Nghiên cứu thiết kế hệ thống thực nghiệm quản lý, điều khiển và giám sát điện năng thông minh

Bài viết nghiên cứu thiết kế hệ thống thực nghiệm nhằm quản lý, điều khiển và giám sát điện năng của các phụ tải điện hạ áp. Các cảm biến điện áp, cảm biến dòng điện xoay chiều được sử dụng để đưa tín hiệu vào bo mạch Arduino nhằm đo lường các đại lượng cần thiết.

JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y Design of a smart energy management, control and monitoring experimental system Nguyen Thanh Binh1,2, Vo Xuan Tri3, Le Van Tho3, Ngo Minh Khoa4,* Graduate student course 20, Department of Engineering and Technology, Quy Nhon University Center of vocational and continuing education, Hoai Nhon, Binh Dinh Undergraduate student course 38, Department of Engineering and Technology, Quy Nhon University Department of Engineering and Technology, Quy Nhon University Received: 20/05/2019; Accepted: 20/06/2019 ABSTRACT This paper presents a design of the experimental system to manage, control and monitor the low voltage networks Voltage and current sensors are used to send the voltage and current signals to Arduino board and to measure all necessary electrical quantities Then, they will be calculated and proceeded to export all outputs such as voltage, current, active power, reactive power, energy, etc to LCD display, monitoring program screen to manage and monitor The function of transfering and receiving the data via the wifi Internet is exploited to design softwares on a smartphone to manage, control and monitor the system operation In addition, other functions including demand side management (DSM) and over/under voltage protection are also implemented into the system The experimental results shown in this paper indicate that the system operates reliably and accurately Keywords: Arduino wemos, control, monitoring, DSM, over/under voltage * Corresponding author Email: ngominhkhoa@qnu.edu.vn Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 35-43 35 KHOA HỌC TẠP CHÍ TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN Nghiên cứu thiết kế hệ thống thực nghiệm quản lý, điều khiển giám sát điện thông minh Nguyễn Thanh Bình1,2, Võ Xn Trí3, Lê Văn Thơ3, Ngơ Minh Khoa4,* Học viên cao học K20, Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn; Trung tâm GDNN-GDTX Hồi Nhơn, Bình Định; Sinh viên K38, Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn; Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn Ngày nhận bài: 20/05/2019; Ngày nhận đăng 20/06/2019 TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu thiết kế hệ thống thực nghiệm nhằm quản lý, điều khiển giám sát điện phụ tải điện hạ áp Các cảm biến điện áp, cảm biến dòng điện xoay chiều sử dụng để đưa tín hiệu vào bo mạch Arduino nhằm đo lường đại lượng cần thiết Sau tiến hành tính tốn, xử lý để xuất kết đầu mong muốn chẳng hạn như: điện áp, dịng điện, cơng suất tác dụng (CSTD), cơng suất phản kháng (CSPK), điện tiêu thụ,… hình LCD, lên giao diện chương trình điều khiển giám sát Tính truyền - nhận liệu thông qua mạng truyền thông internet wifi khai thác ứng dụng để thiết kế chương trình phần mềm smartphone nhằm quản lý, điều khiển giám sát toàn hoạt động hệ thống Ngoài số chức khác bao gồm quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) bảo vệ quá/thấp áp tích hợp hệ thống Các kết thực nghiệm với số dạng tải khác khảo sát báo cho thấy làm việc tin cậy xác hệ thống Từ khóa: Arduino wemos, điều khiển, giám sát, DSM, quá/thấp áp ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với phát triển kinh tế đất nước, nhu cầu tiêu thụ điện ngày cao khả cung cấp điện cịn nhiều khó khăn, từ vấn đề sử dụng điện tiết kiệm, hiệu trở thành vấn đề cấp bách Việc ý thức tiết kiệm điện người dân chưa nâng cao, biện pháp đề để tiết kiệm điện cịn việc áp dụng vào thực tiễn cịn nhiều bất cập Để tiết kiệm điện phụ thuộc yếu tố: thiết bị điện thói quen sử dụng người Người dùng thường bận rộn với công việc nên có thời gian giám sát việc sử dụng thiết bị gia đình hay quan, dẫn đến nhiều thiết bị hoạt động không cần thiết, gây lãng phí lượng điện tăng chi phí điện cho gia đình, quan Trong sống đại ngày nay, quản lý giám sát điện yếu tố vô quan trọng quan trọng sản xuất kinh doanh doanh nghiệp Một toán đặt cho nhà quản lý quản lý tòa nhà, nhà máy hay xí nghiệp cách hiệu nhằm để tiết giảm chi phí, tiết kiệm lượng mức tối đa, tạo điều kiện thuận lợi cho doanh nghiệp hoạt động kinh doanh Phương án tối ưu *Tác giả liên hệ Email: ngominhkhoa@qnu.edu.vn 36 Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 35-43 Trong đ Hệ thống quản lý, điều khiển giám sát điện thông minh SCIENCE JOURNAL OF Tải Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y Tải Nguồn 220VAC (a) thiết lập hệ thống tự động quản lý giám sát điện từ xa.1,2 Hiện nay, Arduino dạng mã nguồn mở sử dụng để xây dựng ứng dụng điện tử tương tác với với môi trường thuận lợi hơn.3,4 Arduino giống máy tính nhỏ để người dùng lập trình thực dự án điện tử mà khơng cần phải có công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code Do mơđun bo mạch Arduino, mơđun cảm biến điện áp xoay chiều, mơđun cảm biến dịng điện xoay chiều, mơđun rơle đóng cắt mạch điện, mơđun wifi Arduino, môđun hiển thị LCD,… nghiên cứu lựa chọn để thiết kế báo THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Trong báo này, tác giả tập trung vào thiết kế hệ thống quản lý giám sát điện cho đối tượng mạng điện pha 220VAC Phần mạch lực thể hình 1(a), có mạch nguồn hai mạch tải (tải tải 2) Các tín hiệu điện áp, dịng điện nhánh thu thập thông qua cảm biến điện áp (ZMPT101B) cảm biến dòng điện (ACS712) đưa xử lý trung tâm (Arduino Wemos) hệ thống.5,7 Sau xử lý tính tốn thơng số đầu ra, xử lý trung tâm đưa tín hiệu để điều khiển rơle đóng/cắt mạch sơ đồ mạch lực Sau thiết kế sơ đồ lắp ráp chi tiết, tác giả tiến hành lắp ráp hệ thống thực nghiệm hình 1(b) Nguồn 220VAC Hệ thống quản lý, điều khiển giám sát điện thông minh Tải Tải (a) (a) 10 13 12 Chú thích: 1: Arduino Wemos R32 2: Cảm biến điện áp ZMPT101B 3: Cảm biến dòng điện mạch 4: Cảm biến dòng điện mạch Cảm biến dòng Journal điện mạch 6: Rơle đóng/cắt mạch 7: Rơle đóng/cắt mạch 8: Rơle đóng/cắt mạch Do đó, dịng đ Tải 10 13 Tải Chú thích: 1: Arduino Wemos R32 2: Cảm biến điện áp ZMPT101B 3: Cảm biến dòng điện mạch 4: Cảm biến dòng điện mạch Cảm biến dịng điện mạch 6: Rơle đóng/cắt mạch 7: Rơle đóng/cắt mạch 8: Rơle đóng/cắt mạch 9: LCD 10 Mô đun wifi ESP8266 11: Ngõ vào nguồn cấp 220VAC 12: Ngõ (cấp tải 1) Chú thích: 13: Ngõ (cấp 1: Arduino Wemos R32 tải 2) 14:biến Cápđiện USBápkết nối máy tính 2: Cảm ZMPT101B Hệ thống quản lý, điều khiển giám sát điện thông minh 12 (a)11 14 10 (b) (b) 13 3: Cảm biến dòng điện mạch 4: Cảm biến dòng điện mạch Cảm biến dòng điện mạch 6: Rơle đóng/cắt mạch 7: Rơle đóng/cắt mạch 8: Rơle đóng/cắt mạch 9: LCD 10 Mơ đun wifi ESP8266 11: Ngõ vào nguồn cấp 220VAC 12: Ngõ (cấp tải 1) 13: Ngõ (cấp tải 2) 14: Cáp USB kết nối máy tính Hình thực nghiệm; Hình 1 (a) (a)Sơ Sơđồ đồmạch mạchlực lựccủa củahệhệthống thống thực nghiệm; (b) Tổng (b) thể Tổng phần thể cứng cứng hệ thống phần hệ thống 12 11 THIẾTKẾ KẾPHẦN PHẦN MỀM MỀM 3.3.THIẾT 14 3.1 lường cáccác đạiđại lượng điện 3.1.Cơ Cơsởsởlýlýthuyết thuyếtđo(b) đo lường lượng Hình (a) Sơ đồ mạch lực hệ thống thực nghiệm; điện áp trị hiệu dụng giá trị trung bình bình Điện (b) Tổng thể phần cứng hệ thống phươngĐiện áp cáctrịmẫu thời gian hiệutrong dụng giákhoảng trị trung bình THIẾT KẾđó PHẦN MỀM lấy mẫu Do đó, điện áp trị hiệu dụng Urms bình phương mẫu khoảng thời xáclýđịnh 3.1 thuyết đosau: 8lường đại lượng điện gianCơlấysởmẫu Do đó, điện áp trị hiệu N Điện trịsẽhiệu dụng giá trị sau: trung bình bình dụngáp Urms xác định = U ukhoảng phương mẫu thời gian (1) ∑ rmstrong i N N i =1 áp 2trị hiệu dụng U(1) Do đó, điện lấy mẫu rms U = ∑ ui rms sau: xác định N i =1 thứ i; N tổng số mẫu Trong đó: ui mẫu điện áp N điện áp điện Trong đó:Uurms mẫu (1) u i2 áp thứ i; N tổng i = ∑ N i =1hình sin đầu Giả sử điện áp xoay chiều số mẫu điện áp cảm điện áp có biên Um mẫuZMPT101B điện áp thứ i; N tổngđộ sốlà Trongbiến đó: usử i làđiện Giả áp xoay chiều hình sin ởmẫu đầu góc pha ban đầu lấy mẫu điện áp cảm biến điện ZMPT101B có biên chuyển đổi tương tự sốápADC Arduino vớiđộthời Giả sử điệngóc áp pha xoayban chiều hình sin0 ởvàđầu U đầu gian lấy mẫu Δt thể sau: lấy m cảm biến điện áp ZMPT101B có biên độ Um mẫupha bởiban đầu chuyển tương tự số ADC góc đổi = u(k) U0 mvàsinđược kωΔlấy t ) mẫu (2) ( Arduino thờitựgian lấy mẫu Δt thể chuyển đổivới tương số ADC Arduino với thời gian lấy mẫu Δt thể sau: sau: Trong đó: Um biên độ điện áp; ω = 2πf; Δt thời gian lấy mẫu (2) = u(k)(s);Ukm sinmẫu t ) k ( kωΔthứ (2) Khi giá Utrị điện áp trị hiệu dụngωsẽ= là: Trong đó: biên điệnđộáp; Trongm đó: Um làđộbiên điện áp;2πf; ω =Δt2πf; thời gian lấy mẫu (s); k mẫu thứ k Δt thời gian lấy mẫu (s);1 k Nlà mẫu thứ k i(k) = I sin k ωΔ = U u ( ∑ rms k m Khi giá trị điện áp trị hiệu dụng là: t − ϕ ) (3) N ktrị Khi giá trị điện áp =1 hiệu dụng là: NNđộ dòng là= biên mxoay 1chiều (3) UIrms Giả sửTrong dịng đó: điện sinđiện đầu (3)của 2k ∑ uhình ∑k =1 kcó biên độ Im cảm biến dòng rms điện ACS712 N ktrị =1 hiệu dụng I Do đó, dịng điện rms góc phadòng ban đầu φ lấy mẫu Giả sử điện xoay chiều hình sin đầu củaở Giả điện sử dòng điện xác xoayđịnh chiều hình sin dịng sau: chuyển tương số ADCcócủa Arduino cảm biếnđổi dịng điệntựACS712 biên độ IWemos đầu cảm biến dịng điện ACS712 có mbiên góc thời pha ban lấy mẫu với gianđầu lấybằng mẫuφbằng Δt thể hiệnbộnhư N lấy độ Imđổi vàtương góc pha ban đầu chuyển tự số ADC Arduino 1φ sau: 2Wemos I rms ihiện mẫuthời bởigian lấy chuyển tương tự số với mẫu đổi Δt=được thể ADC k N k =1 Δt sau: Arduino Wemos với thời gian lấy mẫu thể sau: U = N u ∑ Trong đó: I Trong Do dịng đó, dịn đ dịng điện s Lý thu định C xem tốn C Trong đó:lu i ln dịngnhau: điện t Lý thuyết tải phic địnhdòng CSTD đ xemtức thờ mộ tốn CSTD ln ln nhau: tải tr Trong tải phi tuyế dòngu(k)=U điện tức thời vàm i(k)=I Do đó, trung Trong đó:bp thờimsin gia u(k)=U i(k)=Imsin(k Do đó, CS trung bình c thờiCơng gian lấs tí điện trP sau Cơng suất(3b theo bằngcơng tích su c điện trị hiệ sau x theo (3) sốbc côngHệ suất Hệ số công CSPK (4)được CSPK Điện nă t tínĐiện hiệu (5) Trong đó: ii mẫu dòng điện thứ i; N tổng số mẫu = (4) i(k) I m sin ( kω∆t − ϕ ) dịng điện Lý thuyết cơng suất tức thời áp37dụng để xác định CSTD P tiêu thụ tải Nó xem phương pháp xác để tính of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 35-43 s R32 áp ZMPT101B điện mạch điện mạch điện mạch mạch mạch mạch ESP8266 n cấp 220VAC tải 1) tải 2) ích:máy tính nối h: Wemos R32 uino Wemos R32 Wemos R32 mno biến điện áp ZMPT101B Wemos R32 điện áp ZMPT101B điện ZMPT101B mbiến biến dòng điện mạch ndòng điện áp áp ZMPT101B điện mạch biến dòng điện mạch mndòng biến điện mạch dòngdòng điệnmạch mạch điện 21 dòng điện mạch 23 mbiến biến dòng điện mạch ndòng dòng điện mạch điện mạch biến dòng điện mạch eg/cắt mạch n đóng/cắt dịng điện mạch 1mạch1 mạch eđóng/cắt đóng/cắt mạch ng/cắt mạch g/cắt mạch 21 đóng/cắt mạch eg/cắt đóng/cắt ng/cắt mạchmạch mạch 32 đóng/cắt mạch D ng/cắt mạch 3 c nghiệm; g ôwifi đunESP8266 wifi ESP8266 wifi ESP8266 õnguồn vào nguồn cấp 220VAC nđun wifi ESP8266 cấp 220VAC vào cấp1)220VAC nguồn tải (cấp nguồn cấp 1oõ(cấp 1) tải220VAC rara 2(cấp tải 1)2) õ (cấp tải (cấp tải 1) (cấp tải 2) (cấp tải p2raUSB kếtmáy nối2)tính máy tính (cấp tải 2) B kết nối USB máy tính SB kếtkết nốinối máy tính ợng điện bình bình thời gian ng thực nghiệm; nghiệm; gthực thực nghiệm; thực nghiệm; dụng ệ thốngUrms hống thống hống (1) đại lượng điện điện ại lượng điện i lượng lượng điện ung bình bình g bình bình ung bình bình ng bình bình ng số mẫu oảng thời gian ng thời gian oảng thờigian gian ảng thời hiệu dụng Urms ệu dụng U rms hiệu dụngUUrms rms ệu dụng ầu ộ Um (1) ẫu bộ(1)(1) (1) o với thời au:tổng số mẫu tổng NN tổngsố mẫu tổng sốsốmẫu mẫu (2) đầu đầu rara ởnở ởđầu 2πf; đầuΔtra ralàcủa ên độ U mvà mm độlà nênđộ độ làlàU UU m mẫu ymẫu mẫubởi bởibộ mẫu rduino với thời uino với thời duino với thời uino với thời sau: sau: sau: hư sau: (3)(2)(2) (2) (2) ω = 2πf; 2πf; Δt làlà ===2πf; Δt ω đầu 2πf; ΔtΔtlà ộ Im ẽẫu là:bởi à: ẽlà: là: no Wemos (3) (3) (3) (3) TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN i(k) = I m sin ( kωΔt − ϕ ) (4) Trong đó: Im biên độ dịng điện Trong đó: Im biên độ dịng điện đó,điện dịngtrịđiện hiệuIdụng I tíncủa tín Do đó, Do dịng hiệutrịdụng hiệu rms củarms hiệu điện dòngsẽđiện định dòng đượcsẽxác địnhxác sau:như sau: N (5)(4)(4) (5) =I= Isinsin I rms i(kkωΔ ∑ i(k) −)ϕϕ ) i(k) = tt −t−t− ϕϕ ( k(ωΔ msin (4) i(k)==ImmI mN kωΔ ωΔ (4) i(k) sin )) k (=1k Trong đó: Ilàmlàlà biên độ dịng điện Trong đó: ImImẫu biên độ dịng điện Trong biên độ dịng điện Trong đó: iđó: dịng điện thứ i; N thứ tổngi;số mlà ibiên Trong đó: độ dịng điện i làIm Trong đó: mẫu dịng điện N mẫu tổng i dịng điện Do đó, dịng điện trị hiệu dụng I tín hiệu rms Do đó, dịng điện trị hiệu dụng I tín hiệu rms Dođó, đó, dịng điệntrịtrịhiệu hiệudụng dụngIrms Irmscủa củatín tín hiệu sốDo mẫu dòng điện dòng điện hiệu dòng điện xác định sau: xác định dòngđiện điện xác định nhưsau: sau: Lýdịng thuyết cơng suất tức thời áp dụng để xác dòng điện sẽsẽđược xác định sau: Lý thuyết công suất tức thời áp dụng định CSTD P tiêu thụ tải Nó N N 1111NN i22 (5) = I để xác định phương CSTD IPrms tiêu thụ cácđể tải.tính Nó(5) xem pháp = ixác ∑ rms (5) Iđược (5) I rms i=k2k1i kk ∑ rms== N ∑ N ∑ k Nkk==k11chính tốn điện Nxoay =1 chiều đượcCSTD xem mạch phương pháp xácKết nhấtquả để Trong tất loại tải khác đó: ii mẫu dòng thứ i;N N tổng số mẫu Trong iii ilà mẫu dịng điện thứ i;i;i;N tổng sốKết mẫu tính tốnđó: CSTD mạch điện xoay Trong đó: mẫu dịng điện thứ tổng số mẫu i Trong đó: mẫu dòng điện Nchiều tổng mẫu nhau: tải trở, tải cảm, tải dung vàthứ chí số i dịng điện dịng điện dịng điện ln lncóđúng đốichứa với tất loạiphần tải khác dòng điện tải phi tuyến nhiều nhiều thành hài Lý thuyết công suất tức thời áp dụng để xác Lý thuyết công suất tức thời áp dụng để xác dòng điện Cơng suất tức thời tích điện áp nhau: tải trở, tải cảm, tải dung chí Lý thuyết công suất tức thời áp dụng để xác Lý thuyết công suất tức thời áp dụng để xác Nó định CSTD P tiêu thụ tải PPđiện tiêu tải Nó tức thời dịng tức thờithụ mạch điện địnhCSTD CSTD Pđược tiêu thụ tải Nó tảiđịnh phi tuyến có chứa nhiều thành phần hàiNó dịng định CSTD tiêu thụ tải xem phương pháp xác để tính xem phương pháp xác để tính xem phương pháp xác để tính xemCơng phương xácđiện nhấtápđể(6) tính điện suất tức là) iđiện tích tức ptrong =thời upháp k xoay ( k )mạch ( kđiện (chính ) tốn CSTD mạch xoay chiều Kết toán CSTD chiều Kết toánCSTD CSTDtrong trongmạch mạchđiện điệnxoay xoaychiều chiều Kết tốn Kết thời dịng điện tức thời mạch điện luôn tất loại tải khác luôn tất loại tải khác luôn đốisuất vớitức tấtthời loạithứ tảik; khác Trong đó: p(k)đúng cơng mẫu luôn tất cảcảcác loại tải khác nhau: tải trở, tải cảm, tải dung chí nhau: tải trở, tải cảm, tải dung chí nhau: tải trở, tải cảm, tải dung chí u(k)=U sin(kωΔt) điện áp mẫu thứ k; nhau: tải trở, tảip (cảm, chí m (6)hài knhiều u (chứa kdung ) = tải ) inhiều ( knhiều ) thành tải phi tuyến có thành phần hài tải phi tuyến có nhiều chứa phần tảimphi phituyến tuyến-có cónhiều chứa nhiều thành phầnhài hài i(k)=I sin(kωΔt ϕ) lànhiều dòng điệnnhiều mẫuthành thứ k.phần tải chứa dịng điện Cơng suất tức thời tích điện áp dịng điện Cơng suất tức thời tích điện áp dịng điện.đó: Cơng suất tứcthời thời tích điện áp Trong p(k) tức cơng suấtlàlàtức thời ởđiện mẫu dịng điện Cơng suất tích áp 8suất tức thời dịng điện tức thời mạch điện Dotức đó, CSTD P xác định công thời dòng điện tức thời mạch điện tức thời dịng điệntức tứcthời thời củấp mạch điện.thứ thời vàvàdịng điện mạch điện thứtức k; u(k)=U sin(kωΔt) điện mẫu trung bình cơng suất tức thời khoảng m (6) k )dòng u ()kkiđiện ) i ()kk)ở) mẫu (6) =u= k; i(k)=I sin(kωΔtp-(p(pk)k(()klà thời gian lấy (6) u(u(kk(định )=)=xác ) i)((ikk(như ) sau: thứ k.(6) m mẫu vàpđược Trong đó: p(k) suất thời mẫu mẫu thứ k; N là N tứctức Trong đó: p(k) suất thời ởbằng thứ k; 1p(k) 1suất Trong đó: làcơng cơng suất tứcđịnh thời thứ Do đó, CSTD Pcơng xác Trong đó: p(k) thời ởởmẫu mẫucơng thứ k;k; (7) P p ( công klà utức káp iở( kởmẫu = = ) ( ) ) u(k)=U sin(kωΔt) điện mẫu thứ ∑ ∑ m u(k)=U sin(kωΔt) điện áp thứ k; m msin(kωΔt) u(k)=U N điện áp ởở thời mẫutrong thứ k;k;k; N k 1= u(k)=U làcông điện mẫu thứ suất trung bình msin(kωΔt) k suất áp tức = i(k)=I sin(kωΔt ϕ) dòng điện mẫu thứ k m i(k)=I sin(kωΔt ϕ) dòng điện mẫu thứ k m msin(kωΔt - ϕ) dòng điện mẫu thứ k i(k)=I i(k)=I - ϕ) dòng điện mẫuxác thứ định k msin(kωΔt khoảng thời gian lấy mẫuđiện được Công suất biểu kiến mạch xác định Dođó, đó,CSTD CSTDP PPđược đượcxác xácđịnh địnhbằng bằngcơng cơngsuất suất Do Do đó, CSTD xác định cơng suất Do đó, CSTD Pápđược xác định cơng suất tích điện trịsuất hiệu dụng U sau: dịng rms trung bình cơng tức thời khoảng trung bình cơng suất thời khoảng trung bìnhcủa cơng suấttức tức thời khoảng Nđiện bình suất tức thời khoảng mạch Do điệntrung trị hiệu dụng INrms 1công 1xác thời gian lấy mẫu định sau:đó, thời gian lấy mẫu xác định sau: = = P p k u k i k (7) thời gian lấy mẫu xác định sau: ( ) ( ) ( ) ∑và lấyđịnh mẫu định sau:Urms sauthời gian xác điệnxác áp∑ trị hiệu dụng N kNđược N 1N k = = N 1NNtrị hiệu 1dụng 1NNN Irms theo (5), theo (3) dịng 1điện (7) P= pk ()kk ) 11∑ i ()kk ) = = 11= ( ki )iksau: (7)(7) P Pkiến pđược u (uuknhư ∑ ∑ ( ∑ p = ( ) công= suất biểu xác định P p k u1( k()k) i)((điện k( ) ) được(7) = = ∑ ∑ ( ) N N Công suất biểu kiến mạch ∑ ∑ N N k k = = = NNkk k11= NNkk k11 1= = = = xác Cơng định tích điện áp trị hiệu dụng U(8) S = U × I rmsđịnh rms rms suất biểu kiến mạch điện xác Công biểu kiến mạch điện xác định Côngsuất suất biểu kiến mạch điện xác định Công suất biểu kiến mạch điện xác định vàbằng dòng điện trị hiệu dụng I mạch điện tích điện áp trịrms hiệu dụng Urms dịng tích điện áp trị dụng U dịng rms tích điện hiệu dụng dịng Hệ số cơng suất xác sau: rms tích điện ápápđịnh trịtrịhiệu hiệu dụng UU dịng rms mạch điện Do đó, điện trị hiệu dụng I rms Do đó, sau xác định điện áp trị hiệu mạch điện Do đó, điện trị hiệu dụng I rms củamạch mạchđiện điệnđó đó.Do Dođó, đó, điệntrịtrịhiệu hiệudụng dụngIrms Irmscủa điện P điện sau xác định áp trị hiệu dụng U rms sau xác định điện áp trị hiệu dụng U rms (9) sauU xác điện trị áp hiệu trị hiệu dụng dụng theo (3)định dụng I UUrmsrms ϕ = điện cosdòng sau rmsđã xác định điện áp trị hiệu dụng rms theo (5), theo (3) dịng điện trị hiệu dụng I S rms theo (5), theo (3) dòng điện trị hiệu dụng I rms theođịnh (5),thì theo (3) dịng điện hiệudụng dụng Irmstheo (5), theo (3) vàvà dòng điện trịtrịhiệu Irms theo (5), cơng suất biểu kiến xác cơng suất biểu kiến xác định sau: công suất biểu kiến xác định sau: công suất biểu kiến xác định sau: CSPK xác định sau: công suất biểu kiến xác định sau: sau: Urms ×IIrms (8) S= U2=rms × I×rms (8)(8) SS= U (8)(8) rms = Q S =SU −rms P×2Irmsrms (10) Hệ số cơng suất xác định sau: Hệ số công suất xác định sau: Hệ số công suất xác định sau: Hệ sốHệ công suất xác định sau: số công suất xácnhư định sau: Điện tiêu thụ xác định sau: P P (9) cosϕ=ϕ==PP cos (9) cos (9)(9) A= Pϕϕ × t= S S (11) (9) cos S S CSPK xác định sau: sau: CSPK xác định CSPK xác định sau: CSPK xác định sau: CSPK xác định sau: (10) = Q S22 −2P22 (10) = Q (10) = (10) = QQ SSS2 −−−PPP2 (10) Điện tiêu thụ xác định Điện tiêu thụ xác định sau: sau: Điện tiêu thụ xác định sau: Điệnnăng năngtiêu tiêuthụ thụđược đượcxác xácđịnh địnhnhư nhưsau: sau: Điện (11) A = P×t (11) (11) A (11) AA===PPP×××tt t (11) ởđầu đầurara ởởởđầu nin đầu ra của ên độ I m độ I m độlàlàImImvàvà nênđộ mẫu mẫu mẫubởi bởibộ yấymẫu rduino Wemos 38 uino duinoWemos Wemos duino Wemos c thể thể hiện như cthể thể hiện như Hình Giải thuật đo lường đại lượng điện 3.2 Giải thuật đo lường đại lượng điện Từ sở việc đo lường đại lượng điện mạch điện trình bày mục trên, mục đề xuất giải thuật đo lường đại lượng để lập trình phần mềm Arduino IDE sau nạp code vào bo mạch Arduino Wemos để thực chức đo đếm giám sát điện mạch điện Hình thể giải thuật đo lường đại lượng điện bao gồm: điện áp trị hiệu dụng Urms, dòng điện trị hiệu dụng Irms, CSTD P, công suất biểu kiến S, hệ số công suất cosφ điện tiêu thụ mạch điện Các bước giải thuật sau: Bước 1: Start Bước 2: Khởi tạo biến ban đầu u square 0; = isquare 0;= pinst = (12) Bước 3: Gán k = Bước 4: Đọc giá trị điện áp lấy mẫu Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 35-43 JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y u(k) dòng điện lấy mẫu i(k) từ cảm biến điện áp ZMPT101B cảm biến dòng điện ACS712 đưa vào chân đầu vào tương tự Arduino Wemos Bước 5: Cập nhật giá trị điện áp bình phương, dịng điện bình phương cơng suất tức thời từ mẫu đọc được: (mạch tổng có CSTD P1); Rơle 2: Nhánh (mạch tải có CSTD P2); Rơle 3: Nhánh (mạch tải có CSTD P3) Giải thuật thực việc so sánh CSTD mạch tổng P1 với giá trị CSTD lớn Pmax CSTD nhỏ Pmin để thực kỹ thuật DSM lựa chọn: giảm đỉnh nâng đáy sau: (13) - NẾU P1 > Pmax THÌ sau giây cắt mạch tải để giảm đỉnh tải tổng: P1 = P2 Bước 6: Kiểm tra điều kiện mẫu thứ k có số mẫu N hay không (k = N?) - NẾU P1 < Pmin THÌ sau giây đóng mạch tải để nâng đáy tải tổng: P1 = P2 + P3 Bước 7: Nếu k < N quay lại Bước 5, cịn k = N chuyển sang Bước Tương tự giải thuật DSM giải thuật bảo vệ quá/thấp áp so sánh điện áp đo từ giải thuật với giá trị điện áp nhỏ Umin điện áp lớn Umax để đưa tín hiệu đóng/cắt rơle mạch tổng (rơle 1) sau: Bước 8: Tính tốn giá trị điện áp hiệu dụng Urms, dòng điện hiệu dụng Irms, CSTD P, công suất biểu kiến S, CSPK Q, hệ số công suất cosφ điện tiêu thụ A (14) - NẾU U > Umax THÌ sau giây sẽ: (i) Cắt mạch tổng để bảo vệ tải khỏi chịu áp; (ii) Hiển thị tín hiệu Overvoltage lên giao diện; (iii) Gửi tin nhắn cảnh báo qua điện thoại - NẾU U < Umin THÌ sau giây sẽ: (i) Cắt mạch tổng để bảo vệ tải khỏi chịu thấp áp; (ii) Hiển thị tín hiệu Undervoltage lên giao diện; (iii) Gửi tin nhắn cảnh báo qua điện thoại Bước 9: End 3.3 Giải thuật DSM bảo vệ quá/thấp áp Đối với quản lý nhu cầu phụ tải, báo nghiên cứu ứng dụng hai kỹ thuật là: Giảm đỉnh nâng đáy để thiết kế thực nghiệm cho hệ thống hình Như vậy, CSTD mạch điện đo so sánh với giá trị CSTD nhỏ (Pmin) CSTD lớn (Pmax) để thực kỹ thuật giảm đỉnh nâng đáy cho hợp lý Hình Kỹ thuật giảm đỉnh, nâng đáy Để thực hai kỹ thuật trên, hệ thống thực nghiệm qui ước sau: Rơle 1: Nhánh - NẾU Umin ≤ U ≤ Umax THÌ sau giây sẽ: (i) Đóng mạch tổng để cấp điện cho tải làm việc bình thường; (ii) Reset hiển thị giao diện giám sát 3.4 Thiết kế giao diện quản lý, giám sát điều khiển từ xa Nhóm 1: Điều khiển giám sát Nhóm thuộc Tab Control chương trình phần mềm, giao diện nhóm thể hình Các chức thực giao diện nhóm bao gồm: (i) Điều khiển đóng/cắt rơle phần mạch lực; (ii) Bật/tắt chức quản lý nhu cầu phụ tải DSM; (iii) Thay đổi giá trị đặt Pmin Pmax slider; (iv) Hiển thị giá trị điện áp, dòng điện, CSTD điện tiêu thụ Ngoài ra, giao diện nhóm cịn thực chức báo cáo (Reports) để gửi thông tin thời gian Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 35-43 39 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN liệu đo lường như: Điện áp, dòng điện, CSTD, điện tiêu thụ,… đến địa email mong muốn Điều giúp khách hàng sử dụng điện dễ dàng quản lý nhu cầu sử dụng điện tháng Đối với chức báo cáo sau chạy chương trình, người sử dụng lựa chọn phương thức báo cáo sau: - Báo cáo tháng (Monthly): Khi lựa chọn phương thức này, chương trình báo cáo đến email tháng chọn trước lặp lại hàng tháng (thời gian lấy mẫu ngày) - Báo cáo tuần (Weekly): Khi lựa chọn phương thức này, chương trình báo cáo đến email tuần chọn trước lặp lại hàng tuần (thời gian lấy mẫu ngày) - Báo cáo ngày (Daily): Khi lựa chọn phương thức này, chương trình gửi báo cáo đến email ngày chọn trước lặp lại hàng ngày (thời gian lấy mẫu phút giờ) - Báo cáo lần (One-time): Khi lựa chọn phương thức này, chương trình gửi báo cáo lần đến email thời điểm kích hoạt chức báo cáo Hình Giao diện nhóm Nhóm 2: Bảo vệ quá/thấp áp Nhóm thuộc Tab Protect chương trình phần mềm, giao diện nhóm thể hình Các chức thực giao diện nhóm bao gồm: Bật/tắt chế độ bảo vệ quá/thấp áp; cài đặt điện áp cho phép nhỏ lớn slider; hiển thị điện áp, dòng điện, CSTD CSPK dạng Gauge; hiển thị LED ảo báo trạng thái quá/thấp áp; thông báo quá/thấp áp qua tin nhắn điện thoại Nhóm 3: Hiển thị dạng đồ thị Nhóm thuộc Tab Graph có giao diện hình Bao gồm có đồ thị giao diện này: đồ thị sử dụng để hiển thị điện áp, dòng điện mạch (mạch tổng) theo thời gian thực cập nhật liên tục sau giây; đồ thị sử dụng để hiển thị CSTD ba mạch Hình Giao diện nhóm 40 Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 35-43 JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y smartphone để thực chức điều khiển, giám sát quản lý hệ thống sau 4.1 Chế độ làm việc bình thường Đối với chế độ này, tác giả tiến hành thu thập kết thực nghiệm từ nội dung sau: Giám sát thông số ba mạch LCD; giám sát thông số ba mạch smartphone; giám sát đồ thị thông số ba mạch smartphone; điều khiển mạch thông qua smartphone; chế độ báo cáo Các kết chế độ thể trực tiếp giao diện chương trình hình 7, hình hình tương ứng Hình Giao diện nhóm KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau thiết kế phần cứng phần mềm hệ thống, đề tài tiếp tục vào thực nghiệm để thu thập kết so sánh, đánh giá phân tích hiệu hệ thống thiết kế Với đối tượng hệ thống pha 220VAC tính thơng dụng, nên tải gia dụng tác giả sử dụng để làm thực nghiệm báo bao gồm: bàn 220VAC 1000W máy sấy tóc 220VAC 700W Dựa vào hình 1, số quy ước phần sơ đồ mạch lực ký hiệu đại lượng đo lường sau: Mạch 1: Mạch tổng; Mạch 2: Mạch tải 1; Mạch 3: Mạch tải 2; U1: Điện áp mạch 1; I1, I2, I3: Dòng điện mạch 1, 3; P1, P2, P3: CSTD mạch 1, 3; Q1, Q2, Q3: CSPK mạch 1, 3; A1, A2, A3: Điện tiêu thụ mạch 1, Sau kết nối phần mạch lực cấp nguồn cho mạch điều khiển đo lường hệ thống bắt đầu làm việc bình thường Khai báo tài khoản mật mạng internet wifi nơi đặt hệ thống để kết nối hệ thống với internet wifi Khi đó, thơng số đo hiển thị trực tiếp lên hình LCD hệ thống giúp ta giám sát trạng thái vận hành hệ thống chỗ Ngồi ra, để giám sát, điều khiển từ xa thơng qua smartphone smartphone phải kết nối với mạng internet wifi (có thể mạng khác mạng với internet wifi kết nối với hệ thống), lúc ta mở ứng dụng Blynk Hình Kết giao diện nhóm Hình Kết giao diện nhóm Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 35-43 41 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN chọn phương thức báo cáo trình bày Sau ví dụ minh họa tiến hành thực nghiệm từ chương trình, cụ thể kết xuất file *.csv hình 10 Hình Kết giao diện nhóm Các kết hiển thị giao diện nhóm (Hình 7) điện áp (V), dịng điện (A), CSTD (W) điện tiêu thụ (Wh) mạch tổng, mạch tải mạch tải tương ứng Các kết cho thấy hệ thống đo xác kết so với thông số hệ thống tải sử dụng để làm thực nghiệm mục Đối với kết nhóm (Hình 8) thể cho thông số đo mạch tổng bao gồm: Điện áp (V), dòng điện (A), CSTD (W) CSPK (VAr) dạng Gauge để phục vụ việc theo dõi giám sát chức bảo vệ quá/thấp áp hệ thống Trong đó, kết thể giao diện nhóm (Hình 9) thể dạng đồ thị để giúp khách hàng giám sát trực quan hình dạng thay đổi đại lượng đo Nghĩa khách hàng sử dụng kết để theo dõi điện áp, công suất tiêu thụ tăng/giảm Bên cạnh đó, tồn liệu đồ thị xuất tồn file *.csv để phục vụ cơng việc khác cần thiết Cuối cùng, để thực chế độ báo cáo thông số vận hành lượng điện tiêu thụ phụ tải, sử dụng biểu tượng Reports giao diện nhóm để lựa 42 Hình 10 Dạng file *.csv Excel báo cáo phương thức One-time 4.2 Chế độ quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) Đối với chế độ này, tác giả tiến hành thu thập kết thực nghiệm từ nội dung sau: Kích hoạt chức DSM; cài đặt giá trị CSTD nhỏ (Pmin) CSTD lớn (Pmax); thay đổi tải để kiểm nghiệm chức DSM; giám sát thay đổi đồ thị điện áp, dòng điện, cơng suất Sau kích hoạt chế độ DSM thiết lập giá trị Pmin Pmax cách sử dụng slider giao diện chương trình hệ thống hoạt động theo chế độ Kết kiểm nghiệm thực cách thay đổi tải để kiểm chứng hoạt động chức Các kết cho thấy hệ thống làm việc tin cậy theo chức thiết kế 4.3 Chế độ bảo vệ quá/thấp áp Đối với chế độ này, tác giả giả định điện áp nguồn thay đổi tiến hành thu thập kết thực nghiệm từ nội dung sau: Kích hoạt chức bảo vệ quá/thấp áp; cài đặt Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 35-43 JOURNAL OF SCIENCE Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y giá trị điện áp nhỏ (Umin) điện áp lớn (Umax); thay đổi điện áp nguồn để kiểm nghiệm chức bảo vệ quá/thấp áp; giám sát thay đổi điện áp, dòng điện, CSTD, CSPK mạch tổng Tương tự, chức bảo vệ quá/thấp áp kích hoạt từ giao diện nhóm 3, sau thiết lập giá trị điện áp nhỏ Umin điện áp lớn Umax từ giao diện chương trình Sử dụng ổn áp để giả lập điện áp nguồn thay đổi nhằm kiểm chứng chức Kết kiểm nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động tin cậy theo chức thiết kế dạng gauge để giúp khách hàng dễ dàng theo dõi tình trạng làm việc hệ thống cập nhật liên tục theo thời gian thực KẾT LUẬN Thiều Minh Đức, Nguyễn Hoàng Nam, Bùi Đăng Thảnh, Nguyễn Huy Phương, Trịnh Công Đồng Ứng dụng kiến trúc mở Arduino thiết kế thiết bị giám sát điện khơng dây, Hội nghị tồn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa - VCCA, 2015 Hệ thống quản lý giám sát điện thơng minh thiết kế báo thực chức điều khiển giám sát thời gian thực thông số: điện áp, dòng điện, CSTD, CSPK, điện tiêu thụ,… cách hiển thị thơng số lên LCD giám sát thơng số thơng qua smartphone có kết nối với hệ thống thông qua phương thức truyền thông mạng internet wifi Do đó, khách hàng truy cập nơi nào, thời điểm miễn truy cập internet, 3G, 4G người vận hành quản lý, điều khiển giám sát hệ thống Chức hệ thống quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) nghiên cứu nhằm đáp ứng yêu cầu đặt tốn DSM với mục đích san phẳng đồ thị phụ tải góp phần mang lại nhiều hiệu vận hành cho lưới điện Mà đó, kỹ thuật giảm đỉnh nâng đáy nghiên cứu thiết kế cho hệ thống Ngoài ra, chức bảo vệ quá/thấp áp nghiên cứu tích hợp vào hệ thống để bảo vệ cho phụ tải khơng bị hư hỏng có q/thấp áp xảy phía nguồn Đồng thời, hệ thống đưa tín hiệu cảnh báo cố cách hiển thị lên hình giám sát gửi tin nhắn qua điện thoại người vận hành hệ thống Cuối cùng, tính thơng minh khác theo dõi lượng điện tiêu thụ phụ tải, xuất báo cáo thông số đo hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng đến khách hàng sử dụng điện Các kết hình giám sát hiển thị dạng số, đồ thị, TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Đình Long, Nguyễn Sỹ Chương Sách tra cứu chất lượng điện năng, Nxb Bách khoa, Hà Nội, 2013 Ngô Minh Khoa Nghiên cứu nhiễu loạn điện áp lưới điện phân phối, Luận án tiến sĩ, Đại học Đà Nẵng, 2017 Massimo Banzi, Michael Shiloh Getting Started with Arduino, Maker Media, Inc., 2015 M J Mnati, A Van den Bossche, and R F Chisab Smart Voltage and Current Monitoring System for Three Phase Inverters Using an Android Smartphone Application, Sensors, 17, 872, 2017 P Srividyadevi, D V Pusphalatha and P M Sharma Measurement of Power and Energy Using Arduino, Research Journal of Engineering Sciences, 2(10), 10-15, October 2013 K N Ramli, A Joret and N H Saad Development of Home Energy Management System Using Arduino, 2014 P.P Machado Jr, T.P Abud, M.Z Fortes, B.S.M.C Borba Power factor metering system using Arduino, 2017 IEEE Workshop on Power Electronics and Power Quality Applications (PEPQA), Bogota, Colombia, 31 May-2 June, 2017 Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 35-43 43 ... Arduino thiết kế thiết bị giám sát điện khơng dây, Hội nghị tồn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa - VCCA, 2015 Hệ thống quản lý giám sát điện thông minh thiết kế báo thực chức điều khiển giám sát. .. Bài báo nghiên cứu thiết kế hệ thống thực nghiệm nhằm quản lý, điều khiển giám sát điện phụ tải điện hạ áp Các cảm biến điện áp, cảm biến dòng điện xoay chiều sử dụng để đưa tín hiệu vào bo mạch... Trong đ Hệ thống quản lý, điều khiển giám sát điện thông minh SCIENCE JOURNAL OF Tải Q U Y N H O N U N I V E RS I T Y Tải Nguồn 220VAC (a) thiết lập hệ thống tự động quản lý giám sát điện từ