6. Tởng quan tình hình nghiín cứu của đề tăi
1.3.5. Thuật tôn tổ hợp đo lường
Đo điện âp cung cấp, sĩng hăi vă mức khơng đối xứng được thực hiện trong mọi chu kỳ. Để đânh giâ kết quả đo trong khoảng thời gian dăi, cần kết hợp câc chu kỳ đo. Tiíu chuẩn IEC 6100-3-40 đề nghị bốn khoảng kết hợp khâc nhau. Việc kết hợp sử dụng căn bậc hai trung bình tôn của giâ trị lượng văo. Khoảng thời gian đo cơ bản lă 10 chu kỳ cho hệ 50 Hz vă 12 chu kỳ cho hệ 60 Hz. 2 rms 200ms 200ms 1 U u (t)dt 200ms (1.2)
Lượng đo 200 ms nhận được kết hợp từ tập hợp của khoảng thời gian ngắn hạn trong 3 giđy (150/180 – chu kỳ thời gian). Kết quả năy được thực hiện từ 15 khoảng thời gian đo cơ bản trong 200 ms (10/12 chu kỳ).
15 2 rms 3ms rms 200ms i 1 1 U U 15ms (1.3) - Tổ hợp đo ngắn hạn (10 phút):
Tở hợp 200 khoảng đo ngắn hạn 3 giđy lă tở hợp từ một khoảng ngắn hạn. Giâ trị kết quả đo 10 phút cĩ thể kết hợp với thời gian tuyệt đối để chỉ thị thời gian kết thúc của tở hợp 10 phút:
200 2 rms 10min rms 3s i 1 1 U U 200 (1.4)
- Khoảng dăi hạn (2 giờ):
Tở hợp 12 khoảng ngắn hạn 10 phút lă tở hợp từ một khoảng dăi hạn:
n 2 rms 2h rms 10 min i 1 1 U U 12 (1.5)
1.4.Quản lý vă giâm sât điị́n năng
1.4.1. Quản lý nhu cầu phụ tải (DSM)
Chương trình quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) được triển khai từ nhiều năm nay đê mang lại một số kết quả đối với sự phât triển của ngănh điện nước ta. Để tăng cường hơn nữa tính hiệu quả của chương trình năy, mới đđy Thủ tướng Chính phủ đê phí duyệt "Chương trình quốc gia về DSM" với mục tiíu lă cắt giảm cơng suất phụ tải đỉnh (khoảng 2.000MW) vă tăng thím hệ số phụ tải (3-4%) của hệ thống điện (HTĐ) toăn quốc văo năm 2030, gĩp phần giảm kinh phí đầu tư phât triển nguồn, lưới điện. Trín thế giới, tại một số nước như Mỹ, Canada, Balan, Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Mexico, Thâi Lan… DSM đê được đặc biệt chú trọng vă khuyến khích nín đê thu được những thănh tựu rất đâng khích lệ [11].
(a) Giạm đưnh (b) Nađng đáy (c) Sang tại
(d) Giạm đeău (e) Taíng đeău (f) Dáng cô định
CÁC KỸ THUAƠT DSM
Chương trình quản lý nhu cầu điện (Demand-side management - DSM) lă tập hợp câc giải phâp kỹ thuật - cơng nghệ - kinh tế - xê hội nhằm quản lý thời điểm, thời gian sử dụng, hoặc sản lượng tiíu thụ điện từ phía khâch hăng với ba câch tiếp cận dưới đđy.
Thứ nhất, cải tiến hiệu suất năng lượng của câc doanh nghiệp sản xuất, câc tịa nhă, câc thiết bị điện vă quâ trình sử dụng chúng.
Thứ hai, phât triển phụ tải theo chiến lược nhằm cải thiện hệ số phụ tải (load factor) của hệ thống điện (HTĐ).
Thứ ba, quản lý nhu cầu nhằm phđn phối lại quâ trình tiíu thụ điện năng trong một ngăy đím.
Trong ba giải phâp năy thì giải phâp thứ ba được coi lă giải phâp mang lại hiệu quả cao trong việc đầu tư phât triển nguồn, lưới điện.Thơng thường thì mục tiíu của DSM lă khuyến khích câc khâch hăng giảm sử dụng điện văo câc giờ cao điểm (peak hours), hoặc dịch chuyển việc sử dụng điện từ câc giờ cao điểm sang câc giờ thấp điểm (off-peak times) như văo ban đím, hoặc những ngăy nghỉ cuối tuần. Hay nĩi một câch đơn giản, DSM theo giải phâp năy lă thực hiện việc "cắt" một phần cơng suất văo câc giờ cao điểm (cơng suất đỉnh) để "lấp" văo câc giờ thấp điểm, lăm cho biểu đồ phụ tải ngăy đím của HTĐ được "san bằng" hơn (tăng hệ số phụ tải vă tỷ lệ Pmin/Pmax). Giải phâp năy khơng địi hỏi phải giảm tởng điện năng tiíu thụ trong một ngăy đím, nhưng cĩ tâc dụng to lớn lă tiết giảm được vốn đầu tư văo nguồn vă lưới điện cần thiết để đảm bảo đâp ứng nhu cầu phụ tải văo câc giờ cao điểm.
1.4.2. Giâm sât điện năng
Giâm sât điện năng lă quâ trình đo đạc, thu thập vă phđn tích câc tín hiệu điện nhằm đưa ra câc giải phâp kịp thời để cải thiện chất lượng nguồn điện, tiết kiệm chi phí vận hănh. Hệ thống quản lý năng lượng nĩi chung (Hình 1) vă hệ thống giâm sât điện năng nĩi riíng sẽ thu thập tín hiệu đầu văo từ thơng
tin dự bâo, giâm sât tất cả câc thơng số trong thời gian thực,… để thực hiện câc biện phâp vận hănh tối ưu nhằm cực tiểu chi phí vận hănh, mang lại hiệu suất cao nhất,… Đối với hệ thống giâm sât điện năng sẽ thực hiện theo qui trình sau:
Hình 1.4. Dạng tởng quât của hệ thống quản lý năng lượng.
Bước 1: Xâc định mục tiíu
Chính lă xâc định nguyín nhđn, hiện tượng hoặc câc sự cố xảy ra thường xuyín trong quâ khứ.
Bước 2: Xâc định đối tượng.
Lă những tín hiệu nhiễu loạn gđy ra những hiện tượng trong quâ khứ chẳng hạn như sụt âp, quâ âp hoặc hiện tượng nhấp nhăy điện âp…
Bước 3: Xâc định vị trí.
Lă vị trí lắp đặt thiết bị giâm sât chất lượng điện. Đối với khâch hăng sử dụng điện, việc lắp đặt thiết bị giâm sât căng gần phụ tải sẽ thu thấp được những dữ liệu thực tế vă chính xâc hơn.
Bước 4: Xâc định đối tượng vă thời gian giâm sât.
Tùy văo yíu cầu của khâch hăng cũng như những hiện tượng đê xảy ra trong quâ khứ để xâc định những tín hiệu vă thời gian cần để theo dõi. Chẳng hạn như theo dõi tín hiệu dịng & âp hoặc câc tín hiệu về tần số, sĩng hăi…
Bước 5: Thiết lập câc ngưỡng:
Đối với câc thiết bị giâm sât lien tục thì cần thiết lập câc ngưỡng đo. Tuy nhiín, đối với câc thiết bị phđn tích CLĐN hiện đại như PowerQ4, Hioki…thì việc giâm sât trong một văi chu kỳ vận hănh của thiết bị thì cũng cho được những kết quả tin cậy.
1.4.3. Lợi ích của doanh nghiệp khi quản lý vă giâm sât điện năng
- Đânh giâ được chất lượng nguồn điện lưới cung cấp cho vận hănh hệ thống điện trong nhă mây, từ đĩ lăm cơ sở để xâc định những ảnh hưởng của nguồn điện lưới lín quâ trình vận hănh của câc thiết bị trong nhă mây.
- Đânh giâ được những ảnh hưởng của phụ tải tiíu thụ lín chất lượng hệ thống điện trong nhă mây cũng như tâc động lín nguồn điện lưới quốc gia.
- Nhận dạng được nguyín nhđn lăm ảnh hưởng đến quâ trình sản xuất, quâ trình vận hănh của thiết bị vă câc sự cố đê xảy ra trong quâ khứ.
- Thực hiện câc giải phâp phù hợp để khắc phục kịp thời, nđng cao CLĐN, khơng những lăm tăng tuởi thọ, tăng độ tin cậy cho quâ trình vận hănh của thiết bị, dđy chuyền sản xuất mă cịn mang lại những lợi ích kinh tế rõ rệt sau khi thực hiện giải phâp nđng cao CLĐN.
1.5.Kết luđ̣n chương 1
Chương 1 đê giới thiệu tởng quan về hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng. Câc định nghĩa vă khâi niệm cơ bản liín quan đến CLĐN đê được trình băy trong phần đầu của chương như lă nền tảng cơ sở lý thuyết để nghiín cứu thiết kế hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng trong câc chương tiếp theo. Một số tiíu chuẩn về CLĐN, tầm quan trọng của nĩ cũng như mức độ ảnh hưởng của nĩ đến khâch hăng sử dụng điện đê được trình băy trong chương năy.
Việc đo lường câc đại lượng điện lă bước quan trọng đầu tiín để cĩ thể quản lý vă giâm sât điện năng, do đĩ trong nội dung Chương 1 lă cơ sở lý
thuyết của việc đo lường câc đại lượng điện đê được tởng hợp những nội dung quan trọng để phục vụ cho việc nghiín cứu thiết kế hệ thống.
Quản lý nhu cầu của phụ tải (DSM) lă một vấn đề cũng đang được quan tđm hiện nay. Nĩ lă tập hợp câc giải phâp kỹ thuật - cơng nghệ - kinh tế - xê hội nhằm quản lý thời điểm, thời gian sử dụng, hoặc sản lượng tiíu thụ điện từ phía khâch hăng. Câc kỹ thuật cơ bản của quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) được tâc giả tởng hợp phđn tích để lựa chọn giải phâp đưa văo trong hệ thống thực nghiệm.
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ PHĐ̀N CỨNG CỦA HỆ THỐNG 2.1.Mở đầu
Ngăy nay, sự phât triển của câc thiết bị đo năng lượng điện tử đê đem lại những hiệu quả cao hơn rõ rệt trong đo lường so với câc thiết bị đo trước đđy. Câc thiết bị đo năng lượng điện tử nhìn chung cĩ hai ưu điểm chính nởi bật so với câc thiết bị đo kết cấu cơ điện truyền thống đĩ lă: cải thiện độ chính xâc vă mở rộng câc chức năng. Hiện tại, cơng nghệ vi điều khiển cho phĩp ta xđy dựng được câc thiết bị đo vừa cĩ giâ cả cạnh tranh so với câc thiết bị đo truyền thống vừa đạt được độ chính xâc cao (thiết bị cĩ thể đạt cấp chính xâc 1, sai số ±1% hoặc thấp hơn). Bín cạnh đĩ, vi điều khiển cĩ thể cho phĩp câc nhă thiết kế bở sung thím câc chức năng khâc văo thiết bị đo như truyền phât dữ liệu khơng dđy, cảnh bâo mất nguồn điện lưới, lưu trữ dữ liệu…
Nội dung cơ bản của chương năy lă thiết kế vă lựa chọn câc phần tử phần cứng của mơ hình sau đĩ đưa ra sơ đồ kết nối chúng lại với nhau để tạo thănh một hệ thống nhằm thực hiện câc chức năng của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng đê được đề ra. Theo như phạm vi nghiín cứu của đề tăi, hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng cho mạng điện một pha 220 VAC sẽ được thiết kế. Arduino lă một nền tảng mê nguồn mở được sử dụng để xđy dựng câc ứng dụng điện tử tương tâc với nhau hoặc với mơi trường được thuận lợi hơn. Arduino giống như một mây tính nhỏ để người dùng cĩ thể lập trình vă thực hiện câc dự ân điện tử mă khơng cần phải cĩ câc cơng cụ chuyín biệt để phục vụ việc nạp code. Bín cạnh đĩ câc mơđun của bo mạch Arduino, mơđun cảm biến điện âp xoay chiều, mơđun cảm biến dịng điện xoay chiều, mơđun rơle đĩng cắt mạch điện, mơđun wifi của Arduino, mơđun hiển thị LCD,… sẽ được nghiín cứu lựa chọn để thiết kế trong chương năy. Cấu trúc
phần cứng của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thơng minh mă đề tăi nghiín cứu hướng tới xđy dựng cĩ sơ đồ khối được thể hiện như Hình 2.1 dưới đđy. Trong đĩ, bo mạch Arduino Wemos đại diện cho khối vi điều khiển lă cốt lõi của hệ thống. Nĩ thu thập dữ liệu âp vă dịng từ câc kính âp vă dịng của khối cảm biến để xử lý tính tôn câc đại lượng cần thiết. Sau đĩ gửi tín hiệu điều khiển đến câc khối rơle, gửi tín hiệu lín khối hiển thị LCD, đồng thời gửi tín hiệu đến smartphone hoặc PC thơng qua mạng truyền thơng internet wifi. Ngoăi ra, nĩ cịn cĩ thể nhận lệnh điều khiển ngược lại từ smartphone hoặc PC từ xa.
Khoẫi nguoăn câp
Các keđnh áp Các keđnh dòng Khôi hieơn thị LCD Các khôirơle Khôi vi đieău khieơn
Khôi cạm biên Smartphone/Máy tính PC
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng.
2.2.Câc phần tử của mạch lực
2.2.1. Sơ đồ mạch lực
Trong phạm vi của luận văn, tâc giả tập trung đi văo thiết kế hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thơng minh cho đối tượng lă mạng điện một pha 220VAC. Phần mạch lực được thể hiện như Hình 2.2, trong đĩ cĩ một mạch nguồn vă hai mạch tải (tải 1 vă tải 2). Câc tín hiệu điện âp tại thanh câi, dịng điện trín câc nhânh được thu thập thơng qua cảm biến điện âp (ZMPT101B) vă câc cảm biến dịng điện (ACS712) vă đưa về bộ xử lý trung
tđm (Arduino Wemos) của hệ thống. Sau khi xử lý tính tôn câc thơng số đầu ra, bộ xử lý trung tđm sẽ đưa tín hiệu để điều khiển câc rơle đĩng/cắt câc mạch trín sơ đồ mạch lực.
Hình 2.2. Sơ đồ mạch lực.
Câc phần tử chính trín sơ đồ mạch lực được lựa chọn vă cĩ câc thơng số cơ bản như trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Câc phần tử cơ bản trín mạch lực.
Stt Phần tử Số lượng
1 Cảm biến điện âp ZMPT101B 01
2 Cảm biến dịng điện ACS712 20A 03
4 Relay 20A 03
2.2.2. Nguồn
Để tạo nguồn điện âp thay đởi được nhằm khảo sât sự lăm việc của hệ thống khi thơng số nguồn thay đởi, đề tăi sử dụng một ởn âp Lioa (Variable transformer) cĩ câc thơng số kỹ thuật như sau:
+ Cơng suất định mức: 10.000 VA + Điện âp văo: 220 VAC
+ Điện âp ra: 0 ÷ 250 VAC
Tải 1 Tải 2
Hệ thống quản lý, điều khiển vă giâm sât
điện năng thơng minh
Nguồn 220VAC
2.2.3. Tải
Tải được lựa chọn để thiết lập câc kịch bản thực nghiệm đối với hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng trong đề tăi năy lă câc tải một pha, điện âp 220 VAC, cĩ dịng điện định mức lín đến 20 A. Do đĩ, để đânh giâ khả năng lăm việc của hệ thống, câc dạng tải đại diện cho tải trở, tải cảm vă tải phi tuyến sẽ được sử dụng để thiết kế mơ hình thực nghiệm.
2.2.3.1. Tải thuần trở
Tải được lựa chọn cho mơ hình thực nghiệm trong đề tăi năy lă câc tải một pha, trong đĩ bĩng đỉn sợi đốt 60 W, 220 VAC được giả định lă tải thuần trở cố định được gắn trín mơ hình thực nghiệm. Ngoăi ra để đâp ứng việc mở rộng kết nối với câc dạng tải khâc thì câc tải bín ngoăi cĩ thể được thử nghiệm bằng câch kết nối với ở cắm trín mặt trước của mơ hình. Việc kết nối thím với câc tải khâc bín ngoăi nhằm giả lập câc chế độ khâc nhau của mơ hình thực nghiệm.
2.2.3.2. Tải động cơ khơng đồng bộ
Câc thiết bị điện dđn dụng sẽ được sử dụng để lăm thực nghiệm trong trường hợp năy chẳng hạn như câc mây quạt, mây sấy tĩc,…
2.2.3.3. Tải phi tuyến
Tải phi tuyến được giả định trong đề tăi năy lă câc thiết bị điện tử cơng suất sử dụng câc bộ chỉnh lưu AC/DC hoặc câc thiết bị văn phịng như mây tính PC, mây in, mây photocopy,…
2.3.Câc phần tử của mạch đo lường vă điều khiển
2.3.1. Cảm biến dịng điện
Để đo lường dịng điện xoay chiều của mạch lực đồng thời cĩ thể gửi tín hiệu dịng điện đo được đến bo mạch vi xử lý Arduino Wemos để từ đĩ đo được cơng suất, hệ số cơng suất, điện năng tiíu thụ,… Do đĩ dịng điện chạy trong mạch điện sẽ được thu thập thơng qua cảm biến dịng điện xoay chiều
ACS712 [5]. Cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712 được thể hiện như Hình 2.3.
(a) (b)
Hình 2.3. (a) Cảm biến dịng điện ACS712; (b) Sơ đồ kết nối với Arduino.
Giâ trị cường độ dịng điện được đo vă tính tôn sử dụng IC ACS712 của hêng Allegro. Với IC năy, giâ trị dịng tối đa mă thiết bị cĩ thể đo được lă 30A. ACS712 lă cảm biến dịng tuyến tính, hoạt động dựa trín hiệu ứng Hall, rất phở biến trín thị trường do hêng Allegro sản xuất. ACS712 sử dụng nguồn cấp từ 4.5 - 5.5 VDC, cấp chính xâc 1.5% ở 25oC [4]. Cảm biến Hall ACS712 được hêng sản xuất đưa ra thị trường ba phiín bản với giới hạn dịng đo được khâc nhau lă 5A, 20A vă 30A. Để cĩ mở rộng thang đo tối đa, phiín bản cảm biến ACS712ELCTR-30A-T cĩ dải đo lớn nhất từ 0 - 30A được lựa chọn trong thiết kế mạch đo dịng của thiết bị. Sơ đồ nguyín lý mạch đo dịng được biểu diễn như trong Hình 2.4(a). Dựa theo hiệu ứng Hall [4], mỗi giâ trị dịng điện chạy qua IC ACS712 đều tạo ra một giâ trị điện âp tương ứng theo quan hệ tuyến tính. Giâ trị điện âp đĩ sẽ được xuất ra chđn Vout của ACS712 vă đi văo bộ ADC của vi điều khiển. Quan hệ tuyến tính giữa độ nhạy của ACS712 vă giâ trị điện âp tham chiếu Vcc được thể hiện như trong Hình 2.4(b). Ngoăi ra, câc thuộc tính chính của chip cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712