Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phân tích chất lượng điện năng trong hệ thống điện

VIEEINA\ BO CONG THUONG việN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TU, TIN HOC, TU PONG HOA & BAO CAO KET QUA THUC HIEN DE TAI NCKH&PTCN CAP BO NAM 2010 NGHIEN CUU THIET KE CHE TAO MAY PHAN TICH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NANG TRONG HE THONG DIEN Cơ quan chủ trì: VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HOC, TU BONG HOA Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN THẺ VINH HÀ NỘI - 2010 VIEEINA\ BO CONG THUONG việN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TU, TIN HOC, TU PONG HOA & BAO CAO KET QUA THUC HIEN DE TAI NCKH&PTCN CAP BO NAM 2010 NGHIEN CUU THIET KE CHE TAO MAY PHAN TICH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NANG TRONG HE THONG DIEN CO QUAN CHU TRI VIỆN TRƯỞNG CHỦ NHIỆM ĐÈ TÀI Nguyễn Thế Truyện Nguyễn Thế Vinh MỤC LỤC PHAN 1.1 1.2 MỞ ĐÀU Tổng quan Phân loại chất lượng điện theo tiêu chuẫn quốc tế 1.2.1 Hiện tượng chuyển tiếpnhất thời 1.2.2 Các biến thiên điện áp thời gian ngắn 1.2.3 Các biến thiên điện áp thời gian dài 1.2.4 Méo dang séng 1.2:6 Dao động điện áp 1.2.8 Các biến đối tằn số 1.2.7 Mất cân điện 1.3 Các tiêu chất lượng điện Việt Nam [BỊ 1.3.1 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3971-84 1.3.2 Nghị định số 45/2001/NĐ-CP Chính phủ 1.3.3 Quy phạm trang bị điện Bộ Công nghiệp 1.4 Các thiết bị giám sát chất lượng điện 1.4.1 Các thiết bị phân tích chất lượng điện 1.4.2 Data Logger va Chart Recorder 1.5 1.6 1.7 1.8 1.8 1.4.3 Các déng RM! Cấu hình chung thiết bị phân tích chất lượng điện Các vị trí cần kiểm tra chất lượng điện Mục tiêu đề tài Nội dung nghiên cứu Mô tả phương pháp nghiên cứu PHAN THIET KE PHAN CUNG 2.1 Thiết kế tổng thể thiết bị phân tích chất lượng điện 2.1.1 Cơ sở quan điểm thiết kế phần cứng 2.1.2 Câu hình phân cứng thiết bị 2.1.3 Đặc điểm thiết bị phân tích chất lượng điện đề tài 2.2 Lựa chọn vật tư linh kiện đễ thiết kế module 2.2.1 Lựa chọn chia tỷ lệ cách ly điện áp 2.2.2 Lựa chọn chia tỷ lệ cách ly dòng điện 2.2.3 Lựa chọn linh kiện để thiết kế lọc Anti-aliasing filter 2.2.4 Lựa chọn linh kiện cho chuyển đổi tương tu/số ADC 2.2.5 Lựa chọn linh kiện cho truyền thông 2.2.8 Lựa chọn xử lý trung tâm 2.3 2.2.7 Lựa chọn nguồn cung cất Nghiên cứu thiết kế module HMI 2.3.1 Màn hình hiễn thị Graphic LCD (GLCD 2.3.2 Bàn phím 2.3.3 Thiết kế khối truyền thơng RS485 2.4 Nghiên cứu thiết kế module xử lý tính tốn Nghiên cửu thiết kế, chế tạo máy phản tich chất lượng điện 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiếtkế khối chia tỷ lệ cách ly điện áp chia tỷ lệ cách ly đồng điện bảo vệ lọc thơng thấp cho đầu vào dịng điệi lọc thông thấp cho đầu vào điện áp module chuyển đối tương tỰ sang số 2-45 2-48 2-51 2-62 THIET KE PHAN MEM 3-55 2.4.8 Thiết kế module xử lý trưng tam PHAN 3.1 3.2 3.3 2-63 2-83 Cơ sở quan điễm thiết kế phần mềm nhúng Thiét ké chương trình phần mềm HMI 3-55 „3-58 Thiết kế chương trình phần mềm xử lý tính tốn „3-85 3.2.1 Module chương trình cài đặt thơng s 3.2.2 Module chương trình truyền thơng nội 3.3.1 Chương trình xỬ lý tín hiệu tương tư 3.3.2 Chương trình tính tốn thơng số điện 3.4 Thiết kế phần mềm máy tính 3.4.1 Thiết kế module „3-88 3-59 „3-85 „ 3-68 „3-71 -371 3.4.2 Một sỐ giao diện phần mềm máy tính PHAN THU NGHIEM THIET BI 3-73 475 4.1 -4-78 -4-78 -4-78 Mục tiêu, nội dung thử nghiệm phịng thí nghiệm 4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm 4.1.2 Nội dung thử nghiệm phòng thí nghiệm 4.2 Cấu hình tốn phục vụ thử nghiệm phịng thí nghiệm 4.2.1 Thiết lập kết dây phần cứng module phân tích đồng điệ 4.2.2 Thử nghiệm chức phân tích điện áp 4.3 Kết thử nghiệm phịng thí nghiệm 4.4 Mục tiêu, nội dung thử nghiệm thực tế 4.4.1 Mục tiêu thử nghiệm 4.4.2 Nội dung thử nghiệm thực 4.5 4.6 4.7 Gấu hình phục vụ thử nghiệm Tổ chức thực Kết thử nghiệm thực tế PHAN PHULUC BAO CAO 5.1 Phụ lục 1: Thiết kế khí 5.1.1 VO may 5.1.2 Kiểu vỗ 5.1.3 Mặt trước 5.1.4 Phần thân PQA-10-1 5.1.5 Giắc đấu nói 5.2 5.1.6 Hình ảnh máy phân tích chất lượng điện PQA-10-1 Phụ lục 2: Các vẽ thiết kế phần cứng 5.2.1 Các thiết kế phần cứng 6.2.2 Sơ đồ nỗi day module áp Bảo cáo nỗi dung thực để tài cấp 20 10 Viện nghiền cửu Điện tử, Tin học, Tự động hôa - +78 „ 4-76 -4-77 477 4-78 4-78 4-79 4-79 4-80 4-80 5-81 5-81 - 6-81 „5-81 -6-81 6-81 „ 6-82 - 6-83 - 5-84 „5-84 6-86 Trang 1-2 Nghiên cửu thiết kế, chế tạo máy phản tich chất lượng điện 5.2.3 Sơ đồ module đo dòng điệi 5.3 Phụ lục 3: Hướng dẫn vận hành PQA-10-1 5.3.1 Giao diện hiễn thi 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.6 5.3.6 5.3.7 5.3.8 5.3.9 5.4 5.5 5.6 Các phím chức Các LED thị Màn hình hiễn thị GLCD 128x64 Trạng thái LEI Màn hình hiển thị ban đầu PQA-10-1 cấp điện Trang phân tích địng điện Trang phân tích điện áp Trang phân tích cơng su: , cosØ,tần sỐ thôngsi Phụ lục 4: Các ngn điều hồ ảnh hưởng 5.4.1 Tả tiêu dùng 5.4.2 Tải cơng nghiệp 5.4.3 Các tính chất đáp ứng tần số hệ thống 5.4.4 Ảnh hưởng điều hoà đến thiết bị Phụ lục5: Các kết thử nghiệm thực tế biên kiểm tra hiệu chuẩn TÀI LIỆU THAM KHẢO Bảo cáo nỗi dung thực để tài cấp 20 10 Viện nghiền cửu Điện tử, Tin học, Tự động hôa Trang 1-3 Nghiên cửu thiết kế, chế tạo máy phản tich chất lượng điện PHẦN MỞ ĐẦU 144 Tổng quan "Thuật ngữ “chất lượng điện năng” (thuật ngữ tiếng anh Power Quality, viết tắt PQ) khái niệm khó định nghĩa, di m cho câu trả lời xác cho câu hỏi chất lượng điện gì? chất lượng điện vấn dé sản phẩm thương mại? câu trả lời phụ thuộc vào quan điểm người Trong [2], R.C Dugan viết Có nhiều định nghĩa khác chất lượng điện năng, điều tuỳ thuộc vào vị trí người đưa định nghĩa Ví dụ người cung cắp điện định nghĩa chất lượng điện độ tín cậy đưa thống kê độ tín cậy Các nhà quản 1ý điện đưa tiêu chuẩn dựa quan điểm Nhưng chất lượng điện xét đến vấn để phối hộ sử dụng, vị trí hộ sử dụng điện xét đến chiếm vị trí hàng đầu Và R.C Dugan định nghĩa chất lượng điện mật vấn đà điện thể qua sai lệch điện áp, dòng điện hay tân số dẫn đến thiết bị người sử dụng bị hông hoạt động sai, Cac quan tiêu chuẩn hoá quốc tế bắt đầu định nghĩa phân loại hoá tượng liên quan đến chất lượng điện năng, Định nghĩa đưa từ IEEE, bắt nguồn từ IEEE Emerald Book, cho rằng: chất lượng điện khái niệm việc nỗi nguén nối đất cho thiết bị nhạy cảm mà theo cách phù hợp cho việc hoạt động thiết bị [3] Vào năm 2000 IEC bắt đầu có bước khởi đầu định nghĩa chất lượng điện năng, kết đưa dự thảo đề nghị việc định nghĩa chất lượng điện theo cách sau: Chất lượng điện thông số xác định đặc tính nguồn cung cấp phân phối cho người sử dụng điều kiện hoạt động bình thường dạng ngudn cung cấp hoạt động liên tục tính chất điện áp(sự đối xứng, tần số, biên độ dạng sóng) [3] Tuy nhiên định nghĩa gây nhiều hiểu nhằm, định nghĩa sửa lại là: Chất lượng điện tính chất điện điểm cho trước hệ thắng điện, đánh giá sơ sánh với thông số kĩ thuật tham khảo(với ý kèm là: mội vài trường hợp, thơng số liên quan đến độ tương thích điện Bảo cáo nỗi dung thực để tài cấp 20 10 Viện nghiền cửu Điện tử, Tin học, Tự động hôa Trang 14 Nghiên cửu thiết kế, chế tạo máy phản tich chất lượng điện năng cung cấp mạng tải kết nối với mạng ) [3] Hình vẽ minh họa gia tăng hoạt động nghiên cứu lĩnh vực chất lượng điện giới (wích tài liệu “Signal processing of power quality distubances”, , Math H.J Bollen, 2006) 1000) 800 600 400 200 1970 1975 1080 168E “1990 1995 2000 2005 Hình Biểu đồ quan tâm đến chất lượng điện Do yêu cầu thực tế thiết bị điện ngày sử dụng nhiều, điện thành sản phẩm kinh doanh thương mại có giá trị lớn nên nhà cung cấp điện hộ sử dụng điện ngày quan tâm đến chất lượng điện Ngay từ khái niệm chất lượng điện đưa đầu thập kỉ 80 kỉ 20 Ip tức trở thành khái niệm gây tranh cãi, ngày cịn nhiều bất đồng việc sử dụng khái niệm trên, cách định nghĩa việc áp dụng cho xác Ngun nhân khó định nghĩa đại lương vật lý kiểu lượng, số khái niệm khác sử dụng để thay cho khái niệm nầy Một khái niệm “chất lượng điện áp”, sử dụng nhiều tài liệu châu Âu hiểu chất lượng sản phẩm nhà cung cấp phân phối cho hộ sử dụng Khái niệm bổ sung cho khái niệm “chất lượng dịng điện”, định nghĩa sai lệch dạng sóng dịng điện với dòng điện sin lý tưởng, Một khái niệm “chất lượng nguồn cưng cấp” (quality of supply) nhung khái niệm không sử dụng nhiều Khái niệm “chất lượng tiêu thụ” (quality of consumption), giống trên, khái niệm dùng ngành công Bảo cáo nỗi dung thực để tài cấp 20 10 Viện nghiền cửu Điện tử, Tin học, Tự động hôa Trang 1-5 Nghiên cửu thiết kế, chế tạo máy phản tich chất lượng điện nghiệp điện không nên quan tâm nhiều đến Trong tiêu chuẩn, thuật ngữ chất lượng điện thức sử dụng nhiều nơi Ở Mỹ tiêu chuẩn IEEE (Institue of Electic and Electronic Engineers), tiêu chuẩn SCC ( Standard Coordinate Committees), cụ thể SCC 22 thức chấp nhận thuật ngữ chất lượng điện Mặc dù tài liệu (tiêu chuẩn) IEC (Itemational Electrotechnical Commission), tổ chức thiết lập tiêu chuẩn điện quốc tế, thuật ngữ chất lượng điện khơng xuất thức, năm 2002 dự thảo tiêu chuẩn IEC thuật ngữ chất lượng điện sử dụng lần Chất lượng điện vấn đề có ý nghĩa chiến lược toàn ngành điện, nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác, bảo dưỡng, quản lý, nhà chế tạo thiết bị lý sau đây: a Tinh chất cạnh tranh kinh tế đồi hỏi điện phải đảm bảo thường xuyên với chất lượng tốt a_ Việc sử dụng ngày rộng phụ tải nhạy cảm với chất lượng điện máy tính, thiết bị đo lường-điều khiển, hệ thống thơng tín liên lạc đồi hỏi phải cung cấp điện với chất lượng cao a_ Việc suy giảm chất lượng điện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi thọ bị giảm a_ Thị trường điện (trên giới) thị trường mở tự do, xí nghiệp có khả lựa chọn nhà cưng cấp điện có chất lượng cao Mục đích cuối vấn đề nghiên cứu phân tích chất lượng điện để giải nâng cao chất lượng điện tiết kiệm điện (trong để tài không thực vấn để nâng cao chất lượng điện tiết kiệm điện) Giải vấn để chất lượng điện phụ thuộc vào việc thu thập liệu có ý nghĩa địa điểm tối ưu địa điểm khung thời gian nhạy cảm Để có liệu hữu ích xác đáng, cần sử dụng dụng cụ phù hợp cho ứng dụng cụ thể, ví dụ đồng hồ đo, ghi phân tích điện chí hệ thống SCADA, Hầu hết vấn đề chất lượng điện mà không công nhận sử dụng dụng cụ không phù hợp cho ứng dụng Vấn đề Bảo cáo nỗi dung thực để tài cấp 20 10 Viện nghiền cửu Điện tử, Tin học, Tự động hôa Trang 16 Nghiên cửu thiết kế, chế tạo máy phản tich chất lượng điện quan trọng đầu tư nâng cấp chất lượng phí lớn dấn đến tăng lên phải cần khoản kinh giá Để kiểm tra xem thực tế có cần tiến hành khoản đầu tư cải thiện chất lượng điện hay khơng, việc kiểm tra chất lượng nguồn cung cắp có tính định Việc kiểm tra giúp tìm nguồn gây gián đoạn cho phép so sánh chất lượng điện vị trí khác Một ví dụ thực tế khách hàng tiêu thụ điện An Độ nay, việc gián đoạn cung cấp điện mức điện áp thấp vấn đề cần quan tâm liên tục, không ngừng Các công ty lực thừa nhận vấn để tiến hành đầu tư lớn nhằm cải thiện chất lượng điện Ð: hành giải chất lượng điện năng, thiết bị thu thập đữ liệu ESMI lắp đặt "Thành phố Pune Dữ liệu từ vị trí tải xuống theo chu kỳ công bố trang web Prayas Các kết thu tham chiếu tới tiêu chuẩn Châu Âu Bắc Mỹ Trong tuần kiểm tra đầu tiên: a_ Điện áp định mức trì tới 23% thời gian a_ Điện áp thấp chiếm đến 69% thời gian a_ Điện áp thấp mức 7% thời gian a_ Mắt nguồn cung cấp điện 1% thời gian Con số 1% cuối có nghĩa tuần có Ih45 phút mắt điện Bảng trình bày kết kiểm tra Thành phố Pune Hình minh hoa dang sóng điện áp theo thời gian đo đếm Bảng Kết kiểm tra Pune, theo [2] Gián đoạn tạm thời (3 giữ Tổng cộng: 26 32 Ế - 86 - Bảo cáo nội dung thực để tái cấp 20 10 Viện nghiên cửu Điện tử, Tin hoe, Ty dng hoa 144 Trang 17 Nghiên cửu thiết kế, chế tạo máy phản tich chất lượng điện Điện áp Ảnh mức 225 i 150 gr4 a 000 800 400 (gid) 1200 1800 2000 Hình Dang sóng điện áp theo thời gian đo đếm 1.2 Phân loại chất lượng điện theo tiêu chuẩn quốc tế Khởi đầu từ cách phân loại yếu tố chất lượng điện IEC, uỷ ban hợp tác tiêu chuẩn 22 IEEE (IEEE SCC22) phát triển thực tế khuyến nghị cho việc giám sát chất lượng điện trình bày [1] IEEE phân loại yếu tố chất lượng điện dựa tần số, khoảng thời gian tồn biên độ của yếu tố Trên sở đó, IEEE thành lập bảng tổng phân loại tính chất tượng điện từ hệ thống điện, bảng đưa thông tin tuân theo tần số, khoảng thời gian, biên độ tương ứng với tượng điện từ yếu tố phân loại Hiện gi i rat nhiễu quan quản lý điện, tiêu chuẩn hay hãng sản xuất sử dụng bảng phân loại yếu tố chất lượng điện IEEE Bảng Phân loại tính chất tượng điện từ hệ thống điện Phân loại Transient Xury TI Nano gig 1.12 Micro giây 113 Mii gia 12 Dao độn, 12.1 Tân số thập, 1.2.2 Tan số trung bình 12.3 Tân số cao Các biển đội thời gian ngăn 2.1 Tie thdi (instantaneous) 21.1 Ngất 2.1.2 Lom 21.3 Loi 2.2 Thoáng qua (Momentary) "Tân số điển hình Khoăng thời gian điển hình en độ điện ấp Sons Bn Tu lấn, Leis tan