Nghiên c ứu xây dựng thiết b ị đo lường và giám sát sóng hài dòng điện

Phần chính của luận văn mô tả chi tiết phương pháp đánh giá, đo lường sóng hài dòng điện dựa theo tiêu chuẩn IEC, xây dựng thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện sử dụng các linh

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn cao học với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo

lường và giám sát sóng hài dòng điện” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không

sao chép của ai Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng

được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả có tham khảo một số tài liệu được ghi trong mục “Tài liệu tham khảo” của

luận văn

Tác gi ả

Nguy ễn Đức Hạnh

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS Trần Mạnh Hùng,

giảng viên Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà

Nội, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau

đại học, Viện Điện, thư viện Tạ Quang Bửu, cùng các giảng viên Trường Đại học

Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn tôi trong khóa học và hoàn thành đề tài này

Tôi trân trọng cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và Viện Đào

tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ, tạo

điều kiện và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành chương trình học tập, nghiên cứu ở

trường, cũng như có thể hoàn thành đề tài này

Nguy ễn Đức Hạnh

M Ở ĐẦU

Lý do ch ọn đề tài

Nhu cầu về giám sát chất lượng điện năng (CLĐN) ngày càng tăng do các

dây chuyền, thiết bị công nghiệp ngày càng phụ thuộc vào chất lượng của nguồn

điện cung cấp

Một trong các chỉ tiêu quan trọng về CLĐN là hiện tượng sóng hài Sóng hài

đóng góp phần lớn trong việc gây méo dạng sóng điện áp nguồn và dòng điện tải

Vấn đề đo lường, giám sát sóng hài ngày càng được quan tâm chú ý nhiều hơn, để

từ đó đưa ra được những giải pháp giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng này đối với

hệ thống điện

Các thiết bị đo lường, giám sát sóng hài hiện nay có hai dạng: dạng lắp đặt

cố định phục vụ cho mục đích đo lường dài hạn với dung lượng lưu trữ lớn, và dạng

xách tay phục vụ cho công tác chuẩn đoán sơ bộ hoặc đo lường ngắn hạn

Do được chế tạo chuyên dụng, sử dụng đa mục đích (đo lường giám sát

nhiều thông số cùng lúc Người sử dụng hoàn toàn lệ thuộc vào nhà sản xuất trong

việc thay đổi tính năng, thay đổi tùy biến Mặc khác các thiết bị chuyên dụng này có

giá thành rất cao, không phù hợp để triển khai lắp đặt trên diện rộng, hoặc không

phù hợp với những mục đích đo lường giám sát đơn lẻ

Tác giả hiện đang công tác tại bộ phận bảo trì hệ thống điện nhà ga hành

khách T1 – Cảng hàng không quốc tế Nội Bài Qua quá trình làm việc, tác giả nhận

thấy do hệ thống tụ bù cosφ và lọc sóng hài trong các tủ phân phối TGBT đã bị

hỏng không sử dụng và không có vật tư thay thế phần nào ảnh hưởng đến chất

lượng điện năng tại đây Trong đó có chỉ số sóng hài đang vượt mức cho phép

Thực tế, một số thiết bị chịu ảnh hưởng nghiêm trọng là hệ thống biến tần điều

khiển động cơ và hệ thống thang máy thang cuốn thường xuyên gặp sự cố, phải sửa

chữa, thay thế với chi phí lớn

L ịch sử nghiên cứu

Việc đo lường, giám sát sóng hài dòng điện đã có nhiều nghiên cứu trên thế

giới, các thiết bị đo lường giám sát chuyên dụng sử dụng các thuật toán phức tạp, đo

lường và so sánh nhiều tham số Hiện nay, các nhà sản xuất còn sử dụng hệ thống

máy tính với vi xử lý hiện đại, tính toán chính xác nhiều con số Tuy nhiên việc xây

dựng một thiết bị tích hợp việc đo lường và giám sát riêng đối với sóng hài dòng

điện sử dụng linh kiện điện tử đơn giản thì chưa có tài liệu tham khảo nào đề cập

tới

M ục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Nội dung luận văn nghiên cứu tổng thể về CLĐN nói chung, hiện tượng sóng

hài dòng điện nói riêng cùng với việc phân tích các nguyên nhân và ảnh hưởng của

hiện tượng này, phân tích các tiêu chuẩn đo lường và đánh giá sóng hài dòng điện

Phần chính của luận văn mô tả chi tiết phương pháp đánh giá, đo lường sóng hài

dòng điện dựa theo tiêu chuẩn IEC, xây dựng thiết bị đo lường giám sát sóng hài

dòng điện sử dụng các linh kiện điện tử đơn giản, xử lý bởi bộ vi xử lý

PIC18F4520 Kiểm nghiệm và đánh giá hoạt động của thiết bị đo lường giám sát

sóng hài dòng điện

Tóm t ắt cô đọng các luận điểm cơ bản

Mục tiêu chính của luận văn bao gồm:

• Tìm hiểu khái niệm và phân loại các hiện tượng CLĐN, việc đo lường và giám

sát CLĐN

• Đi sâu nghiên cứu về sóng hài dòng điện, nguyên nhân và ảnh hưởng của sóng

hài dòng điện đối với hệ thống; tìm hiểu phương pháp đo lường giám sát sóng

hài dòng điện theo các tiêu chuẩn IEC hiện hành

• Xây dựng thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện sử dụng vi xử lý

PIC18F4520, với mục tiêu thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, rẻ tiền, phục vụ đo lường

giám sát một cách chính xác và linh hoạt

• Kiểm nghiệm và đánh giá hoạt động của thiết bị đo lường giám sát sóng hài

dòng điện đã xây dựng

Để thực hiện các nội dung này thì luận văn được chia làm 5 chương như sau:

Ch ương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng và sóng hài dòng điện

Giới thiệu khái niệm CLĐN và các hiện tượng chất lượng điện năng thường

gặp, việc đo lường và giám sát CLĐN Nghiên cứu về sóng hài dòng điện, nguyên

nhân và ảnh hưởng của sóng hài dòng điện đối với hệ thống

Ch ương 2: Tiêu chuẩn đo lường, đánh giá sóng hài dòng điện

Tìm hiểu phương pháp đo lường giám sát sóng hài dòng điện theo các tiêu

chuẩn IEC hiện hành:

• Nghiên cứu về phương pháp đo lường sóng hài dòng điện theo tiêu chuẩn IEC

61000-4-7:2009

• Nghiên cứu một số tiêu chuẩn giới hạn thành phần sóng hài trên lưới, gồm tiêu

chuẩn IEE 519 và tiêu chuẩn IEC IEC 1000-3-4

Ch ương 3: Xây dựng thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện bằng vi

x ử lý

Trình bày các bước định hướng, xây dựng cấu trúc và thành phần, thiết lập

các thuật toán đo lường, giám sát sóng hài dòng điện cho thiết bị

Ch ương 4: Kiểm nghiệm và đánh giá thiết bị đo lường giám sát sóng hài

dòng điện

Thực hiện các bước kiểm nghiệm và đánh giá nhằm: xác định được độ chính

xác đo lường của thiết bị, xác định được sai số để hiệu chỉnh; đánh giá thuật toán

đang sử dụng, mức độ ổn định của thiết bị đo

Kiểm chứng hoạt động thực tế của các khâu đo lường, giám sát đã xây dựng

So sánh với thiết bị đo lường khác nhằm khẳng định rõ hơn về hoạt động của thiết

bị, tìm dải đo, bậc sóng hài cao nhất có thể đo được Từ đó điều chỉnh tối ưu hoạt

động của thiết bị

Áp dụng thiết bị đo cho một số loại hình phụ tải công nghiệp, nơi tác giả

đang công tác, kiểm chứng so sánh với thực tế đo lường tại đây, cũng như đưa ra

những nguyên nhân, kiến nghị đề xuất giảm hiện tượng sóng hài bậc cao

Ch ương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Các đóng góp mới của tác giả

• Tác giả đã xây dựng được thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện trên nền

tảng vi xử lý PIC18F4520

• Ứng dụng thực tế thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện đối với một số

loại hình phụ tải công nghiệp

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỞ ĐẦU 3

MỤC LỤC 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

DANH MỤC HÌNH VẼ 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUÁT VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG HÀI DÒNG ĐIỆN 15

1.1 Giới thiệu chung về chất lượng điện năng 15

1.1.1 Khái niệm 15

1.1.2 Tầm quan trọng của chất lượng điện năng 15

1.1.3 Phân loại chất lượng điện năng 16

1.1.4 Đo lường và giám sát CLĐN 18

1.2 Sóng hài trong hệ thống điện 22

1.2.1 Khái niệm, đặc điểm của sóng hài 22

1.2.2 Nguyên nhân, nguồn phát 23

1.2.3 Ảnh hưởng sóng hài dòng điện 26

1.3 Các thiết bị đo lường giám sát chất lượng điện năng 29

1.3.1 Thiết bị đo lường giám sát CLĐN chuyên dụng 29

1.3.2 Thiết bị đo lường giám sát CLĐN dựa trên máy tính cá nhân 31

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn 32

CHƯƠNG 2 TIÊU CHUẨN ĐO LƯỜNG, ĐÁNH GIÁ SÓNG HÀI DÒNG

ĐIỆN 33

2.1 Mục đích sử dụng của các tiêu chuẩn đo lường, đánh giá sóng hài dòng điện 33

2.2 Tiêu chuẩn IEC 61000-4-7:2009[6] áp dụng trong việc đo lường sóng hài 33 2.2.1 Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn 33

2.2.2 Định nghĩa, phương pháp tính sóng hài theo tiêu chuẩn 34

2.2.3 Những yêu cầu chung với thiết bị đo sóng hài dòng điện 36

2.2.4 Các thành phần của thiết bị đo sóng hài dòng điện 39

2.3 Một số tiêu chuẩn giới hạn thành phần sóng hài trên lưới 39

2.3.1 Tiêu chuẩn IEEE 519 40

2.3.2 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 41

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG GIÁM SÁT SÓNG HÀI DÒNG ĐIỆN BẰNG VI XỬ LÝ 43

3.1 Sự cần thiết xây dựng thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện tại nhà ga hành khách T1 – Cảng hàng không quốc tế Nội Bài 43

3.1.1 Hệ thống điện nhà ga hành khách T1 – Cảng hàng không quốc tế Nội Bài 43

3.1.2 Vấn đề sóng hài dòng điện tại nhà ga hành khách T1 44

3.1.3 Sự cần thiết đo lường giám sát sóng hài dòng điện tại nhà ga T1 45

3.2 Định hướng xây dựng thiết bị đo lường giám sát trong khuôn khổ luận văn

46

3.2.1 Yêu cầu đối với tín hiệu cần đo 46

3.2.2 Độ chính xác cần đạt được 46

3.3 Cấu trúc thiết bị đo lường, giám sát sóng hài dòng điện 47

3.3.1 Cấu trúc chung: 47

3.3.2 Sơ đồ khối của thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện 48

3.3.3 Diễn giải chi tiết các thành phần của mạch 49

3.4 Thuật toán đo lường, giám sát cho vi xử lý 52

3.4.1 Thuật toán khâu đo lường 52

3.4.2 Sơ đồ thuật toán khâu giám sát 56

3.4.3 Lập trình cho vi xử lý 57

3.4.4 Sản phẩm sau khi xây dựng hoàn thiện và lập trình: 58

CHƯƠNG 4 KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG GIÁM SÁT SÓNG HÀI DÒNG ĐIỆN 59

4.1 Mục đích 59

4.2 Phương thức kiểm nghiệm và đánh giá thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện 59

4.3 Kiểm nghiệm code lập trình, sử dụng phần mềm mô phỏng mạch trên máy tính 60

4.3.1 Phần mềm sử dụng để mô phỏng mạch: Proteus 8.1 Profesional 60

4.3.2 Thiết lập các phần tử thực hiện mô phỏng 62

4.3.3 Kiểm nghiệm với nguồn dạng sóng sin: 63

4.3.4 Kiểm nghiệm với nguồn dạng sóng vuông: 65

4.3.5 Đánh giá: 65

4.4 Kiểm tra độ chính xác của thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện sử dụng máy hiện sóng Tektronix TDS 1001C-EDU 65

4.4.1 Sơ đồ đấu nối kiểm tra sử dụng máy hiện sóng Tektronix TDS 1001C-EDU 65

4.4.2 Kiểm tra giá trị hiệu dụng của dòng điện: 69

4.4.3 Kiểm tra giá trị biên độ sóng hài 70

4.5 Thử nghiệm thiết bị với một số phụ tải công nghiệp 74

4.5.1 Thử nghiệm với tải chiếu sáng 74

4.5.2 Thử nghiệm với tải động cơ 76

4.6 Chức năng giám sát, cảnh báo sóng hài dòng điện vượt ngưỡng cho phép 78 4.7 Kiến nghị một số phương pháp lọc sóng hài 79

4.7.1 Bộ lọc thụ động[2] 79

4.7.2 Bộ lọc tích cực[2] 80

4.7.3 Bộ lọc hỗn hợp[2] 80

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82

5.1 Kết luận 82

5.2 Hướng phát triển đề tài 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC: Code lập trình cho vi xử lý PIC18F4520

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng biểu Trang

Bảng 1.1-1 Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp theo tiêu

chuẩn IEEE 1159 – 1995 18

Bảng 1.2-1 Dạng sóng dòng điện, phổ tần và tổng độ méo sóng hài của một số tải phi tuyến khác 25

Bảng 2.3-1 Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519 41

Bảng 2.3-2 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 42

Bảng 3.1-1 Bảng kết quả đo sóng hài dòng điện tủ TGBT1 ngày 21/3/2015 45

Bảng 3.2-1 Độ chính xác yêu cầu đối với thiết bị đo theo tiêu chuẩn IEC-61000-4-7 47

Bảng 4.4-1 Bảng đối chiếu biên độ sóng hài dòng điện bậc cao giữa giá trị đo hiển thị trên thiết bị với giá trị hiển thị trên màn hình máy hiện sóng Tektronix TDS 1001C-EDU 71

Bảng 4.4-2 Bảng đối chiếu biên độ sóng hài dòng điện bậc cao giữa giá trị đo hiển thị trên thiết bị với giá trị hiển thị trên màn hình máy hiện sóng Tektronix TDS 1001C-EDU 73

Bảng 4.5-1 Kết quả đo sóng hài dòng điện tại tủ chiếu sáng sân đỗ nhà ga hành khách T1 75

Bảng 4.5-2Kết quả đo sóng hài dòng điện tại tủ bơm xử lý nước thải nhà ga hành khách T1 77

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình vẽ Trang

Hình 1.1-1 Sơ đồ các bước đánh giá CLĐN 19

Hình 1.2-1 Sóng hài và phân tích Fourier tương ứng 23

Hình 1.2-2 Ảnh hưởng của sóng hài đối với máy biến áp 27

Hình 1.2-3 Dạng dòng điện của đèn compact và phổ tần 29

Hình 1.3-1 Thiết bị đo lường CLĐN của hãng Fluke 30

Hình 1.3-2 Cấu trúc điển hình của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC 31

Hình 1.3-3 Giao diện thiết bị đo lường ảo do người sử dụng tự thiết lập 32

Hình 2.2-1 Cấu trúc chung của thiết bị đo lường sóng hài 38

Hình 3.1-1 Nhà ga hành khách T1 – Cảng hàng không quốc tế Nội Bài 43

Hình 3.1-2 Biểu đồ kết quả đo sóng hài dòng điện tủ TGBT1 44

Hình 3.3-1 Sơ đồ khối thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện 48

Hình 3.3-2 Thiết kế các khối chi tiết cho thiết bị đo 48

Hình 3.3-3 Khối đo lường sử dụng module ACS-712 49

Hình 3.3-4 Cấu hình module ACS 712-05B-T 49

Hình 3.3-5 Vi xử lý 18F4520 của hãng Microchip 50

Hình 3.3-6 Sơ đồ chân vi xử lý PIC18F4520 50

Hình 3.3-7Chi tiết khối nguồn 5VDC cho mạch 51

Hình 3.3-8 Chi tiết khối nguồn 3.3VDC cho mạch 51

Hình 3.3-9 Chi tiết kết nối khối hiển thị LCD 1602A 51

Hình 3.3-10 Chi tiết kết nối khối ghi dữ liệu thẻ nhớ Micro SD 52

Hình 3.4-1 Quan hệ giữa điện áp ra Vout với dòng điện đầu vào Ip của ACS712 52

Hình 3.4-2 Độ nhạy chuyển đổi dòng/ áp tương ứng với dòng điện đầu vào Ip của ACS712 53

Hình 3.4-3 Đồ thị rời rạc hóa giá trị dòng điện khảo sát (ví dụ) 54

Hình 3.4-4 Đồ thị rời rạc hóa giá trị dòng điện sin chuẩn các tần số hài bậc lẻ 55

Hình 3.4-5 Đồ thị rời rạc hóa giá trị dòng điện cosin chuẩn các tần số hài bậc lẻ 55

Hình 3.4-6 Sơ đồ thuật toán khâu giám sát 56

Hình 3.4-7 Giao diện lập trình với MikroC for PIC 57

Hình 3.4-8 Giao diện phần mềm PICkit2 đổ chương trình cho vi xử lý 57

Hình 3.4-9 Thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện thực tế 58

Hình 4.3-1 Giao diện chương trình Proteus 8.1 Professional 62

Hình 4.3-2 Thiết lập tham số cho nguồn áp V1 64

Hình 4.3-3 Kết quả mô phỏng thiết bị đo với dòng điện sin 64

Hình 4.3-4 Kết quả mô phỏng thiết bị đo với dòng điện dạng sóng vuông 65

Hình 4.4-1Chức năng điều chỉnh phụ tải của bàn mô phỏng lưới phân phối hạ áp 66

Hình 4.4-2 Sơ đồ đấu nối kiểm tra sử dụng máy hiện sóng Tektronix TDS 1001C-EDU 68

Hình 4.4-3 Sơ đồ đấu nối kiểm tra thực tế với bàn mô phỏng lưới phân phối hạ áp tại phòng thí nghiệm bộ môn Hệ thống điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội 68

Hình 4.4-4 Kết quả so sánh dạng sóng của dòng điện qua tải (pha A) 69

Hình 4.4-5 Kết quả đo dòng điện hiệu dụng qua tải (pha A) 70

Hình 4.4-6 So sánh giá trị biên độ sóng hài các bậc giữa thiết bị đo lường giám sát với máy hiện sóng Tektronix TDS 1001C-EDU – sóng sin 71

Hình 4.4-7 So sánh giá trị biên độ sóng hài các bậc giữa thiết bị đo lường giám sát

với máy hiện sóng Tektronix TDS 1001C-EDU – sóng không sin 72

Hình 4.5-1 Sơ đồ khối thử nghiệm thiết bị với tải chiếu sáng sân đỗ nhà ga hành

khách T1 74

Hình 4.5-2 Hình ảnh lắp đặt thiết bị đo tại tủ chiếu sáng sân đỗ nhà ga hành khách

T1 75

Hình 4.5-3 Sơ đồ khối thử nghiệm thiết bị với tải động cơ nhà ga hành khách T1 76

Hình 4.5-4 Hình ảnh lắp đặt thiết bị đo tại tủ bơm xử lý nước thải nhà ga hành

khách T1 76

Hình 4.5-5 Hình ảnh đo tại tủ bơm xử lý nước thải nhà ga hành khách T1 77

Hình 4.6-1 Chức năng cảnh báo của thiết bị đo lường giám sát sóng hài dòng điện 78

Hình 4.6-2 File THD.txt ghi vào thẻ nhớ của thiết bị đo lường giám sát sóng hài

dòng điện 78

Hình 4.7-1 Bộ lọc thụ động RC 80

Hình 4.7-2 Sơ đồ cấu trúc bộ lọc hỗn hợp 81

CH ƯƠNG 1 TỔNG QUÁT VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ

SÓNG HÀI DÒNG ĐIỆN

1.1 Gi ới thiệu chung về chất lượng điện năng

1.1.1 Khái ni ệm

Thuật ngữ chất lượng điện năng (CLĐN) đã trở thành cụm từ được sử dụng

rất rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật điện từ cuối những năm 1980 [1]

Khái niệm về chất lượng điện năng không giống nhau phụ thuộc vào quan

điểm khác nhau khi đặt vấn đề

Khi chúng ta coi hộ tiêu thụ (phía sử dụng) là đối tượng cần quan tâm, có thể

định nghĩa: “Chất lượng điện năng là bất cứ vấn đề nào liên quan đến sai lệch điện

áp, dòng điện hoặc tần số mà có thể gây ra sự cố hoặc tác động nhầm của các thiết

bị tại hộ tiêu thụ” [2]

Khi chúng ta coi nhà cung cấp điện là đối tượng quan tâm, thì theo nhiều tài

liệu của châu Âu và Mỹ, CLĐN được hiểu là chất lượng của sản phẩm điện được

nhà cung cấp phân phối cho các hộ sử dụng Đó chính là chất lượng điện áp, tần số

và độ tin cậy cung cấp điện được quy định

Còn khi chúng ta đứng trên quan điểm của nhà sản xuất thiết bị, CLĐN lại là

tập hợp các thông số của điện năng được cung cấp đảm bảo cho thiết bị hoạt động

tốt

Như vậy, tổng quan ta có thể hiểu, CLĐN là những vấn đề liên quan đến sự

biến động của điện áp, dòng điện hoặc tần số có thể dẫn đến việc hoạt động kém

hiệu quả hoặc hư hỏng thiết bị của khách hàng hoặc của đơn vị cung ứng điện [1]

1.1.2 T ầm quan trọng của chất lượng điện năng

CLĐN hiện nay đang được quan tâm nghiên cứu là do một số lý do sau:

Các thiết bị hiện đại hiện nay ngày càng sử dụng nhiều khâu nhạy cảm với sự

thay đổi của thông số nguồn cấp so với những thiết bị đã sử dụng trước đây

Vấn đề hiệu quả sử dụng điện năng càng được quan tâm, công nghệ chế tạo

thiết bị điện đã chế tạo được và khách hàng đã sử dụng nhiều loại thiết bị “thông

minh” với hiệu quả năng lượng ngày càng cao, nhưng cũng khắt khe hơn với điều

kiện cấp điện Ví dụ các hệ thống truyền động điện sử dụng bộ điều tốc điện tử công

suất, các hệ thống chỉnh lưu và nghịch lưu, các thiết bị điều chỉnh công suất phản

kháng và điều khiển điện áp trong cung cấp điện Chính những loại thiết bị này

cũng lại là nguyên nhân của các vấn đề về CLĐN, đặc biệt là sự xuất hiện của sóng

hài điện áp và dòng điện trong lưới điện phân phối

Khách hàng sử dụng điện ngày càng ý thức rõ hơn về tác động của CLĐN

đến quá trình sản xuất và sử dụng điện, ảnh hưởng kinh tế - kỹ thuật của CLĐN,

ngày càng có những yêu cầu khắt khe hơn đối với đơn vị cấp điện về chất lượng

điện áp, về độ tin cậy cung cấp điện, về mức sóng hài, mức mất cân bằng cho phép

của điện áp lưới điện

Hệ thống cung cấp và sử dụng điện hiện đại là những hệ thống phức tạp, tích

hợp cao, sự làm việc hoặc hỏng hóc của một phần tử của lưới điện có thể tác động

đến hàng loạt phụ tải, ngược lại sóng hài xuất hiện ở một thiết bị tiêu thụ điện có thể

lan truyền sang các hộ dùng điện lân cận, thậm chí đến các phần tử của lưới điện

1.1.3 Phân lo ại chất lượng điện năng

Có thể phân loại các vấn đề của CLĐN một cách sơ bộ bao gồm:

- Quá độ (Transients)

- Biến đổi ngắn hạn (Short-duration)

- Biến đổi dài hạn (Long-duration)

- Điện áp không cân bằng (Voltage unbalance)

- Biến dạng sóng điện áp (Waveform distortion)

- Dao động điện áp

- Biến đổi tần số

Hiện nay tồn tại nhiều phương thức và tiêu chuẩn phân loại CLĐN Trong đó

tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến nhất là tiêu chuẩn IEEE 1159 - 1995, các hiện

tượng CLĐN có thể được phân loại như sau:

1.2.2 Tần số trung bình 5 – 500 kHz 20 micro giây 0 – 8 pu

1.2.3 Tần số cao 0,5 – 6 MHz 5 micro giây 0 – 4 pu

B ảng 1.1-1 Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp theo tiêu chuẩn

IEEE 1159 – 1995

1.1.4 Đo lường và giám sát CLĐN

a) T ổ chức giám sát CLĐN

Giám sát CLĐN là việc tổ chức thu thập thông tin thông qua đo lường, ghi

chép vận hành, theo dõi, đánh giá các chỉ tiêu CLĐN so sánh với tiêu chuẩn và đưa

ra các khuyến nghị xử lý khi cần thiết

4 Điện áp không cân bằng

(Voltage unbalance)

Trạng thái ổn định

0 – 20%

5.3. Hài đa tần

(Interharmonics)

Trạng thái ổn định

0 – 2%

5.4. Các xung nhọn xuất

hiện chu kỳ (Notching)

Trạng thái ổn định

5.5. Do các thành phần khác

(Noise)

Trạng thái ổn định

0 – 1%

6 Dao động điện áp < 25 Hz Không liên tục 0,1 – 7%

CLĐN là hiện tượng vật lý, việc ghi lại chúng đòi hỏi các phương pháp, giải

pháp đo lường khác so với các phương pháp đo điện thông thường, cần ghi lại

chúng qua một khoảng thời gian nhất định

Để giảm khối lượng dữ liệu đồ sộ, ghi và phân tích một số thông số điện qua

một chu kỳ dài, cần phải áp dụng biện pháp ghi hạn chế Nếu các hạn chế này bị

vượt qua, các thiết bị giám sát chỉ thực hiện ghi lại các dữ liệu cốt yêu của sự kiện

Việc xác định CLĐN bằng thiết lập giới hạn hợp lý độ lớn dữ liệu đo CLĐN là một

yêu cầu thực tế Nếu giá trị đo được nằm trong giới hạn thiết lập, CLĐN được chấp

nhận

b) Các b ước đánh giá CLĐN

Việc đo lường giám sát cho ta kết quả để đánh giá CLĐN Các bước đánh giá

CLĐN được thể hiện trong sơ đồ dưới đây [5]:

Hình 1.1-1 S ơ đồ các bước đánh giá CLĐN

CLĐN bao gồm nhiều vấn đề cần nghiên cứu, mỗi vấn đề có thể có nhiều

nguyên nhân và cách xử lý khác nhau Quá trình khảo sát, đo lường là khâu quan

trọng khi đánh giá CLĐN Đây chính là lý do để tác giả lựa chọn đề tài

c) S ự cần thiết đo lường giám sát CLĐN

Nhu cầu về giám sát CLĐN (điện áp và dòng điện) ngày càng tăng do các

dây chuyền, thiết bị công nghiệp ngày càng phụ thuộc vào chất lượng của nguồn

điện cung cấp Sự cần thiết của việc giám sát CLĐN thể hiện qua các mục tiêu sau

đây:

• Giám sát để phân tích đặc tính của hệ thống:

Đây là một trong những mục tiêu phổ biến nhất Trong thị trường điện cạnh

tranh, các đơn vị bán điện cần hiểu rõ đặc tính của hệ thống để cung cấp dịch vụ với

chất lượng đáp ứng yêu cầu, nâng cao khả năng cạnh tranh Nắm bắt rõ đặc tính hệ

thống cũng giúp nhanh chóng xác định các vấn đề phát sinh và gửi thông tin đến

khách hàng để họ có thể sử dụng các thiết bị với đặc tính kỹ thuật phù hợp với đặc

tính của hệ thống

• Giám sát để đặc tính hóa các vấn đề cụ thể:

Các nhà quản lý hoặc qui hoạch cũng cần nắm bắt các vấn đề về CLĐN phát

sinh tại các điểm cụ thể để có thể đưa ra các qui hoạch hoặc cấu hình vận hành hợp

lý

Trong thị trường điện cạnh tranh, các nhà cung cấp điện có thể đưa ra nhiều

mức độ khác nhau của dịch vụ, đi kèm đó là giá bán điện tương ứng Với các khách

hàng quan trọng, nhà cung cấp có thể đảm bảo cấp điện với độ tin cậy và CLĐN

cao, tuy nhiên giá bán điện cũng được tính tương xứng Trong những trường hợp

này việc giám sát CLĐN là quan trọng để đảm bảo rằng hợp đồng đã được thực

hiện đúng

• Giám sát để đưa ra kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng hợp lý:

Dữ liệu giám sát CLĐN trong khoảng thời gian đủ dài có thể sử dụng để

cung cấp thông tin về thiết bị đang vận hành Ví dụ, hiện tượng phóng điện lặp lại

có thể là chỉ báo của cáp điện đang bị xuống cấp, đóng cắt bộ tụ nhiều lần liên tục

có thể là chỉ báo của hư hỏng trong thiết bị tự động đóng/cắt các bộ tụ Phân tích

các hiện tượng này có thể giúp nhanh chóng bảo dưỡng khắc phục các vấn đề trước

khi nó trở nên trầm trọng hơn

Việc giám sát có thể cần thiết thực hiện tại điểm đấu nối ở lưới hạ áp, trung

áp và kể cả giám sát trên lưới điện cao áp Mục đích của việc giám sát tại các vị trí

này có thể khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu như sau:

• Giám sát t ại các thiết bị:

Việc giám sát tại thiết bị giúp xác định chính xác CLĐN đang sử dụng Các

dữ liệu của quá trình giám sát còn giúp cho việc phân tích các vấn đề phát sinh

Khoảng thời giam giám sát có thể thay đổi tùy theo mục đích nghiên cứu, ví dụ

giám sát CLĐN cần khoảng thời gian theo dõi ít nhất một tuần, tuy nhiên với các

hiện tượng quá độ điện áp chỉ cần giám sát trong khoảng thời gian đóng cắt thiết bị

Trường hợp đầu tiên thiết bị đo lường cần đo được giá trị hiệu dụng và giá trị trung

bình, trường hợp thứ hai thiết bị đo bắt buộc phải ghi được dạng sóng

Việc giám sát tại một thiết bị đơn lẻ trong nhiều trường hợp cũng là cần thiết

do các lý do sau đây:

- Kiểm tra chất lượng điện áp & dòng điện (xác định hệ số quá tải cho phép);

- Phân tích dòng công suất phục vụ cho việc thương thảo hợp đồng mua bán

điện;

- Nắm bắt, giám sát các xu hướng biến đổi của CLĐN;

- Phân tích các vấn đề (nếu có) đối với việc lắp đặt thiết bị

Lý do cần thiết cho việc giám sát CLĐN trên lưới điện hoàn toàn tương tự

như với việc giám sát tại các thiết bị Ngoài ra còn thêm các lý do khác như:

- Giám sát CLĐN của lưới điện phục vụ cho việc vận hành lưới được tốt hơn

- Phục vụ cho công tác qui hoạch, xác lập cấu hình lưới để giám thiểu các hiện

tượng xấu về CLĐN

Nhu cầu về giám sát CLĐN (điện áp và dòng điện) ngày càng tăng do các

dây chuyền, thiết bị công nghiệp ngày càng phụ thuộc vào chất lượng của nguồn

điện cung cấp Sự cần thiết của việc giám sát CLĐN thể hiện qua các mục tiêu sau

đây:

1.2 Sóng hài trong h ệ thống điện

1.2.1 Khái ni ệm, đặc điểm của sóng hài

Sóng hài trong hệ thống điện là các dạng điện áp và dòng điện thuần sin

nhưng lại có tần số bằng bội của một số nguyên lần tần số cơ sở (tại Việt Nam là

50Hz) [1]

Sóng hài đóng góp phần lớn trong việc gây méo dạng sóng điện áp nguồn và

dòng điện tải Bên cạnh đó, còn tồn tại những loại méo dạng sóng khác không phải

là bội nguyên lần của tần số cơ sở càng làm cho vấn đề sóng hài ngày càng được

quan tâm chú ý nhiều hơn

Tần số sóng hài là bội số của tần số cơ bản Nếu bội số là số nguyên thì gọi

là hài (harmonic), bội số khác số nguyên gọi là hiện tượng âm hài (interharmonic)

Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành

Đối với điều kiện không cân bằng trong các pha chẳng hạn như điện áp hệ

thống không cân bằng, tải các pha không đối xứng, mỗi sóng điều hòa có thể xảy ra

một trong ba thành phần thứ tự nói trên

Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và phải

chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao cao hơn mức độ cho phép Sóng

điều hòa dòng điện bậc cao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ

sở Ví dụ dòng 250(Hz) trên lưới 50(Hz) là dòng điều hòa bậc 5, dòng 250(Hz) là

dòng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới Vì vậy nó sẽ chuyển sang dạng

nhiệt năng và gây tổn hao

Công cụ toán học để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu

kỳ là phân tích Fourier Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một sóng méo dạng,

có chu kỳ thì có thể phân tích được thành tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin,

bao gồm:

- Sóng hình sin với tần số cơ bản;

- Các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, là bội của tần số cơ bản

Hình 1.2-1 Sóng hài và phân tích Fourier t ương ứng

1.2.2 Nguyên nhân, ngu ồn phát

Các nguồn sinh sóng điều hòa trong công nghiệp được tạo ra bởi tất cả các

tải phi tuyến Các phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép của MBA, động cơ (đặc

tính bão hòa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode

của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử,

nguồn hàn, các hệ truyền động điện, lò hồ quang điện, lò nấu thép cảm ứng, lò tôi

cao tần… Dưới đây là một số nguồn tạo sóng điều hòa phổ biến trong công nghiệp:

- Máy biến áp:

Hiện tượng bão hòa mạch từ của MBA lực có thể sinh ra sóng điều hòa bậc

cao Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng không tuyến tính trong

đường cong B-H sẽ dẫn đến dòng điện từ bị méo và có chứa các sóng điều hòa bậc

cao Các MBA cũng sinh ra sóng điều hòa khi vận hành ở điện áp cao hơn điện áp

định mức

- Các đèn huỳnh quang:

Ngày nay các đèn huỳnh quang được sử dụng rộng rãi do có ưu điểm là tiết

kiệm được chi phí Thực tế thì loại đèn này không hơn gì về hiệu quả tạo ánh sáng

với đèn sợi đốt, điểm nổi trội hơn của nó là độ sáng được duy trì trong thời gian dài,

tuổi thọ lớn hơn Tuy nhiên sóng điều hòa bậc cao sinh ra bởi đèn huỳnh quang

cũng rất lớn do sử dụng chấn lưu điện tử

- Các thiết bị hồ quang:

Các thiết bị thường gặp trong hệ thống điện là các lò hồ quang công nghiệp,

các máy hàn… Theo thống kê thì điện áp lò hồ quang cho thấy sóng điều hòa bậc

cao đầu ra biến thiên rất lớn ví dụ như sóng điều hòa bậc 5 là 8% khi bắt đầu nóng

chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trong suốt thời

gian tinh luyện

- Thiết bị điện tử công suất:

Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp

xoay chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor,

MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến là nguồn gốc gây sóng điều

hòa bậc cao

Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng điều hòa sinh ra khác

nhau Các mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm

là đơn giản, rẻ, chắc chắn nhưng thành phần đầu vào chứa nhiều sóng điều hòa Do

đó để giảm bớt sóng điều hòa có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lại

với nhau tạo thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo

thành bộ chỉnh lưu 24 xung sẽ cho ra dòng điện trơn hơn, giảm được các thành phần

điều hòa Từ đó có thể thấy là khi muốn giảm sóng điều hòa dòng điện ta có thể

tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên Tuy nhiên khi đó gây ra một số bất lợi như

cồng kềnh, nặng, điều khiển phức tạp, tổn thất công suất và sinh ra sóng điều hòa

dòng điện bậc cao khi tải không đối xứng hoặc điện áp không đối xứng

B ảng 1.2-1 Dạng sóng dòng điện, phổ tần và tổng độ méo sóng hài của một số tải phi

tuy ến khác

1.2.3 Ảnh hưởng sóng hài dòng điện

Sự tồn tại sóng điều hòa bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và

đường dây truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất

lượng điện năng Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh

hưởng tới cách điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị,

trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng

giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp Có thể thấy rõ qua

công thức sau:

0 0

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dòng điện hay điện áp

tăng do sóng điều hòa bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề:

Làm tăng phát nóng của dây dẫn điện đặc biệt là dây trung tính có thể lên tới

170%, thiết bị điện

Gây ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu, làm giảm khả năng mang

tải của dây dẫn điện

• T ăng tổn thất và giảm tuổi thọ máy biến áp (MBA):

Các sóng điều hòa bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn

thất sắt (khoảng 10% khi đầy tải), làm tăng nhiệt độ MBA do đó làm tăng tổn thất

điện năng và giảm tuổi thọ Theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE C57.110, MBA phải giảm

tải K lần để đảm bảo tổng tổn thất khi có sóng hài không vượt quá tổn thất khi chỉ

có tần số cơ sở:

2 2

2

k k k k

I k K

Dòng từ hóa máy biến áp Phổ tần

Hình 1.2-2 Ảnh hưởng của sóng hài đối với máy biến áp

• T ăng tổn thất trên động cơ điện:

Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm

hiệu suất máy, gây tiếng ồn, các sóng điều hòa bậc cao còn có thể sinh ra momen

xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận

cơ khí trong động cơ

Điện áp không thuần sin được đặt lên động cơ sẽ làm gia tăng phát nóng phụ

trên động cơ Trong đa số các trường hợp, nếu mức độ méo nằm trong mức dưới

5%, mức độ phát nóng phụ trên động cơ sẽ nằm ở mức chấp nhận được Vượt qua

giới hạn trên, nhiệt độ trên động cơ sẽ gia tăng đáng kể so với chế độ nhiệt định

mức

• Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ (tác động sai):

Các sóng điều hòa bậc cao có thể làm momen tác động của rơle biến dạng

gây ra hiện tượng nháy, tác động ngược, có thể làm méo dạng điện áp, dòng điện

dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS

- V ới các thiết bị đo:

Ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị sai lệch

- V ới các thiết bị bảo vệ rơ le :

Hoạt động của rơ le thay đổi mạnh trong môi trường sóng hài, sự thay đổi

phụ thuộc nhiều yếu tố; thiết kế của rơ le, bậc của sóng hài, góc pha của sóng hài

Tuy nhiên hầu hết các rơ le đều ít bị ảnh hưởng khi tổng độ méo sóng hài nhỏ hơn

20% Đối với bảo vệ quá dòng sóng hài ít có ảnh hưởng đến dòng sự cố, nhưng

sóng hài có thể gây ảnh hưởng ở chế độ bình thường hoặc khi quá tải với các rơ le

tần số thấp nếu đo tần số bằng số lần tín hiệu qua 0, rơ le có thể xác định tần số

đang cao dẫn đến không tác động( không xa thải phụ tải)

- V ới tụ điện:

Do tổng trở của bộ tụ tỉ lệ nghịch với tần số , các sóng hài bậc cao gây dòng

điện lớn đáng kể qua bộ tụ làm cho tụ bị quá nhiệt, cháy cầu chì và trong nhiều

trường hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi Sóng hài tùy theo góc pha làm

tăng giá trị điện áp tức thời cực đại làm ảnh hưởng đến cách điện gây nguy hiểm

cho bộ tụ

Qua công tác theo dõi t ại nhà ga hành khách T1, tác giả nhận định

nguyên nhân d ẫn đến hệ thống tụ bù cho 3 tủ phân phối điện hạ thế tổng bị hỏng

có th ể do hệ thống phải chịu sóng hài bậc cao

- Thi ết bị chiếu sáng:

Các sóng điều hòa bậc cao còn làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu

sáng bị chập chờn ảnh hưởng đến con người

Hình 1.2-3 Dạng dòng điện của đèn compact và phổ tần

• Gây ảnh hưởng tới các thiết bị viễn thông:

Các sóng điều hòa bậc cao có thể gây sóng điện từ lan truyền trong không

gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng

• Gây ảnh hưởng tới hệ thống tự động hóa PLC, Sensor

Qua công tác theo dõi t ại nhà ga hành khách T1, tác giả nhận định sóng

hài cao chính là nguyên nhân d ẫn đến hệ thống biến tần động cơ băng tải hành

lý th ường xuyên bị hỏng (trên 70 bộ biến tần động cơ bị hỏng năm 2014)

1.3 Các thi ết bị đo lường giám sát chất lượng điện năng

1.3.1 Thi ết bị đo lường giám sát CLĐN chuyên dụng

Các thiết bị đo lường giám sát CLĐN sử dụng phổ biến hiện nay thường do

các nhà sản xuất như Fluke, Hioki…chế tạo Sơ bộ các thiết bị này có thể phân loại

như sau:

- Các thiết bị đo lường cho hệ thống nối đất;

- Các đồng hồ vạn năng;

- Các máy hiện sóng;

- Các thiết bị phân tích nhiễu loạn (distubances);

- Các thiết đo và phân tích sóng hài, phổ tần;

- Thiết bị phân tích kết hợp cả sóng hài và các nhiễu loạn khác;

- Thiết bị đo và giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp;

- Thiết bị đo và giám sát điện năng…

Các thiết bị này tùy theo nhu cầu, có thể là dạng lắp đặt cố định phục vụ cho

mục đích đo lường dài hạn với dung lượng lưu trữ lớn, hoặc có thể là các thiết bị

xách tay phục vụ cho công tác chuẩn đoán sơ bộ hoặc đo lường ngắn hạn

Nhược điểm của thiết bị này: do được chế tạo chuyên dụng, người sử dụng

hoàn toàn lệ thuộc vào nhà sản xuất trong việc thay đổi tính năng, thay đổi tùy biến

Mặc khác dung lượng lưu trữ của các thiết bị này thường bị hạn chế, thiết bị với

dung lượng cao thường có giá thành rất đắt, không phù hợp để triển khai lắp đặt trên

diện rộng, hoặc không phù hợp với những mục đích đo lường giám sát đơn lẻ

Hình 1.3-1 Thiết bịđo lường CLĐN của hãng Fluke

Thi ết bị giám sát kiểu xách tay

(Fluke 434)

Thi ết bị giám sát kiểu lắp đặt cố định

(Fluke 1570)

1.3.2 Thi ết bị đo lường giám sát CLĐN dựa trên máy tính cá nhân

Thiết bị đo lường dựa trên nền tảng máy tính cá nhân thường còn được gọi là

thiết bị đo lường ảo (Virtual Instrument - VI) Các tính năng của thiết bị do người

sử dụng tự tạo ra, dung lượng lưu trữ chỉ phụ thuộc vào dung lượng của máy tính

Tốc độ xử lý của các thiết bị đo lường ảo được cải thiện đáng kể do bộ vi xử lý của

máy tính có tốc độ cao, năng lực xử lý vượt trội so với các bộ vi xử lý dùng trong

các thiết bị chuyên dụng

Ưu điểm của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC là khả năng truy cập,

sử dụng hệ thống mạng Internet trong việc giám sát từ xa, truyền dữ liệu cần thiết

về các trung tâm giám sát

Nhược điểm của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC là lắp đặt phức

tạp, yêu cầu phần cứng và phần mềm cao, sự cần thiết của các nền tảng hỗ trợ: ổ

cứng, mạng Internet

Hình 1.3-2 Cấu trúc điển hình của thiết bịđo lường ảo dựa trên nền tảng PC

Hình 1.3-3 Giao diện thiết bịđo lường ảo do người sử dụng tự thiết lập

1.4 M ục tiêu nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu của luận văn là xây dựng một thiết bị đo lường giám sát sóng hài

dòng điện sử dụng vi xử lý Mạch cho phép sử dụng để đo lường giám sát, đưa ra

cảnh báo và ghi lại giá trị quá ngưỡng một cách đơn giản (kết hợp biến dòng điện,

chuyển đổi dòng điện/điện áp ADC và xử lý số bằng vi xử lý) thay thế các thiết bị

chuyên dụng hay thiết bị sử dụng máy tính phức tạp

Nghiên cứu áp dụng các tiêu chuẩn đo lường giám sát, đánh giá CLĐN để

xây dựng thiết bị đo đáp ứng được các điều kiện, yêu cầu, cho kết quả đo chính xác,

đủ nhanh và tin cậy

CH ƯƠNG 2 TIÊU CHUẨN ĐO LƯỜNG, ĐÁNH GIÁ SÓNG HÀI

DÒNG ĐIỆN

2.1 M ục đích sử dụng của các tiêu chuẩn đo lường, đánh giá sóng hài dòng

điện

Mục tiêu của luận văn là xây dựng thiết bị đo lường và giám sát sóng hài

dòng điện dựa theo các tiêu chuẩn được sử dụng là IEC 61000-4-7 và tiêu chuẩn

IEEE 519

Tiêu chuẩn IEC 61000-4-7 sẽ được áp dụng trong việc xây dựng các khâu

của khối đo lường và tính toán sóng hài dòng điện Kết quả thu thập được của khối

đo lường này sẽ được đánh giá dựa trên tiêu chuẩn IEEE 519 để xác định ngưỡng

cảnh báo của thiết bị Nếu sóng hài dòng điện đo được vượt quá giá trị ngưỡng, thiết

bị sẽ thực hiện ghi lại các giá trị theo thời gian lên thẻ nhớ Micro SD để lưu lại;

đồng thời đưa ra cảnh báo (ở đây tác giả sử dụng 01 đèn LED nhấp nháy)

Thiết bị thực hiện giám sát phải thu thập lượng dữ liệu rất lớn, do đó nếu lưu

trữ dữ liệu liên tục có thể gây tốn kém về mặt đầu tư Các giá trị qui định theo tiêu

chuẩn IEEE 519 cũng là cơ sở để tính toán lựa chọn ngưỡng bắt đầu giám sát và

bắt đầu ghi số liệu cho thiết bị đo lường dài hạn, do đó thiết bị có thể vẫn giám sát

nhưng chỉ bắt đầu ghi dữ liệu cần thiết khi vượt quá giới hạn cho phép, do đó có thể

giúp hạn chế bớt dung lượng dữ liệu cần lưu trữ

2.2 Tiêu chu ẩn IEC 61000-4-7:2009 áp dụng trong việc đo lường sóng hài

2.2.1 Ph ạm vi áp dụng của tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn IEC 61000-4-7 là một phần của bộ tiêu chuẩn IEC 61000 áp

dụng cho việc đo lường các thành phần sóng hài bậc nguyên và không nguyên

(interharmonic) có dải tần số lên đến 9kHz xếp chồng được lên tần số cơ bản 50Hz

hoặc 60Hz [6]

Tiêu chuẩn này định nghĩa các thiết bị đo lường dành cho thử nghiệm thiết bị

riêng lẻ phù hợp với giới hạn được đưa ra trong các tiêu chuẩn nhất định (ví dụ, giới

hạn sóng hài dòng điện trong IEC 61000-3-2) cũng như để đo sóng hài dòng điện và

điện áp trong các hệ thống thực tế Thiết bị đo theo tiêu chuẩn này đo trên các dải

tần số sóng hài lên đến 9 kHz

Tiêu chuẩn này đề ra cách thức đo lường nhưng không đưa ra các ngưỡng để

đánh giá về mức độ tốt xấu của sóng hài dòng điện

Tiêu chuẩn này áp dụng với các thiết bị đo kỹ thuật số sử dụng tín hiệu rời

rạc, lấy mẫu Phù hợp với thiết bị tác giả xây dựng sử dụng vi xử lý

Một trong những khía cạnh quan trọng của tiêu chuẩn này là định ra độ dài

cửa sổ tín hiệu cần lấy mẫu trước khi đưa vào phân tích Fourier để tìm ra các thành

phần hài Cửa sổ tín hiệu lấy mẫu được qui định là 10 chu kỳ đối với hệ 50Hz và 12

chu kỳ đối với hệ 60Hz Điều này dẫn tới kết qủa đầu ra của phân tích Fourier có độ

phân giải là 5 Hz cho cả hệ thống 50Hz và 60Hz Điều này có nghĩa là giữa các tần

số sóng hài bậc nguyên (50Hz, 100Hz, 150Hz…) còn xuất hiện thêm 9 thành phần

tần số bậc không nguyên khác

2.2.2 Định nghĩa, phương pháp tính sóng hài theo tiêu chuẩn

a) Định nghĩa liên quan đến phân tích tần số

Áp dụng phân tích tần số sử dụng chuỗi Fourier:

, 2

c k Y

C k =

arctan k k

k

a b

0

T N

T Chu kỳ của cửa sô thời gian (time window), là thời gian cần thiết để

tính toán sử dụng chuỗi Fourier;

ω Góc lệch pha tương ứng với bậc k

b) Các định nghĩa liên quan đến sóng hài

Tần số sóng hài: là số nguyên lần tần số cơ bản của dòng điện/điện áp

( fH h = × h fH ) (2.2.1)

Bậc sóng hài (h): là tỉ lệ (số nguyên lần) giữa tần số sóng hài tương ứng với

tần số cơ bản

c) Định nghĩa liên quan đến hệ số biến dạng

Tổng độ biến dạng sóng hài (THD): là tỷ lệ của giá trị điện áp (dòng điện)

hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (dòng điện) cơ bản, biểu

Trong đó, Y được thay thế bới I khi tính với sóng hài dòng điện (U khi tính

với sóng hài điện áp)

2.2.3 Nh ững yêu cầu chung với thiết bị đo sóng hài dòng điện

a) Yêu c ầu về tín hiệu đo

Tín hiệu đo theo tiêu chuẩn này gồm có:

+ Thành phần sóng hài nguyên

+ Thành phần sóng hài không nguyên

+ Thành phần sóng hài có dải tần số đến 9kHz

Biến đổi Fourier cho kết quả chính xác chỉ với các tín hiệu có trạng thái ổn

định Tín hiệu có biên độ thay đổi theo thời gian không thể được mô tả một cách

chính xác bởi chỉ có các thành phần sóng hài của chúng Để đạt được kết quả phân

tích sự truyền sóng hài lặp lại được khi việc đo tạo ra với nguồn cấp thay đổi, như

vậy dao động dòng điện cơ bản và dao động sóng hài có thể cân bằng, sự kết hợp

của kỹ thuật trung bình và kỹ thuật đo chu kỳ dài hạn có thể sử dụng Tiêu chuẩn

này bởi vậy cung cấp một cách thức đơn giản sử dụng phương pháp trung bình Hơn

nữa, thời gian khảo sát đủ lâu để có được kết quả đo liên tiếp nằm trong phạm vi

chấp nhận được, đáp ứng quy định trong các tiêu chuẩn sóng hài tham chiếu đến

tiêu chuẩn này

b) Độ chính xác thiết bị đo:

Hai cấp chính xác (I và II) được xem xét, cho phép sử dụng thiết bị đo đơn

giản và chi phí thấp, phù hợp với các yêu cầu của ứng dụng Đối với các thử nghiệm

truyền tải, các cấp cao hơn cấp I là cần thiết nếu giá trị truyền tải gần với các giá trị

giới hạn

c) C ấu trúc chung của thiết bị đo lường

Những thiết kế mới của các thiết bị sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT),

thường sử dụng một thuật toán nhanh chóng được gọi là biến đổi Fourier nhanh

(FFT) Do đó tiêu chuẩn này chỉ xem xét kiến trúc này nhưng không loại trừ nguyên

tắc phân tích khác

Hình 2.2-1 Cấu trúc chung của thiết bịđo lường sóng hài

Cấu trúc chung của quá trình phân tích sóng hài được thể hiện như trên Một

thiết bị đo có thể bao gồm hoặc có thể không bao gồm tất cả các khối và đầu ra

Đầu ra 1 là kết quả thô sau phân tích Fourier, bao gồm các phổ tần với bước

tần số 5 Hz (ứng với khoảng thời gian lấy mẫu 200ms hay 10 chu kỳ)

Để đơn giản hóa kết quả và thuận tiện cho việc phân tích thì các phổ tần này

được nhóm lại theo từng nhóm (group spectra) và kết quả đưa ra đầu 2 Các thành

phần với phổ tần bậc không nguyên lớn nhất và nhỏ nhất giữa các thành phần phổ

tần nguyên được nhóm lại với thành phần phổ tần nguyên Còn lại 7 thành phần

khác được nhóm lại để hình thành nên thành phần sóng hài không nguyên

d) Các kh ối sử dụng cho việc đo lường sóng hài dòng điện

- Mạch đầu vào với bộ lọc chống răng cưa

- ADC, bao gồm khối trích và giữ mẫu

- Khối đồng bộ và khối tạo hình cửa sổ

- Bộ vi xử lý với tính toán DFT (Phân tích Fourier) cung cấp hệ số Fourier

2.2.4 Các thành ph ần của thiết bị đo sóng hài dòng điện

Tiêu chuẩn IEC-61000-4-7 chỉ ra yêu cầu đối với việc xây dựng thiết bị đo

sóng hài dòng điện và điện áp Ở đây, tác giả chỉ quan tâm và đề cập đến những nội

dung liên quan đến thiết bị đo sóng hài dòng điện

Mạch đầu vào phải thích hợp cho dòng điện được phân tích Nó sẽ cung cấp

một phép đo trực tiếp sóng hài dòng điện, ngoài ra, cần phải có một điện áp thấp

đầu vào trở kháng cao, có thể được liên kết với các điện trở bên ngoài (hoặc kết hợp

máy biến dòng điện) Độ nhạy của mạch đầu vào khoảng từ 0,1 V đến 10 V

Đối với các phép đo trực tiếp trong mạch điện, nó có thể được khuyến khích,

nhưng không bắt buộc, để cung cấp giá trị hiệu dụng danh định của dòng điện đầu

vào I nom: 0,1 A; 0,2 A; 0,5 A; 1 A; 2 A; 5 A; 10 A; 20 A; 50 A; 100 A

Công suất tiêu thụ điện của mạch điện đầu vào không được vượt quá 3VA

đối với thiết bị có độ chính xác cấp II Đối với cấp I, điện áp rơi trên mạch không

được vượt quá 0.15V

Mỗi mạch dòng điện đầu vào có thể cho phép quá tải gấp 1,2 lần I nom và quá

t ải 10 lần I nom trong 1s

Thiết bị đo phải cho phép tín hiệu đầu vào có hệ số đỉnh gấp 4 lần dải đo 5A,

3.5 lần với dải đo 10A và 2.5 lần với dải đo cao hơn

Yêu cầu có cảnh báo quá tải

2.3 M ột số tiêu chuẩn giới hạn thành phần sóng hài trên lưới

Trên thế giới đã xây dựng và áp dụng một số tiêu chuẩn để giới hạn các

thành phần sóng hài trên lưới điện Sau đây, ta sẽ xem xét hai tiêu chuẩn về giới hạn

các thành phần sóng hài trên lưới điện mà Việt Nam được phép áp dụng: tiêu chuẩn

IEEE std 519 và IEC 1000-4-3

2.3.1 Tiêu chu ẩn IEEE 519

Tiêu chuẩn IEEE 519 của Viện Kĩ Thuật Điện - Điện Tử, Hoa Kì Têu chuẩn

là đề xuất của IEEE về thực tiễn và yêu cầu đối với việc kiểm soát sóng hài trong

Hệ thống Điện Đây là tổ hợp hiệu ứng của tất cả các tải phi tuyến lên đáp ứng của

hệ thống có dung lượng hạn chế để giảm sóng hài dòng điện IEEE 519 căn cứ vào

mức độ nhạy cảm của các thiết bị trong một hệ thống điện làm ngưỡng quy định

mức sóng hài áp tối đa được cho phép Tiêu chuẩn IEEE 519 đưa ra các ngưỡng

sóng hài khác nhau cho các hệ thống điện khác nhau:

- Giới hạn lượng sóng hài dòng điện mà khách hàng (các hộ tiêu thụ điện) có

thể đưa vào sử dụng

- Giới hạn mức sóng hài điện áp mà các nhà cung cấp điện phải đạt được khi

cấp điện cho khách hàng

Đối với khách hàng riêng lẻ, tiêu chuẩn quy định giới hạn chính đối với

lượng sóng hài họ có thể đưa vào sử dụng Giới hạn dòng điện dựa trên độ lớn tải,

liên quan đến dung lượng nguồn cấp Những khách hàng lớn bị giới hạn nhiều hơn

các khách hàng nhỏ Sự liên quan giữa độ lớn tải và sự đáp ứng của nguồn cấp được

thể hiện bằng tỉ lệ dòng ngắn mạch (short circuit ratio - SCR), tại điểm ghép nối

chung (point of common coupling - PCC), nút tải khách hàng kết nối với các phụ tải

khác trong hệ thống Độ lớn phụ tải được tính bằng tổng dòng điện tần số cơ sở IL,

bao gồm cả tải tuyến tính và tải phi tuyến Còn độ lớn nguồn cấp được tính bằng

dòng ngắn mạch ISC tại điểm PCC SCR được tính bằng:

sc L

I SCR

I

Tiêu chuẩn này giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung quy

định cho cấp điện áp từ 120V tới 69KV Tiêu chuẩn được trình bày trong bảng sau: