(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh

Tính cấp thiết của đề tài

Với sự phát triển kinh tế, nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng, trong khi khả năng cung cấp điện vẫn gặp khó khăn, khiến việc sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả trở nên cấp bách Ý thức tiết kiệm điện của người dân còn hạn chế, và các biện pháp thực hiện chưa đủ mạnh, dẫn đến nhiều bất cập trong áp dụng Việc tiết kiệm điện phụ thuộc vào hai yếu tố chính: thiết bị điện và thói quen sử dụng của con người Thói quen bận rộn khiến người dùng ít chú ý đến việc giám sát thiết bị, dẫn đến lãng phí năng lượng và gia tăng chi phí điện cho gia đình và cơ quan.

Trong bối cảnh hiện đại, việc quản lý và giám sát điện năng trở thành yếu tố thiết yếu cho doanh nghiệp, đặc biệt trong sản xuất và kinh doanh Các nhà quản lý cần tìm ra giải pháp hiệu quả để quản lý tòa nhà, nhà máy nhằm giảm chi phí và tiết kiệm năng lượng tối đa Một giải pháp tối ưu hiện nay là thiết lập hệ thống tự động quản lý và giám sát điện năng từ xa Hệ thống này bao gồm cấu trúc phần cứng với các thiết bị đo đếm kết nối với máy chủ và phần mềm, cùng với các giao diện người máy (HMI) trên máy tính hoặc smartphone, giúp người dùng thực hiện các chức năng như hiển thị, báo cáo, phân tích và lưu trữ thông tin từ xa.

(b) Phần mềm của hệ thống

Hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh giúp nâng cao hiệu quả công trình, hiện đại hóa và tiết kiệm điện năng tiêu thụ, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường Hệ thống này thực hiện giám sát các thông số kỹ thuật quan trọng của nguồn điện như điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng và hệ số công suất Việc theo dõi chặt chẽ các thông số này là cần thiết vì chúng ảnh hưởng lớn đến hoạt động của thiết bị điện trong các nhà máy và xí nghiệp Quản lý hiệu quả các tham số này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị.

Các tham số được đo bằng bộ đo đếm điện năng kỹ thuật số kết nối mạng, hiển thị trên màn hình máy tính và cho phép lưu trữ dữ liệu cũng như giám sát từ xa qua Internet Phần mềm web tích hợp trong thiết bị giúp người quản lý theo dõi các thông số một cách trực quan qua nhiều hình thức như đồng hồ số điện, bảng số liệu và đồ thị thời gian Người dùng có thể dễ dàng chiết xuất cơ sở dữ liệu theo ngày, tháng và năm để phục vụ cho công tác báo cáo.

Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn và cấp thiết hiện nay, tác giả đã chọn đề tài "Nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh" cho luận văn thạc sĩ Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển một hệ thống quản lý và giám sát điện năng với các chức năng cơ bản nhằm nâng cao tính ứng dụng trong thực tế.

- Giám sát và cảnh báo các thông số vận hành:

+ Hệ số công suất cos;

- 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)

Mục tiêu nghiên cứu

Dựa trên tính cấp thiết và tổng quan tình hình nghiên cứu đã trình bày, tác giả hướng đến mục tiêu nghiên cứu đề tài này.

- 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 mô 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 thông 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 thông 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;

+ Cảnh báo sự cố qua tin nhắn điện thoại.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết

Tổng hợp và đánh giá các công trình đã công bố liên quan đến đối tượng nghiên cứu nhằm phân tích ưu nhược điểm của chúng, đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu cho đề tài.

Tổng hợp và so sánh các lý thuyết đo lường các thông số điện như điện áp (U), dòng điện (I), công suất (S, P, Q), hệ số công suất (cosφ) và điện năng (A) là rất quan trọng Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink giúp đánh giá và lựa chọn lý thuyết phù hợp, từ đó áp dụng vào thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng hiệu quả.

Tổng hợp và phân tích các phương pháp quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) là cần thiết để đánh giá cơ sở lý thuyết, từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho việc thiết kế tích hợp vào hệ thống thực nghiệm Việc này giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng và nâng cao tính bền vững cho hệ thống.

Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu các chức năng cơ bản của các phần tử trong mô hình phần cứng hệ thống là bước quan trọng để lựa chọn các phần tử phù hợp cho thiết kế Thực hiện các thí nghiệm với những ví dụ đơn giản giúp hình thành kỹ năng ứng dụng các phần cứng này, từ đó đạt được mục tiêu của đề tài.

Nghiên cứu lựa chọn thiết bị phần cứng như bo mạch Arduino, cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp, module relay và LCD là cần thiết để thiết kế mô hình thực nghiệm Bên cạnh đó, việc ứng dụng các phần mềm và ứng dụng liên quan giúp phát triển chương trình giám sát và điều khiển các thông số cần thiết từ xa qua smartphone hoặc máy tính.

Tiến hành xây dựng hệ thống thực nghiệm và thực hiện đo đạc, kiểm chứng các kết quả thực nghiệm bằng các thiết bị chuyên dụng như oscilloscope và đồng hồ đo điện năng Điều này nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ thống.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài này mang ý nghĩa khoa học quan trọng trong việc nghiên cứu và giải quyết bài toán quản lý, giám sát điện năng của các phụ tải qua mạng internet Điều này cho phép các nhà quản lý truy cập và theo dõi thông số vận hành của đơn vị mình mọi lúc, mọi nơi, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý và sử dụng năng lượng.

Trong bối cảnh phát triển của nền công nghiệp 4.0, việc ứng dụng sức mạnh của internet trong ngành điện đang ngày càng được chú trọng Điều này không chỉ giúp hiện đại hóa hệ thống mà còn nâng cao hiệu quả trong quản lý, giám sát và điều khiển hệ thống điện, đặc biệt là tại các trạm phụ tải.

Hệ thống quản lý và giám sát điện năng SCADA đã được triển khai và ứng dụng tại Việt Nam trong nhiều năm qua, nhằm mục đích quản lý và giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp Nghiên cứu về ứng dụng SCADA trong lĩnh vực quản lý và giám sát điện năng cũng đã được thực hiện và công bố trong một số công trình liên quan.

Với kiến trúc mã nguồn mở của Arduino, người dùng có thể khai thác nhiều tính năng trong các lĩnh vực như tự động hóa và đo đếm thông minh Tuy nhiên, việc áp dụng Arduino trong thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh vẫn còn hạn chế Một số nghiên cứu đã ứng dụng Arduino để tạo ra thiết bị giám sát điện năng không dây, nhưng chưa tích hợp được nhiều chức năng Do đó, đề tài này sẽ nghiên cứu và khai thác tối đa chức năng của Arduino để thiết kế một hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh, không chỉ giám sát các thông số đo thông thường mà còn tích hợp thêm nhiều chức năng khác.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ VÀ GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG

Để quản lý và giám sát hiệu quả việc sử dụng điện năng, việc thiết kế một hệ thống thông minh là cần thiết Hệ thống này giúp người dùng tiết kiệm điện thông qua việc theo dõi lượng tiêu thụ hàng ngày hoặc hàng tháng Khi mức tiêu thụ vượt quá ngưỡng cho phép, người dùng sẽ nhận được thông báo để điều chỉnh thiết bị điện Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng tự động tắt các thiết bị không cần thiết và cho phép người dùng theo dõi từ xa qua điện thoại hoặc máy tính kết nối internet.

Hệ thống đo đếm dòng điện và điện áp của các thiết bị điện trong gia đình và cơ quan, giúp người dùng theo dõi lượng điện tiêu thụ và chi phí Người dùng có thể thiết lập giới hạn tiêu thụ điện hàng ngày hoặc hàng tháng để tối ưu hóa việc sử dụng và tiết kiệm điện, từ đó giảm chi phí Khi lượng điện tiêu thụ vượt ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ gửi thông báo cảnh báo qua SMS và có khả năng tự động tắt thiết bị Ngoài ra, hệ thống còn cho phép người dùng quản lý và giám sát ngôi nhà từ xa thông qua dữ liệu điện năng gửi qua điện thoại.

Chất lượng điện năng (CLĐN) đề cập đến các vấn đề liên quan đến điện áp, dòng điện và tần số, có thể gây ra sự hoạt động không bình thường hoặc hư hỏng cho các thiết bị điện.

Hình 1.1 Sóng điện áp và dòng 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

1.2.1.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 về sóng hài dòng và áp

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài điện áp

Cấp điện áp Sóng hài riêng lẻ (%) Tổng độ biến dạng sóng hài THDv (%)

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài dòng điện

Tỉ lệ: Isc/IL Tổng biên độ sóng hài dòng điện THDI (%)

1.2.1.2 Tiêu chuẩn theo Thông tư 32 của Bộ Công thương

Vào ngày 15/04/2010, Bộ Công Thương đã ban hành Thông tư 32 quy định về hệ thống điện truyền tải, trong đó nêu rõ các yêu cầu chi tiết liên quan đến các thông số điện năng, bao gồm 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 dòng và áp:

Bảng 1.3 Chỉ số méo dạng sóng hài điện áp theo Thông tư 32

Cấp điện áp Tổng độ biến dạng sóng hài (THD U )

Đối với đầu nối vá cấp điện áp hạ áp công suất tối đa 10kW, giá trị dòng điện sóng hài bậc cao không được vượt quá 5A cho mỗi pha và 14A cho ba pha.

Đối với đầu nối điện áp trung áp hoặc đầu nối có công suất từ 10kW đến 50kW, giá trị dòng bậc cao không được phép vượt quá 20% dòng phụ tải.

Đối với đầu nối vào cấp điện áp cao hoặc công suất lớn hơn 50kW, giá trị dòng hài không được vượt quá 12% dòng phụ tải Điều này giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động và ổn định của hệ thống điện.

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 Đồng thời, hiện tượng nhấp nháy điện áp cũng cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sự ổn định trong hệ thống điện.

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 cho phép (P st 95%)

Mức nhấp nháy dài hạn cho phép (P st 95%)

1.2.2 Nguyên nhân làm giảm CLĐN

Đơn vị cung cấp điện không đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng điện năng theo quy định của Luật Điện lực, Nghị định 105/2005/NĐ-CP và các Thông tư 12/2010/TT-BCT, 32/2010/TT-BCT.

- 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 dòng & 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:

- Hệ thống khuếch đại pha

- 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 dòng 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

Sóng hài gây tăng tổn thất nhiệt trên lõi sắt và dây quấn đồng, đồng thời tạo ra tiếng ồn lớn và rung động trong quá trình hoạt động của động cơ Đặc biệt, sóng hài bậc 5 và bậc 7 có thể gây ra dao động giữa tuabin và máy phát, cũng như giữa động cơ và hệ thống tải.

Tăng tiếng ồn và rung lắc, sóng hài làm máy biến áp nóng lên và tăng tổn thất trong cuộn dây cũng như lõi từ Điều này dẫn đến quá tải, giảm tuổi thọ và thậm chí có thể gây cháy máy biến áp.

Giảm công suất truyền tải, tăng tổn hao nhiệt, có thể dẫn đến hư hỏng và cháy cáp

Dòng 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