Độ chính xác trong đo lường, an ninh, và thông tin liên lạc là những yếu tố cốt lõi của một công tơ điện tử thông minh. Các công ty chế tạo vi mạch điện tử đã đưa ra các giải pháp hoàn chỉnh, đã được kiểm chứng nhằm giải quyết các yêu cầu về tính linh hoạt, độ chính xác cao, tính hiệu quả và rút ngắn thời gian đưa thiết bị ra thị trường. Nghiên cứu này tập trung vào cái nhìn tổng quan về các IC được sử dụng trong việc chế tạo các công tơ điện tử thông minh tại Việt Nam cũng như trên thế giới.
Ngơ Phương Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 188(12/2): 93 - 97 TỔNG QUAN VỀ IC SỬ DỤNG TRONG VIỆC ĐO LƯỜNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRONG CÁC CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ THƠNG MINH PHA Ngơ Phương Thanh* Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Độ xác đo lường, an ninh, thông tin liên lạc yếu tố cốt lõi công tơ điện tử thông minh Các công ty chế tạo vi mạch điện tử đưa giải pháp hoàn chỉnh, kiểm chứng nhằm giải yêu cầu tính linh hoạt, độ xác cao, tính hiệu rút ngắn thời gian đưa thiết bị thị trường Kết hợp giải pháp với vi mạch tương tự hiệu suất cao công ty giúp cho việc tạo thiết bị đo hoàn chỉnh, hoạt động tin cậy vị trí địa lý Nghiên cứu tập trung vào nhìn tổng quan IC sử dụng việc chế tạo công tơ điện tử thông minh Việt Nam giới Từ khóa: Lưới điện thông minh; hạ tầng đo lường tiên tiến; công tơ điện tử thơng minh; điện áp;dòng điện; cơng suất tác dụng ĐẶT VẤN ĐỀ* Công tơ điện tử thông minh-Smart Energy Meter (SEM) phát triển nhanh chóng với kiến trúc khác (cũng thỏa mãn quy định khác nhau) sử dụng thị trường cung cấp lượng điện toàn giới Do số SEM chế tạo để cung cấp cho khách hàng lên tới hàng trăm triệu chiếc, việc thiết kế chế tạo SEM thu hút quan tâm lớn từ nhà sản xuất SEM tảng để triển khai thành công công nghệ lưới điện thơng minh, chúng cải thiện độ tin cậy vận hành lưới điện kiểm soát mức tiêu thụ người dùng giảm trộm cắp điện Ở dạng nhất, SEM cung cấp phép đo lượng công suất, truyền liệu, trì đồng hồ thời gian thực hiển thị liệu mặt trước đồng hồ Yêu cầu thiết kế cho SEM bao gồm: (1) chúng cần hoạt động mức lượng thấp để chúng chạy thời gian dài sử dụng pin, (2) chúng phải tích hợp tính bảo mật để bảo vệ nội dung truyền thơng an toàn liệu lưu trữ * Tel: 0915 660599,Email: phuong-thanh.ngo@tnut.edu.vn SEM dạng thường cung cấp kiểu liên lạc chiều, cho phép nhà bán điện đọc số đồng hồ tự động từ xa cách sử dụng giải pháp truyền thông khác bao gồm truyền dẫn liệu không dây RF, truyền qua đường dây điện (PLC) truyền liệu sử dụng giao thức GPRS Công tơ đo thông minh với kiến trúc tiên tiến Advanced Metering Infrastructure (AMI) cung cấp phương thức truyền thông hai chiều mang lại nhiều lợi ích độ tin cậy độ xác cao, khả giám sát tình trạng điện cung cấp khả ngắt kết nối từ xa tùy chọn thêm mức giá bán điện biến đổi theo cao điểm/thấp điểm Cơng tơ thơng minh giao tiếp trực tiếp với thiết bị đo khác với thiết bị hiển thị nhà phép nhà cung cấp điện khách hàng họ quản lý tốt mức tiêu thụ lượng Khi yêu cầu triển khai ứng dụng kiến trúc trở nên tinh vi hơn, SEM yêu cầu vi xử lý mạnh nhớ flash nhiều cho lưu trữ phần mềm, giao thức truyền thông cập nhật phần mềm Cơng tơ có chứa giao diện truyền thông Tại Hoa Kỳ, nhiều công ty chọn mạng không dây ZigBee để liên kết đến nhà cung cấp điện, châu Âu, số nhóm nhà cung cấp sử dụng giao tiếp qua đường dây điện 93 Ngô Phương Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ PLC Tại việt Nam, ngành điện lực sử dụng mạng RF-Spider [1, 2, 3] cho SEM mang lại hiệu cao cơng tác vận hành mua bán điện Hình thể kiến trúc sản phẩm tiêu chuẩn cho ứng dụng cụ thể - ApplicationSpecific Standard Product (ASSP) cho SEM có khả phát trường hợp ăn trộm điện, sử dụng nhiều nhà sản xuất ASSP chứa AFE để chuyển đổi tín hiệu đầu vào tương tự từ cảm biến dòng điện điện áp thành thơng tin số hóa Có thể nói ASSP phần tử để chế tạo SEM, AFE phần tử ASSP CÁC IC ANALOG FRONT END (AFE) Hàng năm, cơng ty điện lực có kế hoạch bổ sung thêm hàng trăm triệu SEM cho tòa nhà tất thiết bị khác Khơng có ngạc nhiên AMI nhận ý ngành công nghiệp điện tử Rất nhiều công ty giới tập trung nghiên cứu sản xuất nhiều chủng loại IC phục vụ cho việc sản xuất SEM Phần phân tích số loại IC điển hình nhà sản xuất sử dụng rộng rãi giới Việt Nam Họ IC ADE ANALOG DEVICES Họ IC Analog Devices ADE7116/ADE7156/ ADE7166/ADE7169/ADE7566/ADE7569 tích hợp IC đo lượng (ADE- Analog Devices Energy) dạng tương tự hãng Analog Devices với DSP có chức chuẩn với lõi MCU 8052 nâng cao, thời gian thực RTC, điều khiển LCD tất linh kiện phụ trợ khác để tạo nên SEM với hiển thị LCD phần tử Một chip đo lường ADE chứa chức đo lường lượng tác dụng, phản kháng biểu kiến đại lượng dòng điện điện áp hiệu dụng Các thông tin truy cập phục vụ q trình tốn tiền sử dụng điện cách sử dụng đại lượng 94 188(12/2): 93 - 97 lượng vơ hướng tích hợp sẵn Các chức giám sát lượng điện sụt áp, giá trị đỉnh giá trị cắt qua tích hợp DSP đo lượng nhằm đơn giản hóa việc thiết kế SEM Họ IC tạo SEM có độ xác cấp Chúng đo lượng tác dụng phản kháng đạt tới độ xác 0,1% Ở Việt Nam, Công ty Điện lực Miền trung sản xuất dòng SEM DT01P80-RF, DT01P60-RF sử dụng IC ADE Họ IC Teledyne e2v Công ty, Teledyne e2v Vương quốc Anh, cung cấp IC ASIC tùy chỉnh cho ứng dụng AMI liên quan đến phép đo, điều khiển truyền thông RF Các IC sản xuất chi nhánh công ty Grenoble, Pháp Những Chip ASIC bao gồm ADC sigma-delta 20 bit, vi xử lý 32 bit khối RF Gần đây, e2V bắt đầu thử nghiệm chip IC tiêu chuẩn có tên EV8452 q trình ứng dụng cho ứng dụng quản lý lượng Họ IC Cirrus Logic Cirrus Logic cung cấp cặp IC đo lượng có xác cao nhắm vào cấu trúc AMI thị trường Ấn Độ, Nhật Bản thị trường phát triển nhanh khác cho ứng dụng dân CS5464 chứa ADC sigma-delta 24 bit bậc mà cơng ty Cirrus tun bố chúng có khả tăng cường tính cạnh tranh lĩnh vực IC đo lượng điện CS5467 phiên khác nhắm vào thị trường Nhật Bản, với hai kênh đo dòng điện hai kênh điện áp cho phép đo lúc hai pha đồng thời Cả loại chip chứa đặc tính hiệu chuẩn mức hệ thống, cảm biến nhiệt độ, đo độ sụt điện áp, phát lỗi dòng điện có khả bù pha Họ IC Austriamicrosystems Một nhà sản xuất IC đầu cuối tương tự để đo lượng khác Austriamicrosystems Hai IC AS8118 AS8168 thiết kế để đo Ngơ Phương Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ đếm lượng tức thời / trung bình pha bao gồm lập trình hiệu chuẩn kỹ thuật số chip Chúng có độ xác 0,1% dải đo 1000:1 chứa ADC sigmadelta, lọc kỹ thuật số, DSP mạch điều khiển mạch điện công suất Công ty cung cấp cặp SoC AS8218 AS8228 cho ứng dụng đo dòng điện pha hai dây Họ IC Maxim Công ty Maxim Integrated Products sản xuất IC MAX11046, chứa ADC lấy mẫu đồng thời kênh 16 bit nhằm vào ứng dụng đo thông minh Kiến trúc chờ cấp sáng chế cung cấp điện áp âm chip với nhiễu cực thấp mà sử dụng nguồn cung cấp bên dương Chip đảm bảo tốt yêu cầu quy định Class 2.0 (0,2% với điện áp 220 V) bắt buộc theo tiêu chuẩn 62053 Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) tiêu chuẩn EN 50160 Họ IC Freescale Semiconductor Freescale Semiconductor cung cấp danh mục nhiều IC đo thông minh Chúng bao gồm tập trung liệu, IC truyền thông không dây, thiết bị truyền thông qua dây điện (PLC), IC đo pha ba pha, thiết bị chống ăn trộm điện Chip thông minh MCF51EM128/256 công ty dựa vi xử lý lõi 32-bit ColdFire V1 Nó bao gồm điều khiển LCD nhúng, 188(12/2): 93 - 97 ADC 16-bit, thiết bị ngoại vi đo lường cụ thể tối ưu hóa cho ứng dụng đo thông minh Họ IC Texas Instruments Texas Instruments (TI) cung cấp loạt vi điều khiển tín hiệu hỗn hợp dựa tảng MCU MSP430 sử dụng rộng rãi xử lý tác vụ AMI Gần đây, công ty giới thiệu 16 MCU MSP430 cung cấp phép đo xác 0,1%, giám sát an ninh lượng, tiêu thụ điện cực thấp tăng dung lượng nhớ cho ứng dụng cần nhiều nhớ MCU MSP430 cho tiêu hao lượng điện so với thiết bị lĩnh vực, 330 µA (ở mức V MHz) Ở chế độ chờ, dòng tiêu thụ 0,1 µA Ở Việt Nam, công ty Hữu Hồng GELEX sử dụng IC MSP430 để sản xuất SEM Họ IC Microchip Công ty Microchip sản xuất nhiều loại IC đo lượng điện thông minh dựa vi điều khiển PIC bit 16 bit Một thiết bị MCP3909, IC giám sát lượng với hai ADC sigma-delta 16 bit Nó có giao diện SPI, đầu xung, độ xác 0,1%, dải hoạt động 1000:1 chứa tham chiếu điện áp chip với độ lệch nhiệt độ cực thấp 15 ppm ° C Hình Sơ đồ khối công tơ thông minh [4] 95 Ngô Phương Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ (a) (c) 188(12/2): 93 - 97 (b) (d) Hình Một số IC: (a) ADE7569, (b) CS5464, (c) MSP430 (b) MCP3909 (Nguồn Internet) KẾT LUẬN Bài báo cung cấp nhìn tổng thể IC sử dụng việc chế tạo SEM Các ưu điểm loại IC Việc công ty sản xuất SEM chọn loại IC phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật, yếu tố thị trường, giá cả, v.v LỜI CÁM ƠN Bài báo tài trợ khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cấp đại học mã số ĐH2013-TN02-01 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO EVNCPC, "Tổng công ty Điện lực Miền Trung," EVNCPC, 30 07 2015 [Online] Available: https://emec.cpc.vn/TLKT/TLKT_DT01P60_RF_ mau2.pdf [Accessed 20 08 2018] EVNCPC, "EVNCPC," EVNCPC, 27 01 2016 [Online] Available: https://emec.cpc.vn/TLKT/TLKT_DT03P05.pdf [Accessed 20 08 2018] EVNCPC, "EVNCPC," EVNCPC, 27 03 2018 [Online] Available: https://emec.cpc.vn/TLKT/TLKT_RFSPIDER.PD F [Accessed 20 08 2018] Design-reuse, Design-reuse, 06 2010 [Online] Available: https://www.designreuse.com/articles/23746/multiplexed-energymetering-analog-front-end.html [Accessed 20 08 2018] Ngơ Phương Thanh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 188(12/2): 93 - 97 SUMMARY OVERVIEW OF ICS USED IN MEASURING ELECTRICAL ENERGY IN SINGLE PHASE SMART METERS Ngo Phuong Thanh1,* University of Technology - TNU Accuracy in measurement, security, and communications are the core elements of a Smart Electricity Meter Electronics industry have come up with proven solutions to address the requirements of flexibility, high accuracy, efficiency and shortening time to market Combining these solutions with high-performance analog circuits enables companies to create complete and reliable measurements in any geographic location This study focuses on the overview of ICs used in the manufacture of smart electronic meters in Vietnam as well as in the world Keywords: Smart Grid; Advanced Metering Infrastructure; Smart Energy Meter; Voltage; Current; Active energy Ngày nhận bài: 22/8/2018; Ngày phản biện: 25/9/2018; Ngày duyệt đăng: 12/10/2018 * Tel: 0915 660599, Email: phuong-thanh.ngo@tnut.edu.vn 97 98 ... phần tử Một chip đo lường ADE chứa chức đo lường lượng tác dụng, phản kháng biểu kiến đại lượng dòng điện điện áp hiệu dụng Các thông tin truy cập phục vụ q trình tốn tiền sử dụng điện cách sử dụng. .. thụ 0 ,1 µA Ở Việt Nam, công ty Hữu Hồng GELEX sử dụng IC MSP430 để sản xuất SEM Họ IC Microchip Công ty Microchip sản xuất nhiều loại IC đo lượng điện thông minh dựa vi điều khiển PIC bit 16 bit... AS8 218 AS8228 cho ứng dụng đo dòng điện pha hai dây Họ IC Maxim Công ty Maxim Integrated Products sản xuất IC MAX 110 46, chứa ADC lấy mẫu đồng thời kênh 16 bit nhằm vào ứng dụng đo thông minh