiệp, các nhà xưởng, các cao ốc…
1.4 MOF – Metering Out Fit
MOF-Metering Out Fit là sản phẩm được tích hợp cả chức năng đo dòng (TI)
và đo áp (TU) ngâm trong dầu cách điện.
Cấu tạo MOF như Hình 1.4:

Hình 1.4: Cấu tạo thiết bị MOF.

7


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển tại Việt Nam

Hình 1.5: Sơ đồ đấu nối thiết bị MOF.

Thông số kỹ thuật của MOF:

Hình 1.6: Thơng số kỹ thuật của MOF.

8


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển tại Việt Nam

Hình 1.7: Đặc điểm kỹ thuật và kích thước MOF.

Đặc điểm của MOF:
+ Dễ dàng và thuận tiện trong việc thi công lắp đặt do chỉ có một khối duy
nhất, nên giảm thời gian mất điện.
+ Giảm xác suất gây sự cố do chỉ có một thiết bị duy nhất tại mỗi vị trí thay vì
6 thiết bị như hiện nay (3 TU và 3 TI).
+ Thực hiện đồng thời chức năng đo, đếm cả dòng và áp.
+ Tuổi thọ cao, 10 năm thay dầu 1 lần, có thể thay 10 lần dầu.
+ Đảm bảo thực hiện các chức năng trong mọi điều kiện thời tiết, mơi trường
khắc nghiệt (hóa chất, nhiễm mặn…).
+ Chi phí hợp lý, tiết kiệm hơn so với phương án sử dụng TU&TI.

9


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển tại Việt Nam

Hình 1.8: Dải dịng sơ cấp định mức theo cơng suất cực đại.

Thiết bị MOF được Viện Đo lường Việt nam thử nghiệm đạt tiêu chuẩn Việt
Nam hiện hành và đã được Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng cấp phê duyệt
mẫu năm 2014.

1.5

Kết luận chương 1
Từ các hệ thống đã được giới thiệu ở trên, ta dễ dàng nhận thấy rằng còn khá

nhiều hạn chế như là: yêu cầu khối lượng thiết bị lớn, cần nhiều dây dẫn kết nối
phức tạp giữa các thiết bị, chi phí cao, kết nối vào hệ thống điện tại nhiều điểm nút
dẫn đến xác xuất cao xảy ra sự cố tại các nút này, việc đo đếm thơng số tại trạm cịn
cần sử dụng thêm nhân lực dẫn đến khả năng sai sót khi ghi chép và hạn chế trong
việc theo dõi thông số thiết bị trong thời gian thực.
Từ những yếu điểm trên nhóm đề xuất ra ý tưởng về đồ án “Thiết kế hệ thống
điều khiển và giám sát mạng cung cấp điện dựa trên cơng nghệ IoT” có thể khắc
phục đa số những khuyết điểm trên giúp công việc đo đếm, giám sát, điều khiển các
thiết bị tại trạm trở nên ngày càng đơn giản, hiệu quả sẽ được trình bày ở chương 2.

10


Chương 2
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG
2.1 Cấu trúc phần cứng của hệ thống
Sơ đồ thiết bị của hệ thống được mơ tả trong Hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ thiết bị phần cứng của hệ thống.

Hình 2.1 mơ tả sơ đồ thiết bị của phần cứng trong đó Rasberry Pi đóng vai trị
trung tâm trong việc nhận tín hiệu sử lý tín hiệu nhận từ trạm đo 1 (qua PAC4200)
và trạm đo 2 (qua WiFi LoRa 32(V2)). Tín hiệu sẽ được PAC4200 và các PZEM004T V3 đo từ các trạm đo 1 và 2, sau đó thơng số sẽ được truyền tới Rasberry Pi
qua kết nối trực tiếp (giữa Rasberry Pi và PAC4200) hoặc gián tiếp thông qua mạng

11


Chương 2: Thiết kế phần cứng của hệ thống

không dây (giữa 2 WIFI LoRa 32(V2) nếu khoảng cách cho phép hoặc đẩy dữ liệu
lên ThingsBoard thông qua mạng internet). Rasberry Pi nhận được thơng số đo từ
trạm sẽ xử lí rồi hiển thị thơng số ra màn hình.
Người dùng có thể quan sát thông số của thiết bị (điện áp, dịng điện, góc
pha,…) trên màn hình kết nối với Rasberry Pi và thao tác thơng qua chuột và bàn
phím, từ đó khi muốn điều khiển có thể thao tác trên Rasberry Pi, tín hiệu sẽ gửi đến
các thiết bị tại trạm thơng qua hai kênh truyền sóng khơng dây internet (wifi) hoặc
LoRa(giữa hai WIFI LoRa 32(V2)). Hơn nữa, người dùng cũng có thể dễ dàng quan
sát thơng số tại trạm và điều khiển trực tiếp thiết bị tại trạm thông qua việc truy cập
vào ThingsBoard bằng máy tính hoặc điện thoại mà không cần thao tác trên
Rasberry Pi.
2.2 Các thiết bị phần cứng của hệ thống
2.2.1 Raspberry Pi

Raspberry Pi là một board máy tính đơn nhỏ, giá rẻ , kích thước chỉ bằng một
thẻ tín dụng, tiết kiệm điện năng (vì nguồn điện cung cấp cho Raspberry Pi chỉ có
5V) được giới thiệu bởi Raspberry Pi Foundation, đi kèm với CPU, GPU, cổng
USB và các chân I/O và có khả năng thực hiện một số chức năng đơn giản như một
máy tính thơng thường.

12


Chương 2: Thiết kế phần cứng của hệ thống

Hình 2.2: Raspberry Pi và các cổng kết nối chính.

Raspberry Pi thế hệ đầu tiên được phát triển vào năm 2012, với mục đích làm
cho việc học máy tính trở nên dễ dàng đối với học.
Phiên bản Raspberry Pi đầu tiên được phát hành tháng 2 năm 2012, và tới nay
đã có nhiều phiên bản khác nhau, với sự nâng cấp của phần cứng, cũng như hướng
tới những mục tiêu khác nhau. Phiên bản theo thứ tự ra mắt là : Pi A → Pi A+ → Pi
1 B → Pi 1B+ → Pi 2B → Pi Zero → Pi 3B.
Tùy theo nhu cầu thiết bị của bạn như tốc độ, khả năng kết nối rộng, giá cả,
hay nhu cầu ứng dụng mà bạn có thể cân nhắc lựa chọn những sản phẩm Raspberry
bên trên. Với nhu cầu bình thường để lập trình nghiên cứu thì thật đơn giản,
Raspberry Pi đáp ứng một cách hoàn hảo các yêu cầu của programmer. Nhưng chưa
hết, nếu như bạn chỉ quan tâm đến lĩnh vực giải trí, thì với chiếc máy tính mini này,
bạn có thể xem những bộ phim HD chuẩn 1080p. Các bạn nên nhớ một điều quan
trọng: chiếc máy tính mini này rất tiết kiệm điện, và khả năng chạy liên tục 24h đã
được cộng đồng sử dụng kiểm chứng.
Với những ưu điểm như trên, đề tài đã sử dụng Raspberry Pi 3B+ để thiết kế
mơ hình.

13