6. Tởng quan tình hình nghiín cứu của đề tăi
3.4.6. Giải thuật DSM vă bảo vệ quâ/thấp âp
Từ cơ sở lý thuyết câc kỹ thuật quản lý nhu cầu phụ tải ở Mục 1.4.1, đề tăi nghiín cứu ứng dụng hai kỹ thuật đĩ lă: Giảm đỉnh vă nđng đây để thiết kế thực nghiệm cho hệ thống (Hình 3.10). Như vậy từ cơ sở của giải thuật đo lường câc đại lượng điện của Mục 3.4.5, CSTD của mạch điện đo được sẽ được so sânh với giâ trị CSTD nhỏ nhất (Pmin) vă CSTD lớn nhất (Pmax) để thực hiện kỹ thuật giảm đỉnh vă nđng đây sao cho hợp lý.
Giảm đỉnh Nđng đây
Hình 3.10. Kỹ thuật giảm đỉnh, nđng đây đối với vấn đề DSM. Để thực hiện hai kỹ thuật trín, hệ thống thực nghiệm qui ước như sau:
+ Rơle 1: Nhânh 1 (mạch tởng cĩ CSTD lă P1). + Rơle 2: Nhânh 2 (mạch tải 1 cĩ CSTD lă P2). + Rơle 3: Nhânh 3 (mạch tải 2 cĩ CSTD lă P3).
Giải thuật thực hiện việc so sânh giữa CSTD của mạch tởng P1 với giâ trị CSTD lớn nhất Pmax vă CSTD nhỏ nhất Pmin để thực hiện kỹ thuật của DSM đê lựa chọn: giảm đỉnh vă nđng đây như sau:
- NẾU P1 > Pmax THÌ sau 3 giđy sẽ cắt mạch tải 2 để giảm đỉnh tải tởng: P1 = P2
- NẾU P1 < Pmin THÌ sau 3 giđy sẽ đĩng mạch tải 2 để nđng đây tải tởng: P1 = P2 + P3
Tương tự như giải thuật DSM thì giải thuật bảo vệ quâ/thấp âp sẽ so sânh giữa điện âp đo được từ giải thuật ở Mục 3.4.5 với câc giâ trị điện âp nhỏ nhất
Umin vă điện âp lớn nhất Umax để đưa tín hiệu đi đĩng/cắt rơle mạch tởng (rơle 1) như sau:
- NẾU U > Umax THÌ sau 3 giđy sẽ:
+ Cắt mạch tởng để bảo vệ tải khỏi chịu quâ âp; + Hiển thị tín hiệu Overvoltage lín giao diện;
+ Gửi tin nhắn cảnh bâo qua điện thoại đến khâch hăng. - NẾU U < Umin THÌ sau 3 giđy sẽ:
+ Cắt mạch tởng để bảo vệ tải khỏi chịu thấp âp; + Hiển thị tín hiệu Undervoltage lín giao diện;
+ Gửi tin nhắn cảnh bâo qua điện thoại đến khâch hăng. - NẾU Umin ≤ U ≤ Umax THÌ sau 3 giđy sẽ:
+ Đĩng mạch tởng để cấp điện cho tải lăm việc bình thường; + Reset câc hiển thị trín giao diện giâm sât.
3.5.Thiết kế giao diị́n quản lý, giâm sât vă điều khiển từ xa
3.5.1. Thiết lập câc biến ảo cho câc đối tượng
Ứng dụng Blynk để thiết kế giao diện chương trình quản lý vă giâm sât câc thơng số bao gồm: điện âp, dịng điện, cơng suất vă điện năng tiíu thụ của mạch điện được truyền từ bo mạch Arduino Wemos D1 R32 về smartphone thơng qua truyền thơng wifi internet. Danh sâch câc biến ảo của chương trình giâm sât dựa trín ứng dụng Blynk của câc đối tượng được thể hiện như trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Danh sâch câc biến ảo trín ứng dụng Blynk.
Biến Chức năng Biến Chức năng
V0 Điện âp trị hiệu dụng V12 Điều khiển rơle 3
V1 Dịng điện mạch 1 V13 Điều khiển DSM
V2 Dịng điện mạch 2 V14 CSTD nhỏ nhất
V4 CSTD mạch 1 V16 Bảo vệ quâ/thấp âp
V5 CSTD mạch 2 V17 Điện âp nhỏ nhất
V6 CSTD mạch 3 V18 Điện âp lớn nhất
V7 Điện năng tiíu thụ mạch 1 V19 Hiển thị overvoltage V8 Điện năng tiíu thụ mạch 2 V20 Hiển thị undervltage V9 Điện năng tiíu thụ mạch 3 V21 CSPK mạch 1
V10 Điều khiển rơle 1 V22 CSPK mạch 2
V11 Điều khiển rơle 2 V23 CSPK mạch 3
3.5.2. Thiết kế giao diện điều khiển vă giâm sât
Giao diện chương trình được tâc giả thiết kế theo ba nhĩm chức năng chính như sau:
Nhĩm 1: Điều khiển vă giâm sât
Nhĩm năy thuộc Tab Control của chương trình phần mềm, giao diện của nhĩm 1 được thể hiện như Hình 3.11. Câc biến ảo (Vx) của câc đối tượng được thể hiện rõ trín giao diện trước khi chạy như Hình 3.11(a). Điều năy giúp cho người thiết kế dễ dăng quản lý xâc định định đúng đối tượng để lập trình câc chức năng tương ứng với chúng. Sau khi chạy chương trình thì giao diện của nhĩm 1 được thể hiện như trong Hình 3.11(b). Câc chức năng được thực hiện trín giao diện của nhĩm 1 bao gồm:
- Điều khiển đĩng/cắt câc rơle của phần mạch lực (V10, V11, V12). - Bật/tắt chức năng quản lý nhu cầu phụ tải DSM (V13).
- Thay đổi giâ trị đặt Pmin (V14) vă Pmax (V15) bằng slider.
- Hiển thị câc giâ trị điện âp, dịng điện, CSTD vă điện năng tiíu thụ (từ V0 đến V9).
(a) Trước khi chạy (b) Sau khi chạy
Hình 3.11. Giao diện nhĩm 1.
Ngoăi ra, trín giao diện của nhĩm 1 cịn cĩ thể thực hiện chức năng bâo câo (Reports) để gửi thơng tin thời gian vă câc dữ liệu đo lường như: Điện âp, dịng điện, CSTD, điện năng tiíu thụ,… đến địa chỉ email mong muốn. Điều năy giúp khâch hăng sử dụng điện cĩ thể dễ dạng quản lý nhu cầu sử dụng điện của mình trong thâng. Đối với chức năng bâo câo năy thì sau khi chạy chương trình, người sử dụng cĩ thể lựa chọn 1 trong 4 phương thức bâo câo dữ liệu theo Hình 3.12(a) như sau:
+ Bâo câo thâng (Monthly): Khi lựa chọn phương thức năy, chương trình sẽ bâo câo đến email trong một thâng chọn trước hoặc lặp lại hăng thâng
(với thời gian lấy mẫu lă 1 giờ hoặc 1 ngăy).
+ Bâo câo tuần (Weekly): Khi lựa chọn phương thức năy, chương trình sẽ bâo câo đến email trong một tuần chọn trước hoặc lặp lại hăng tuần (với thời gian lấy mẫu lă 1 giờ hoặc 1 ngăy).
+ Bâo câo ngăy (Daily): Khi lựa chọn phương thức năy, chương trình sẽ gửi bâo câo đến email trong một ngăy chọn trước hoặc lặp lại hăng ngăy (với thời gian lấy mẫu lă 1 phút hoặc 1 giờ).
+ Bâo câo một lần (One-time): Khi lựa chọn phương thức năy, chương trình sẽ gửi bâo câo một lần đến email ngay tại thời kích hoạt chức năng bâo câo. Hình 3.12(b) lă một ví dụ minh họa cho dạng file *.csv của phương thức bâo câo một lần (One-time) của hệ thống đê thiết kế trong đề tăi năy.
(a) (b)
Hình 3.12. (a) Giao diện lựa chọn phương thức bâo câo; (b) Dạng file *.csv trong Excel của bâo câo phương thức One-time.
Nhĩm 2: Bảo vị́ quâ/thấp âp
Nhĩm năy thuộc Tab Protect của chương trình phần mềm, giao diện của nhĩm 2 được thể hiện như Hình 3.13. Câc biến ảo (Vx) của câc đối tượng được thể hiện rõ trín giao diện trước khi chạy như Hình 3.13(a). Sau khi chạy chương trình thì giao diện của nhĩm 2 được thể hiện như trong Hình 3.13(b).
(a) Trước khi chạy (b) Sau khi chạy
Hình 3.13. Giao diện nhĩm 2.
Câc chức năng được thực hiện trín giao diện của nhĩm 2 bao gồm:
+ Bật/tắt chế độ bảo vệ quâ/thấp âp.
+ Căi đặt điện âp cho phĩp nhỏ nhất vă lớn nhất bằng slider. + Hiển thị điện âp, dịng điện, CSTD vă CSPK dạng Gauge. + Hiển thị LED ảo bâo trạng thâi quâ/thấp âp.
+ Thơng bâo quâ/thấp âp qua tin nhắn điện thoại.
Nhĩm 3: Hiển thị dạng đồ thị
Nhĩm 3 thuộc Tab Graph cĩ giao diện như Hình 3.14. Bao gồm cĩ 2 đồ thị trín giao diện năy: đồ thị 1 được sử dụng để hiển thị điện âp, dịng điện trị hiệu dụng của mạch 1 (mạch tởng) theo thời gian thực vă được cập nhật liín tục sau mỗi giđy; đồ thị 2 được sử dụng để hiển thị CSTD của ba mạch.
Hình 3.14. Giao diện nhĩm 3.
3.5.3. Lập trình đối tượng trín Blynk
Câc đối tượng được lựa chọn trín giao diện sẽ được lập trình bởi câc đoạn code trín phần mềm Arduino IDE để thực hiện chức năng tương ứng từng đối tượng trín Blynk. Bảng 3.2 thể hiện ý nghĩa của một số lệnh cơ bản được sử dụng trong chương trình.
Bảng 3.2. Ý nghĩa của câc lệnh lập trình đối tượng trín Blynk.
Stt Code Ý nghĩa
1 Blynk.virtualWrite(V0,
voltage);
Ghi giâ trị voltage ra biến ảo V0
2 BLYNK_WRITE(V10) {
if(param.asInt() == 0) {
digitalWrite(relay1, HIGH);
Đọc giâ trị biến ảo V10 vă ghi giâ trị đĩ ra chđn relay1 trín Arduino
(tức lă dùng nút nhấn Blynk trín smartphone để đĩng/cắt relay của phần mạch lực)
} if(param.asInt() == 1) { digitalWrite(relay1, LOW); } }
Toăn bộ đoạn code của chương trình được viết trín phần mềm Arduino IDE để thực hiện toăn bộ câc chức năng đê trình băy của hệ thống được thể hiện như trong phần Phụ lục 2.
3.6.Kết luđ̣n chương 3
Câc phương phâp đo lường điện âp trị hiệu dụng, dịng điện trị hiệu dụng được trình băy, so sânh hiệu quả vă lựa chọn để thiết kế chương trình phần mềm nhằm đo lường câc đại lượng điện như điện âp trị hiệu dụng, dịng điện trị hiệu dụng, cơng suất tâc dụng, hệ số cơng suất vă điện năng tiíu thụ của phụ tải. Chức năng quản lý nhu cầu của phụ tải (DSM) cũng được nghiín cứu đưa văo mơ hình hệ thống thực nghiệm.
Bín cạnh đĩ, câc phần mềm ứng dụng để viết vă nạp chương trình cho bo mạch Arduino đê được giới thiệu câc chức năng cơ bản. Trong đĩ, Blynk lă một ứng dụng IoT được âp dụng để thiết kế chương trình phần mềm cho hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thơng minh của đề tăi. Câc giao diện của phần mềm đê được tâc giả thiết kế để thực hiện câc chức năng quản lý, giâm sât vă điều khiển của hệ thống.
CHƯƠNG 4
CÂC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1.Mở đầu
Sau khi thiết kế phần cứng vă phần mềm của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thơng minh, đề tăi tiếp tục đi văo thực nghiệm để thu thập kết quả so sânh, đânh giâ vă phđn tích hiệu quả của hệ thống đê thiết kế. Với đối tượng lă hệ thống một pha 220VAC vă tính thơng dụng, nín câc tải gia dụng được tâc giả sử dụng để lăm thực nghiệm trong chương năy. Chẳng hạn như: Đỉn sợi đốt, nồi cơm điện, băn lă, mây sấy tĩc, mây quạt,… với giới hạn dịng điện cho phĩp của mỗi mạch lă 20A. Hệ thống thực nghiệm được thiết lập trong đề tăi năy cĩ cấu trúc như Hình 4.1.
Dựa văo nguyín lý của Hình 2.2, một số quy ước đối với phần sơ đồ mạch lực vă câc ký hiệu của câc đại lượng đo lường như sau:
Mạch 1: Mạch tởng.
Mạch 2: Mạch tải 1 (Cấp điện cho 4 bĩng đỉn sợi đốt 4×60 W). Mạch 3: Mạch tải 2 (Cấp điện cho mây sấy tĩc 750 W)
U1: Điện âp của mạch 1.
I1, I2, I3: Dịng điện của mạch 1, mạch 2 vă mạch 3. P1, P2, P3: CSTD của mạch 1, mạch 2 vă mạch 3. Q1, Q2, Q3: CSPK của mạch 1, mạch 2 vă mạch 3.
A1, A2, A3: Điện năng tiíu thụ của mạch 1, mạch 2 vă mạch 3. Sau khi kết nối phần mạch lực vă cấp nguồn cho mạch điều khiển vă đo lường thì hệ thống sẽ bắt đầu lăm việc bình thường. Khai bâo tăi khoản vă mật khẩu của mạng internet wifi tại nơi đặt hệ thống để kết nối hệ thống với internet wifi. Khi đĩ, câc thơng số đo được sẽ hiển thị trực tiếp lín măn hình LCD của hệ thống giúp ta cĩ thể giâm sât được trạng thâi vận hănh của hệ thống tại chỗ. Ngoăi ra, để cĩ thể giâm sât, điều khiển từ xa thơng qua smartphone thì smartphone cũng phải được kết nối với mạng internet wifi (cĩ thể cùng mạng hoặc khâc mạng với internet wifi kết nối với hệ thống), thì lúc năy ta cĩ thể mở ứng dụng Blynk trín smartphone để thực hiện câc chức năng điều khiển, giâm sât vă quản lý hệ thống theo câc kịch bản như sau:
Kịch bản 1: Chế độ lăm việc bình thường.
Kịch bản 2: Chế độ quản lý nhu cầu phụ tải (DSM).
Kịch bản 3: Chế độ bảo vệ quâ/thấp âp.
4.2.Kịch bản 1: Chế độ lăm viị́c bình thường
Đối với kịch bản năy, tâc giả tiến hănh thu thập câc kết quả thực nghiệm từ những nội dung như sau:
- Giâm sât câc thơng số của ba mạch trín smartphone.
- Giâm sât đồ thị câc thơng số của ba mạch trín smartphone. - Điều khiển câc mạch thơng qua smartphone.
- Chế độ bâo câo (Reports).
Câc kết quả chế độ năy được thể hiện trực tiếp trín câc giao diện của chương trình như trong Hình 4.2.
(a) (b) (c)
Hình 4.2. Kết quả ở chế độ bình thường.
Câc kết quả hiện thị trín giao diện nhĩm 1 (Hình 4.2a) lă điện âp (V), dịng điện (A), CSTD (W) vă điện năng tiíu thụ (Wh) của mạch tởng, mạch tải 1 vă mạch tải 2 tương ứng. Câc kết quả năy cho thấy hệ thống đo chính xâc kết quả so với thơng số của hệ thống vă tải được sử dụng để lăm thực nghiệm trong mục năy. Đối với kết quả trín nhĩm 2 (Hình 4.2b) lă chỉ thể hiện cho thơng số đo được đối với mạch tởng bao gồm: Điện âp (V), dịng điện (A), CSTD (W) vă CSPK (VAr) dưới dạng Gauge để phục vụ việc theo dõi vă giâm sât chức năng bảo vệ quâ/thấp âp của hệ thống. Trong khi đĩ, câc kết quả thể hiện trong giao diện của nhĩm 3 (Hình 4.2c) lă thể hiện dưới dạng đồ thị để giúp khâch hăng cĩ thể giâm sât trực quan hình dạng thay đởi của
câc đại lượng đo được. Nghĩa khâch hăng cĩ thể sử dụng kết quả năy để theo dõi khi năo điện âp, cơng suất tiíu thụ tăng/giảm. Bín cạnh đĩ, toăn bộ dữ liệu của câc đồ thị năy cĩ thể được xuất ra toăn bộ file *.csv để phục vụ cơng việc khâc khi cần thiết.
Như vậy việc giâm sât thơng số đo lường tại mỗi thời điểm cĩ thể được thực hiện bằng câch quan sât thơng số trín giao diện của chương trình. Ngoăi ra, để cĩ thể thực hiện chế độ bâo câo vă lưu trữ câc thơng số vận hănh cũng như lượng điện năng tiíu thụ của phụ tải, chúng ta cĩ thể sử dụng biểu tượng Reports trín giao diện nhĩm 1 để lựa chọn 1 trong 4 phương thức bâo câo như đê trình băy ở trín (Hình 4.3a). Sau đđy lă một ví dụ minh họa được tiến hănh thực nghiệm từ chương trình, cụ thể lă kết quả được xuất ra file *.csv như Hình 4.3b.
(a) (b)
Hình 4.3. (a) Giao diện lựa chọn phương thức bâo câo; (b) Dạng file *.csv trong Excel của bâo câo phương thức One-time.
Trong quâ trình lăm thực nghiệm mơ hình, câc thơng số đo được ghi lại bằng câch nhấn nút Report trín giao diện giâm sât của smartphone. Trong mục năy, tâc giả đê lăm thực nghiệm văo thời điểm từ 15 giờ 17 phút đến 15 giờ 33 phút ngăy 06/6/2019 để thu thập kết quả. Cứ sau 01 phút sẽ lấy mẫu một lần 7 bộ thơng số đo được bao gồm: U (V), I1 (A), P1 (W), A1 (Wh), I2 (A), P2 (W), A2 (Wh), I3 (A), P3 (W) vă A3 (Wh). Kết quả file bâo câo được xuất ra dưới dạng file *.csv như trong Phụ lục 3. Dựa trín kết quả của file bâo câo đĩ, trong mục năy tâc giả tiến hănh vẽ câc đồ thị của 7 bộ thơng số đĩ như câc Hình 4.4 đến Hình 4.13. 218 219 220 221 222 223 224 225 226 U ( V ) Time
Hình 4.4. Điện âp U ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngăy 6/6/2019.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 I1 (A ) Time
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 P 1 (W) Time
Hình 4.6. CSTD P1 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngăy 6/6/2019.
0 10 20 30 40 50 60 70 A 1 (Wh ) Time
Hình 4.7. Điện năng A1 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngăy 6/6/2019.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 I2 (A ) Time
0 50 100 150 200 250 300 P 2 (W) Time
Hình 4.9. CSTD P2 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngăy 6/6/2019.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 A 2 (Wh ) Time
Hình 4.10. Điện năng A2 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngăy 6/6/2019.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 I3 (A ) Time
0 100 200 300 400 500 600 700 800 P 3 (W) Time
Hình 4.12. CSTD P3 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngăy 6/6/2019.
0 5 10 15 20 25 30 35 A 3 (Wh ) Time
Hình 4.13. Điện năng A3 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngăy 6/6/2019.