Ứng dụng proteus visual designer xây dựng mô hình hệ thống giám sát thông số điện cho pin năng lượng mặt trời

Đối với mỗi trạm điện năng lượng mặt trời, đo lường, giám sát các thông số dòng điện, điện áp, công suất từ các tấm pin là một vấn đề cần thiết, điều này giúp cho việc phân tích, đánh giá và đưa ra cảnh báo tình trạng của hệ thống theo thời gian thực ở bất kỳ nơi đâu. Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát thông số điện của các tấm pin năng lượng mặt trời thông qua ứng dụng IoT Controller giao tiếp với mạng Internet.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Ứng Dụng Proteus Visual Designer Xây Dựng Mơ Hình Hệ Thống Giám Sát Thông Số Điện Cho Pin Năng Lượng Mặt Trời Phạm Mạnh Tồn Viện Kỹ thuật Cơng nghệ, Trường Đại học Vinh Email: toandhv79@gmail.com Abstract— Ngày nay, hệ thống điện lượng mặt trời nghiên cứu, triển khai phổ biến giới Tại Việt Nam, Nhà nước có sách cho phép nhà sản xuất điện lượng mặt trời hòa lưới bán điện cho công ty điện lực EVN Đối với trạm điện lượng mặt trời, đo lường, giám sát thơng số dịng điện, điện áp, cơng suất từ pin vấn đề cần thiết, điều giúp cho việc phân tích, đánh giá đưa cảnh báo tình trạng hệ thống theo thời gian thực nơi đâu Bài báo trình bày kết nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát thông số điện pin lượng mặt trời thông qua ứng dụng IoT Controller giao tiếp với mạng Internet Kết nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống đáp ứng mục tiêu đặt khả thi việc triển khai thành hệ thống giám sát điện lượng mặt trời phục vụ cho hoạt động vận hành, bảo dưỡng phù hợp với trạm có vốn đầu tư vấn đề sử dụng hệ thống giám sát thông số điện cho pin lượng mặt trời Giám sát thực chỗ giám sát từ xa hai, việc giúp theo dõi, quản lý tốt nguồn lượng đầu vào, tăng hiệu suất tránh thất [2] Đã có nhiều nghiên cứu đo lường, giám sát hệ thống điện lượng mặt trời Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào sử dụng kỹ thuật điện tử truyền thông, công nghệ thông tin qua kết nối không dây để giám sát hệ thống Việc lập trình cho hệ thống chủ yếu sử dụng ngơn ngữ lập trình có cấu trúc ngơn ngữ C sử dụng cho xử lí Arduino, ngơn ngữ Python sử dụng cho xử lí Raspberry Các ngơn ngữ lập trình có đặc điểm có tính cấu trúc chặt chẽ mặt liệu tổ chức chương trình Tuy nhiên, với phương pháp lập trình địi hỏi lập trình viên phải nhớ nhiều câu lệnh với lệnh có cú pháp tác dụng riêng, viết chương trình phải tự lắp nối lệnh để có chương trình giải toán riêng biệt [3] Trong xu hướng phát triển mạnh mẽ tin học, số người sử dụng máy tính tăng lên nhanh máy tính sử dụng hầu hết lĩnh vực đời sống nên địi hỏi ngơn ngữ lập trình phải đơn giản, dễ sử dụng mang tính đại chúng cao [4-6] Trong phạm vi báo này, để đơn giản hóa lập trình cho hệ thống, nhóm tác giả sử dụng phương pháp lập trình trực quan lược đồ môi trường Visual Designer Mô hình mơ Proteus VSM, việc giám sát thơng số dịng điện, điện áp, cơng suất thơng qua ứng dụng IoT Controller điện thoại thông minh Từ việc nghiên cứu lập trình đo lường giám sát thông số điện cho hệ thống pin lượng mặt trời có, so sánh giải pháp thực hiện, đề xuất sử dụng phương pháp thiết kế trực quan thơng qua mơi trường Visual Designer, nhóm tác giả xây dựng mơ hình hệ thống đáp ứng mục tiêu đặt khả thi việc triển khai thành hệ thống giám sát điện lượng mặt trời phục vụ cho hoạt động vận hành, bảo dưỡng phù hợp với trạm có vốn đầu tư Keywords- pin lượng mặt trời, đo lường, giám sát, proteus visual designer, IoT I GIỚI THIỆU Xu hướng ứng dụng IoT, công nghệ thông tin, điện tử viễn thông vào lĩnh vực công nghiệp tự động hóa khơng cịn xa lạ Hiện nay, hạ tầng mạng viễn thông nâng cấp đại, hệ thống thông tin di động 3G/4G, mạng không dây wifi phủ sóng rộng khắp ổn định, đáp ứng nhu cầu truyền thông không dây tốn tự động hóa q trình sản xuất, cơng nghiệp [1] Điện lượng mặt trời xem nguồn lượng tái tạo sạch, có xu hướng ngày phát triển mở rộng hơn, đôi với phát triến mở rộng nhà máy lượng mặt trời cần trọng đến vấn đề giám sát hệ thống cách tối ưu, nhằm quản lí sản lượng điện chặt chẽ hơn, giúp lấy lại lượng đầu hiệu quả, đồng thời dễ dàng phát cố hao hụt lượng pin mặt trời bị lỗi, lỗi kết nối bụi tích tụ làm giảm lượng đầu ra, nhiều vấn đề khác gây ảnh hưởng đến hiệu suất pin lượng mặt trời Một giải pháp hiệu để giải ISBN 978-604-80-5958-3 198 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) II nghiệp Các thông tin cần trích xuất, lưu trữ thể lên giao diện web smartphone Qua đó, người quản lý truy vấn giám sát hệ thống từ nơi đâu cần có kết nối internet [7] GIỚI THIỆU VỀ PROTEUS VISUAL DESIGNER Proteus Visual Designer môi trường thiết kế ứng dụng điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua thiết bị di động cách nhanh chóng dễ dàng Proteus Visual Designer hỗ trợ thiết kế giao diện điều khiển cho điện thoại thơng minh, đồng thời cho phép lập trình điều khiển tương tác giao diện người dùng với phần cứng cách sử dụng khối lưu đồ Visual Designer [6] Một số tính bật Proteus Visual Designer: - Hỗ trợ thiết kế phần cứng với thư viện bảng mạch điện tử có sẵn - Dễ dàng thiết kế giao diện người dùng với nút, công tắc biểu đồ - Liên kết giao diện người dùng phần cứng phương pháp lưu đồ trong lập trình - Mơ toàn hệ thống gỡ lỗi bước để tìm khắc phục cố - Điều khiển mơ phần cứng thực từ thiết bị di động Bộ chuyển đổi DC/AC Pin mặt trời Điện tự dùng Hệ thống đo lường, giám sát Lưới điện Hình Mơ hình hệ thống điện mặt trời [8] B Sơ đồ khối hệ thống lưu đồ giải thuật Sơ đồ khối hệ thống giám sát thông số điện pin mặt trời minh họa Hình Điện thoại cài đặt ứng dụng IoT wifi Controller Bộ xử lí trung tâm Module wifi ESP8266 Cảm biến Khối nguồn Hình Sơ đồ khối mô tả hoạt động hệ thống Hệ thống gồm: khối nguồn cung cấp nguồn cho hệ thống Khối xử lí trung tâm có nhiệm vụ đọc giá trị đầu vào cảm biến gồm dòng điện, điện áp cơng suất Bắt đầu Hình Trình thiết kế Proteus Visual Designer [6] Khởi tạo thông số III HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, GIÁM SÁT THÔNG SỐ ĐIỆN PIN MẶT TRỜI N A Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống giám sát thông số điện pin mặt trời minh họa Hình Một hệ thống lượng mặt trời (NLMT) tóm tắt gồm hai phần chính: pin NLMT biến tần NLMT Trong pin NLMT đảm nhận nhiệm vụ chuyển đổi quang thành dòng điện chiều Biến tần NLMT giúp chuyển dòng điện chiều thành dòng điện xoay chiều Hệ thống điện lượng mặt trời có giá trị đầu tư lớn Trong trình hoạt động, cần định kỳ giám sát thông số như: hiệu suất hoạt động hệ thống, lượng điện tạo ngày, cảnh báo tức thời hệ thống Việc giúp ta biết hiệu đầu tư Cũng có phương án kịp thời xử lý tình cần thiết Tất thơng tin hữu ích chứa biến tần NLMT - thiết bị chuẩn công ISBN 978-604-80-5958-3 Sẵn sàng Y Đo thông số Thực thi lệnh từ yêu cầu người dùng Hiển thị kết đo thơng số Kết thúc Hình Lưu đồ giải thuật chương trình đo lường, giám sát thông số điện pin mặt trời 199 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Hình mơ tả sơ đồ nguyên lí module wifi ESP8266 Khối module wifi ESP8266 cần cấp nguồn điện áp 3.3Vdc, giao tiếp với Arduino thông qua chân RX TX tương ứng với chân số 10 11 Kit Arduino Uno Mạch Reset module wifi thực thơng qua nút nhấn thường mở Khối xử lí trung tâm có kết nối internet truyền liệu lên webserver để người quản lý vận hành đo lường, giám sát thông số điện đầu pin mặt trời thông qua module wifi ESP8266, hiển thị kết App IoT Controller Lưu đồ giải thuật chương trình giám sát đo lường, giám sát thơng số điện đầu pin mặt trời mô tả Hình Các bước thực hiện: C Khối xử lí trung tâm Hình mơ tả sơ đồ ngun lí khối xử lí trung tâm Arduino Uno board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm bảng mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý Atmega328 họ 8bit Các phát triển ứng dụng kit để tạo thiết bị có khả tương tác với môi trường thông qua cảm biến cấu chấp hành - Bước 1: Khởi tạo hệ thống - Bước 2: Khởi tạo chuỗi, biến, thiết lập cổng vào - Bước 3: Đọc thông số từ đầu pin mặt trời, thực thi lệnh điều khiển từ người dùng - Bước 4: Gửi hiển thị giá trị dòng điện, điện áp, công suất pin mặt trời lên webserver - Bước 5: Kết thúc IV IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG A Khối nguồn Sơ đồ ngun lí mạch nguồn mơ tả Hình Khối mạch nguồn có chức cung cấp nguồn điện cho hệ thống với dải điện áp chiều 12V, 5V 3.3V Phần hạ áp sử dụng biến áp 220V/12V, chỉnh lưu thực mạch cầu diode Các điện áp chiều 12V, 5V, 3.3V nhận từ đầu IC 7812, 7805 LM1117 tương ứng AREF VI C1 470u C2 104 C3 470u C4 104 C7 470u C8 104 AREF AVCC + 5V GND VO TR1 VI VO SS IO0 MOSI IO1 MISO SCK IO14 IO15 IO16 IO17 IO18 IO19 AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 SDA SCL C5 470u GND C6 104 IN OUT C10 104 C11 470u +5V RXD TXD RESET IO13 Reset D Khối cảm biến Hình mơ tả sơ đồ ngun lí khối mạch cảm biến kết nối mạch mơ hình pin lượng mặt trời 2/4 GND C9 470u AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 RESET Hình Sơ đồ nguyên lí mạch xử lí trung tâm Arduino Uno LM1117S-3,3 TRAN-2P2S IO8 IO9 IO10 IO11 IO12 IO13 PC0/ADC0/PCINT8 PC1/ADC1/PCINT9 PC2/ADC2/PCINT10 PC3/ADC3/PCINT11 PC4/ADC4/SDA/PCINT12 PC5/ADC5/SCL/PCINT13 PC6/RESET/PCINT14 IO10 IO11 IO12 IO13 7805 N PB0/ICP1/CLKO/PCINT0 PB1/OC1A/PCINT1 PB2/SS/OC1B/PCINT2 PB3/MOSI/OC2A/PCINT3 PB4/MISO/PCINT4 PB5/SCK/PCINT5 PB6/TOSC1/XTAL1/PCINT6 PB7/TOSC2/XTAL2/PCINT7 ARDUINO UNO 7812 PD0/RXD/PCINT16 PD1/TXD/PCINT17 PD2/INT0/PCINT18 PD3/INT1/OC2B/PCINT19 PD4/T0/XCK/PCINT20 PD5/T1/OC0B/PCINT21 PD6/AIN0/OC0A/PCINT22 PD7/AIN1/PCINT23 C12 104 Shunt Voltage Hình Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn +88.8 mV VCC VS IN+ IN- G ND G ND BAT1 0.1 GND 5.0V Load Voltage CSENS1 INA219AID RXD TXD SCK MOSI MISO RESET W iFi-Reset VCC B Khối module wifi SCL SDA A0 A1 50% SCL SDA LOAD +88.8 Volts 200 R8 D5 D7 D6 D3 R5 10k 15 +88.8 mA ESP1 TXD RXD GPIO16/WAKE GPIO15/SS GPIO14/SCK GPIO13/MOSI GPIO12/MISO GPIO5/SCL GPIO4/SDA GPIO2/LED GPIO0 RESET ESP8266-12E PORT=80 C1 100nF Current Hình Sơ đồ ngun lí mạch cảm biến kết nối pin mặt trời Khối cảm biến sử dụng cảm biến INA219 để đo dòng điện, điện áp công suất DC pin lượng mặt trời Đặc điểm kỹ thuật INA219 làm việc với thiết bị sử dụng công suất nhỏ với độ Hình Sơ đồ ngun lí module wifi ESP8266 ISBN 978-604-80-5958-3 200 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) xác cao, sai số cho phép 1% Cảm biến INA219 sử dụng giao tiếp I2C dễ kết nối lập trình với vi điều khiển, khả đo tối đa cảm biến 26VDC/3.2A/83W V thơng số cần đo bao gồm dịng điện, công suất, điện áp Shunt, điện áp tải điện áp Bus Trong vòng lặp, hệ thống xử lí thực gọi chương trình đo thơng số cần đo tương ứng Trên Hình 10 mơ tả Lưu đồ thuật tốn chương trình thực giao tiếp, điều khiển giao diện IoT Controller Việc thực phép đo thu thập liệu thực từ lựa chọn theo phút, theo theo ngày tùy theo nhu cầu người dùng THIẾT KẾ PHẦN MỀM Phần mềm hệ thống đo lường, giám sát thông số điện pin mặt trời thiết kế viết môi trường Proteus Visual Designer (PVD) PVD hỗ trợ thiết kế giao diện điều khiển cho điện thoại thơng minh, đồng thời cho phép lập trình điều khiển tương tác giao diện người dùng với phần cứng cách sử dụng khối lưu đồ Visual Designer VI KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau trình nghiên cứu thiết kế chúng tơi xây dựng mơ hình hệ thống đo lường, giám sát thơng số dịng điện, điện áp, cơng suất pin lượng mặt trời Gửi liệu lên Internet theo dõi kết thông qua giao diện thiết kế ứng dụng IoT Controller thể Hình 11 Hình 11 Giao diện hệ thống giám sát thông số điện, pin lượng mặt trời Dữ liệu đo lường, giám sát dịng điện, điện áp, cơng suất hiển thị dạng đồ thị quan sát theo khoảng thời gian phút, giờ, ngày, thể Hình 12-14 Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình đo hiển thị Hình Hình 10 mơ tả lưu đồ thuật tốn chương trình phần mềm hệ thống Mã nguồn phần mềm viết dạng lưu đồ trực quan mơi trường Proteus Visual Designer Hình 12 Đồ thị giám sát dòng điện pin lượng mặt trời Hình 10 Lưu đồ thuật tốn chương trình giao tiếp, điều khiển IoT Controller Trên Hình mơ tả chương trình chính, q trình xử lí thực từ xuống, từ trái qua phải Sau khởi tạo, hệ thống thực khai báo biến ISBN 978-604-80-5958-3 Hình 13 Đồ thị giám sát điện áp pin lượng mặt trời 201 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) 1.1%; phép đo điện áp shunt sai số 0.97%, phép đo điện áp tải sai số 1% phép đo công suất sai số 0.94% BẢNG II SAI SỐ CỦA CÁC PHÉP ĐO Sai số tương đối phép đo (%) Hình 14 Đồ thị giám sát cơng suất pin lượng mặt trời Thử nghiệm hệ thống đo lường, giám sát thông số điện pin mặt trời tiến hành phịng thí nghiệm, mơ hình thử nghiệm gồm pin lượng mặt trời 5V, 200mA đặt làm nguồn, pin đấu nối qua tải biến trở 200Ω Điều chỉnh biến trở thay đổi giá trị khác nhau, tiến hành đo thơng số dịng điện, công suất, điện áp Shunt, điện áp tải điện áp Bus BẢNG I CÁC THÔNG SỐ ĐO ĐƯỢC TỪ HỆ THỐNG Thơng số Thứ tự Dịng điện (mA) Điện áp shunt (mV) Điện áp tải (V) Công suất (mW) A B A B A B A B 28.7 29 2.97 3.1 4.9 144 145 31.1 31 3.15 3.1 4.9 4.9 154 152 32.4 32 3.36 3.4 5 162 164 36 35 3.85 3.9 4.9 178 177 37.6 38 3.86 3.9 5 186 188 39.5 39 3.9 3.9 4.9 196 193 45.4 45 4.57 4.6 4.9 224 226 51.5 52 5.24 5.2 5 256 259 53.7 53 5.45 5.5 5 268 268 10 64.4 64 6.53 6.6 4.9 322 325 11 90.8 90 9.05 9.1 4.9 452 456 12 97.5 98 9.79 9.7 4.9 4.9 488 483 Dòng điện Điện áp shunt Điện áp tải Công suất 1.04 1.34 0.7 0.32 1.58 1.29 1.23 1.19 1.23 2.7 1.28 0.5 1.06 1.03 1.07 1.26 1.53 0.88 0.66 0.89 0.97 1.14 1.17 1.3 0.92 0 10 0.62 1.07 0.93 11 0.88 0.55 0.88 12 0.52 0.92 1.02 Sai số trung bình (%) 1.1 0.97 0.94 Từ kết thử nghiệm cho thấy hệ thống đo lường, giám sát thông số điện pin mặt trời cho kết đo xác với sai số phép đo khoảng 1% Hệ thống hoạt động ổn định liên tục thời gian dài VII KẾT LUẬN Trong nghiên cứu chúng tơi xây dựng thành cơng mơ hình hệ thống đo lường, giám sát thông số điện pin lượng mặt trời sử dụng công nghệ IoT tảng ứng dụng IoT Controller Những thông tin bao gồm dịng điện, cơng suất, điện áp Shunt, điện áp tải điện áp Bus giám sát trực tiếp với kết phép đo có độ xác cao Chúng tơi đề xuất sử dụng phương pháp thiết kế trực quan môi trường Visual Designer để đơn giản hóa lập trình cho hệ thống Mơ hình hệ thống đáp ứng mục tiêu đặt khả thi việc triển khai thành hệ thống giám sát điện lượng mặt trời phục vụ cho hoạt động vận hành, bảo dưỡng phù hợp với trạm có vốn đầu tư Kết đo lường so sánh với kết đo lường từ thiết bị đo chuẩn đồng hồ vạn Hioki Các thông số đo từ hệ thống thử nghiệm thống kê cột A thông số đo từ đồng hồ vạn Hioki thống kê cột B Bảng I Trong tương lai, hệ thống tiếp tục định hướng phát triển tích hợp thêm nhiều cảm biến để thực nhiều tác vụ giám sát nhiều thông số Nếu xem số liệu đo từ đồng hồ vạn Hioki số liệu đo lường chuẩn từ số đo lường hệ thống thử nghiệm số liệu đo đồng hồ Hioki, xác định sai số tương đối phép đo, kết sai số thể Bảng II Từ Bảng II cho thấy sai số tương đối hệ thống thử nghiệm sau: Đối với phép đo dòng điện sai số ISBN 978-604-80-5958-3 Thứ tự TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 202 Dương Quốc Hưng, Nguyễn Hữu Cơng, Nguyễn Thế Cường, Đồn Đức Quang, “Xây dựng hệ điều khiển giám sát trạm điện lượng mặt trời hòa lưới, ứng dụng Lào Cai”, TNU Journal of Science and Technology, 226 (07), pp 241246, 2021 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) [2] [3] [4] http://bangledhienthi.com/San-pham/Giam-sat-dien-nangluong-mat-troi-ad201650.html, truy cập lần cuối ngày 14.09.2021 Võ Trung Hùng, “Giáo trình lập trình trực quan”, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2018 Burnett M., and Baker M J., “A classification system for visual programming languages”, J Visual Languages and Computing, pp 287–300, September 1994 ISBN 978-604-80-5958-3 [5] [6] [7] [8] 203 Chang S.-K., “Principles of Visual Programming Systems”, Prentice Hall, New York, 1990 https://www.labcenter.com/visualdesigner/, truy cập lần cuối ngày 16.09.2021 https://letienvinh.com/iot-giam-sat-truc-tuyen-dien-mat-troihoa-luoi/, truy cập lần cuối ngày 16.09.2021 https://longvu.net/lap-dat-he-thong-pin-nang-luong-mat-troi30kw, truy cập lần cuối ngày 16.09.2021  ... Hình Trình thiết kế Proteus Visual Designer [6] Khởi tạo thông số III HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, GIÁM SÁT THƠNG SỐ ĐIỆN PIN MẶT TRỜI N A Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống giám sát thơng số điện pin mặt. .. điện Hình Mơ hình hệ thống điện mặt trời [8] B Sơ đồ khối hệ thống lưu đồ giải thuật Sơ đồ khối hệ thống giám sát thông số điện pin mặt trời minh họa Hình Điện thoại cài đặt ứng dụng IoT wifi Controller... suất pin lượng mặt trời Gửi liệu lên Internet theo dõi kết thông qua giao diện thiết kế ứng dụng IoT Controller thể Hình 11 Hình 11 Giao diện hệ thống giám sát thông số điện, pin lượng mặt trời