Thu thập dữ liệu tự động của các thiết bị đo lường tiêu thụ điện năng thông qua mạng thông tin di động

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNGTRỊNH XUÂN ĐIỆP THU THẬP DỮ LIỆU TỰ ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG TIỂU THỤ ĐIỆN NĂNG THÔNG QUA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

TRỊNH XUÂN ĐIỆP

THU THẬP DỮ LIỆU TỰ ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ

ĐO LƯỜNG TIỂU THỤ ĐIỆN NĂNG THÔNG QUA

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

HÀ NỘI - 2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG

Phản biện 1: TS Nguyễn Chiến Trinh

Phản biện 2: TS Trần Xuân Nam

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn

thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viên thông

Vào lúc: 13 giờ 45 ngày 20 tháng 9 năm 2015

Có thê tìm hiệu luận văn tại:

- Thu viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

Thông

LỜI MỞ ĐẦU

Việc thu thập dữ liệu đo lường có ý nghĩa vô

cùng quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp tới tính hiệuquả của doanh nghiệp có các thiết bị đo đếm Thu thập

dữ liệu lại thường tốn nhiều thời gian, công sức và chi

phí; giải pháp thu thập dữ liệu tự động, từ xa là bài toán

có ý nghĩa thực tiễn trong công tác điều hành, sản xuất,

kinh doanh của doanh nghiệp Việc lựa chọn các giải

pháp thu thập dữ liệu đối với từng hệ thống và thiết bị

đo lường phụ thuộc vào từng doanh nghiệp, quy mô và

đối tượng khách hàng cũng như ứng dụng cụ thể

Ứng dụng tiễn bộ khoa học kỹ thuật và công

nghệ trong lĩnh vực điện tử, viễn thông vào công tác

thu thập dữ liệu tự động, từ xa là một van dé dang đượccác doanh nghiệp trong và ngoài nước quan tâm dé tăngnăng suất lao động, hiệu quả trong sản xuất kinh doanhcủa doanh nghiệp Nổi bật trong đó là giải pháp thu

thập dữ liệu tự động của các thiết bị đo thông qua mạng

thông tin di động theo mô hình AMR (Automatic Meter

Reading).

CHƯƠNG 1:

TONG QUAN VE THU THẬP DU LIEU ĐO LUONG TU DONG, TU XA

Chương I nếu lên thực trang thu thập dit liệu từ

các thiết bị do lường nói chung và thiết bị do lường

điện nói riêng hiện nay Tổng quan về phương pháp thu

thập dit liệu thu công, thu thập dữ liệu từ xa và thu tháp

dữ liệu tự động, nêu lên những ton tại cần được khắc

phục của từng phương pháp Trên cơ sở đó đưa ra giải

pháp thu thập dữ liệu tự động, từ xa cho các thiết bị đo

lường Trọng tâm là hướng tới giải pháp trong đo lường điện, xây dựng căn bản mô hình giải pháp thu thập dữ liệu từ công tơ điện tử.

1.1: Thực trạng thu thập dữ liệu đo lường hiện

nay

1.1.1: Thu thập dữ liệu thi công

Ở nước ta hiện nay việc thu thập dữ liệu từ các

cảm biến nói chung và từ các công tơ điện, nước nói

riêng vẫn chủ yếu theo phương thức thủ công Tức làngười đi thu thập dữ liệu phải đến tận nơi thiết bị được

lắp đặt để đọc và ghi chép dữ liệu Sau đó dữ liệu đượcđưa về trung tâm tong hop và xử lý

Tuy được sử dụng rộng rãi nhưng phương thức

thu thập dữ liệu thủ công đã bộc lộ rõ các hạn chế của

nó:

- Gia thành, chi phí cao;

- Thu thập và xử lý dữ liệu tốn nhiều thời gian;

- Khong đảm bảo tính khách quan, trung thực và

chính xác trong công tác đo lường;

- Rui ro cho người và thiết bị đối với các thiết bị

đo lường được đặt ở những nơi nguy hiểm;

- Dễ nhằm lẫn trong quá trình đọc dữ liệu từ thiết

bi, dụng cụ do bằng mat thường và nhập dữ liệu

vào cơ sở đữ liệu.

1.1.2: Thu thập dữ liệu từ xa

1.1.3: Thu thập dit hiệu tự động

1.2: Giải pháp thu thập dữ liệu tự động, từ xa sử

dụng cho các thiết bị đo lường

Với phương pháp thu thập dữ liệu tự động, từ xa

dữ liệu có thé được trao đổi qua chuẩn giao tiếp có dây

hay giao tiếp không dây Hai phương pháp được áp

dụng nhiều nhất trong việc thu thập dữ liệu tự động, từ

xa hiện nay chính là thu thập dữ liệu qua sóng RF và

thu thập dữ liệu qua GSM/GPRS.

1.2.1: Qua sóng vô tuyễn cự ly ngắn

1.2.2: Qua mang thông tin di dong

1.3: Giải pháp thu thập dữ liệu tự động từ công

tơ điện tử sử dung mang thông tin di động

Do đếm điện năng là một yêu cầu quan trọng của

ngành điện lực, trong đó chỉ tiêu kinh doanh được đặt

ra hàng đầu Chỉ tiêu kinh doanh có hai vấn đề là giá

và ở Việt Nam đã bắt đầu xuất hiện hệ thống tự động

đọc số liệu công tơ và truyền thông về trung tâm Giải

pháp này hiện mới được thử nghiệm, nó hoàn toàn mới

mẻ đối với ngành điện Vì vậy, việc nghiên cứu, tìmhiểu hệ thống này có ý nghĩa thực tiễn cao

Giải pháp thu thập dữ liệu công tơ tự động thông

qua mạng thông tin di động không những mang lại lợi

ích cho ngành điện nó còn mang lại tiện ích rất lớn chongười sử dụng điện Hệ thống quản lý dữ liệu theo thời

gian thực giúp cho người sử dụng điện có thê theo dõi,

giám sát năng lượng điện tiêu thụ của mình trong suốt

quá trình sử dụng Hơn nữa, ngoài việc thu thập dữ liệu

công tơ theo thời gian thực, mô hình thử nghiệm giải

pháp này còn có thê mang lại rất nhiều lợi ích khác nhưngăn chặn, cảnh báo khi đấu ngược nguồn, chập cháy,nguồn quá áp hoặc thiếu áp Có thể thấy đây là một giảipháp linh hoạt, nó chỉ đòi hỏi một sự đầu tư ban đầu rấtkhiêm tốn, đơn giản do quá trình lắp đặt dé dàng và

nhanh chóng.

1.4: Kết luận chương

Trên thực tế rất nhiều nước trên thé giới với nềncông nghệ phát triển đã áp dụng giải pháp thu thập dữliệu qua mạng thông tin di động từ rất lâu Tại Việt

Nam, giải pháp thu thập dữ liệu qua mạng thông tin di

động vẫn còn hết sức mới mẻ, đòi hỏi tính đồng bộ rất

cao, cân có thời gian nghiên cứu thử nghiệm trước khi

mang ứng dụng vào thực tế Ứng dụng của giải pháp

thu thập dữ liệu qua mạng thông tin di động không chi

gói gọn trong ngành điện là thu thập số liệu công tơ màcòn có thé ứng dụng vào rất nhiều mục đích khác Ứngdụng trong dân dụng, giải pháp có thé được dùng dé thuthập số liệu nước, gas, khí đốt Trong sản xuất,nghiên cứu thí nghiệm, giải pháp có thé được dùng dé

thu thập số liệu về nhiệt độ, độ 4m, dung dịch Có thé

thấy việc ứng dụng giải pháp thu thập dữ liệu tự động,

từ xa nói chung và giải pháp thu thập dữ liệu tự động,

từ xa sử dụng mạng thông tin di động nói riêng rất cầnđược áp dụng trong cuộc sống, nghiên cứu và sản xuất,nhất là khi khoa học công nghệ phát triển như ngày

nay.

CHUONG 2

HE THONG THU THAP DU LIEU TU DONG

AMR VA UNG DUNG MANG THONG TIN DI DONG TRONG THU THAP DU LIEU TU

CONG TO DIEN TU

Nội dung chương 2 tim hiểu cơ sở lý thuyết vềcác tiêu chuẩn do lường, thực trạng tổ chức quan lý do

lường hiện nay Đi sâu nghiên cứu tiêu chuẩn ẩo lường

điện và các yêu câu đối với hệ thong thu thập và xử lý

số liệu do đếm Tìm hiểu hệ thống thu thập dit liệu tựđộng AMR, hệ thong thông tin di động GSM/GPRS Từ

các cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu, nghiên cứu xây dựng

mô hình giải pháp thu thập đữ liệu từ công tơ điện tu tu động, từ xa sử dụng mạng thông tin di động theo mô

hình AMR.

2.1: Các tiêu chuẩn, đo lường, chất lượng

2.1.1 Thực trạng tổ chức quản lý hoạt động tiêu chuẩn đo lường, chất lượng hiện nay

2.1.2: Tiêu chuẩn quan trọng trong đo lường điện

2.1.3: Yêu cau đối với hệ thông thu thập và xử lý số

liệu đo đếm

2.2: Hệ thống thu thập dữ liệu tự động AMR

2.2.1: Giới thiệu mô hình hệ thong AMR

Hệ thống AMR ( Automatic Meter Reading ) là

hệ thống tự động thu thập dữ liệu từ các thiết bi đo rồi

gửi dữ liệu về hệ thống trung tâm dé xử lý, tính toán và

tong hợp vào cơ sở dữ liệu Thông tin từ thiết bị do có thé bao gồm thông tin về số liệu đo, nguồn cũng như

tình trạng của thiết bị đo Với việc hệ thống hoạt độngdựa trên thời gian thực giúp cho việc lấy thông tin dữliệu đo một cách chính xác, xử lý sự cô kip thời khi có

hỏng hóc.

2.2.2: Mô hình triển khai hệ thong AMR trong thực tế

Trong thực tế mô hình hệ thống AMR đã được

triên khai tai rat nhiêu nước phát triên trên thé giới

trong các lĩnh vực phục vụ cuộc sống như thu thập dữ

liệu điện năng, khí gas, nước

Hệ thống AMR cơ bản bao gồm bộ thu thập dữ

liệu DCU (Data Connector Unit) và trung tâm tập trung

xử lý dữ liệu Các thiết bi do được kết nối với bộ thu

thập dữ liệu DCU Giao thức ghép nối giữa bộ thu thập

DCU và các thiết bị do có thé là có dây ( RS232,

RS485, ) hoặc không dây (Wifi, RF, Bluetooth ).

Việc thu thập dữ liệu sẽ được bộ DCU quan ly, DCU có

thé tự động lấy dữ liệu từ thiết bị đo theo thời gian thực

được thiết lập từ trước hoặc có thể lay dữ liệu cưỡngbức theo lệnh được gửi xuống từ trung tâm DCU và

trung tâm được kết nối với nhau có thể bằng Ethernet

hoặc GSM/GPRS nhằm đảm bảo tính cơ động của hệthống AMR Dữ liệu sau khi được tập trung tại trungtâm sẽ được tông hợp, xử lý theo yêu cầu, mục đích củatừng đơn vị, doanh nghiệp hoặc tổ chức

2.3: Mang thong tin di động

2.3.1 Giới thiệu chung về mang GPRS.

2.3.2 Các kỹ thuật và mã hóa sw dụng trong mang GPRS

2.3.2.1 Kỹ thuật mã hõa dữ liệu.

2.3.2.2 Kỹ thuật chuyển mạch gói.

2.4: Ứng dụng mạng thông tin di động trong thu

thập dữ liệu từ công tơ điện tử theo mô hình

AMR

Mục tiêu chủ yếu đối với phần lớn các hệ thống

AMR (Automatic Meter Reading) là cho phép tiếp nhận

các dữ liệu cần thiết từ công tơ điện, không cần phải trực tiếp đấu nối hoặc tiếp cận, và cho phép điều khiến

từ xa các mạch điện đấu gắn với công tơ nhờ một ứngdụng trung tâm điều khiển Do có khả năng xác định

chính xác mức tiêu thụ của khách hàng theo thời gian

thực, nên các hệ thống AMR có ý nghĩa rất quan trọngđối với công ty điện lực, giúp công ty giảm chi phí vậnhành và có được các hệ thống quản lý linh hoạt dựa trên

theo dõi tiêu thụ điện năng theo thời gian thực.

Hơn nữa, các hệ thống AMR có thê sử dụng dé

báo cáo các vu choc ngoáy công tơ theo thời gian thực Với ứng dụng mở rộng, trong tương lai mô hình cũng

có thé cắt điện khách hàng hoặc nối điện trở lại từ xa

Vì vậy hệ thong AMR là một hệ thống đo lường thông

minh theo thời gian thực cho các công ty điện lực có

thể cải thiện hoạt động kinh doanh và độ tin cậy kỹ

thuật của các tác nghiệp khác nhau thuộc công ty.

Lý do chính để nghiên cứu quyết định thu thập

chỉ số công tơ bằng phương pháp tự động, từ xa là tiềm

năng hiệu quả về chi phí của phương pháp thu thập dữliệu tiêu thụ điện năng Sử dụng hệ thống AMR có thêcắt giảm chi phí vận hành, không cần nhân viên đọc chỉ

số Một lợi ích nữa là giá tri gia tăng dự kiến từ các

dịch vụ mới như cắt giảm từ xa dịch vụ khách hàng,

dịch vụ trả trước, tín hiệu về chất lượng điện theo thờigian thực và kiểm tra việc sử dụng điện của khách

hàng.

Với việc thu thập dữ liệu theo mô hình AMR, mục tiêu

hướng tới của hệ thống là có thê hỗ trợ hầu hết tất cả

các chức năng hiện nay cũng như các yêu cầu nghiệp

vụ tương lai:

> Lập hoá đơn từ xa, bang việc chuyền chỉ số công

tơ qua mạng tới công của Trung tâm điều khiến

để sử dụng cho việc tính hóa đơn và cho các

mục đích quản lý;

> Kết nối từ xa và giảm bớt dịch vụ Hoạt động

này là một lệnh chứ không phải là một chức

năng điều khiến, có thé được khởi dau bởi Trung

tâm điều khiển và cần được thực hiện ở cấp

công;

> Theo dõi quá tải, băng việc chuyên chỉ số công

tơ tới Trung tâm điều khiến, tại đó chỉ số đượcchi lại hoặc sử dụng để kích hoạt việc cắt điện

khách hàng từ xa, do đó nó hoạt động như cầu

chì từ xa;

> Theo dõi hiện tượng chọc ngoáy, bằng VIỆC

chuyển tới Trung tâm điều khiển sự thay đổi

trạng thái của máy dò chọc ngoáy bố trí bên

trong công tơ.

> Triển khai và bảo trì đơn giản, chi phí thấp Việc

lắp đặt, tháo đi, bổ sung, thay thé và bảo trì được

thực hiện bởi các nhân viên bình thường, không

yêu cầu được dao tạo cho công việc đó;

> Yêu cầu khó khăn nhất của hệ thống AMR này

là mạng truyền thông dit liệu phải có độ tin cậy

và tính năng cao, và một trong những mục tiêu

chính đề ra là đáp ứng yêu cầu này

2.5: Kết luận chương

Trên lộ trình phát triển của ngành điện, hàng loạt

công tơ cơ sẽ được thay thế băng các công tơ điện tử

Theo đó, đến năm 2022 toàn bộ công tơ của khách hàng

sử dụng điện sẽ được chuyên sang công tơ điện tử hợp

chuẩn Dữ liệu từ công tơ có thể được truy suất dễ dàng

thông qua các chuẩn truyền thông không dây hoặc có

dây Hơn nữa công tơ điện tử mới có độ chính xác cho

phép sai số + 1%, còn công tơ cơ có độ chính xác chophép sai số + 2%, nghĩa là công tơ điện tử đo đếm điệnnăng chính xác hơn Khách hàng phải chỉ trả tiền điện

đúng với thực tế sử dụng hơn Cùng với đó mạng viễn

thông cũng dang ngảy càng hoản thiện cả về quy mô,

tốc độ và chất lượng Việc truyền dẫn dữ liệu thông qua

mang thông tin di động là rất dễ dàng Với những điều

kiện về kỹ thuật cũng như về cơ sở hạ tang như vậyviệc nghiên cứu và tiến tới triển khai hệ thống thu thập

dữ liệu công tơ điện tử tự động là hết sức khả thi T rong

tương lai hệ thống không chi dừng lại ở việc thu thập

dữ liệu tự động mà nó còn có thể tương tác hai chiều Ngành điện có thể trực tiếp giám sát điện áp, cường độ

dòng điện, nhiệt độ, tình trạng công tơ từ đó có thêđiều khiến tải hợp lý: Trực tiếp đóng, cắt điện của từng

hộ khi cần thiết Như vậy, cơ sở kỹ thuật, công nghệ

phát triển đủ dé đáp ứng dé xây dựng hệ thống, lợi ích

mà hệ thống đem lại là rất lớn, việc nghiên cứu, ứngdụng hệ thống thu thập dữ liệu công tơ điện tử tự động

là điều tất yếu Tuy nhiên, để có được một hệ thống

hoàn chỉnh, tối ưu giữa ngành điện và khách hàng đòi

hỏi phải có thời gian nghiên cứu, thử nghiệm, đánh giá

một cách tổng quan, từ đó đưa ra các giải pháp hợp lý

nhất

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU CHE TAO SAN PHAM THU

NGHIEM THU THAP DU LIEU VA TRUYEN

VE TRUNG TAM

Dựa trên các cơ sở ly thuyết và yêu cầu thực

té trong việc thu thập dit liệu điện năng, nội dung

chương 3 là xây dựng mô hình thứ nghiệm giải

pháp thu thập dữ liệu từ công tơ điện tử và truyền

về trung tâm thông qua mạng thông tin di động Mô phỏng thực té quá trình thu thập dit liệu từ công tơ điện tử và truyền về trung tâm xử by Từ kết qua đạt

được đánh gia tính ưng dụng của giải pháp trong

thực tế, đưa ra các khuyến nghị giúp cho giải pháp hoàn chỉnh, thong nhất.

3.1: Mô hình thu thập dữ liệu thử nghiệm từ công tơ điện tử

3.1.1: Giới thiệu mô hình

3.1.2: Mô hình thử nghiệm giải pháp thu thập dữ hiệu

từ xa, tự động thông qua mạng thông tin di dong

Mô hình thử nghiệm giải pháp thu thập dữ liệu

từ xa, tự động thông qua mạng thông tin di dộng được

cau thành bởi 3 thành phan:

s* Cong tơ điện tử - Khách hang;

s* Bộ thu thập dữ liệu tập trung DCU;

s* Trung tâm thu thập, xử lý dữ liệu.

3.1.2: Hoạt động của mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm giải pháp thu thập dữ liệu từ

công tơ điện tử có thể hoạt động hoàn toàn tự động hoặc bán tự động, cung cấp một số dịch vụ tiện ích cho

cả khách hàng sử dụng điện và nhà cung cấp điện

Toàn bộ mô hình thử nghiệm thu thập dữ liệu

bao gồm 3 thành phan chính: Công tơ điện tử, bộ thu

thập dữ liệu DCU, trung tâm tập trung và xử lý dữ liệu.

Cấu trúc mô hình thử nghiệm giải pháp được mô tả như

trên hình 10 Dw liệu từ công tơ điện tử được đưa về

trung tâm tập trung và xử lý thông qua bộ thu thập dữ

liệu DCU Do đó, hoạt động của mô hình thử nghiệm cũng xoay quanh hoạt động của bộ thu thập dữ liệu

DCU.

Bậi thiết bị

Khởi tạn vả kiếm tra các

module

Thiet lip kết noi uới ¬

ung ti F——| Time Cut

Chả độ tiết kiệm điện Chả đỏ thường trực ——p|

⁄ Gửi dữ liệu tự động về trung tâm /

/ © Giri dữ liệu về theo yêu cầu (© Nhận tin nhăn từ khách hing

| ® Thiet lập các cải đặt từ trung tam | © Kiem tra, xử lý tin nhãn

\ * Bong ngất role theo yêu cau \ * Giri trả dữ liệu can thiết cho khách hang

* A

/ Kiểm tra, xác nhận, thực hiện, `

\ hao động

Hoạt động của bộ thu thập dữ liệu DCU tuân

theo lưu đồ thuật toán như trên hình 11 Về cơ bản bộ

DCU hoạt động theo 4 trạng thái:

- _ Chế độ khởi động ban đầu;

- _ Chế độ hoạt động thường trực;

- _ Chế độ giao tiếp trung tâm;

- _ Chế độ giao tiếp khách hàng.