Thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen

Bài viết trình bày kết quả của nghiên cứu nhằm chế tạo ra tủ điện tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng đèn đường, trên các tuyến đường có sử dụng bóng cao áp Halogen.

TNU Journal of Science and Technology 225(09): 47 - 54 THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG BÓNG HALOGEN Vũ Trọng Hiệp1, Nguyễn Hữu Công2, Nguyễn Thế Cường3, Dương Quốc Hưng4* 1Công ty điện lực Sơn La, 2Đại học Thái Nguyên, 3Công ty cổ phần điện tử ASO, 4Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TĨM TẮT Chiếu sáng nói chung chiếu sáng cơng cộng nói riêng chiếm tỉ lệ tiêu thụ điện lớn, có hệ thống chiếu sáng đèn đường Việc đại hóa hệ thống chiếu sáng đèn đường nhằm tiết kiệm điện giảm chi phí vận hành, đồng thời đảm bảo chất lượng chiếu sáng xem giải pháp cấp bách Bài báo trình bày kết nghiên cứu nhằm chế tạo tủ điện tiết kiệm lượng cho chiếu sáng đèn đường, tuyến đường có sử dụng bóng cao áp Halogen Kết nghiên cứu cho thấy, việc chiết giảm trì điện áp ổn định khung thấp điểm giảm công suất tiêu thụ bóng đèn, đồng thời tránh tượng điện áp, từ nâng cao tuổi thọ bóng đèn Từ khóa: Tiết kiệm điện; sử dụng lượng hiệu quả; PLC S7 1200; đèn đường cao áp; mạng truyền thông công nghiệp Ngày nhận bài: 11/8/2020; Ngày hoàn thiện: 19/8/2020; Ngày đăng: 31/8/2020 DESIGNING ELECTRICAL ENERGY SAVING CONTROL CABINET FOR THE STREET LIGHTING SYSTEM USED HALOGEN BULBS Vu Trong Hiep1, Nguyen Huu Cong2, Nguyen The Cuong3, Duong Quoc Hung4* 1Son La Electricity Company, 2Thai Nguyen University, 3ASO Mechatronics joint stock comapany, 4TNU - University of Technology ABSTRACT General lighting and public lighting in particular are accounting for a large proportion of electricity consumption, including street lighting system Modernizing the street lighting system to save energy and reduce operating costs, while ensuring the quality of lighting is considered an urgent solution today This article presents the result of the research to create energy-saving control cabinet for the street lighting system used halogen bulbs The result of the research show that, by reducing and maintaining a stable voltage at the free time, the power consumption of the bulbs is reduced, and the overvoltage on the bulbs is avoided which enhances the life of the bulbs Keywords: Enrgy saving; use energy efficiently; PLC S7 1200; high pressure street lights; industrial communication network Received: 11/8/2020; Revised: 19/8/2020; Published: 31/8/2020 * Corresponding author Email: quochungkd@tnut.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 47 Vũ Trọng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Một hệ thống chiếu sáng công cộng đánh giá thơng qua tiêu chí: Tiết kiệm lượng; Giảm chi phí đầu tư nhân cơng vận hành; An toàn cho thiết bị chiếu sáng; An tồn cho người tham gia giao thơng; Đảm bảo mỹ quan đô thị Tuy nhiên, hệ thống vận hành chưa hiệu quả: Khoảng thời gian thấp điểm (Ví dụ: từ 22h30 đêm đến 5h30 sáng), lưu lượng phương tiện tham gia giao thơng ánh sáng đèn đường trì khoảng thời gian cao điểm (Ví dụ: Từ 18h đến 22h30) dẫn đến lãng phí điện Mặt khác, lưới điện chiếu sáng sử dụng chung với lưới điện sinh hoạt nên khoảng thời gian đêm điện áp lưới thường cao định mức (đạt khoảng 240 - 250V); cơng suất tiêu thụ bóng tăng lên, điều khơng gây lãng phí điện mà cịn làm giảm tuổi thọ bóng đèn (do bóng bị điện áp) Trong năm gần có nhiều nghiên cứu nhằm xây dựng hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh tiết kiệm lượng Giải pháp sử dụng Vi xử lý với tính thời gian thực kết hợp thiết bị động lực để điều chỉnh cơng suất bóng đèn, truyền thông qua mạng viễn thông GSM để tạo hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh – điều khiển qua điện thoại đề cập đến nghiên cứu [1]–[5] Cũng với phương pháp truyền thông GSM, [6] sử dụng lượng mặt trời để làm nguồn điện cấp cho chiếu sáng thay sử dụng điện áp lưới Một hệ thống tự động tắt ánh sáng đường phố khơng có xe tự động bật ánh sáng có số xe tới thử nghiệm [7] Cùng với lý thuyết điều khiển kinh điển, nghiên cứu lý thuyết điều khiển đại áp dụng cho hệ thống chiếu sáng đèn đường, bao gồm: Lý thuyết điều khiển mờ [8] Mạng Noron nhân tạo [9] Những năm gần đây, Việt Nam, nhiều giải pháp tiết kiệm lượng cho thiết bị chiếu sáng nghiên cứu ứng 48 225(09): 47 - 54 dụng [10]-[12] Các giải pháp kể đến sau: Giải pháp 1: Tắt luân pha bóng đèn vào ban đêm Giải pháp 2: Thay bóng có sang bóng LED Giải pháp 3: Sử dụng chấn lưu hai mức công suất, sử dụng chấn lưu phụ mắc thêm cho chấn lưu thường để tạo thành tổ hợp chấn lưu hai mức cơng suất, sử dụng loại bóng mức công suất để giảm công suất tiêu thụ đèn vào thấp điểm Giải pháp 4: Sử dụng máy biến áp tự ngẫu để điều chỉnh chiết giảm vơ cấp điện áp đặt lên bóng đèn nhằm tiết kiệm lượng nâng cao tuổi thọ bóng Có thể thấy rằng, giải pháp đem lại hiệu tiết kiệm điện Tuy nhiên giải pháp không đảm bảo chất lượng chiếu sáng Giải pháp 2, 3, có chi phí đầu tư cao Giải pháp 2, không tận dụng hệ thống bóng đèn có sẵn Giải pháp điều chỉnh vô cấp điện áp, tổn hao lớn tính tự động hóa chưa cao Cùng với việc tiết kiệm điện, vấn đề giám sát tổn hao (do sử dụng điện trái phép) đưa cảnh báo vị trí bị cố tuyến đường bị hạn chế Bài báo trình bày nghiên cứu nhằm chế tạo tủ điện để điều khiển cho tuyến đèn đường Tủ điều khiển tự động điều chỉnh công suất chiếu sáng với nhiều chế độ làm việc khác nhau, đồng thời giám sát lượng tiêu thụ tuyến đường để đưa cảnh báo cần thiết Đặc biệt, với thiết kế tận dụng lại sở vật chất có sẵn tuyến, cần thay tủ điều khiển giữ nguyên hệ thống có sẵn, bao gồm: Đường dây, cột, bóng đèn; giảm chi phí đầu tư Đề xuất giải pháp thiết kế Sử dụng điều khiển PLC linh kiện bán dẫn công suất, để chế tạo tủ điều khiển có khả tự động điều chỉnh công suất chiếu sáng tối ưu theo nhu cầu sử dụng thời điểm, đồng thời ổn định điện http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Vũ Trọng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN áp đặt lên bóng đèn nhờ điều khiển PID tích hợp PLC S7 1200 Ưu điểm: - Khả chiết giảm đến 40% điện năng, đảm bảo cường độ chiếu sáng cho phép; - Đảm bảo mỹ quan thị; - Chống q áp bóng đèn, giúp tăng tuổi thọ bóng; - Tận dụng thiết bị hạ tầng chiếu sáng có; - Tổn hao thấp Nhược điểm: - Chi phí đầu tư ban đầu lớn giải pháp tắt xen kẽ pha, thấp so với giải pháp khác 2.1 Chế độ làm việc: Tủ chiếu sáng tiết kiệm điện có 03 chế độ làm việc: + Chế độ tiêu chuẩn; + Chế độ cắt xen pha; + Chế độ hỗn hợp Chế độ tiêu chuẩn: Đặc tính khơng chiết giảm Đặc tính có chiết giảm Hình Đặc tính làm việc chế độ tiêu chuẩn Ở chế độ tiêu chuẩn, hệ thống đèn chiếu sáng tự động bật sáng thời điểm t1 trì ổn định cơng suất đặt P2 thời điểm t2 Tại thời điểm t2 hệ thống chiếu sáng tự động chuyển sang vận hành công suất P3 < P2 thời điểm t5 Trong khoảng thời gian từ t2 - t5 công suất vận hành mức từ 60 – 100% cơng suất định mức hệ thống (hình 1) Chế độ cắt xen pha: Tủ điều khiển làm việc tủ điện đóng cắt thơng thường theo chức thời gian thực, khơng có tham gia bán dẫn công suất Năng lượng tiết kiệm tối đa đến 50% không tránh khỏi việc bị áp bóng đèn ảnh hưởng đến chất lượng chiếu sáng mỹ quan đô thị http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(09): 47 - 54 Chế độ hỗn hợp: Có thể kết hợp vận hành chiết giảm công suất vận hành ngắt xen pha, điều cho hiệu tiết kiệm lượng cao Tuy nhiên, áp dụng chế độ vận hành cho tuyến đường phương tiện lưu thơng đêm, khơng đảm bảo chất lượng chiếu sáng Gần sáng lưu lượng tham gia giao thơng tăng nên nhu cầu chiếu sáng lại tăng Do pha lại bật sáng trở lại (hình 2) Đặc tính khơng chiết giảm Đặc tính có chiết giảm Hình Đặc tính làm việc chế độ hỗn hợp 2.2 Chế độ điều khiển: Điều khiển chỗ: Vận hành cài đặt tham số làm việc hình cảm ứng HMI đặt tủ điều khiển Các tham số lượng giám sát đồng hồ lượng hiển thị HMI Điều khiển từ xa: Vận hành cài đặt phòng điều khiển trung tâm thông qua mạng truyền thông không dây wifi, 3G, truyền thơng có dây Trong nghiên cứu trình bày phương pháp truyền thơng sóng wifi Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển pha 49 Vũ Trọng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 47 - 54 Sơ đồ cấu trúc điều khiển pha trình bày hình 3, Sơ đồ chi tiết chức khối trình bày hình Trong đó: Đồng hồ lượng sử dụng để so sánh lượng tiêu hao trước sau sử dụng tủ tiết kiệm điện Nó truyền thơng theo giao thức Modbus RTU với PLC S7 1200 Hình Giao diện điều khiển, giám sát máy tính Hình Giao diện điều khiển, giám sát hình cảm ứng HMI Hình Sơ đồ chức khối Bộ phản hồi áp lấy tín hiệu phản hồi điện áp bóng đèn để đưa PLC Bộ PLC so sánh với giá trị đặt để điều chỉnh tín hiệu cấp biến đổi cơng suất AC/AC theo thuật toán PID cho điện áp đặt lên bóng đèn điện áp chiết giảm đặt có giá trị Bộ wifi kết nối tín hiệu điều khiển khơng dây với máy tính Trên máy tính xây dựng phần mềm điều khiển giám sát toàn hệ thống 2.3 Phần mềm điều khiển, giám sát Phần mềm điều khiển, giám sát xây dựng Wincc điều khiển máy tính Việc truyền liệu đến mơ hình thực nghiệm thực sóng wifi (hình 5) Ngồi tủ điều khiển có đặt HMI xây dựng giao diện tương tự (hình 6) 50 Phần mềm điều khiển giám sát cho phép lựa chọn chế độ làm việc, hiệu chỉnh lại đồng hồ thời gian thực cài đặt khoảng thời gian đóng/cắt, thời điểm mức % chiết giảm Phần mềm đưa cảnh báo xảy việc sử dụng điện trái phép (có gia tăng đột biến công suất) cảnh báo mức điện áp cao hệ thống chạy chế độ cắt xen pha (chế độ Byspass khơng có tham gia AC/AC điều khiển PID Thuật toán điều khiển Thuật tốn điều khiển mơ tả lưu đồ từ hình – 10 Trên sở chế độ làm việc là: + Chế độ tiêu chuẩn; + Chế độ cắt xen pha; + Chế độ hỗn hợp Trong đó, chế độ tiêu chuẩn chế độ hỗn hợp có sử dụng tính chiết giảm điện áp http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Vũ Trọng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN vào không cao điểm để giảm công suất tiêu thụ Phần trăm mức chiết giảm cài đặt từ HMI tủ điều khiển từ giao diện điều khiển giám sát máy tính Máy tính đặt phịng điều khiển trung tâm giao tiếp với tủ điều khiển thơng qua sóng 4G sóng wifi Căn vào giá trị cài đặt, điều khiển tự động ổn định điện áp đầu theo thuật toỏn PID 225(09): 47 - 54 Ch-ơng trình chế độ cắt pha Cài đặt tham số làm việc, tham số bảo vệ Đọc giá trị phản hồi; Đọc thông số l-ợng S Đến thời điểm cắt pha? S Giá trị phản hồi = ng-ỡng đặt bảo vệ ? é Bắt đầu é Bật cảnh báo; Cắt xen pha Cắt hệ thống Cài đặt tham số S Chọn chế độ tiêu chuẩn? Hỡnh Lu thut toỏn ch ct pha Ch-ơng trình chế độ hỗn hợp é S Ch-ơng trình chế độ tiêu chuẩn Chọn chế độ cắt pha Cài đặt tham số làm việc, tham số bảo vệ é Chọn chế độ hỗn hợp S Đọc giá trị phản hồi; Đọc thông số l-ợng Ch-ơng trình chế độ cắt pha é S Ch-ơng trình chế độ hỗn hợp Giá trị phản hồi = giá trị đặt ? S Giá trị phản hồi = ng-ỡng đặt bảo vệ ? é Bật cảnh báo; Cắt hệ thống é Duy trì tín hiƯu ®iỊu khiĨn Thay ®ỉi tÝn hiƯu ®iỊu khiĨn Hình Lu thut toỏn tng th Ch-ơng trình chế độ tiêu chuẩn Cài đặt tham số làm việc, tham số bảo vệ Đến thời điểm cắt pha? S é Cắt xen pha Đọc giá trị phản hồi; Đọc thông số l-ợng S S Giá trị phản hồi = ng-ỡng đặt bảo vệ ? é Bật cảnh báo; Cắt hệ thống Giá trị phản hồi = giá trị đặt ? é Thay đổi tín hiệu điều khiển Duy trì tín hiệu điều khiển Hỡnh Lu thuật tốn chế độ tiêu chuẩn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hình 10 Lưu đồ thuật toán chế độ hỗn hợp Chế độ làm việc cắt xen pha, hệ thống làm việc tủ điện đóng cắt thơng thường, lúc biến đổi điện áp AC/AC tách khỏi hệ thống nhờ contactor bypass K2 (K1 mở K2 đóng lại) Hệ thống tự động ngắt xen pha đến thời gian đặt trước khơng có khả ổn định điện áp theo giá trị đặt 51 Vũ Trọng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Các thơng số lượng, bao gồm: Dòng điện, điện áp, tần số, cosphi, KW, KVAR, KVA, KWh, KVARh… đo lường hiển thị nhờ đồng hồ đa chức Đồng hồ có trang bị truyền thông MODBUS RS485 PLC đọc để hiển thị lên HMI máy tính Khi giá trị đo lường vượt giá trị cài đặt bảo vệ, PLC đưa cảnh báo ngắt toàn hệ thống Kết thực nghiệm Mơ hình thực nghiệm lắp đặt thử nghiệm với tải bóng đèn 25W chia làm lộ (hình 11) 225(09): 47 - 54 Hình 13 Tất bóng sáng, chiết giảm công suất + Trong chế độ cắt pha (Chế độ Bypass): Contactor K2 đóng lại, contactor K1 mở Lúc này, biến đổi AC/AC bị loại khỏi hệ thống Khi đến thời điểm cắt xen pha, số lượng bóng cắt nửa, cịn nửa, nên cơng suất tiêu thụ cịn khoảng 53W (Hình 14) Hình 11 Mơ hình thực nghiệm hệ thống tiết kiệm chiếu sáng đèn đường + Trong chế độ tiêu chuẩn: Khi đến thời điểm bật đèn, tất bóng sáng, cơng suất tiêu thụ khoảng 105W, hệ thống tự động ổn định điện áp 220V Đến thời điểm thấp điểm cài đặt sẵn, hệ thống tự động giảm ổn định điện áp toàn tuyến, cơng suất tiêu thụ giảm theo Ví dụ: Hình 12 đặt mức chiết giảm cịn 60% nên cơng suất tiêu thụ cịn 67W, tất bóng sáng (hình 13) Hình 12 Chiết giảm cịn 60% công suất vào thời điểm thấp điểm chế độ tiêu chuẩn 52 Hình 14 Đặc tính cơng suất chế độ cắt xen pha Hình 15 Đặc tính cơng suất chế độ hỗn hợp http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Vũ Trọng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN + Chế độ hỗn hợp: Khi đến thời điểm cắt xen pha đặt trước, bóng cắt xen pha đồng thời chiết giảm điện áp Do cơng suất tiêu thụ cịn chế độ cắt xen pha thông thường Do vừa cắt xen pha vừa chiết giảm nên cơng suất cịn khoảng 35W Khi đến gần sáng, phương tiện giao thông nhiều hơn, hệ thống tự động bật pha bị cắt trở lại thực chiết giảm để tiết kiệm điện (Hình 15) Kết luận Bài báo trình bày kết nghiên cứu việc xây dựng mơ hình điều khiển tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường Kết thực nghiệm cho thấy: + Ở chế độ tiêu chuẩn: Khi hết cao điểm tham gia giao thông, Điện áp tự động giảm xuống để giảm công suất nên lượng tiết kiệm đến 40% Việc chiết giảm không nên thực sâu giảm áp sâu, bóng cao áp khơng đủ áp bị tắt không đảm bảo ánh sáng lưu thông + Ở chế độ cắt xen pha: Năng lượng giảm 50% việc cắt xen pha, việc áp bóng xảy Do sử dụng mà biến đổi AC/AC bị cố + Ở chế độ hỗn hợp: Vừa cắt xen pha vừa chiết giảm nên lượng tiết kiệm nhiều Tuy nhiên nên áp dụng chế độ tuyến đường có phương tiện tham gia giao thông ban đêm Bộ điều khiển PID PLC S7 1200 sử dụng để ổn định điện áp đặt lên bóng đèn chế độ tiêu chuẩn chế độ hỗn hợp nhằm nâng cao độ ổn định hệ thống nâng cao tuổi thọ bóng TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] H P Khandagale, R Zambare, P Pawar, P Jadhav, P Patil, and S Mule, “Street light controller with GSM technology,” International Journal of Engineering Applied Sciences and Technology, vol 4, no 10, pp 268-271, 2020 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(09): 47 - 54 [2] H G Coandă, “Designing a control system for smart outdoor street lighting using advanced communication technologies,” Scientific Bulletin of the Electrical Engineering Faculty, vol 29, no 1, pp 25-30, 2015 [3] K Y Rajput, G Khatav, M Pujari, and P Yadav, “Intelligent Street Lighting System Using Gsm,” International Journal of Engineering Science Invention, vol 2, no 3, pp 60-69, March 2013 [4] Lakshmiprasad, and Keerthana, “Smart Street Lights,” International Journal of Students Research in Technology & Management, vol 2, no 02, pp 59-63, March-April 2014 [5] D A Mhaske, and S S Katariya, “Smart Street Lighting using a ZigBee & GSM Network for High Efficiency & Reliability,” International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), vol 3, no 4, pp 175-179, April 2014 [6] K Nanavati, H Prajapati, H Pandav, K Umaria, and N Desai, “Smart Autonomous Street Light Control System,” IJSTE International Journal of Science Technology & Engineering, vol 2, no 10, pp 729-733, April 2016 [7] S A E Mohamed, “Smart Street Lighting Control and Monitoring System for Electrical Power Saving by Using VANET,” Int J Communications, Network and System Sciences, vol 6, pp 351-360, 2013, doi: http://dx.doi.org/10.4236/ijcns.2013.68038 [8] C Volosencu, D I Curiac, O Banias, C Ferent, D Pescaru, and A Doboli; “Hierarchical Approach for Intelligent Lighting Control In Future Urban Environments,” 2008 IEEE International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics, 2008, doi: 10.1109/AQTR.2008.4588726 [9] M Kolasa, “The concept of intelligent system for streetlighting control using artificial neural networks,” PRZEGL˛ AD ELEKTROTECHNICZNY, vol R.92, pp 32-37, July 2016 [10] X L Nguyen, "Economical and efficient lighting solutions in buildings in Vietnam," Energy Saving conference of Construction Science and Technology Institute - IBST, 2016 [Online] Available: http://www.ibst.vn/ DATA/admin/Tapchi2011/Nguyen%20Son% 20Lam2.2010.pdf [Accessed June, 2020] [11] A T Nguyen, "Energy-saving public lighting solutions in Da Nang," Danang Public Lighting Management and Operation 53 Vũ Trọng Hiệp Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Conference, August 2014 [Online] Available: http://nangluongvietnam.vn/news/ vn/hoi-thao -truc-tuyen/giai-phap-chieu-sangcong-cong-tiet-kiem-dien-o-da-nang.html [Accessed June, 2020] [12] T C Nguyen, and Q H Duong, "Cabinet for saving electricity and lighting street light," 54 225(09): 47 - 54 energy saving in lighting conference, Vinh Phuc Province, 2014 [Online] Available: http://vinhphucit.gov.vn/so-cong-thuong-vinh -phuc.gplist.378.gpopen.8002.gpside.1.gpnew title.hoi-thao-%E2%80%9Csan-pham-tietkiem-nang-luong-trong-chieu-sang%E2%80 %9D.asmx [Accessed June, 2020] http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... lên, điều khơng gây lãng phí điện mà cịn làm giảm tuổi thọ bóng đèn (do bóng bị điện áp) Trong năm gần có nhiều nghiên cứu nhằm xây dựng hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh tiết kiệm lượng. .. thời gian thực kết hợp thiết bị động lực để điều chỉnh công suất bóng đèn, truyền thơng qua mạng viễn thơng GSM để tạo hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh – điều khiển qua điện thoại đề... việc xây dựng mơ hình điều khiển tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường Kết thực nghiệm cho thấy: + Ở chế độ tiêu chuẩn: Khi hết cao điểm tham gia giao thông, Điện áp tự động giảm xuống