Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống giám sát điện năng trong nhà máy

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TRONG NHÀ MÁY A STUDY ON DESIGN AND FABRICATION OF A POWER MANAGEMENT SYSTEM FOR FACTORIES Nguyễn Hữu Đức ĐẶT VẤN ĐỀ TÓM TẮT Điện chiếm tỷ trọng lớn việc sử dụng lượng thứ cấp nhà máy Sử dụng lượng tiết kiệm hiệu yêu cầu cấp thiết đặt đơn vị sử dụng lượng trọng điểm Tuy nhiên việc giám sát hệ thống điện nhà máy đa phần thực thủ công Điều dẫn tới khó khăn việc phân tích đánh giá việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu Ngoài ra, việc khơng có hệ thống giám sát, cảnh báo tức thời tình trạng bất thường vận hành hệ thống điện có nguy gây cố nghiêm trọng cháy, nổ, điện ngừng sản xuất Thiệt hại kinh tế người cố lớn Do cần thiết ứng dụng hệ thống giám sát hệ thống điện theo thời gian thực giúp giám sát, phát cảnh báo sớm điều kiện bất thường vận hành, qua giúp người vận hành khắc phục trước cố xảy Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điện ứng dụng cho đơn vị sử dụng lượng lớn, qua giúp sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả, giảm cố bất thường hỗ trợ bảo trì, bảo dưỡng theo điều kiện (CBM) Chức lập trình, thiết kế mạch điện tử chương trình giám sát viết phần mềm tập trung giúp người vận hành sử dụng thuận lơi Các kết thử nghiệm hệ thống đề xuất cho kết đáp ứng nhu cầu quản lý, vận hành đơn vị sử dụng lượng Từ khóa: Hệ thống giám sát điện năng; giám sát; quản lý; chuẩn đoán; cố; CBM ABSTRACT Electricity accounts for a large proportion in the use of secondary energy in factories today Economical and efficient use of energy is an urgent requirement for key energy users However, the monitoring of the power system in factories is currently mostly done manually This makes it difficult to analyze and evaluate the efficient use of energy In addition, the absence of a monitoring and immediate warning system in the operation of the power system may cause serious problems such as fire, explosion, power failure and production stoppage The economic and human losses in these incidents are enormous and uncountable Therefore, it is necessary to apply a real-time power system monitoring system to monitor, detect and give early warning of abnormal conditions in operation, thereby helping the operator to remedy the problem timely This article presents the results of research, design and manufacture of the power monitoring system for large energy users, thereby helping to use energy economically and efficiently, reducing abnormal incidents It also helps to maintenance according to condition (condition based maintenance - CBM) The main functions are programmed and designed on electronic circuit The monitoring program is written on the centralized software to help the operator use it conveniently The test results of the proposed system meet the management and operation needs of electric power systems in factories Keywords: Smart transformer; monitoring; management; diagnostic; fault; CBM Trường Đại học Điện lực Email: ducnh@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 10/4/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 10/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/6/2021 16 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (6/2021) Trong năm qua, Việt Nam kinh tế phát triển động với tốc độ tăng trưởng GDP bình quân vào khoảng 7%/năm Đi với phát triển kinh tế, xã hội nhu cầu lượng nói chung điện nói riêng ngày tăng cao, với mức độ tăng trưởng nhu cầu điện khoảng 12 - 15%/năm [1] Để đáp ứng với mức tăng trưởng áp lực đầu tư xây dựng nhà máy điện mới, với đầu tư hệ thống truyền tải, phân phối Việc đầu tư nâng cấp hệ thống điện quốc gia địi hỏi nguồn lực tài lớn Trong trình sử dụng lượng tồn sử dụng lượng chưa hợp lý, tối ưu Nhiều nhà máy, công xưởng chưa có giải pháp sử dụng lượng tối ưu, kế hoạch sản xuất chưa hợp lý Phương pháp quản lý lượng cịn thơ sơ, thiết bị giám sát chỗ phân tán, tốn nhân lực vận hành, liệu chưa số hóa Chính phủ phê duyệt Chương trình quốc gia sử dụng lượng tiết kiểm hiệu giai đoạn 2019 2030 [2] Chương trình đặt mục tiêu đạt mức tiết kiệm lượng từ 5,0 đến 7,0% tổng tiêu thụ lượng toàn quốc giai đoạn từ 2019 - 2025, giảm mức tổn thất điện xuống thấp 6,5% Các doanh nghiệp hướng đến áp dụng tiêu chuẩn ISO 50001 nhằm tiết kiệm chi phí, hướng tới hệ thống quản lý lượng theo tiêu chuẩn tiên tiến, qua tăng lợi cạnh tranh, cao tính minh bạch Do vậy, nhu cầu ứng dụng hệ thống giám sát, đo lường, phân tích Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 lượng điện, an toàn, tiết kiệm xu tất yếu đơn vị sử dụng điện Trên giới có số giải pháp giám sát đo lường, phân tích lượng hệ thống CMS-700 ABB, Eco PMS hang Schneider, Eco Webserver Mitsubishi,… Các hệ thống hãng lớn có nhiều ưu điểm, công nghệ cao, thông minh [3-26] Tuy nhiên, hệ thống cịn số hạn chế tính linh hoạt thực tế vận hành hệ thống điện nước phát triển phần mềm chưa tùy biến theo nhu cầu thực tế doanh nghiệp, ngôn ngữ sử dụng tiếng Anh dẫn đến khó khăn cho người vận hành Ngồi ra, chi phí đầu tư lớn Hệ thống bao gồm Interface để thu thập liệu từ thiết bị cấp trường (Multile Meter, SGMV,…) thông qua Modbus RTU Một Interface giao tiếp tối đa 10 đồng hồ đo Sau liệu chuyển đổi đưa Gateway (SEMSG4.2L) Một Gateway thu thập liệu tối đa 50 đồng hồ đo Gateway kết nối Interface thông qua giao thức Modbus TCP/IP Các thiết bị hệ thống thiết kế “Plug & Play” dễ tích hợp lắp đặt cho hệ thống cũ khách hàng Các đường truyền tín hiệu sử dụng mạng LAN cục có sẵn nhà máy cơng nghiệp Hệ thống linh hoạt với tùy chọn nhiều dòng đồng hồ hãng cung cấp khác Tất đồng liệu hệ thống SES Ví dụ: Schenider, Mitsubisi, Selec, Mikro, Tense,… Phần mềm viết nhằm hiển thị, giám sát thông số từ sensor thu thập, vẽ biểu đồ, xuất báo cáo tùy theo nhu cầu người vận hành THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, XÂY DỰNG GIẢI PHÁP Giải pháp đề xuất bao gồm thiết bị Interface Gateway lắp đặt gần đồng hồ đo Sau liệu thu thập truyền server phần mềm phân tích, xử lý thị giao diện với người sử dụng 3.1 Thiết bị Interface Interfae thiết kế với chức thu thập, chuyển đổi liệu thiết bị trường chuẩn SES Mỗi Interface thu thập liệu tối đa 10 đồng hồ thông qua mạng RS485 Dữ liệu chuyển Gateway trung tâm thơng qua mạng LAN Hình Sơ đồ khối giải pháp đề xuất Với chủ trương thực cách mạng 4.0 Chính phủ tinh thần “Make in Vietnam”, tác giả triển khai nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điện cho đơn vị tiêu thụ điện Tác giả làm chủ công nghệ tiên tiến công nghệ điện tử, cơng nghệ IoT, cơng nghệ thơng tin Interface cài đặt để kết nối với nhiều dòng đồng hồ khác nhau, địa mạng, số đồng hồ kết nối, thời gian timeout đường truyền cài đặt thông qua phần mềm cài đặt Bài báo bố cục sau: Phần giới thiệu nhu cầu giám sát lượng Phần trình bày mơ hình giải pháp đề xuất tác giả Phần trình bày thiết kế chế tạo thử nghiệm kiểm chứng trình bày Phần Phần số kết luận hướng nghiên cứu phát triển MƠ HÌNH GIẢI PHÁP GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG Giải pháp đề xuất mơ tả hình Giải pháp gồm thiết bị thu thập liệu đặt trường; xử lý liệu truyền liệu; phần mềm thực tảng web-server Thiết bị trường đồng hồ đo điện (multi-meter), cảm biến,… có nhiệm vụ thu thập thông số điện tải điện dịng điện, điện áp, cosphi, cơng suất, lượng, chất lượng điện năng; thông số đại lượng không điện nhiệt độ đầu cáp cái, nhiệt độ mơi trường,… Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Sơ đồ khối mạch thiết kế Interface Hình mơ tả sơ đồ khối thiết kế mạch thiết bị Interface Thông số kỹ thuật Interface trình bày bảng Vol 57 - No (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng Thông số kỹ thuật Interface Interface POWER Nhiệt độ hoạt động Cài đặt Kết nối Dữ liệu thu thập [V DC][A] RS485 LAN USB-B WIFI [C] DIN Rail [mm] Pitch [mm] MM Trạng thái đèn LED Power-Active Cổng I/O 24 ± 10% 3A Modbus RTU Modbus TCP/IP 0-60 35 3,81 10 Các liệu giám sát thu thập gửi liên tục lên hệ thống server Với khu vực, nhà máy có mạng LAN cục hệ thống tích hợp đường mạng vật lý này, với nhà máy chưa có hạ tầng mạng việc xây lắp gặp nhiều khó khăn sử dụng mạng không dây 4G Các thông số cấu hình mạng, số kết nối với Interface, cổng kết nối, địa server cài đặt thơng qua phần mềm setup Lưu đồ thuật toán cài đặt cho Interface thể hình Hình Lưu đồ thuật toán thiết bị Gateway SEMS-L Local Block Diagram Hình Lưu đồ thuật tốn thiết bị Interface 3.2 Thiết bị Gateway Gateway thiết kế với chức thu thập liệu trung tâm, quản lý nhóm thiết bị trường, cụ thể liệu tối đa 50 đồng hồ Các liệu giám sát Interface khu vực khác gửi Các liệu định dạng theo chuẩn SES SEMS-L Local Software Meter Port 201 Gateway Message Services Insert Data Services Message Services Insert Data Services Meter 30 Database Meter 31 Port202 Gateway Meter 60 RabitMQ Meter 270 Thread 1: Export Report Process Port210 Gateway 10 GUI Thread 2: Chart Process Message Services 10 Meter 300 Insert Data Services 1: Insert Data Services 2: - Process Warning and Insert Warning data to DataBase - Insert Measure data every minute Insert Reporting data at the end of day Hình Sơ đồ khối kết nối thành phần phần mềm Hình Sơ đồ khối mạch thiết kế Gateway 18 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (6/2021) Hình mơ tả sơ đồ khối thiết kế mạch Gateway Lưu đồ thuật toán cài đặt cho Gateway thể hình Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Các đặc tính kỹ thuật Gateway trình bày bảng Bảng Các đặc tính kỹ thuật Gateway SEMS-L4.2G POWER Cổng I/O Nhiệt độ hoạt động SD Card Cài đặt Kết nối Dữ liệu thu thập 4G Trạng thái đèn LED [V DC][A] RS485 LANx2 USB-B 4G WIFI CANbus [C] DIN Rail [mm] Pitch [mm] MM 24±10% 3A Modbus RTU Modbus TCP/IP MQTT 0-60 16GB 35 3.81 50 Trong trình thử nghiệm hệ thống giám sát điện hoạt động ổn định đáp ứng u cầu tốn đặt Hình mơ tả hình ảnh lắp đặt thiết bị trường trạm biến áp Các chức hệ thống sau thử nghiệm đạt sau:  Đã thu thập đưa hình hiển thị giám sát thơng số điện dịng điện, điện áp, cosphi, công suất, …  Vẽ biểu đồ thông số giám sát theo thời gian thực  Xuất báo cáo liệu vận hành theo nhu cầu người sử dụng  Dữ liệu thu thập đến phút chu kỳ liệu thay đổi tùy theo tình trạng thực tế thiết bị nhu cầu đơn vị vận hành  Khi có tình trạng bất thường, hệ thống tự động thị cảnh báo hình giám sát gửi tin nhắn hoặc/và email tới người vận hành  Dữ liệu thu thập số hóa xuất báo cáo tự động theo yêu cầu người vận hành Power-Active 3.3 Phần mềm Phần mềm cài đặt server giúp thực chức sau:  Giám sát thơng số dịng điện tức thời tải điện có lắp đặt đồng hồ đo điện  Giám sát thông số điện áp tức thời  Giám sát thông số công suất tiêu thụ tức thời tải điện có lắp đặt đồng hồ đo điện  Giám sát điện tiêu thụ tích lũy thành phần tồn nhà máy  Các thơng số chất lượng điện THD thu thập, giám sát phân tích phần mềm  Chu kỳ gửi liệu cài đặt tới đơn vị phút  Cảnh báo vận hành, cảnh báo trạng thái cài đặt tùy theo trạng vận hành thiết bị, dây chuyền sản xuất, giúp phát sớm nguy tiềm ẩn cố Hình Mơ hình thử nghiệm Lab - SES Tất chức tích hợp thiết bị nhỏ gọn, hệ thống Web sever tối ưu, có tính mở giúp cho việc vận hành, tích hợp hệ thống dễ dàng KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Giải pháp thử nghiệm Lab Công ty TNHH Giải pháp lưới điện thơng minh SES Cấu hình thử nghiệm gồm: Mơ hình thử nghiệm với KIT Demo-1 gồm điểm đo Cấu hình hệ thống: + đồng hồ đo với hãng khác nhau: SELEC MFM384, SELEC EM386, Mitsubisi ME96SS, Schneider PM2100, TENSE EM-07K, Mikro DPM-380 + Interface + Gateway + PC Server: Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Giao diện phần mềm với người sử dụng Màn hình giám sát phần mềm mơ tả hình Người vận hành sử dụng máy tính phịng điều khiển trung tâm thiết bị thơng minh có kết Vol 57 - No (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 19 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 nối mạng đề theo dõi, giám sát tình trạng vận hành MBA Hình mơ tả liệu nhiệt độ giám sát biểu đồ lượng theo Như hình liệu thu thập theo chu kỳ phút Dữ liệu điện áp cosphi giám sát biểu đồ hình 10 Khi có vấn đề bất thường phần mềm tự động gửi cảnh báo cho người vận hành mơ tả hình 11 Hình 12 Minh họa giao diện tính tiền điện sử dụng Hình 12 minh họa giao diện tính tiền điện sử dụng Với kết thử nghiệm mơ hình giải pháp đề xuất trình bày hiệu mang lại đơn vị vận hành hệ thống điện đơn vị sử dụng lượng là: Hình Biểu đồ lượng điện tiêu thụ theo  Thu thập liệu từ các đồng hồ multi meter qua thu thập hiển thị liệu tiêu thụ điện năng, thông số vận hành cách trực quan giúp người vận hành, chủ sở hữu có nhìn tổng quan tình trạng máy biến áp (hình ảnh biểu đồ liệu theo thời gian)  Giám sát tải điện theo thời gian thực  Giảm chi phí nhân cơng, tăng tính an tồn cho người vận hành  Giúp người vận hành tối ưu lại hệ thống điện nhà máy nhằm giảm tổn thất, nâng cao hiệu sử dụng lượng  Giúp nhà máy, nhà xưởng đáp ứng tiêu chuẩn ISO 50001 thực cơng việc kiểm tốn lượng dễ dàng xác Hình 10 Thơng số dịng điện cosphi giám sát  Thu thập liệu dây chuyền, xưởng sản xuất giúp người vận hành đưa kế hoạch sản xuất tối ưu  Cảnh báo sớm bất thường, ngăn ngừa cố, giảm chi phí liên quan việc điện từ cố máy biến áp  Giảm chi phí vận hành, bảo trì, sửa chữa thiết bị  Đáp ứng xu hướng số hóa liệu, thực quản lý sản xuất theo xu hướng cách mạng 4.0 KẾT LUẬN Hình 11 Màn hình giám sát thơng số 20 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (6/2021) Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống giám sát điện ứng dụng cho nhà máy, nhà xưởng, tòa nhà đơn vị sử dụng lượng lớn Hệ thống thu thập, giám sát cảnh báo theo thời gian thực Giải pháp gồm thiết bị lắp đặt tải tiêu thụ điện, chuyển đổi truyền liệu phần mềm phân tích xử lý liệu tập trung Hệ thống linh hoạt khả tích hợp mở rộng với phần cứng khác Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Phẩn mềm tùy biến đáp ứng theo nhu cầu cụ thể người sử dụng lượng Giải pháp đặc biệt cần thiết cách mạng số hóa ngành lượng nói riêng xu hướng ứng dụng cách mạng 4.0 sản xuất Việt Nam nói chung Hướng nghiên cứu nhóm là: (1) tích hợp hệ thống giám sát điện vào hệ thống quản lý sản xuất nhà máy; (2) sử dụng thuật toán phân tích, chẩn đốn cố xảy ra, giúp người vận hành có định can thiệp kịp thời, xác Hướng tới việc triển khai bảo trì, bảo dưỡng hệ thống điện nhà máy theo tiêu chuẩn tình trạng thiết bị (CBM) LỜI CẢM ƠN: Nghiên cứu thực với giúp đỡ Công ty TNHH Giải pháp lưới điện thông minh SES TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://gizenergy.org.vn/vn/knowledge-resources/power-sector-vietnam [2] Decision 280/QĐ-TTg dated March 13, 2019 on the Approval of the National Energy Efficiency Programme (VNEEP) for the period of 2019-2030 [3] Market Matthias, 2013 Power Management Systems Lecture Notes on Ship Automation, Hochschule Wismar, Germany [4] Marshel S., Dyonisius, 2014 Perancangan Power Management System Pada Kapal Penumpang, Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya [5] First SCADA systems (last accessed 07/04/2012), Available: http://www.abb.com [6] EDP Inov City (last accessed 07/04/2012), Available: http://www.inovcity.pt/en/Pages/media-center.aspx [7] Austin, Texas, U.S.A (last accessed 08/04/2012), Available: http://www.austinenergy.com/about%20us/company%20profile/smartGrid/ind ex.htm [8] Google Powermeter (last accessed 08/04/2012), Available: http://www.google.com/powermeter/about/ [9] ABB EMS (last accessed 08/04/2012), Available: http://www.bd.abb.com/cawp/seitp202/2ba694bdd4f082dec12576cc00584c40 aspx [10] New Jerseys business case (last accessed 07/04/2012), Available: https://www.njtc.org [11] EEM Dispatch (last accessed 07/04/2012), Available: http://spo.eem.pt/index.php?option=content&task=view&id=336&Itemid=213 [12] EMS Systems (last accessed 07/04/2012), Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_management_system [13] EMS Solutions (last accessed 05/04/2012), Available: http://www.noveda.com/solutions/energymanagement/energyflowmonitor?gclid=COzKidW-j68CFcYOfAodAQ8tzg [14] Siemens EMS (last accessed 05/04/2012), Available: http://www.energy.siemens.com/hq/en/energytopics/smartgrid/?stc=wwecc120054 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn [15] Cisco quits EMS Market (last accessed 05/04/2012), Available: http://www.forbes.com/sites/williampentland/2011/08/14/cisco-exitsenergymanagement-software-market/ [16] EMS History (last accessed 04/04/2012), Available: www.bacnet.org/Bibliography/STB-1988.pdf [17] ABB EMS (last accessed 08/04/2012), Available: http://www.abb.com/industries/db0003db004333/c12573e7003305cbc125702 600386176.aspx [18] Siemens EMS Solutions (last accessed 08/04/2012), Available: http://www.power.siemens.com [19] IEC Grid Standards (last accessed 09/04/2012), Available: http://www.iec.ch/smartgrid/standards/ [20] Smart Grids (last accessed 09/04/2012), Available: http://www.electronics.ca/presscenter/articles/1651/1/GlobalInvestment-inSmart-Grids-to-Double-by-2015/Page1.html [21] GE Digital Library (last accessed 09/04/2012), Available: http://www.gedigitalenergy.com/Communications/ [22] ISO Standard 50001 (last accessed 09/04/2012), Available: http://www.neuralenergy.info/2011/08/iso-50001.html [23] Historical Data (last accessed 09/04/2012), Available: http://www.aspectenterprise.com/ [24] NERC/FERC CIP (last accessed 09/04/2012), Available: http://www.netforensics.com/compliance/ferc_nerc_cip_compliance/ [25] EMS Software (last accessed 09/04/2012), Available: http://www.ptius.com/pti/software/odms/ [26] EU Vision on Smart Grids (last accessed 09/04/2012), Available: http://ec.europa.eu/research/energy/pdf/smartgrids_en.pdf AUTHOR INFORMATION Nguyen Huu Duc Electric Power University Vol 57 - No (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 21 ... (6/2021) Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống giám sát điện ứng dụng cho nhà máy, nhà xưởng, tòa nhà đơn vị sử dụng lượng lớn Hệ thống thu thập, giám sát cảnh báo theo thời... khai nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điện cho đơn vị tiêu thụ điện Tác giả làm chủ công nghệ tiên tiến công nghệ điện tử, cơng nghệ IoT, cơng nghệ thơng tin Interface cài đặt để kết... trình bày thiết kế chế tạo thử nghiệm kiểm chứng trình bày Phần Phần số kết luận hướng nghiên cứu phát triển MƠ HÌNH GIẢI PHÁP GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG Giải pháp đề xuất mô tả hình Giải pháp gồm thiết