Nghiên cứu phát triển hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng led = research and development of smart public lighting system using led

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH   NGƠ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG MINH SỬ DỤNG LED (RESEARCH AND DEVELOPMENT OF SMART PUBLIC LIGHTING SYSTEM USING LED) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  NGƠ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG MINH SỬ DỤNG LED (RESEARCH AND DEVELOPMENT OF SMART PUBLIC LIGHTING SYSTEM USING LED) Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số chuyên ngành: 62520202 Phản biện độc lập 1: PGS.TS Võ Ngọc Điều Phản biện độc lập 2: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm Phản biện 1: GS.TS Lê Kim Hùng Phản biện 2: GS.TS Phạm Thị Ngọc yến Phản biện 3: PGS.TS Trương Đình Nhơn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lê Minh Phương PGS.TS Ngơ Cao Cường CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ kỹ thuật cấp Trường vào 08 30 phút, ngày 26 tháng năm 2021 Trường Đại học Công nghệ Tp Hồ Chí Minh Thành phần Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Trường gồm: TT Họ tên Chức danh Hội đồng 01 GS.TSKH Nguyễn Xuân Quỳnh Chủ tịch 02 GS.TS Lê Kim Hùng Phản biện 03 GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến Phản biện 04 PGS.TS Trương Đình Nhơn Phản biện 05 PGS.TS Võ Ngọc Điều Ủy viên 06 PGS.TS Huỳnh Châu Duy Ủy viên 07 PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Ủy viên Thư ký Xác nhận Nghiên cứu sinh, tập thể cán hướng dẫn, Viện quản lý chuyên ngành Viện Đào tạo Sau Đại học sau Luận án đã sửa chữa Cán hướng dẫn Cán hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Lê Minh Phương PGS.TS Ngô Cao Cường Ngô Thanh Tùng VIỆN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC PGS.TS Nguyễn Thanh Phương PGS.TS Huỳnh Châu Duy LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan là cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực và chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án đã cảm ơn đầy đủ thơng tin trích dẫn luận án này đã rõ nguồn gốc Tác giả luận án Ngô Thanh Tùng i LỜI CẢM ƠN Xin cảm ơn Thầy PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG, PGS.TS NGÔ CAO CƯỜNG đã tận tình hướng dẫn tơi thực luận án Chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, tồn thể q thầy trường Đại học Cơng nghệ Thành phớ Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện, môi trường học tập, nghiên cứu tốt cho Cảm ơn Ban lãnh đạo, qúy Thầy Cơ Viện kỹ thuật HUTECH; Phịng thí nghiệm Điện tử công suất thuộc trường Đại học Bách khoa Thành phớ Hồ Chí Minh q Thầy PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên, ThS Nguyễn Minh Huy, ThS Nguyễn Hoài Phong đã hỗ trợ, giúp đỡ suốt thời gian học tập, nghiên cứu hồn chỉnh ćn luận án Xin cảm ơn Đảng ủy, BGH Trường Đại học Thông tin Liên lạc và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ suốt thời gian học tập, nghiên cứu công tác Trân trọng! Tác giả luận án Ngô Thanh Tùng ii TÓM TẮT LUẬN ÁN Với phát triển công nghệ LED yêu cầu thiết việc tiết kiệm điện năng, hệ thống chiếu sáng nói chung, hệ thớng chiếu sáng cơng cộng nói riêng dần thay công nghệ đèn LED Hệ thống chiếu sáng với công nghệ LED cho phép tiết kiệm điện hiệu quả, thời gian sống dài địi hỏi hệ thớng giám sát, điều khiển phù hợp với đặc điểm công nghệ đèn LED, cải thiện chất lượng ánh sáng, nâng cao độ an tồn đường giao thơng đặc biệt tạo tiền đề phát triển hệ thống “Thành phố thông minh” (Smart City) Hiện việc điều khiển, giám sát hệ thớng đèn chiếu sáng cơng cộng cịn thực thủ cơng nên gặp nhiều khó khăn như: Tớn nhiều thời gian, chi phí, nguy hiểm trời mưa bão, không cập nhật trạng thái hư hỏng thiết bị để thay thế…Chính vậy, nhu cầu cấp thiết cần hệ thống điều khiển thông minh, tự động để mang lại hiệu cao Đặc biệt là giai đoạn ngày thiếu hụt lượng điện, việc quản lý bật/tắt đèn cách hiệu nhu cầu cấp thiết Do đó, cần nghiên cứu giải pháp công nghệ để phát triển hệ thớng điều khiển chiếu sáng với tiêu chí giảm thiểu mức tiêu thụ lượng điện Trong luận án tập trung nghiên cứu, tìm hiểu biến đổi công suất, công nghệ truyền liệu không dây để điều khiển giám sát ứng dụng hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED Trên sở đó, đề suất lựa chọn cấu hình biến đổi cộng hưởng Half Bridge LLC, lựa chọn công nghệ truyền liệu không dây LoRa để thực việc truyền liệu xây dựng hệ thớng Bên cạnh đó, để ổn định hệ thớng chiếu sáng công cộng sử dụng LED, tránh điện áp tần số cao, giảm độ nhấp nhô điện áp, giảm nhiễu điện từ EMI, nâng cao hệ số công suất giảm tổng độ méo dạng sóng hài THD; Trong luận án đề xuất phương pháp nâng cao PF và giảm THD tuân thủ IEC 61000-3-2, phương pháp giảm EMI tuân thủ theo tiêu chuẩn CIRSP 15:2009 Các phương pháp này thực dựa nguyên mẫu hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED, tính tốn thực nghiệm phần cứng từ thu thập nhận xét kết iii ABSTRACT With the development of LED technology and the urgent need to save energy, lighting systems in general and public lighting in particular are being replaced by LED technology Lighting system with LED technology allows efficient energy saving, long life time but also requires a monitoring and control system in accordance with the characteristics of LED technology, improving light quality, improve the safety of roads and especially CReate a premise to develop the system "Smart City" (Smart City) Currently, the control and monitoring of public lighting systems are still very manually, so there are many difficulties such as: spending a lot of time, cost and danger when it rains and storms, not updating the damaged state broken device to replace Therefore, the urgent need is to have an intelligent and automatic control system to bring higher efficiency Especially in the period of inCReasing power shortages, effective light ON/OFF time management is an urgent need Therefore, it is necessary to study technological solutions to develop lighting control systems with the CRiteria of minimizing electricity consumption The thesis will focus on researching and understanding power converters, wireless data transmission technologies to control and monitor applications in smart public lighting systems using LED On that basis, it is proposed to select configuration of Half Bridge LLC converter, select LoRa wireless data transmission technology to perform data transmission in the system construction In addition, to stabilize the public lighting system using LED, avoid high frequency voltage, reduce voltage undulation, reduce Electromagnetic Interference EMI, improve power factor and reduce Total Harmonics Distortion THD, the thesis also proposes methods to improve the power factor and reduce THD comply with IEC 61000-3-2, as well as the EMI reduction method comply with CIRSP 15: 2009 These methods are based on the prototype of the Smart public lighting system using LED, which is experimentally calculated on the hardware from which to collect and comment on the results iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN ÁN iii ABSTRACT iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .xiv CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 1.1 Công nghệ LED chiếu sáng công cộng 1.2 Tình hình sử dụng LED hệ thớng chiếu sáng công cộng 1.2.1 Hệ thống chiếu sáng công cộng giới 1.2.2 Hệ thống chiếu sáng công cộng Việt Nam 1.3 Các công nghệ hệ thống chiếu sáng thông minh 1.3.1 LED driver .5 1.3.2 Light Controllers-Bộ điều khiển ánh sáng .7 1.3.3 Nghiên cứu phát triển công nghệ truyền liệu hệ thống chiếu sáng thông minh, báo gồm thiết bị thu, phát liệu và chế truyền liệu 1.3.4 Nghiên cứu phát triển IoT Platform cho hệ thống chiếu sáng thông minh 1.3.5 Phần mềm quản lý chiếu sáng thông minh .8 1.4 Mục tiêu và hướng nghiên cứu luận án 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 10 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 10 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 10 1.6 Phương pháp nghiên cứu 10 1.7 Kết đạt luận án 11 1.8 Giá trị thực tiễn luận án 11 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG MINH 12 2.1 Tổng quan hệ thống chiếu sáng thông minh 12 2.1.1 Chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED 12 2.1.2 Phân loại hệ thống chiếu sáng thông minh 13 2.1.3 Mức độ thích ứng ánh sáng 15 2.1.4 IoT Platform cho chiếu sáng công cộng thông minh 16 2.1.5 Công nghệ truyền liệu chiếu sáng thông minh 16 2.2 Cấu trúc hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh 16 v 2.3 Cách thức hoạt động 18 2.4 Các hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED 18 2.4.1 Hệ thống chiếu sáng thông minh tảng truyền liệu có dây PCL 18 2.4.2 Hệ thống chiếu sáng thông minh tảng truyền liệu không dây 20 2.5 Hệ thống chiếu sáng thông minh đề xuất 25 2.5.1 Các chế độ kịch điều khiển 25 2.5.2 Thành phần hệ thống 26 2.5.3 Chức hệ thống đề xuất 29 2.5.4 Chức thông minh hệ thống đề xuất 29 2.6 Kết luận chương 31 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LED DRIVER CÔNG SUẤT LỚN ỨNG DỤNG CHO CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 33 3.1 Tổng quan LED driver 33 3.2 Đặc tính LED driver cho chiếu sáng công cộng 34 3.2.1 Khối điều chỉnh hệ số công suất- PFC 35 3.2.2 Bộ biến đổi công suất DC-DC: 37 3.2.3 Mạch ổn định dòng điện tải 38 3.3 Phân tích nghiên cứu LED driver cho chiếu sáng công cộng 38 3.3.1 LED driver dạng tầng 38 3.3.2 LED driver dạng tầng 43 3.3.3 LED driver cấu hình cung cấp riêng biệt cho LED modular 45 3.3.4 Các nghiên cứu mạch lọc EMI EMC 47 3.3.5 Kết luận nhận xét nghiên cứu 49 3.4 Định hướng nghiên cứu vấn đề đặt 49 3.5 Nghiên cứu đề xuất giải pháp công nghệ cho LED driver công suất lớn 50 3.5.1 Giải vấn đề 1: Nâng cao hiệu suất LED driver công suất lớn sử dụng cấu hình HalfBridge kết hợp mạch cộng hưởng LLC 51 3.5.2 Giải vấn đề 2: Nghiên cứu đề xuất phương pháp nâng cao PF và giảm THD 78 3.5.3 Giải vấn đề 3: Nghiên cứu đề xuất phương pháp giảm nhiễu điện từ EMI 86 3.6 Kết luận chương 93 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG LORA NETWORK CHO CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG MINH 95 4.1 Tổng quan hệ thống truyền liệu không dây 95 4.1.1 Công nghệ truyền liệu 95 4.1.2 Một số nghiên cứu hệ thống chiếu sáng công cộng tích hợp cơng nghệ truyền liệu giới 96 vi 4.2 Công nghệ truyền liệu không dây LoRa 98 4.2.1 So sánh công nghệ LoRaWAN với công nghệ khác 98 4.2.2 Kiến trúc LoRaWAN 100 4.2.3 Nguyên lý làm việc mạng LoRaWAN 103 4.2.4 Quy trình tham gia vào mạng 103 4.2.5 Cơ chế Bảo mật Hệ thống chiếu sáng sử dụng LoRaWAN 106 4.3 Mạng truyền liệu LoRaWAN cho hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh 109 4.3.1 Định hướng nghiên cứu vấn đề đặt 109 4.3.2 Cấu trúc hệ thống chiếu sáng thông minh sở LoRaWAN 109 4.4 Thiết kế module RF-LoRaWAN 111 4.4.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế RF – Lora 111 4.4.2 Quan hệ đại lượng 112 4.4.3 Tính tốn thơng sớ thiết kế RF-LoRaWAN 117 4.4.4 Thiết kế phần cứng LoRa 124 4.5 Thiết kế điều khiển và đo lường thông minh 124 4.5.1 Thiết kế phận điều khiển 125 4.5.2 Thiết kế mạch đo lường lượng STPM33 127 4.6 Thực nghiệm kết thực nghiệm 128 4.6.1 Thực nghiệm xác định vùng phủ sóng LoRa Gateway 129 4.6.2 Thực nghiệm xác định RSSI SNR đèn vùng phủ sóng LoRa Gateway 131 4.7 Phân tích tính kinh tế hệ thống chiếu sáng thông minh LED 133 4.8 Kết luận chương 135 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN MỀM QUẢN LÝ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG MINH 136 5.1 Bài tốn thiết kế hệ thớng phần mềm quản lý 136 5.2 Thực thiết kế hệ thống phần mềm quản lý 136 5.2.1 Sơ đồ hệ thống theo hướng sử dụng/theo lớp phần mềm 136 5.2.2 Sơ đồ hệ thống theo hướng triển khai 136 5.2.3 Cơ chế điều khiển thu thập liệu 137 5.2.4 Mơ hình hoạt động tổng thể hệ thớng 138 5.2.5 Module thu nhận cảnh báo 139 5.2.6 Module điều khiển 140 5.2.7 Module kiến trúc hạ tầng 141 5.2.8 Thiết kế sở liệu hệ thống 141 5.2.9 Quy trình vận hành hệ thớng qua website 142 vii ... CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  NGƠ THANH TÙNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG MINH SỬ DỤNG LED (RESEARCH AND DEVELOPMENT OF SMART PUBLIC LIGHTING SYSTEM USING LED) ... Công nghệ LED chiếu sáng công cộng 1.2 Tình hình sử dụng LED hệ thống chiếu sáng công cộng 1.2.1 Hệ thống chiếu sáng công cộng giới 1.2.2 Hệ thống chiếu sáng công cộng. .. CỘNG THÔNG MINH 12 2.1 Tổng quan hệ thống chiếu sáng thông minh 12 2.1.1 Chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED 12 2.1.2 Phân loại hệ thống chiếu sáng thông minh