Bài viết Nghiên cứu và chế tạo thiết bị IoT giám sát và thu thập dữ liệu từ xa bộ điều khiển tụ bù hạ áp trình bày việc thiết kế, chế tạo thiết bị IoT thu thập dữ liệu của bộ điều khiển tụ bù hạ áp từ xa qua mạng viễn thông 4G. Thiết bị bao gồm mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32 giao tiếp với bộ điều khiển tụ bù DUCATI R8 qua chuẩn truyền thông Modbus RTU, và gửi dữ liệu lên server thông qua giao thức HTTP. Mời các bạn cùng tham khảo!
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ IOT GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA BỘ ĐIỀU KHIỂN TỤ BÙ HẠ ÁP Trần Trung Hiếu1, Ngơ Đình Thanh1, Nguyễn Xn Tiến2, Nguyễn Phúc Lê Huy1, Nguyễn Quang Tiến1 Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Điện lực Chư Pah, Công ty điện lực Gia Lai Email: tthieu2k1@gmail.com ndthanh@dut.udn.vn xuantienpcgl@gmail.com nguyenlehuy681@gmail.com nguyentien12a12807@gmail.com bao gồm vấn đề chưa thể phát kịp thời có hư hỏng kiểm tra định kỳ, tốn nhiều nhân công công tác quản lý vận hành, có vụ tai nạn điện xảy việc kiểm tra đo thông số trực tiếp chưa có phần mềm quản lý theo dõi từ xa Với vấn đề cấp thiết trên, việc yêu cầu hệ thống IoT giám sát từ xa phù hợp với nhu cầu thực tiễn, đảm bảo an toàn lao động, tiết kiệm thời gian chi phí cho việc quản lý có u cầu phải vận hành liên tục hiệu Tóm tắt — Bài báo trình bày việc thiết kế, chế tạo thiết bị IoT thu thập liệu điều khiển tụ bù hạ áp từ xa qua mạng viễn thông 4G Thiết bị bao gồm mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32 giao tiếp với điều khiển tụ bù DUCATI R8 qua chuẩn truyền thông Modbus RTU, gửi liệu lên server thông qua giao thức HTTP Dữ liệu trực quan hóa, lưu trữ, cập nhật theo thời gian thực để dễ dàng truy vấn hiển thị phần mềm quản lý Hệ thống cho phép thu thập thông tin chất lượng điện điện áp, dòng điện tiêu thụ, hệ số công suất cosφ, tần số, trạng thái tụ bù hạ áp, Việc ứng dụng công nghệ IoT giúp cán nhân viên ngành điện tiết kiệm thời gian, công sức để theo dõi số liệu vận hành, kiểm tra định kì chỗ sửa chữa hư hỏng cách kịp thời Giải pháp đảm bảo tủ tụ bù vận hành liên tục theo thời gian thực đảm bảo hệ số công suất cosφ lớn 0,9 Từ kết thực được, dự án cho thấy giải pháp triển khai nhà máy, tủ bù hạ áp hoạt động thuận lợi việc thi công, lắp đặt, vận hành, liệu thu thập theo thời gian thực có độ tin cậy cao Hình Tình hình thực tế quản lý tụ bù điện lực Chư Pưh 2021 II Việc giám sát chất lượng trình hoạt động từ xa hệ thống điều khiển tụ bù thông qua thông số chất lượng điện cosφ, cơng suất phản kháng, dịng điện, điện áp, trạng thái tụ bù… giúp người quản lý vận hành đánh giá xác chất lượng điện năng, đồng thời việc giám sát thông số giúp cảnh báo sớm tình trạng tụ bù để có kế hoạch khắc phục, xử lý sớm xác Hệ thống giám sát thông số lượng điều khiển Từ khóa - Bộ điều khiển tụ bù, IoT, Chất lượng điện năng, Thu thập liệu I GIỚI THIỆU Trong hệ thống điện, tụ bù sử dụng với mục đích bù cơng suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất cosφ nhằm đảm bảo hiệu hoạt động lưới điện Chính thế, khắp nước ta có 100.000 tủ tụ bù loại sử dụng hoạt động liên tục ngày Việc xảy cố hư hỏng tủ tụ bù làm tổn hao dây truyền tải điện, công suất phản kháng không bù sụt áp, ảnh hưởng đến chi phí tiền điện Hiện cịn khó khăn vướng mắc tồn việc quản lý nhiều tủ tụ bù hạ áp hàng tháng, ISBN 978-604-80-7468-5 GIẢI PHÁP XỬ LÝ 31 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) tụ bù hạ áp từ xa thông qua mạng viễn thông 4G chia làm phần: Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị Hình Giải pháp thiết kế hệ thống thu thập liệu • Thu thập liệu • Xử lý truyền liệu • Quản lý trực quan hóa liệu Thu thập liệu: Các thông số tụ bù điều khiển tụ bù Ducati chuyển module thu thập liệu thông qua giao thức Modbus RTU Các trạng thái tụ bù giám sát trực tiếp thông qua tiếp điểm phụ contactor Phần xử lý truyền liệu: Dữ liệu bóc tách, xử lý, đóng gói theo dạng Json gửi lên Database thông qua giao thức HTTP vi điều khiển STM32F407 module Sim 7600E-H Phần quản lý trực quan hóa liệu: Các thơng số gửi lên sở liệu cập nhật thời gian thực, liệu lưu truy vấn đến để hiển thị lên webserver lưu thời gian tương đối tùy vào dung lượng liệu cập nhật đến III Hình Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng Thiết kế nguyên lý mạch phần cứng: Sơ đồ nguyên lý thiết bị giám sát Role tụ bù Ducati R8[1] bao gồm phần: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ VẬN - Phần Nguồn sử dụng nguồn Uno Phoenix Contact [2] Từ chia hai nguồn để đảm bảo cách ly cho thiết bị HÀNH Từ yêu cầu, báo hướng đến mục tiêu nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị giúp cho điện lực Chư Pưh giám sát thông số vận hành tụ bù hạ áp lưới điện theo thời gian thực Từ đó, xây dựng hệ thống nơi thông số tụ bù, trạng thái làm việc, chất lượng điện áp gửi trung tâm điều khiển, góp phần nâng cao chất lượng điện Cụ thể, hệ thống đề xuất: • Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo lường, giám sát từ xa thông số lượng quan trọng tích hợp kết hợp với phần mềm mã nguồn mở Scada để lập trình, thu thập số liệu phục vụ cho công tác quản lý vận hành tụ bù hạ áp • Giám sát trạng thái làm việc hệ thống contactor để so sánh với tín hiệu từ Relay điều khiển tụ bù, từ theo dõi tình trạm vận hành tủ bù • Triển khai lắp đặt thử nghiệm lưới Điện lực Chư Pưh, sau đánh giá độ tin cậy thiết bị sau vận hành trực tiếp ISBN 978-604-80-7468-5 - Phần truyền thông lên Web Server sử dụng Module SIM7600E-H[3] có chân UART để kết nối với vi điều khiển STM32F407 - Phần thu thập liệu sử dụng vi điều khiển STM32F407 có thống số bậc [4] Đồng thời có khả tiêu thụ lượng thấp hiệu cao Cùng tính Watch Dogs, bảo mật Có cân lượng tiêu thụ hiệu suất - Phần mạch giao tiếp Ducati thiết bị thu thập: Mạch chuyển giao tiếp TTL to RS485 - Phần đầu vào sử dụng PC817[5] đọc trạng thái contactor 32 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) - Bước 3: Thiết lập khung truyền Modbus RTU để lấy số liệu từ điều khiển tụ bù - Bước 3: Thực gửi liệu chờ nhận liệu phản hồi - Phần Led báo trạng thái hoạt động điều khiển trung tâm (STATUS LED) Hình Lưu đồ thuật tốn q trình truyền nhận, xử lý liệu - Bước 4: Nhận liệu tính CRC để kiểm tra tính xác liệu, trình kiểm tra lặp lặp lại để bảo đảm liệu bảo toàn xác - Bước 5: Thực ghép liệu, sau khung truyền liệu phản hồi thực tách ghép liệu để lấy thông số cần - Bước 6: Thiết lập khung truyền cho HTTP để gửi liệu lên Database - Bước 7: Khung truyền HTTP gửi qua module sim 7600E-H định sẵn địa domain server mà thiết bị kết nối tới Hình Lưu đồ thuật tốn q trình thiết kế sản phẩm Thiết kế phần mềm ứng dụng: Công nghệ truyền thông thiết bị: Để điều khiển trung tâm giao tiếp với Rơle điều khiển tụ bù, ta sử dụng chuẩn truyền thông Modbus RTU [6] IV Q TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU Hình Cấu trúc khung truyền Modbus RTU Module Sim SIM7600E-H có nhiều giao thức để giao tiếp phục vụ chức khác Ở đây, nhóm dùng giao thức HTTP [7] gửi liệu thu thập với định dạng liệu JSON lên server Thuật toán truyền nhận, xử lý liệu: - Bước 1: Khởi tạo ngoại vi gồm: UART, Timer GPIO, đó: + UART dùng để tạo đường truyền cho Modbus RTU giao tiếp module SIM + Timer dùng để định thời gian gửi khung truyền, tính cơng suất tiêu thụ + GPIO dùng để hiển thị đèn nhận tín trạng thái từ contacter - Bước 2: Thiết lập khung truyền HTTP để gửi liệu lên Websever ISBN 978-604-80-7468-5 Hình Chương trình giám sát vận hành tụ bù hạ áp từ xa Sau lắp đặt thành công mô hình, tiến hành thao tác thử nghiệm với thiết bị điện công suất nhỏ Hệ thống kết nối với mạng điện hạ áp pha có tải tiêu thụ đấu nối vào Các thiết bị đọc thơng số bao gồm: Điện áp; Dịng điện tiêu thụ; Hệ số công suất; Công suất tác dụng; Cơng suất phản kháng; Trạng thái đóng cắt contactor trạng thái thực tế tụ bù hạ áp 33 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Dữ liệu thu thập sau đóng gói gửi lên máy chủ theo giao thức Http mạng viễn thơng 4G Trên hình máy tính, thông số nêu hiển thị hình thay đổi theo thời gian thực Hình 9b Giám sát thông số theo biểu đồ hệ thống hay cần sửa chữa kịp thời mà liên tục đến tận nơi kiểm tra Các thông tin thu thập xử lý, hiển thị dạng biểu đồ, giúp người giám sát dễ dàng tiếp cận thơng tin, nắm rõ tình hình đường dây từ xa, phát điểm bất thường thời gian hoạt động, từ đưa kết luận tính ổn định hệ thống hay cần sửa chữa kịp thời mà liên tục đến tận nơi kiểm tra Hình 9a Giám sát thơng số theo biểu đồ Biểu đồ bên thể giá trị dịng điện (A), cơng suất sử dụng (P), giá trị điện áp (U), hệ số cosφ, trục hoành thể thời gian giám sát ngày Qua thông số trên, giám sát viên biết mức sử dụng công suất khu vực tiêu thụ, việc sử dụng lượng có phù hợp với tình hình vận hành lưới điện hay khơng Chính có hỗ trực nhìn trực quan thông số mà người quản lý sớm phát trường hợp vận hành không hiệu hay tình trạng bất thường nguồn tiêu thụ thiết bị hệ thống điện, khắc phục tình trạng chất lượng điện áp khơng ổn định cho hoạt động cung ứng điện Định hướng phát triển thiết bị: - Phát triển nhiều thiết bị để thu thập vị trí khác tạo thành hạ tầng hệ thống kiểm tra theo dõi trạm tụ bù tỉnh Gia Lai - Lưu liệu đọc thời gian dài, phục vụ mục đích truy xuất cần thiết - Nâng cấp phần cứng thiết bị để phù hợp với sản xuất số lượng lớn, chất lượng cao - Xây dựng thuật tốn nhằm tối ưu hóa lượng điện tiêu thụ, cập nhật phần mềm từ xa - Cung cấp thiết bị giám sát lượng giá cạnh tranh cho thị trường - Nâng cấp giao diện người dùng thân thiện hơn, thiết kế giao diện mobile Thơng qua giá trị dịng điện thể mức sử dụng công suất khu vực tiêu thụ, việc quan sát trực quan giúp người quản lý biết việc sử dụng lượng có phù hợp với tình hình vận hành lưới điện hay khơng Điều giúp người quản lý sớm phát trường hợp vận hành không hiệu quả, chất lượng điện áp có đảm bảo hay khơng, hay tình trạng bất thường nguồn tiêu thụ thiết bị hệ thống điện, giám sát công suất tiêu thụ khu dân cư V Về hiệu đạt được, bước đầu xây dựng thành cơng mơ hình thử nghiệm đầu tiên, tiến hành thu thập thành công liệu thực số thiết bị công suất cỡ vừa nhỏ thông qua thiết bị đọc liệu, thực đưa liệu cập nhật thời gian thực máy chủ người sử dụng hiển thị Webserver Việc giám sát thuận tiện theo dõi từ xa Đạt mục tiêu như: Giá trị điện áp biểu đồ dao động việc đóng cắt thiết bị sử dụng điện hộ tiêu thụ, nhiên đảm bảo theo quy định độ giao động điện áp Qua biểu đồ trên, có thời điểm giá trị cosφ