Trong bài viết này, tác giả đề xuất một giải pháp có chi phí thấp để giám sát tự động nhiệt độ mối nối và thiết bị cao áp tại Trạm biến áp ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại. Hệ thống thiết kế gồm có 2 thành phần chính: Nút cảm biến bao gồm cảm biến đo nhiệt độ MLX90621 và mô-đun Bluetooth 4.0 lắp đặt gần nơi thiết bị cần đo; Bộ thu thập dữ liệu bao gồm mô-đun nhận dữ liệu Bluetooth và mô-đun phát sóng Wi-Fi tạo Web server cho phép hiển thị và truy xuất dữ liệu nhiệt độ đo đạc thông qua địa chỉ IP của Server.
Trang 1Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Nhiệt Độ Thiết Bị Điện Cao Áp Ứng Dụng Cảm Biến Nhiệt Hồng Ngoại
Trần Ngọc Đạt1, Lương Vinh Quốc Danh2 và Trần Nhựt Khải Hoàn2
1 Công ty Dịch Vụ Kỹ Thuật Truyền Tải Điện - Trung Tâm Dịch Vụ Kỹ Thuật 4
2 Bộ môn Điện tử - Viễn thông, Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ
E-mail: tranngdat@gmail.com, lvqdanh@ctu.edu.vn, tnkhoan@ctu.edu.vn
Tóm tắt—Trong bài viết này, tác giả đề xuất một giải pháp có chi
phí thấp để giám sát tự động nhiệt độ mối nối và thiết bị cao áp
tại Trạm biến áp ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại Hệ thống
thiết kế gồm có 2 thành phần chính: Nút cảm biến bao gồm cảm
biến đo nhiệt độ MLX90621 và mô-đun Bluetooth 4.0 lắp đặt gần
nơi thiết bị cần đo; Bộ thu thập dữ liệu bao gồm mô-đun nhận dữ
liệu Bluetooth và mô-đun phát sóng Wi-Fi tạo Web server cho
phép hiển thị và truy xuất dữ liệu nhiệt độ đo đạc thông qua địa
chỉ IP của Server Giải pháp đề xuất cho phép nhân viên điều
hành Trạm biến áp giám sát nhiệt độ các thiết bị theo thời gian
thực tại trung tâm vận hành hoặc từ xa qua kết nối internet Kết
quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để tự động hóa việc giám
sát nhiệt độ thiết bị vận hành tại Trạm biến áp giúp giảm chi phí
nhân công và nâng cao độ ổn định của mạng lưới cung cấp điện.
Từ khóa- Beacon, Bluetooth, cảm biến nhiệt hồng ngoại, nhiệt
độ mối nối.
I GIỚITHIỆU Trong quá trình vận hành hệ thống truyền tải điện năng tại
các Trạm biến áp, việc giám sát nhiệt độ thiết bị điện cao áp và
các điểm tiếp xúc dây dẫn là rất quan trọng Giá trị nhiệt độ này
phản ánh nguyên nhân gây ra các sự cố trên hệ thống cung cấp
điện như quá tải, điểm tiếp xúc (mối nối) không tốt, gây mất ổn
định cho hệ thống dẫn đến những thiệt hại nghiêm trọng Để
giám sát nhiệt độ thiết bị tại Trạm biến áp, phương pháp được
sử dụng chủ yếu hiện tại là dùng các thiết bị cầm tay để đo
nhiệt độ thiết bị gián tiếp như súng đo nhiệt độ bằng tia hồng
ngoại [1] và camera chụp ảnh nhiệt [2] Giải pháp này có ưu
điểm là vận hành đơn giản nhưng mặt hạn chế là không thể
giám sát nhiệt độ thiết bị liên tục, mất nhiều thời gian và tốn
chi phí nhân công
Hình 1 Đo nhiệt độ máy biến áp 220 kV sử dụng thiết bị đo cầm tay.
Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các hệ thống thông tin, đo lường, điều khiển để tự động hóa trong hệ thống điện là một hướng đi tất yếu Chủ trương của ngành điện đang hướng đến Trạm không người trực nhằm nâng cao nâng lực tự động hóa trong vận hành lưới điện Các công việc thủ công sẽ được thay thế bằng giải pháp tự động hóa giúp nâng cao năng suất lao động
Gần đây, đã có một số giải pháp tiên tiến được giới thiệu để giám sát nhiệt độ thiết bị điện như dùng cảm biến nhiệt gắn trực tiếp lên điểm nối dây dẫn để đo nhiệt độ, kết hợp với bộ thiết bị phụ trợ kết nối không dây để thu thập dữ liệu (Hình 2) [3] Một giải pháp khác sử dụng cảm biến sóng âm bề mặt công nghệ SAW (Surface Acoustic Wave) để giám sát nhiệt độ trong các tủ hợp bộ lưới điện 22 kV Các cảm biến sóng âm này được lắp đặt trực tiếp tại điểm đo đạc (Hình 3) [4] Bên cạnh đó, phương pháp sử dụng cảm biến sợi quang lắp đặt trực tiếp lên máy biến áp để đo nhiệt độ cuộn dây cũng đã được nghiên cứu [5] Các giải pháp nói trên có ưu điểm như: vận hành đơn giản,
có khả năng giao tiếp và giám sát qua mạng với các thiết bị phụ trợ Tuy nhiên, mặt hạn chế là việc bảo trì, thay thế khi có hỏng hóc gặp nhiều trở ngại do cảm biến được lắp đặt trực tiếp trên thiết bị điện cao áp
Sự phát triển của công nghệ IoT (internet của vạn vật), mạng cảm biến không dây và đặc biệt là kỹ thuật đo nhiệt độ gián tiếp dựa trên bức xạ nhiệt hồng ngoại giúp mang lại những công cụ hiệu quả phục vụ công tác giám sát nhiệt độ thiết bị vận hành trong Trạm biến áp [6]
Hình 2 Giám sát nhiệt độ đường dây với cảm biến nhiệt gắn trực tiếp.
Trang 2Hình 3 Hệ thống giám sát nhiệt độ ứng dụng công nghệ SAW.
Trong bài viết này, tác giả đề xuất một giải pháp có chi phí
thấp để giám sát tự động nhiệt độ mối nối và thiết bị điện cao
áp tại Trạm biến áp ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại Hệ
thống thiết kế gồm có 2 thành phần chính: Nút cảm biến bao
gồm cảm biến đo nhiệt độ MLX90621 và mô-đun Bluetooth
4.0 lắp đặt gần nơi thiết bị cần đo; Bộ thu thập dữ liệu bao gồm
mô-đun nhận dữ liệu Bluetooth và mô-đun phát sóng Wi-Fi tạo
Web server cho phép hiển thị và truy xuất dữ liệu nhiệt độ đo
đạc thông qua địa chỉ IP của Server Giải pháp đề xuất cho
phép nhân viên điều hành Trạm biến áp giám sát nhiệt độ các
thiết bị theo thời gian thực tại trung tâm vận hành hoặc từ xa
qua kết nối internet
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần
II, tác giả trình bày nội dung thiết kế hệ thống Phần III trình
bày các kết quả đo đạc thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của
giải pháp đề xuất Cuối cùng, tác giả kết luận bài báo ở phần
IV
II THIẾTKẾHỆTHỐNG
Hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện cao áp đề xuất bao
gồm 01 Bộ thu thập dữ liệu và các Nút cảm biến được lắp đặt
tại vị trí thiết bị điện cần giám sát nhiệt độ (Hình 4) Trong
nghiên cứu này, thiết bị điện cần giám sát là các máy biến áp
22 kV và Nút cảm biến được lắp đặt cách máy biến áp và các
mối nối ở khoảng cách 2 mét Nút cảm biến được thiết kế để
hoạt động bằng nguồn điện từ pin năng lượng mặt trời để thuận
tiện trong việc lắp đặt tại các trạm biến áp Dữ liệu đo đạc tại
các nút được truyền về Bộ thu thập dữ liệu thông qua giao thức
Bluetooth Beacon
1 Nút cảm biến:
Nút cảm biến, có sơ đồ khối được mô tả ở Hình 5, có cấu
tạo gồm 01 bo mạch vi xử lý, 01 cảm biến nhiệt hồng ngoại, 01
động cơ servo, 01 đèn LED lazer và 01 mô-đun thu/phát sóng
Bluetooth
Bo mạch vi xử lý: một kit Arduino Nano [7] được sử
dụng để điều khiển hoạt động của nút cảm biến Dữ liệu nhiệt
độ đọc từ cảm biến nhiệt hồng ngoại sẽ được truyền về bộ
trung tâm thông qua mô-đun thu/phát sóng Bluetooth
Hình 4 Sơ đồ khối hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện cao áp.
Cảm biến nhiệt hồng ngoại: Cảm biến đo nhiệt độ sử
dụng trong nghiên cứu này là MLX90621 của hãng Melexis [8] Cảm biến đo nhiệt độ dựa trên nguyên lý sử dụng một mảng gồm 16x4 điểm (pixels) cảm biến hồng ngoại để thu nhận bức xạ nhiệt hồng ngoại của vật thể với mỗi pixel là một điểm đo riêng biệt (Hình 6) Dữ liệu ngõ ra của cảm biến được lưu trữ trong RAM nội và có thể truy cập đến từng pixel thông qua giao thức I2C Cảm biến được hiệu chuẩn để đo nhiệt độ vật thể trong khoảng từ 500 C đến 3000 C [8]
Động cơ servo: Để có thể đo đạc nhiệt độ tại 3 vị trí của
một trạm biến áp bằng 01 cảm biến MLX90621, một động cơ servo được sử dụng để thay đổi hướng nhìn của cảm biến Các
vị trí cần đo nhiệt độ là 3 mối nối tương ứng với 3 pha của máy biến áp Bo mạch vi xử lý sẽ điều khiển góc quay của động cơ servo tương ứng với vị trí điểm cần đo đạc Một đèn LED lazer cũng được gắn trên trục quay của động cơ servo với mục đích chỉ thị vị trí điểm đo đạc hiện tại của cảm biến
Mô-đun thu/phát sóng Bluetooth: Một mô-đun Bluetooth
4.0 (còn gọi là Bluetooth Low Energy BLE) được sử dụng để kết nối các nút cảm biến với Bộ thu thập dữ liệu [9,10] Các mô-đun Bluetooth được thiết lập chế độ hoạt động theo chuẩn Beacon cho phép các Nút cảm biến truyền dữ liệu về Bộ thu thập dữ liệu qua kênh quảng bá (advertising) mà không cần thực hiện việc kết nối giữa 2 mô-đun Bluetooth [11,12] Phương thức này không chỉ giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ của nút cảm biến mà còn cho phép đơn giản hóa việc truyền dữ liệu từ các nút cảm biến về Bộ thu thập dữ liệu
Lưu đồ giải thuật điều khiển hoạt động của Nút cảm biến được trình bày ở Hình 7 Theo đó, ở thời điểm bắt đầu chương trình, động cơ servo được đặt ở vị trí khởi tạo Sau khoảng thời
gian chờ T giây, động cơ servo quay cảm biến hướng đến vị trí thứ 1 để đo nhiệt độ; sau T giây tiếp theo quay cảm biến đến vị trí thứ 2; sau T giây tiếp theo nữa quay đến vị trí 3 để đo nhiệt
độ Sau khi thu thập đủ giá trị nhiệt độ của 3 điểm cần đo trên máy biến áp, dữ liệu sẽ được phát lên kênh quảng bá của tín hiệu Bluetooth Sau đó, động cơ servo được đưa về điểm khởi tạo để bắt đầu một chu kỳ mới
Trang 3Hình 5 Sơ đồ khối Nút cảm biến đo nhiệt độ thiết bị điện.
Hình 6 Sơ đồ khối chức năng của cảm biến MLX90621 [8] Ảnh nhỏ:
Cảm biến thực tế.
Hình 7 Lưu đồ giải thuật điều khiển Nút cảm biến.
2 Bộ thu thập dữ liệu:
Sơ đồ khối Bộ thu thập dữ liệu được trình bày ở Hình 8 Một kit ESP8266 NodeMCU [13,14] được sử dụng làm bộ xử
lý để nhận và xử lý dữ liệu nhiệt độ từ các Nút cảm biến thông qua 01 mô-đun Bluetooth 10 [15] Mô-đun Bluetooth
HM-10 quét các tín hiệu Beacon để lấy dữ liệu nhiệt độ từ các Nút cảm biến lưu vào thẻ nhớ SD và hiển thị thông tin lên màn hình LCD Bên cạnh đó, kit ESP8266 cũng được lập trình để thiết lập một Web Server và điểm phát sóng Wi-Fi cho phép các thiết bị di động, máy tính kết nối truy vấn thông tin nhiệt độ các thiết bị điện Lưu đồ chương trình điều khiển hoạt động của
Bộ thu thập dữ liệu được trình bày ở Hình 9 Theo đó, hệ thống
sẽ phát thông tin cảnh báo bằng tiếng còi và màu sắc trên giao diện tương ứng với 2 ngưỡng nhiệt độ được cài đặt trước (trong thí nghiệm này là 600 C và 900 C)
Hình 8 Sơ đồ khối Bộ thu thập dữ liệu.
Trang 4III KẾTQUẢTHỰCNGHIỆM
Một hệ thống gồm 01 Bộ thu thập dữ liệu và 01 Nút cảm
biến đã được thi công để thử nghiệm trong điều kiện thực tế
Mạch điện của Nút cảm biến được đặt trong một hộp kín và
được cấp điện bởi 01 bộ nguồn pin năng lượng mặt trời [16]
như ở Hình 10 Bộ thu thập dữ liệu tạo điểm phát sóng Wi-Fi
nội bộ cho phép truy cập Web server thông qua địa chỉ IP:
http://192.168.1.46 (Hình 11) Người sử dụng thông qua thiết
bị di động có thể truy cập vào địa chỉ IP này để truy xuất giá trị
nhiệt độ của thiết bị điện (Hình 12) Bên cạnh đó, dữ liệu nhiệt
độ cũng được lưu trữ trên thẻ nhớ SD dưới dạng file Excel
(định dạng csv) như ở Hình 13
Để đánh giá khả năng đáp ứng của giải pháp đề xuất trong
điều kiện thực tế, một thí nghiệm đã được thực hiện để đo nhiệt
độ của 01 máy biến áp 22 kV đang hoạt động tại Trạm biến áp
220 kV Cần Thơ (Hình 14) Tại thời điểm đo đạc, nhiệt độ môi
trường là 280 C, Nút cảm biến được đặt cách điểm đo 2 mét
Một camera chụp ảnh nhiệt FLIR E60 được sử dụng như một
chuẩn để so sánh [17] Kết quả thực nghiệm (Hình 15 và 16)
cho thấy số liệu nhiệt độ đo đạc bằng hệ thống đề xuất (370 C)
sai lệch so với số liệu đo đạc từ camera ảnh nhiệt FLIR E60
(37.90 C) khoảng 10 C Khoảng cách truyền / nhận dữ liệu giữa
Nút cảm biến và Bộ thu thập dữ liệu đạt khoảng 30 mét và có
thể xa hơn khi sử dụng ăng-ten có độ lợi cao Với kết quả này,
hệ thống có thể đáp ứng được các yêu cầu của công tác giám
sát nhiệt độ thiết bị điện vận hành tại Trạm biến áp
Hình 10 Mạch điện thực tế của Nút cảm biến.
Hình 11 Màn hình LCD Bộ thu thập dữ liệu hiển thị địa chỉ kết nối.
Hình 12 Giao diện hiển thị nhiệt độ trên thiết bị di động.
Hình 13 File dữ liệu nhiệt độ lưu trữ trên thẻ nhớ SD.
Hình 14 Thí nghiệm đo nhiệt độ máy biến áp 22 kV.
Trang 5Hình 15 Kết quả đo nhiệt độ bằng cảm biến MLX90621.
Hình 16 Kết quả đo nhiệt độ bằng camera chụp ảnh nhiệt FLIR E60.
IV KẾTLUẬN
Nội dung bài viết đã trình bày việc thiết kế và thử nghiệm
một giải pháp có chi phí thấp cho phép giám sát tự động nhiệt
độ mối nối và thiết bị cao áp trong Trạm biến áp ứng dụng
cảm biến nhiệt hồng ngoại và công nghệ truyền thông
Bluetooth Beacon Giải pháp đề xuất cho phép nhân viên điều
hành Trạm biến áp giám sát nhiệt độ thiết bị cao áp theo thời
gian thực tại chổ hoặc từ xa thông qua kết nối internet Kết
quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ đo đạc có sai số khoảng
10C so với kết quả đo bằng camera chụp ảnh nhiệt FLIR E60
Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để tự động hóa việc
giám sát nhiệt độ thiết bị điện vận hành tại Trạm biến áp giúp
giảm chi phí nhân công và nâng cao độ ổn định của mạng lưới
cung cấp điện Trong thời gian tới, nhóm tác giả sẽ tiếp tục
nghiên cứu hoàn thiện các chức năng của hệ thống hướng tới
việc triển khai sử dụng trong thực tế
TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1] Súng đo nhiệt độ bằng hồng ngoại EXTECH 42512 URL: https://emin.vn/extech42512-sung-do-nhiet-do-bang-hong-ngoai-extech-42512-50degc-den-1000degc-2-tia-laser-3179/pr.html, truy cập ngày 21/10/2020.
[2] Camera chụp ảnh nhiệt URL: https://www.fluke.com/vi-
vn/product/thermal-cameras/ti480-pro?utm_source=GoogleSearch&utm_medium=PPC&utm_campaign
=FSEA-IRCameras, truy cập ngày 21/10/2020.
[3] Gao Q., Wang H., Wang H., “Design of the Wireless Temperature
Measurement Alarming System in the High-Voltage Transformer Substation” In: Yan XT., Jiang C., Eynard B (eds) Advanced Design
and Manufacture to Gain a Competitive Edge Springer, 2008 [4] Wireless SAW temperature sensors URL: https://www.intellisaw.com/products/is-sensors.html, truy cập ngày 21/10/2020.
[5] Marcel Nicola et al., “Monitoring System for Power Transformer Windings Hot Spot Temperature Using Fiber Optic Sensors, Kalman
Filter and Integration in SCADA System”, American Journal of
Signal Processing 2018, 8(2), pages 33-44
[6] Basic principles of non-contact temperature measurement URL: https://www.optris.fr/tl_files/pdf/Downloads/Zubehoer/IR-Basics.pdf, truy cập ngày 21/10/2020.
[7] Arduino Nano URL: http://arduino.vn/bai-viet/273-arduino-nano-nho-tien-loi-mang-tren-minh-tinh-hoa-cua-arduino-uno, truy cập ngày 21/10/2020.
[8] Far infrared sensor array at high speed with low noise URL: https://www.melexis.com/en/product/mlx90621/far-infrared-sensor-array-high-speed-low-noise, truy cập ngày 21/10/2020.
[9] Bluetooth Low Energy URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_Low_Energy, truy cập ngày 21/10/2020.
[10] WH-BLE103 user manual URL: https://www.pusr.com/download/Ble/WH-BLE103-User-Manual-V1.0.1.pdf, truy cập ngày 21/10/2020.
[11] Bluetooth Low Energy – Networking guide URL: http://www.libelium.com/downloads/documentation/bluetooth-low-energy-networking_guide.pdf, truy cập ngày 28/10/2020.
[12] Adam Warski, “How do iBeacons work?” URL: http://www.warski.org/blog/2014/01/how-ibeacons-work/, truy cập ngày 21/10/2020.
[13] ESP8266 NodeMCU LUA CP2102 URL: https://arduinokit.vn/esp8266-nodemcu-lua-cp2102, truy cập ngày 21/10/2020.
[14] Welcome to ESP8266 Arduino core’s documentation URL: https://arduino-esp8266.readthedocs.io/en/latest/, truy cập ngày 21/10/2020.
[15] Mạch thu phát Bluetooth 4.0 UART CC2541 HM-10 URL: https://hshop.vn/products/mach-thu-phat-bluetooth-4-0uart-hm10ra-chon, truy cập ngày 21/10/2020.
[16] Pin năng lượng mặt trời solar panel 9V/2W URL: https://hshop.vn/products/pin-nang-luong-mat-troi-solar-panel-9v-2w, truy cập ngày 21/10/2020.
https://www.flir.asia/support/products/e60/#Overview, truy cập ngày 21/10/2020.