Nghiên cứu ứng dụng công nghệ iot thiết kế hệ thống giám sát và phân tích chất lượng điện năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN HỒ VĂN TRÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ IoT THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Bình Định - Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN HỒ VĂN TRÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoT THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG Chuyên ngành: Mã số: Kỹ thuật điện 8520201 Người hướng dẫn: TS Ngô Minh Khoa i LỜI CAM ĐOAN Luận văn cơng trình nghiên cứu cá nhân nhánh nội dung đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ (Mã số: B2020-DQN-02), thực hướng dẫn khoa học TS Ngô Minh Khoa - Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn hoàn toàn trung thực Ngoài ra, toàn luận văn soạn thảo phần mềm LATEX Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm lời cam đoan này./ Bình Định, ngày tháng năm 2020 Học viên Hồ Văn Trình ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU vi vii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ CÔNG NGHỆ IoT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 1.2 Các khái niệm chất lượng điện 1.1.1 Chất lượng điện 1.1.2 Các dạng nhiễu loạn chất lượng điện 10 1.1.3 Giám sát chất lượng điện 17 1.1.4 Phân tích tín hiệu 19 Tổng quan công nghệ IoT 20 1.2.1 Giới thiệu điều khiển giám sát thiết bị qua Internet 20 1.2.2 Internet of Things 21 1.2.3 Một số ứng dụng IoT 23 1.3 Lợi ích giám sát phân tích CLĐN 23 1.4 Kết luận chương 24 CHƯƠNG THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG 25 iii 2.1 2.2 2.3 Các phần tử hệ thống 25 2.1.1 Module Wifi ESP8266 25 2.1.2 Module Wemos D1 R1 27 2.1.3 Module PZEM004T 29 Cấu hình phần cứng hệ thống 33 2.2.1 Cấu hình chung 33 2.2.2 Cấu hình chi tiết lắp ráp 33 Kết luận chương 36 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IoT 3.1 3.2 3.3 3.4 37 Các giao thức truyền thông ứng dụng IoT 37 3.1.1 MQTT (Message Queue Telemetry Transport) 38 3.1.2 CoAP (Constrained Applications Protocol) 38 3.1.3 AMQP (Advanced Message Queue Protocol) 40 3.1.4 DDS (Data Distribution Service) 40 3.1.5 XMPP (Extensible Messaging Presence Protocol) 41 Giới thiệu phần mềm để thiết kế 42 3.2.1 Phần mềm ThingSpeak 42 3.2.2 Phần mềm Arduino IDE 44 Xây dựng thuật tốn chương trình 46 3.3.1 Thuật tốn chương trình 46 3.3.2 Chương trình ThingSpeak 49 3.3.3 Chương trình Matlab 54 Kết luận chương 56 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VỀ GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 57 4.1 Đối sánh kết đo với thiết bị đo chuẩn 57 iv 4.2 4.3 4.4 4.1.1 Lựa chọn thiết bị đo chuẩn 57 4.1.2 Kiểm chứng kết đo lường 61 Kết giám sát chất lượng điện 63 4.2.1 Giám sát điện áp tần số Thingspeak 63 4.2.2 Giám sát dòng điện hệ số công suất ThingSpeak 64 4.2.3 Giám sát công suất điện tiêu thụ ThingSpeak 66 Phân tích chất lượng điện 66 4.3.1 Phân tích phổ điện áp phổ tần số Thingspeak 66 4.3.2 Phân tích chương trình Matlab 67 Kết luận chương 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) 71 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CLĐN Chất lượng điện IoT Internet of Things RMS Trị hiệu dụng CLĐA Chất lượng điện áp IEEE Viện kỹ nghệ Điện Điện tử CSTD Công suất tác dụng CSPK Công suất phản kháng ĐNTT Điện tiêu thụ PTN Phịng thí nghiệm SCADA Hệ thống điều khiển, giám sát thu thập liệu DCS Hệ thống điều khiển phân tán vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Ứng dụng IoT giám sát phân tích CLĐN Hình 1.1 Dạng sóng điện áp lý tưởng hình sin tần số 50 Hz Hình 1.2 Các dạng sóng độ 11 Hình 1.3 Biến thiên điện áp ngắn hạn 12 Hình 1.4 Biến thiên điện áp kéo dài 13 Hình 1.5 Các dạng méo dạng sóng 15 Hình 1.6 Chập chờn điện áp 16 Hình 1.7 Sơ đồ đo lường giám sát chất lượng điện 18 Hình 1.8 Ảnh minh họa điều khiển qua Internet 20 Hình 1.9 Internet of Things 22 Hình 2.1 Module ESP8266 26 Hình 2.2 Các chế độ hoạt động ESP8266 28 Hình 2.3 Module Wemos D1 R1 sơ đồ chân 28 Hình 2.4 Mạch nguyên lí module Wemos D1 R1 29 Hình 2.5 Hình ảnh PZEM004T thực tế 30 Hình 2.6 Sơ đồ đấu dây module PZEM004T 31 Hình 2.7 Cấu hình phần cứng hệ thống 34 Hình 2.8 Sơ đồ nối dây chi tiết phần mềm Proteus 8.8 34 Hình 2.9 Hình ảnh tổng thể hệ thống 35 Hình 3.1 Giao thức truyền thông MQTT 39 Hình 3.2 Ví dụ mơ hình sử dụng giao thức CoAP HTTP 39 Hình 3.3 Giao thức truyền thông AMQP 40 Hình 3.4 Giao thức truyền thơng DDS 41 Hình 3.5 Một ví dụ XMPP 42 vii Hình 3.6 Giao diện đăng ký tạo tài khoản ThingSpeak 43 Hình 3.7 Giao diện tạo Data Channel ThingSpeak 43 Hình 3.8 Giao diện lấy URL để upload liệu ThingSpeak 44 Hình 3.9 Giao diện upload liệu từ Blocky ThingSpeak 44 Hình 3.10 Giao diện chương trình Arduino IDE 45 Hình 3.11 Lưu đồ thuật tốn chương trình ThingSpeak 48 Hình 3.12 Giao diện khởi tạo kênh ThingSpeak 50 Hình 3.13 viết code Matlab trực tiếp ThingSpeak 51 Hình 3.14 Kênh giám sát điện áp, tần số ThingSpeak 51 Hình 3.15 Kênh giám sát dịng điện, hệ số cơng suất ThingSpeak 53 Hình 3.16 Kênh giám sát công suất ĐNTT ThingSpeak 53 Hình 3.17 Kênh giám sát phổ tần số, phổ điện áp, biểu đồ công suất ba pha vị trí địa lý google maps 54 Hình 3.18 Giao diện chương trình phân tích CLĐN Matlab 55 Hình 4.1 Nguồn cung cấp ba pha có điều chỉnh 58 Hình 4.2 Tải biến trở ba pha 59 Hình 4.3 Đồng hồ đo lường chất lượng điện 60 Hình 4.4 So sánh dòng điện với kết máy đo CLĐN 61 Hình 4.5 So sánh điện áp với kết máy đo CLĐN 63 Hình 4.6 Kết giám sát trực tuyến điện áp tần số kênh 64 Hình 4.7 Kết giám sát dịng điện hệ số cơng suất kênh 65 Hình 4.8 Kết giám sát công suất ĐNTT kênh 67 Hình 4.9 Kết phân tích phổ điện áp phổ tần số kênh 68 Hình 4.10 Các kết khác 68 Hình 4.11 Kết giám sát tần số từ ngày 1-3/3/2020 69 Hình 4.12 Kết giám sát điện áp từ ngày 1-3/3/2020 69 Hình 4.13 Kết giám sát dòng điện từ ngày 1-3/3/2020 70 Hình 4.14 Kết giám sát công suất từ ngày 1-3/3/2020 70 Hình 4.15 Kết giám sát hệ số công suất từ ngày 1-3/3/2020 70 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các biến số đo lường PZEM004T 32 Bảng 3.1 Một số hàm đọc giá trị đo từ PZEM004T 46 Bảng 3.2 Một số hàm gửi liệu từ Arduino WeMos lên ThingSpeak Bảng 3.3 Các kênh trường kênh ThingSpeak 52 Bảng 3.4 Các dạng cú pháp lệnh ThingSpeakRead 55 47 72 Kiến nghị: Từ kết đạt đề tài, hướng nghiên cứu tiếp tục mở rộng tương lai là: - Giám sát đồng thời lúc nhiều vị trí khác - Thiết kế hệ thống phân tích thành phần hài điện áp dịng điện - Thiết kế hệ thống nhận dạng online dạng nhiễu loạn điện áp DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ [1] Hồ Văn Trình, Lê Văn Thơ, Ngơ Minh Khoa, “Ứng dụng công nghệ IoT thiết kế hệ thống giám sát điện năng: Áp dụng cho phụ tải điện hạ áp 220VAC”, Tạp chí Khoa học - Trường ĐH Quy Nhơn, 14 (1), 71-78, 2020 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đình Long, Nguyễn Sỹ Chương, Sách tra cứu chất lượng điện năng, NXB Bách khoa – Hà Nội, 2013 [2] Ngô Minh Khoa, Nghiên cứu nhiễu loạn điện áp lưới điện phân phối, Luận án tiến sĩ, Đại học Đà Nẵng, 2017 [3] Nguyễn Thanh Bình, Nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý giám sát điện thông minh, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Quy Nhơn, 2019 [4] Guneet Bedi, Ganesh Kumar Venayagamoorthy, Rajendra Singh, Richard R Brooks, Kuang-Ching Wang, “Review of Internet of Things (IoT) in Electric Power and Energy Systems”, IEEE Internet of Things Journal, (2), 2018 [5] R Morello, C De Capua, G Fulco, S.C Mukhopadhyay, “A Smart Power Meter to Monitor Energy Flow in Smart Grids: The Role of Advanced Sensing and IoT in the Electric Grid of the Future”, IEEE Sensors Journal, 17 (23), 2017 [6] A.R Al-Ali, Imran A Zualkernan, Mohammed Rashid, Ragini Gupta, Mazin Alikarar, “A smart home energy management system using IoT and big data analytics approach”, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 63 (4), 2017 [7] Mohannad Jabbar Mnati, Alex Van den Bossche and Raad Farhood Chisab, “Smart Voltage and Current Monitoring System for Three Phase Inverters Using an Android Smartphone Application”, Sensors, 17 (872), 2017 [8] Wook-Sung Yoo and Sameer Ahamed Shaik, “Development of Home Management System Using Arduino and AppInventor”, 2016 IEEE 40th Annual Computer Software and Applications Conference, , Atlanta, GA, USA, 10-14 June 2016 [9] Himshekhar Das, L.C Saikia, “Ethernet based smart energy meter for power quality monitoring and enhancement”, 2017 Recent Developments in Control, Automation & Power Engineering (RDCAPE), Noida, India, 26-27 Oct 2017 [10] Srividyadevi P., Pusphalatha D.V and Sharma P.M., “Measurement of Power and Energy Using Arduino”, Research Journal of Engineering Sciences, (10), 10-15, 2013 [11] 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 [12] Perumal Nallagownden, et al “Development of real-time industrial energy monitoring system with PQ analysis based on IoT”, 4th IET Clean Energy and Technology Conference, 14-15 Nov 2016 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) ... thiết kế hệ thống đo đếm điện Từ phần tổng quan cho thấy ứng dụng công nghệ IoT việc thiết kế hệ thống giám sát phân tích chất lượng điện hướng quan tâm nghiên cứu Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu. .. giám sát phân tích chất lượng điện ứng dụng cơng nghệ IoT Hình Hình 1: Ứng dụng IoT giám sát phân tích CLĐN Với xu phát triển IoT nay, tác giả tập trung nghiên cứu thử nghiệm giao thức IoT, thiết. .. đề chất lượng điện áp khác nhau, hệ thống điện nên trang bị hệ thống giám sát mà phát hiện, phân tích phân loại dạng khác nhiễu loạn chất lượng điện 1.1.3 Giám sát chất lượng điện Giám sát chất