luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật điện nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống giám sát và quản lý năng lượng điện thông qua mạng internet công ty cổ phần đầu tư xây dựng thành vinh

MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ - i - Lời cam đoan - ii - Lời cảm ơn - iii - Danh mục hình vẽ - vii - Danh mục bảng biểu - x - CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ NĂNG C

Học viên: Đào Huy Hoàng 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ tên học viên: Đào Huy Hoàng Mã học viên: CQ02CH0003 Ngày, tháng, năm sinh: 24-05-1995 Nơi sinh: Hải Phòng

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202

1 Tên đề tài: Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống giám sát và quản lý năng

lượng điện thông qua mạng Internet Công ty Cổ phần đầu tư xây dựng Thành Vinh

3 Ngày giao nhiệm vụ: 26-10-2020

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15-05-2021

5 Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Đặng Ngọc Huy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn này là các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo Ts Đặng Ngọc Huy, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác

Nội dung nghiên cứu có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn tài liệu đã được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo, nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Quảng Ninh, ngày…… tháng…… năm 2021

Tác giả luận văn

Đào Huy Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt khóa học tại Trường Đại Học Công nghiệp Quảng Ninh, quý thầy cô đã truyển đạt cho em rất nhiều kiến thức bổ ích, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện đã truyền đạt cho em rất nhiều kiến thức về chuyên ngành rất cần thiết cho em sau khi ra Trường Trong thời gian làm đề tài em đã học hỏi được rất nhiều kiến thức từ thầy hướng dẫn để làm cơ sở để thực hiện luận văn trong thời gian quy định và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học

Em xin cảm ơn thầy giáo Ts Đặng Ngọc Huy, giảng viên hướng dẫn đề tài đã nhiệt tình giúp đỡ và cho em những lời chỉ dạy quý báu, giúp em định hướng tốt trong khi thực thi đề tài Em cám ơn các bạn đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Với thời gian thực hiện đề tài ngắn, kiến thức còn hạn hẹp, dù em đã cố gắng nhưng không tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận được lời chỉ dẫn thêm của quý thầy cô và bạn bè

Quảng Ninh, ngày tháng năm 2021

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Đào Huy Hoàng

MỤC LỤC

Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ - i -

Lời cam đoan - ii -

Lời cảm ơn - iii -

Danh mục hình vẽ - vii -

Danh mục bảng biểu - x -

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ NĂNG

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ HỆ GIÁM SÁT VÀ

2.2 Giới thiệu một số hệ thống giám sát và quản lý năng lượng

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG DÙNG BỘ ĐO XA VÀ

3.2 Các phương pháp thiết kê xây dựng hệ thống dùng bộ đo xa và phân tích năng

3.5.2 Giao thức mạng Ethernet 41

CHƯƠNG IV NGHIÊN CỨU, LÊN CẤU HÌNH, LẬP TRÌNH THIẾT LẬP HỆ

4.1 Các thành phần và cấu trúc của hệ thống giám sát và quản lý, phân tích năng

4.3.1.3 Giao diện chức năng giám sát và quản lý, phân tích điện năng 58

4.4 Phần mềm giám sát và quản lí, phân tích năng lượng điện qua Internet 63

4.6 Phương án thiết kế hệ thống giám sát điện năng cho Công ty 75

4.6.2 Biến dòng 0-800A 76

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.2 Sơ đồ một sợi phân phối điện từ trạm biến áp đến khách hàng 8

Hình 2.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF 22 Hình 2.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa sử dụng hệ thống dây điện có

Hình 3.8 Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485 35

Hình 3.16 Giao thức Modbus tương ứng với lớp 7 của mô hình OSI 42

Hình 4.8 Hệ thống máy tính 57

Hình 4.26 Chức năng kiểm soát, điều khiển từ xa thiết bị phụ trợ 67

Hình 4.41 Biểu đồ hiện thị sóng hài trên phần mềm Rainbow Plus 83

Hình 4.43 Các kênh giám sát chung 84

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Học viên: Đào Huy Hoàng 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các Công ty điện lực đang từng bước ứng dụng nhiều thành tựu của kỹ thuật điện tử, thông tin, máy tính, điều khiển… nhằm hiện đại hóa lưới điện Lưới điện phân phối có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện năng của khách hàng và hiệu quả kinh doanh nên các trạm biến áp phân phối và tủ hạ áp trung gian cần được tự động hóa, giám sát, đo lường từ xa

1 Lý do chọn đề tài

Việc giám sát và quản lý điện năng bao gồm việc lập kế hoạch và theo dõi hệ thống vận hành tại các đơn vị sản xuất, hoạt động tiêu thụ năng lượng là vô cùng cần thiết, mục tiêu chung của việc giám sát và quản lý năng lượng là bảo tồn tài nguyên; bảo vệ môi trường; tiết kiệm điện năng tiêu thụ; tiết kiệm chi phí; kết nối chặt chẽ với quá trình sản xuất, hoạt động, vận hành hệ thống Các tham số điện trong hệ thống sản xuất hoạt động đều được đo bằng công cụ, thiết bị đo đếm chuyên dụng, có khả năng kết nối với thiết bị ngoại vi để kết nối vào mạng hệ thống giám sát và quản lý điện năng là những yêu cầu vô cùng cấp bách và cần thiết trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngày nay

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

- Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát và quản lý hệ thống năng lượng điện thông qua mạng internet

- Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu tổng quan về thiết kế hệ giám sát và điều khiển hệ thống năng lượng điện từ xa; nghiên cứu thiết kế hệ thống dùng bộ đo xa và phân tích năng lượng điện, lên cấu hình, lập trình thiết lập hệ thống bao gồm các bộ đo phân bố rải rác, lập trình đo lường qua mạng internet và phân tích năng lượng

- Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng điện thông qua mạng internet Công ty Cổ phần đầu tư xây dựng Thành Vinh

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp chuyên gia

4 Đặt tên đề tài

Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đề tài được đặt tên như sau:

“Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống giám sát và quản lý năng lượng điện thông qua mạng Internet Công ty Cổ phần đầu tư xây dựng Thành Vinh”

5 Bố cục luận văn

Nội dung chính của đề tài bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống giám sát và quản lý năng lượng điện Công ty Cổ phần đầu tư xây dựng Thành Vinh

Chương 2: Hệ giám sát và điều khiển hệ thống năng lượng điện từ xa Chương 3: Hệ thống dùng bộ đo xa và phân tích năng lượng điện

Chương 4: Lập trình đo lường qua mạng internet và phân tích năng lượng Kết luận, kiến nghị

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CÔNG TY CỔ PHẦN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG THÀNH VINH 1.1 Địa điểm xây dựng

Công ty Cổ phần đầu tư xây dựng Thành Vinh có trụ sở tại số 01+02 lô A11, khu đô thị Monbay, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh Là một Công ty được thành lập dưới hình thức cổ phần với một đội ngũ lãnh đạo trẻ luôn có những bước đi táo bạo trong nghề nghiệp cùng sự năng động trong công việc Với tôn chỉ sự hài lòng của khách hàng là sự phát triển của Công ty Cùng một tập thể công nhân viên có trình độ, giàu kinh nghiệm trong nhiều ngành nghề có tính chuyên nghiệp cao trong công việc Công ty luôn có đủ lực lượng nhân lực có năng lực để thực hiện các công tác Tư vấn Khảo sát - Thiết kế - Giám sát các công trình đòi hỏi chất lượng và tiến độ cao của các Chủ đầu tư

Công ty cổ phần đầu tư xây dựng Thành Vinh luôn không ngừng phấn đấu để thực hiện thành công các mục tiêu sau đây:

+ Mỗi cán bộ công nhân viên tự chịu trách nhiệm cao trong công việc của mình, ý thức trong nhiệm vụ được giao, làm ra sản phẩm đảm bảo chất lượng và phục vụ tốt nhất cho khách hàng

+ Luôn học tập rèn luyện nâng cao năng lực chuyên môn, nghiệp vụ, hướng tới hệ thống quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn ISO 9001 - 2000

+ Không ngừng cải thiện điều kiện làm việc và trang thiết bị

+ Luôn duy trì các hoạt động của Hệ thống theo quy trình Quản lý chất lượng + Tất cả vì chất lượng và thoả mãn yêu cầu cao nhất của khách hàng, đó sẽ luôn là ý thức và trách nhiệm của mỗi thành viên trong Công ty cổ phần đầu tư xây dựng Thành Vinh

Là một Công ty được thành lập dưới hình thức cổ phần với một đội ngũ lãnh đạo trẻ luôn có những bước đi táo bạo trong nghề nghiệp cùng sự năng động trong công việc Với tôn chỉ sự hài lòng của khách hàng là sự phát triển của Công ty Cùng một tập thể công nhân viên có trình độ, giàu kinh nghiệm trong nhiều ngành nghề có tính chuyên nghiệp cao trong công việc Công ty luôn có đủ lực lượng nhân lực có năng lực để thực hiện các công tác Tư vấn Khảo sát - Thiết kế - Giám sát các công trình đòi hỏi chất lượng, yêu cầu kỹ thuật và có tính thẩm mỹ cao

Với mục tiêu không ngừng phát triển, nâng cao chất lượng sản phẩm Công ty đã đầu tư những trang thiết bị hiện đại, các phần mềm chuyên ngành phục vụ cho công tác khảo sát và thiết kế Trong một thị trường đầy cạnh tranh như hiện nay chúng tôi luôn luôn nhận thức được việc không ngừng nâng cao chất lượng của sản phẩm, đáp ứng tiến độ cho khách hàng, tính chuyên nghiệp trong công việc là điều rất cần thiết để cung cấp được những sản phẩm tốt nhất cho thị trường

1.4 Tổng quan về hệ thống năng lượng điện của công ty

Công ty lấy nguồn điện 0.4kV trực tiếp từ tủ điện phân phối thuộc trạm biến áp Hồng Hải 08, dưới sự quản lý của Đơn vị quản lý vận hành điện lực Hạ Long, đấu nối trực tiếp vào tủ điện tổng của Công ty và thường xuyên có người theo dõi vận hành

24/24

Bảng 1.1 Bảng kê công suất các thiết bị sử dụng điện

STT Các thiết bị điện Số lượng

Thờ gian sử dụng

Tổng công suất sử dụng (kW)

Điện năng (kWh/ngày làm việc) Từ …

Đến …

Tổng (h)

Hình 1.2 Sơ đồ một sợi phân phối điện từ trạm biến áp đến khách hàng

Học viên: Đào Huy Hoàng 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

BIỂU ĐỒ PHỤ TẢI

BIỂU ĐỒ PHỤ TẢI ĐIỂN HÌNH MỘT NGÀY ĐÊM

(Thời gian từ ngày 01 tháng 4 năm 2020 đến ngày 01 tháng 4 năm 2021)

Hình 1.3 Biểu đồ phụ tải sử dụng điện của công ty

P tb 14948

P(Wh) 630,0 650,0 620,0 600,0 30574 30574 30574 30574 30574 30574 30574 30574 30574 30574 15000,0 620,0 600,0 600,0 630,0 650,0

Học viên: Đào Huy Hoàng 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

1.5 Giải pháp đấu nối vào tủ điện phân phối

- Phía đầu nguồn 0.4kV: Gồm 01 đường dây cáp ngầm Cáp Cu/XLPE/PVC/DSTA/PVC 3x50+1x35mm2, đấu nối vào aptomat sau công tơ trong tủ điện phân phối

- Phía cuối đường dây được đấu trực tiếp vào đầu aptomat trong tủ điện tổng của Công ty

* Yêu cầu kỹ thuật chung

- Tiêu chuẩn chế tạo IEC61089, IEC60502-2, TCVN 5935 - 1995, 5397 - 1991 - Điện áp định mức (Um) : 0,6/1 kV

- Điện áp chịu tần số nguồn (1phút, 50Hz) : 3,5 kV - Cách điện XLPE

- Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép : 90oC khi vận hành bình thường tại dòng định mức; 250oC tại dòng ngắn mạch trong thời gian 5s

* Cấu tạo của cáp ngầm hạ thế : Cáp ngầm hạ thế có cấu tạo bao gồm 6 lớp

- Lõi cáp

- Lớp cách điện XLPE - Lớp độn

Lõi cáp phải được bảo vệ chống thấm nước dọc trục Hệ thống chống thấm nước: Hợp chất chống thấm nước sẽ được bố trí giữa các sợi và xung quanh các sợi của lõi cáp, nhằm ngăn ngừa sự xâm nhập của nước vào giữa sợi cáp, dọc theo sợi cáp, tránh được sự ăn mòn Hợp chất không được làm suy giảm đặc tính cơ điện của các phụ kiện cũng như tiếp xúc giữa phụ kiện và lõi cáp Không cần dùng dụng cụ hoặc dung môi riêng để lắp đặt các phụ kiện cáp ngầm

Các yêu cầu kỹ thuật của lõi cáp:

Bảng 1.2 Các yêu cầu kỹ thuật của lõi cáp

Mặt cắt danh định Số sợi tối thiểu trong ruột Điện trở một chiều ở 200C (/km)

Bảng 1.3 Độ dày của lớp vỏ cách điện

Mặt cắt danh định (mm2)

Bề dày danh định của lớp cách điện XLPE tn (mm)

Bề dày nhỏ nhất của lớp cách điện XLPE (mm)

Chất độn: Phải sử dụng sợi PP mềm để thuận lợi trong thi công lắp đặt cáp

* Lớp bảo vệ chống va đập cơ học:

Lớp vỏ bảo vệ chống va đập cơ học phải làm bằng vật liệu phi từ tính như:

- Dây điện tròn hoặc dẹp làm bằng đồng - Băng quấn bằng thép

* Lớp vỏ bảo vệ bên ngoài:

- Vỏ bọc bên ngoài phải là nhựa dẻo (PVC, polyetylen hoặc vật liệu tương tự) hoặc hợp chất đàn hồi đã lưu hoá (polycloropren, clorosulphonat polyetylen hoặc vật liệu tương tự) Vật liệu làm vỏ phải thích hợp với nhiệt độ làm việc của cáp và phải tương đương với lớp cách điện

* Ký hiệu:

- Cáp bọc phải có ghi các ký hiệu dưới đây bằng chữ dập nổi hoặc sơn trên bề mặt cách điện, cách nhau 1 mét Với ký hiệu dập nổi, các chữ và số nổi lên trên bề mặt cách điện, do đó không làm ảnh hưởng lớp cách điện

+ Hãng sản xuất + Năm sản xuất: 4 số

+ Tiết diện

+ Điện áp định mức: 0,6/1 kV + Số mét

* Thông số kỹ thuật cáp ngầm hạ thế 0,4kV:

Bảng 1.4 thông số kỹ thuật cáp ngầm 0.4kV

Bề dày băng

Bề dày

vỏ

Đường kính tổng

Khối lượng

cáp

Đ.Trở lõi

pha ở 20OC

Đ.Trở lõi tr.tín

h ở 20O

C Mặt

cắt danh

định

Kết cấu

Bề dày cách điện

Mặt cắt danh định

Kết cấu

Bề dày cách điện

kg/km

W/km

W/km

0,727

0,268

0,524

0,193

0,387 120 19/2,8

1.6 Các giải pháp điều khiển, đo lường và bảo vệ

Bảo vệ quá tải và ngắn mạch:

- Tủ điện công tơ: Bảo vệ ngắn mạch và quá tải bằng Áp tô mát tổng 3 pha và các Áp tô mát 1 pha

-Bảo vệ đường dây hạ áp vào các hộ tiêu thụ bằng aptômát 1 pha và 3 pha đặt trong tủ điện hạ thế

- Nối đất: Bố trí tiếp địa an toàn R2C tại tất cả các vị trí tủ điện công tơ bằng cách tại mỗi tủ điện lắp 1 bộ tiếp địa gồm 2 cọc thép mạ kẽm L63x63x6 dài 2,0m, cọc được chôn ở độ sâu 0,9m dưới rãnh cáp, hệ thống tiếp địa an toàn được đấu nối vào vỏ tủ điện công tơ Ngoài ra, để tránh mất nguồn trung tính, tại các vị trí được chỉ định trên bản vẽ được bố trí 1 bộ tiếp địa trung tính lặp lại R6C gồm 6 cọc thép mạ kẽm L63x63x6 dài 2,0m; cọc được chôn ở độ sâu 0,9m dưới rãnh cáp, hệ thống tiếp địa trung tính lặp lại được đấu nối vào thanh cái trung tính của tủ điện công tơ

- Tuyến cáp hạ thế đi ngầm: Sử dụng loại cáp có lớp kim loại phi từ tính bảo vệ chống va đập và được chôn sâu 1,1~1,3 m so với mặt vỉa hè và được rải lớp cát đen đệm Tại những đoạn qua đường, cáp được luồn trong ống thép bảo vệ mạ kẽm DN125 và được chôn sâu 1,1~1,3 mét so với mặt đường Riêng rãnh cáp dọc đường và rãnh cáp sau công tơ phía trên rãnh cáp được bố trí lớp gạch chỉ và lưới báo hiệu cáp ngầm

- Tất cả các tủ điện hạ thế đều được lắp biển báo nguy hiểm cấm lại gần và biển tên tủ để thuận tiện cho việc quản lý vận hành

* Thông số kỹ thuật atomat 3 pha

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật aptomat 3 pha

8 Điện áp chịu đựng xung sét định mức

Bảng 1.6 Thông số kỹ thuật của Áptômát 2P

- Hệ thống sử dụng các đồng hồ kỹ thuật số có độ chính xác cao để đo lường chính xác cao cùng các MCCB đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành

Tủ điện công tơ

Sử dụng các tủ điện công tơ 0,4kV trọn bộ kích thước: 1250x600x500 loại có MCCB phân đoạn để lắp đặt tối đa 9 công tơ điện 1 pha (hoặc 7 công tơ 1 pha + 2 công tơ 3 pha) Các tủ điện công tơ loại có MCCB phân đoạn được lắp đặt trên tuyến cáp trục chính để thao tác và bảo vệ vật tư - thiết bị trên lưới

Tủ điện công tơ là loại tủ lắp đặt ngoài trời được chế tạo bằng tôn tấm dày (1,5~2)mm, sơn màu ghi sáng Đế tủ được gia công bằng thép dày 3mm mạ kẽm nhúng nóng

Bên trong tủ, tại ngăn MCCB tổng lắp đặt 01 áptômát 3P - 150A và 01 áptômát 3P - 250A

Hệ thống thanh cái 400A cố định trên khung vỏ tủ, ngăn công tơ lắp đặt 09 công tơ 1P-10/40A (Sử dụng lại) (hoặc 7 công tơ 1 pha + 2 công tơ 3 pha), 09 áptômát 2P (3P)-40A tại ngăn đấu nối

Tủ được lắp đặt trên các móng tủ đúc tại chỗ trên vỉa hè với vị trí lắp đặt đảm bảo phân tải hợp lý cho các đường trục hạ thế

Tại mỗi tủ điện công tơ, lắp đặt bộ tiếp địa R2C, được gia công bằng thép L63x63x6 mạ kẽm nhúng nóng với chiều dài mỗi cọc 2.000mm Tiếp địa được chôn sâu 0,9 mét dưới rãnh cáp, đảm bảo điện trở nối đất yêu cầu Rnđ  10Ω

Ngoài ra, tại các vị trí tủ điện cuối tuyến, vị trí tủ điện đấu nối rẽ nhánh, hoàn trả lắp đặt bộ tiếp địa R6C, được gia công bằng thép L63x63x6 mạ kẽm nhúng nóng với chiều dài mỗi cọc 2.000mm Tiếp địa được chôn sâu 0,9 mét dưới rãnh cáp, đảm bảo điện trở nối đất yêu cầu Rnđ  10Ω Dây nối tiếp địa M50 được đấu nối vào thanh cái trung tính của tủ điện

1.7 Thiết bị đo đếm

Sử dụng Công tơ điện xoay chiều kiểu điện tử 3 pha một biểu giá DTS27 là loại công tơ kỹ thuật cao, thiết bị đo năng lượng thông minh Đây là loại công tơ có thiết kế màn hình LCD hiển thị lớn và phạm vi nhiệt độ rộng, giao diện bên ngoài đa dạng I/O, đồng thời nó cũng hỗ trợ mô-đun giao tiếp plug-play RF, PLC, 3G/GPRS Tích hợp đa chức năng, công tơ có thể đo chiều giao/ chiều nhận công suất hữu công / vô công 3 pha; đo công suất tiêu thụ/ công suất phản kháng, tính toán và hiển thị điện năng tiêu thụ; phát hiện và ghi lại hiện tượng bất thường như đảo ngược dòng, mất nguồn, mất pha, quá áp, thấp áp, mở vỏ vv ; đo lường và hiển thị các thông số điện như hệ số công suất, dòng điện và điện áp

Công tơ được thiết kế theo tiêu chuẩn IEC62056 và cổng truyền thông DLMS/COSEM COM, được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, công tơ dễ dàng tích hợp vào hệ thống đọc tự động AMI/AMR/AMM và phù hợp để hiện đại hóa quản lý năng lượng và có thể được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi khác nhau để đo và quản lý năng lượng Công tơ điện xoay chiều kiểu điện tử 3 pha DTS27 có thể sử dụng rộng rãi ở khu công nghiệp, khu dân cư, các trạm biến áp

Điều kiện hoạt động của công tơ: + Nhiệt độ làm việc: -250C đến 700C;

+ Độ ẩm tương đối: ≤ 95% Dải điện áp hoạt động: 220V Tần số: 50Hz ± 5%

Hình 1.4 Sơ đồ công tơ * Đặc điểm kỹ thuật

Bảng 1.7 Đặc điểm kỹ thuật của công tơ

Mã hiệu

Cấp chính xác Điện áp định mức (Un)

Tần số

Dòng định mức (In)

Hằng số xung

CCX: 0,5S Vô công: CCX: 2

3x57.5/100V -240/415

50 Hz 5(6)A Hữu công: 12000 xung/Kw·h Vô

xung/Kvar·h * Các thông số chính

- Điện áp hoạt động: Un = 3x57.5/100V-240/415V - Dải điện áp hoạt động: 70%Un -120% Un

- Dòng điện định mức: Ib = 5 A - Dòng điện cực đại: Imax = 6 A

- Tần số định mức: 50 Hz Dòng khởi động của điện năng hữu công: 0,001 Ib - Dòng khởi động của điện năng vô công: 0,005 Ib

- Công suất tiêu thụ: điện áp ≤1.0 W hoặc 4.0 VA Dòng điện ≤1.0 VA * Sơ đồ nối dây

Hình 1.5 Sơ đồ kết nối * Cấp chính xác

- Điện năng hữu công: Cấp 0,5S;

- Điện năng vô công: Cấp 2 Hằng số công tơ hữu công: 12000 xung/ kWh; - Hằng số công tơ vô công: 12000 xung/ kvarh

* Phạm vi thời gian

- Trong điều kiện tiêu chuẩn theo quy định IEC, công tơ được cấp nguồn liên tục trong 30 ngày, sai số thời gian không vượt quá ±15 giây

- Trong điều kiện tiêu chuẩn theo quy định IEC, công tơ không được cấp nguồn, sau 36 giờ, sai số thời gian không vượt quá ±1.5 giây

* Điều kiện khí hậu

- Nhiệt độ hoạt động: -25 °C ~ 70 °C - Độ ẩm tương đối: ≤95%

Chương 2

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ HỆ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ĐIỆN TỪ XA

2 1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng điện là gì

Năng lượng điện là yếu tố vô cùng quan trọng đời sống và càng quan trọng hơn trong quá trình sản xuất và kinh doanh của doanh nghiệp Bài toán đặt ra cho các nhà quản lý là làm sao quản lý tòa nhà và nhà máy, xí nghiệp hiệu quả nhất để giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng điện ở mức tối đa, tạo thuận lợi cho doanh nghiệp trong những hoạt động kinh doanh Việc sử dụng năng lượng điện tiết kiệm và hiệu quả không đồng nghĩa với việc cắt giảm năng lượng điện dù bị thiếu hụt hoặc chúng ta không sử dụng năng lượng điện mà phải hiểu đúng rằng sử dụng năng lượng điện tiết kiệm và hiệu quả là việc áp dụng các biện pháp quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ năng lượng điện của phương tiện, thiết bị mà vẫn đảm bảo nhu cầu, mục tiêu đặt ra đối với quá trình sản xuất và đời sống Phương án tối ưu hiện nay là thiết lập hệ thống tự động hóa giám sát và quản lý năng lượng điện

Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng điện sẽ giám sát toàn bộ hệ thống năng lượng điện của tòa nhà, nhà máy hay khu công nghiệp giúp nâng cao hiệu quả công trình, hiện đại hoá, tiết kiệm điện năng tiêu thụ, bảo vệ môi trường

Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng điện thực hiện việc giám sát hệ thống điện qua thiết bị theo dõi các thông số kỹ thuật chính của nguồn điện như: kW, kVA, kVAr, U, I Đây là những thông số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết bị sử dụng điện của tòa nhà hay công nghiệp Quản lý tốt các tham số này đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của tòa nhà, hệ thống sản xuất nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm năng lượng điện kỹ thuật số nối mạng, thể hiện thông số trên màn hình máy tính và lưu trữ dữ liệu Ngoài ra hệ thống cần phân tích năng lượng điện tự động để đưa ra các thông số cần thiết

Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm trong sử dụng điện năng của từng đơn vị và cá nhân trong xã hội chưa thành tiềm thức, tự giác là các nguyên nhân dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng điện của nước ta còn rất thấp Hiệu suất sử dụng năng lượng điện trong các nhà máy nhiệt điện chỉ đạt 28-32% (thấp hơn mức trung bình của thế giới chừng 10%) Hiệu suất các lò hơi công nghiệp chỉ đạt 60% (thấp hơn mức trung bình của thế giới khoảng 20%) Trong sản xuất công nghiệp (hộ tiêu thụ lớn nhất, chiếm hơn 50% năng lượng phát ra), suất tiêu hao năng lượng thấp hơn nhiều không chỉ so với các nước tiên tiến mà so ngay với cả các nước trong khu vực

Đối với nguồn năng lượng điện hiện nay công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện năng của khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ công Phương pháp này bộc lộ khá nhiều nhược điểm như: mất nhiều thời gian, trong một thời điểm không thể kiểm soát được mức tiêu thụ điện năng của các hộ tiêu thụ, không kiểm soát được mức tiêu thụ ở các pha do đó gây khó khăn cho việc xây dựng kế hoạch cân bằng pha trong tương lai, khó phát hiện được các hành vi gian lận điện năng

Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu mang tính thực tiễn cao này nên cần tới “Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng điện từ xa”

Tầm quan trọng của Quản lý năng lượng điện: Quản lý năng lượng điện là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng điện trong các tổ chưc công ty Các tổ chức thương mại, công nghiệp và chính phủ, trong những năm gần đây đang phải chịu những áp lực to lớn về kinh tế và môi trường Việc nâng cao sức cạnh tranh về kinh tế trên thị trường toàn cầu và đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng gia tăng về môi trường nhằm giảm ôi nhiễm môi trường không khí và nguồn nước đã là các nhân tố ảnh hưởng chính trong hầu hết các quyết định đầu tư về chi phí vốn và chi phí vận hành trong thời gian gần đây đối với tất cả các tổ chức Quản lý năng lượng điện đã trở thành một công cụ chính giúp cho các tổ chức đạt được những mục tiêu quan trọng nói trên để duy trì sự tồn tại trong ngắn hạn và đạt được thành công trong dài hạn của mình

Quản lý năng lượng điện giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng trở nên cạn kiệt Khi tiêu thụ nhiều năng lượng điện doanh nghiệp sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá năng lượng điện dẫn đến ảnh hưởng đến lợi nhuận của tổ chức, bằng việc quản lý năng lượng điện doanh nghiệp có thể giảm nguy cơ này bằng cách giảm và kiểm soát nhu cầu năng lượng điện

Quản lý năng lượng điện nhằm hướng đến thực hiện chính sách sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả tại cơ sở, nhà máy Từ đó quản lý, theo dõi được tình hình tiết kiệm điện trên dây truyền sản xuất giúp cho doanh nghiệp từng bước kéo giảm hiệu quả việc đầu tư vào giá thành cho sản phẩm

Lợi ích đem lại khi sử dụng hệ thống giám sát và quản lý năng lượng điện

Giảm thời gian, chi phí nhân công để ghi lại dữ liệu từ các đồng hồ cơ, nhập vào file excell tạo báo cáo mỗi tháng

Giảm được sơ sót trong quá trình thu thập dữ liệu bằng tay, tăng độ chính xác trong do lường

Kiểm soát dữ liệu điện năng liên tục 24 giờ /7 ngày tại bất kỳ trạm làm việc nào Khả năng đáp ứng nhanh với bất kỳ sự cố điện nào thông qua các cảnh báo, giảm được thời gian dừng máy

Giảm thời gian xử lý sự cố do dữ liệu được thu thập đầy đủ, chụp được dạng sóng của nguồn điện khi sự cố xảy ra

Ngăn ngừa khả năng bị điện lực phạt do cosφ thấp nhờ các báo động

Theo dõi toàn tải của nhà xưởng theo thời gian thực, hữu ích cho việc lên kế hoạch tiết kiệm năng lượng

Có khả năng tạo các báo cáo về điện năng tiêu thụ ở dạng bảng, dạng đồ thị, xuất ra file Excell

Kiểm tra hóa đơn điện lực thông qua báo cáo về năng lượng sử dụng

Xác định các nhiễu, sóng hài là do nguồn điện lực xông vào hay do các thiết bị của nhà máy gây ra Giảm thời gian xác định nguyên nhân

Xác định loại nhiễu nào: tăng/ giảm điện áp, sóng hài, xung điện áp… Duy trì mức tải cho thiết bị hợp lý, tránh trường hợp non hay quá tải

Đưa ra quyết định đầu tư cho các thết bị cấp nguồn chính xác khi cần mở rộng nhà máy

Kiểm soát nguồn năng lượng cung cấp cho dây chuyền sản xuất Phục vụ công tác kiểm toán nguồn năng lượng điện

2.2 Giới thiệu một số hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa trong thực tế 2.2.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF

Hình 2.1 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF

Hệ thống đọc chỉ số công tơ từ xa bằng sóng vô tuyến RF bao gồm các khối chức năng sau:

Công tơ điện tử có tích hợp tính năng thu phát tín hiệu vô tuyến RF lắp tại các hộ khách hàng sử dụng điện, có chức năng đo đếm, lưu trữ năng lượng vào bộ nhớ không dây và truyền về bộ thu thập tín hiệu di động khi nhận được lệnh

Bộ thu thập tín hiệu di động (Handheld Unit) bao gồm: máy tính cầm tay (Handheld Unit) được tích hợp module thu phát tín hiệu vô tuyến RF bên trong, với chương trình thu thập số liệu do Công ty tự phát triển Trên máy tính cầm tay sẽ giúp người ghi ra lệnh đọc chỉ số công tơ trong phạm vi phủ sóng dựa vào danh sách và số liệu khách hàng sử dụng điện được kết xuất từ cơ sở dữ liệu kinh doanh điện năng Toàn bộ dữ liệu ghi được sẽ được ghép nối vào cơ sở dữ liệu kinh doanh điện năng một cách tự động mà không cần phải tốn nhiều thao tác thủ công như trước đây

Giải pháp này có các ưu điểm:

+ Không phụ thuộc vào khoảng cách, không phụ thuộc vào vị trí điểm đầu, điểm cuối khi có sự thay đổi về vị trí lắp đặt công tơ, hay vị trí trung tâm thì không bị thay đổi về thiết bị

+ Thiết bị modem gọn nhẹ, thông dụng, dễ dàng lắp kèm với công tơ

+ Cước phí tính theo lưu lượng (KB) thấp, rất phù hợp với hệ thống không yêu cầu truyền theo thời gian thực

Nhược điểm: Do sử dụng đường truyền không dây, truyền qua mạng di động, nên tín hiệu có thể bị ảnh hưởng khi thời tiết xấu, do đó cần cân nhắc chọn dịch vụ của nhà cung cấp mạng có mật độ phủ sóng rộng, chất lượng tín hiệu tốt

2.2.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải tín hiệu thông qua đường dây điện

Hình 2.2 Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa sử dụng hệ thống dây điện có sẵn PLC (Power Line Communication )

Công nghệ đo đếm sử dụng công tơ kỹ thuật số truyền thông trên lưới điện, sử dụng hệ thống dây điện sẵn có để thu thập và xử lý dữ liệu 01 Concentrator dùng cho 1000 công tơ điện, với đầu tư ban đầu rất khiêm tốn, quá trình lắp đặt dễ dàng và nhanh

chóng Dữ liệu từ các thiết bị này được truyền về máy tính trung tâm đặt tại các Công ty điện lực các huyện, thành phố Với thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay (HHU) giúp nhân viên quản lý ngành điện biết đựợc các thông số từ công tơ điện của khách hàng, đồng thời thiết bị HHU còn được dùng để lập trình và đọc các s liệu từ các thiết bị tập trung để đưa vào máy tính Với bộ server chứa các phần mềm cần thiết cho quá trình vận hành hệ thống Nó thu nhận dữ liệu từ các bộ tập trung để sử dụng cho các mục đích quản lý của ngành điện

Nhận xét: Thiết bị phần cứng còn hạn chế trên thị trường Các thiết bị vẫn trong

thời gian thử nghiệm, chưa phân phối rộng rãi trên thị trường

Hệ thống Đo đếm Từ xa là công nghệ dùng thiết bị đo điện thu thập dữ liệu và truyền về trung tâm phục vụ xử lý lên hoá đơn thanh toán Hệ thống đo đếm từ xa giúp khách hàng và Công ty cấp điện truy cập chính xác và cập nhập kịp thời dữ liệu từ đồng hồ đo Hệ thống ARM có thể cập nhập dữ liệu từng giờ, từng ngày, từng tháng hoặc thập chí theo thời gian thực Dữ liệu năng lượng sử dụng thu thập được là nguồn dữ liệu quý giá để các nhà phân tích dữ liệu dùng công cụ phân tích dữ liệu dự đoán nhu cầu sử dụng năng lượng của hộ gia đình, khu vực, thành phố và đất nước trong tương lai

3.2 Các phương pháp thiết kê xây dựng hệ thống dùng bộ đo xa và phân tích năng lượng điện

3.2.1 Bộ đo từ xa dựa trên mạng di động

Thiết bị bao gồm modun Đo đếm từ xa chính với các Modun đo điện và Modun truyền thông Ở đây modun truyền thông sử dụng modun kết nối cho mạng di động Mạng di động phủ sóng toàn quốc nên không cần triển khai mạng riêng cho hệ thống đo đếm từ xa Công nghệ di động hỗ trợ giao thức SMS (Short Message Service) và GPRS (General Packet Radio Service) cho việc gửi yêu cầu và nhận thông tin từ thiết bị đo Mạng di động hiệu quả, ổn định và giao thức an toàn được sử dụng rộng rãi hàng chục năm nay Chi phí thấp, lắp đặt đơn giản, khoảng cách hoạt động lớn, không cần sự can thiệp của con người là ưu điểm của hệ thống đo đếm dựa trên mạng di động

Bên dưới là mô hình hệ thống đo đếm từ xa sử dụng modem GSM và card P2C(Power to Communication) bên trong, kết nối với thiết bị đo qua cổng RS 232

để lấy dữ liệu Tin nhắn SMS dùng yêu cầu và nhận dữ liệu đo điện, thậm chí sử dụng cắt điện khi hoá đơn chưa được thanh toán Người dùng cũng có thể phản hồi, đọc công tơ tại gia đình từ bất kỳ đâu dùng tin nhắn SMS RTC (Real Time Clock) dùng lấy mẫu đo ngay cả khi mất điện cấp và EEPROM dùng lưu dữ liệu lịch sử đo Máy tính với bộ thu GSM tại nhà cung cấp điện dùng lên hoá đơn thanh toán Tập hợp lệnh chuẩn tại thiết bị đo dùng giao tiếp giữa modem và thiết bị đo Hệ thống hỗ trợ các chức năng thương mại điện tử như lên hoá đơn, in ấn, giao diện lịch sử xem hoá đơn

Hình 3.1 Mô hình Đo đếm Từ xa qua mạng di động

3.2.2 Đo đếm từ xa qua Zigbee

ZigBee là giao thức truyền thông cho mạng cá nhân nhỏ dùng sóng vô tuyến số năng lượng thấp sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4 Thiết bị ZigBee có thể kết nối trong khoảng 10-100 m và mở rộng vùng phủ sóng ra được sử dụng mô hình kết nối mesh Do có chi phí thấp nên giao thức được sử dụng rộng rãi cho ứng dụng điều khiển và giám sát qua mạng không dây ZigBee dùng thiết kế truyền tốc độ cao cho các ứng dụng tần số sử dụng thấp nên yêu cầu sử dụng ít năng lượng là ưu tiên hàng đầu để thời gian sử dụng lâu Tốc độ truyền ZigBee là 250 kbit/s thích hợp cho truyền thông số cảm biến hoặc nhập dữ liệu đầu vào Mô hình mạng đo đếm sử dụng ZigBee thể hiện trong hình 2.2

Thiết bị đo điện số ZigBee được lắp đặt tại hộ gia đình tại đầu hệ thống hoá đơn billing công ty cung cấp năng lượng Đồng hồ đo số ZigBee (ZigBee digital power meter) là đồng hồ đo điện số 1 pha kWh tích hợp modem ZigBee bên trong đọc chỉ số điện sử dụng và truyền về công ty điện lực Tại đầu công ty điện lực hệ thống e-billing dùng quản lý tất cả bộ đọc công tơ, tính toán hoá đơn, cập nhập dữ liệu và gửi hoá đơn cho khách hàng qua mạng không dây

e-Một mô hình khác sử dụng ZigBee bao gồm bộ tập trung ( control terminal), modem GPRS và modun đo ZigBee dùng cho truyền khoảng cách ngắn trong hộ gia

đình, còn GRPS dùng truyền từ bộ tập trung Thiết kế phân tách như vậy giúp giảm được dư thừa băng thông truyền dẫn Phần mềm được thiết kế sau cho tiết kiệm năng lượng cho mỗi giao thức Thiết bị ZigBee thì rẻ dễ dàng vận hành như bị giới hạn về khả năng xử lý, bộ nhớ và công suất Chúng chỉ dùng cho kết nối khoảng cách ngắn

Hình 3.2 Mô hình Đo đếm từ xa dùng ZigBee

3.2.3 Bộ đo đếm, phân tích điện năng từ xa sử dụng SCADA

SCADA mã hoá tín hiệu điều khiển trên kênh truyền thông cho phép điều khiển thiết bị từ xa Nó bao gồm phần mềm điều khiển vận hành, thu thập dữ liệu theo thời gian thực từ điểm đầu xa đến thiết bị điều khiển SCADA bao gồm việc thu thập dữ liệu qua thiết bị RTU, PLC (programmable logic controllers) và Thiết bị Điện thông minh (IED - intelligent electronic devices), truyền về trung tâm, đưa ra phân tích và điều khiển cần thiết sau đó hiện thông tin lên màn hình đièu hành Thuật toán D-SCADA và theo dõi an toàn phân tán được thể hiện trên hình 3 Hệ thống SCADA cô lập và định vị chính xác vị trí sự cố giúp tiết kiệm điện năng Hệ thống theo dõi và điều khiển giúp điều khiển từ xa nhiều cơ sở từ một điểm duy nhất Các hệ thống sử dụng SCADA dễ bị tấn công mạng[1]

Hình 3.3 Đo đếm từ xa dùng thuật toán D-SCADA

3.2.4 Bộ đo đếm từ xa dùng giao thức PLC

PLC là giao thức truyền dẫn qua cáp điện đang sử dụng Giao thức giúp cho việc điều khiển và thu thập dữ liệu từ xa qua phương thức bán song công PLC như các giao thức truyền thông khác bộ truyền sẽ điều chế tín hiệu gửi đi, ghép vào cáp điện và bộ thu giải điều chế lấy ra dữ liệu Ưu điểm chính của PLC là truyền dùng cáp điện đang có sẵn

Vì thế PLC có thể dùng để truyền dữ liệu từ công tơ đến bộ tập trung kết hợp với GSM/GRPS Dữ liệu từ công tơ được truyền qua PLC đến bộ tập trung, và từ bộ tập trung truyền đến trung tâm dùng GSM/GRPS Máy chủ này lại truyền dữ liệu đến máy chủ tính cước tự động và hạ tầng thanh toán cước Các dịch vụ giá trị gia tăng sẽ gửi thông tin sử dụng đến khách hàng, cảnh báo nếu phát hiện rò rỉ khí gas và đóng van cấp khí gas, cho phép thanh toán qua thẻ tín dụng

Kết nối giữa bộ tập trung (concentrator) và bộ tính cước (collector) dùng PLC được thể hiện trên hình 2.4 Bộ tính cước dùng lưu và xử lý dữ liệu từ các thiết bị đo với sự giám sát bộ tập trung Bộ tập trung gửi lệnh đến bộ tính cước để nhận chỉ số đo định kỳ [1]

Có hai yếu tố khiến việc đo qua PLC không ổn định là suy hao tín hiệu qua đường dây điện và nhiễu ngẫu nhiên Do suy hao nên bộ đọc sóng mang không thể đọc chỉ số công tơ ổn đinh nếu không có bộ phát lặp hoặc kỹ thuật chống suy hao Nhiễu ngẫu nhiên làm tăng suy hao mạng điện và giảm độ nhạy thu Việc này ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống đọc công tơ Hệ thống dùng PLC tận dụng được đường dây điện có sẵn để truyền dẫn tín hiệu và truyền khoảng cách xa hơn hệ thống đọc không dây, nhưng tín hiệu đọc công tơ không ổn định

Hình 3.4 Mô hình Đo đếm Từ xa qua PLC

3.2.5 Đo đếm từ xa dùng Wimax

Wimax là công nghệ truyền dẫn không dây cho phép truyền dữ liệu tốc độ 3 40 Mbps, cho cả ứng dụng di động và cố định Wimax cho phép truyền dẫn khoảng cách xa và tốc độ lớn [2]

Bộ đọc đọc số vòng quay đĩa trên công tơ sau đó lưu vào bộ vi xử lý Vì thế nên không cần phải thay thế hệ thống công tơ đang có sẵn Modun được lắp thêm bên ngoài

công tơ điện đo dòng tương tự Bộ truyền dẫn tín hiệu Wimax truyền dữ liệu từ công tơ về máy chủ cho khoảng cách xa Quá trình nhận dữ liệu và xử lý dữ liệu từ thiết bị đo được điều khiển bằng bộ vi xử lý khác Ứng dụng sẽ lấy dữ liệu đo từ bộ vi xử lý này Việc phân tách chức năng để tránh sự giả mạo hoặc gián đoạn trong quá trình đọc thiết bị đo Mô hình hệ thống được thể hiện trong hình 5 Hệ thống ở đây rẻ tiền, linh hoạt và truyền dẫn tốc độ cao ở khoảng cách xa Tuy nhiên Wimax tồn tại lỗ hổng về bảo mật ở lớp vât lý (PHY) và lớp MAC, nhiều loại tấn công qua mạng không dây tận dụng được như: interception, fabrication, modification, và replay Điều kiện thời tiết bên ngoài như mưa cũng có thể làm gián đoạn dịch vụ

3.2.6 Đo đếm từ xa dùng giao thức hỗn hợp

Hệ thống tự động đọc thiết bị đo bằng cách chụp ảnh đồng hồ đo Năng lượng và chuyển ảnh về bằng công nghệ ZigBee Hệ thống tự tạo hoá đơn và gửi chỉ số công tơ tháng này và tháng trước đó về khách hàng bằng tin nhắn SMS Phần mềm Mathlab chuyển ảnh đồng hồ đo thành số hoá Camera C328R serial VGA lắp trước công tơ đo chụp ảnh công tơ truyền về phần mềm nhận dạng chuyển ảnh thành dữ liệu số Bước này nhằm tránh việc giả mạo thông số đồng hồ đo Để nhận dạng số chỉ phần hình ảnh có chỉ số công tơ được trích xuất ra Nó sẽ phải qua quá trình xử lý ảnh như chuyển ảnh màu RGB thành ảnh xám, ảnh trắng đen và sau đó tách phân đoạn chữ số Mỗi chữ số được tách ra và so sánh với cơ sở dữ liệu ảnh chữ số đã lưu trước đó, nhận dạng chuyển sang dữ liệu số Cách đọc này cho phép sử dụng công tơ hiện tại, tuy nhiên sử dụng Mathlab sẽ làm tăng chi phí Phương pháp đo đếm này tiêu thụ ít năng lượng và cho khoảng cách truyền ngắn [2]

Dưới đây là 2 mô hình đo đếm dùng kết hợp 2 công nghệ ZigBee và GSM: 1 PIC Microcontroller đếm xung từ IC đo 2 Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) phát hiện, xử lý và lưu trữ dữ liệu đo ra

Tại hệ thống thứ nhất, IC đo tạo dữ liệu đo dưới dạng xung đếm theo bộ đếm theo thời gian mặc định của PIC microcontroller Vi mạch TTL chuyển ngược xung cho bộ đếm PIC microcontroller có phần mềm đọc dữ liệu từ IC đo Dữ liệu được truyền đến tủ tập trung sơ cấp (Base station) dùng công nghệ ZigBee và chuyển đến Tủ tập trung chính (Main EB Station) dùng modem GSM

Tại hệ thống thứ hai, mạng cảm biến bao gồm nhiều trạm phát hiện tín hiệu gọi là node cảm biến (có chứa transducer, microcomputer, transceiver), nhỏ, nhẹ và mang xách được Transducer tạo tín hiệu điện dựa trên hiệu ứng vật lý và cảm ứng microcomputer xử lý và lưu trữ dữ liệu đo Transceiver nhận lệnh và truyền dữ liệu đo về máy chủ trung tâm Cuối cùng dữ liệu được truyền về trung tâm tạo hoá đơn cho từng hộ gia đình, thời hạn thanh toán, xác nhận việc thanh toán

Mô hình mạng cảm biến không dây (WSN) loại bỏ hầu hết các loại dây dẫn mà mô hình PIC microcontroller sử dụng WSN có chi phí đắt hơn so với PIC, và dễ bị tấn công Nhưng mặt khác PIC có cấu trúc phức tạp và dễ bị tấn công hơn WSN

Quá trình tự động đọc công tơ thực hiện sử dụng GSM và bộ điều khiển tự động đọc công tơ (ARM Controller) Hệ thống dùng bộ xử lý ARM xử lý dữ liệu đầu vào, tính toán hoá đơn và UART dữ liệu truyền lên modem GSM Nó bao gồm bộ phận đo năng lượng chống giả mạo, bộ điều khiển relay đóng cắt từ xa, modun truyền dẫn không dây truyền dẫn dữ liệu giữa bộ truyền dữ liệu và trung tâm điều khiển năng lượng dùng thu thập dữ liệu, xử lý và nhắn tin SMS đến khách hàng Hệ thống đọc xung đầu vào và đếm số xung được tăng bên trong bộ đếm chỉ số điện tiêu thụ tại khách hàng ARM Controller gửi số đếm này đến UART, mà sau đó sẽ được truyền đến GSM modem GSM modem truyền dữ liệu đến trung tâm dưới dạng tin nhắn SMS Nhà cung cấp có thể cắt công tơ khách hàng từ xa với những hoá đơn chưa được thanh toán

Hình 3.5 Mô hình đo đếm hỗn hợp

Hệ thống cuối cùng bao gồm kết hợp thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa, module GRPS và module đo đếm người dùng Module đo đếm người dùng bao gồm ba khối: module thu thập dữ liệu người dùng thông minh (intelligent instrument data acquisition module), module lưu trữ dữ liệu và module truyền dẫn Dữ liệu thu thập được lưu trong bộ nhớ đệm và truyền đến thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa qua mạng không dây Cấu trúc mạng đo đếm từ xa ARMS thể hiện trong hình 6 Chức năng truyền dẫn tại module GRPS cho khoảng cách ngắn được thực hiện bằng chíp CC2430 và thiết bị điều khiển từ xa dùng chip SIM300 Cấu trúc clustering được sử dụng để tránh việc truyền dẫn lặp lại ZigBee được sử dụng cho truyền dẫn khoảng cách ngắn và GPRS dùng truyền dẫn đến thiết bị đầu cuối từ xa Thông số đo tại người sử dụng sẽ được tập trung lên gateway

trước khi chuyển về trung tâm điều khiển hoặc truyền đi khoảng cách xa hơn Phần mềm được thiết kế để tiết kiệm năng lượng trong các giao thức truyền dẫn Hệ thống có giá thành rẻ, thích hợp với mô hình cung cấp dịch vụ điện, nước, ga và rất an toàn Độ lớn của bộ đệm dữ liệu sẽ quyết định chất lượng gửi và nhận Hệ thống này không hỗ trợ khả năng đóng cắt dịch vụ từ xa

3.3 Cấu trúc truyền thông

Cấu trúc truyền thông là những quy định trong việc truyền thông tin giữa các thiết bị trong một hệ thống công nghiệp có mối liên hệ với nhau Các thiết bị cơ cấu chấp hành như motor, cảm biến…nằm ở cấp thứ nhất ( được gọi là cấp trường), nó chịu sự điều khiển của các thiết bị cấp trên nó - cấp điều khiển Các thiết bị cấp điều khiển như: PLC, PC…thì chịu sự điều khiển và giám sát ở cấp cao hơn…Và cứ thế một hệ thống trong công nghiệp thông thường có 5 cấp [1]

Điều cần quan tâm ở đây là việc liên lạc và truyền tín hiệu giữa các thiết bị trong các cấp được thực hiện nhờ các đường dây bus tín hiệu ( bao gồm 4 loại bus: bus trường, bus hệ thống, mạng xí nghiệp và mạng công ty) Để tín hiệu truyền được trên các bus thì thường có những tiêu chuẩn để truyền Tiêu chuẩn này được gọi là giao thức truyền thông

Ứng với mỗi đường dây bus cho việc kết nối giữa 2 cấp thì có một giao thức truyền thông riêng đối với bus trường thông thường người ta sử dụng các giao thức: profibus, modbus…

Tuy các giao thức truyền thông giữa các lớp là khác nhau nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là tuân theo một mô hình giao thức nhất định Đó là mô hình OSI ( Open System Interconnect)

Mô hình OSI quy định trình tự để truyền một đoạn tin giữa 2 thiết bị

Hình 3.6 Mô hình OSI cho giao thức truyền thông

Đoạn tin được truyền sẽ đi qua 7 lớp từ máy gửi đi đưa đến bus truyền thông, sau đó đoạn tin sẽ được nhận từ máy tương ứng Các lớp trong mô hình giúp xác định những đặc tính cần thiết cho đoạn tin truyền [13]

Ở Việt Nam hiện nay thông thường để liên lạc giữa cấp trường và cấp điều khiển các nhà máy thường sử dụng giao thức mạng truyền thông Profibus Ngoài giao thức Profibus thì giao thức Modbus cũng là một sự lựa chọn khá tốt cho việc truyền thông ở bus trường Trong bài viết này sẽ tập trung vào giao thức mạng truyền thông Modbus

Modbus là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay cho nhiều mục đích Modbus đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng Được phát minh từ thế kỉ trước (gần 30 năm trước), các nhà cung cấp thiết bị đo và thiết bị tự động hóa trong công nghiệp tiếp tục hỗ trợ Modbus trong các sản phẩm thế hệ mới Mặc dù các bộ phân tích, lưu lượng kế, hay PLC đời mới có giao diện kết nối không dây, Ethernet hay fieldbus, Modbus vẫn là protocol mà các nhà cung cấp lựa chọn cho các thiết bị thế hệ cũ và mới

Một ưu điểm khác của Modbus là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các phương tiện truyền thông, trong đó có cổng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet,