chương 1. THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG 25 e iii 2.1 Các phần tử chính của hệ thống .1 Module Wifi ESP8266 .2 Cấu hình phần cứng của hệ thống .1 Cấu hình chung .2 Cấu hình chi tiết lắp ráp .3 Kết luận chương 2. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IoT 37 3.1 Các giao thức truyền thông trong các ứng dụng IoT .2 Giới thiệu các phần mềm để thiết kế .1 Phần mềm ThingSpeak .2 Phần mềm Arduino IDE .3 Xây dựng thuật toán chương trình .1 Thuật toán chương trình .2 Chương trình trên ThingSpeak .3 Chương trình trên Matlab .4 Kết luận chương 3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VỀ GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 57 4.1 Đối sánh kết quả đo với các thiết bị đo chuẩn .1 Lựa chọn các thiết bị đo chuẩn .2 Kiểm chứng kết quả đo lường .2 Kết quả giám sát chất lượng điện năng .1 Giám sát điện áp và tần số trên Thingspeak .2 Giám sát dòng điện và hệ số công suất trên ThingSpeak .3 Giám sát công suất và điện năng tiêu thụ trên ThingSpeak 66 4.3 Phân tích chất lượng điện năng .1 Phân tích phổ điện áp và phổ tần số trên Thingspeak .2 Phân tích trên chương trình Matlab .4 Kết luận chương 4.
68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) e v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CLĐN Chất lượng điện năng IoT Internet of Things RMS Trị hiệu dụng CLĐA Chất lượng điện áp IEEE Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử CSTD Công suất tác dụng CSPK Công suất phản kháng ĐNTT Điện năng tiêu thụ PTN Phòng thí nghiệm SCADA Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu DCS Hệ thống điều khiển phân tán e vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Ứng dụng IoT trong giám sát và phân tích CLĐN .1 Dạng sóng điện áp lý tưởng hình sin tần số 50 Hz .2 Các dạng sóng quá độ .3 Biến thiên điện áp ngắn hạn .4 Biến thiên điện áp kéo dài .5 Các dạng méo dạng sóng .6 Chập chờn điện áp .7 Sơ đồ đo lường và giám sát chất lượng điện năng .8 Ảnh minh họa điều khiển qua Internet .9 Internet of Things .2 Các chế độ hoạt động của ESP8266 .3 Module Wemos D1 R1 và sơ đồ chân .4 Mạch nguyên lí của module Wemos D1 R1 .5 Hình ảnh PZEM004T trên thực tế .6 Sơ đồ đấu dây của module PZEM004T .7 Cấu hình phần cứng của hệ thống .8 Sơ đồ nối dây chi tiết trên phần mềm Proteus 8.9 Hình ảnh tổng thể của hệ thống .1 Giao thức truyền thông MQTT .2 Ví dụ về mô hình sử dụng giao thức CoAP và HTTP .3 Giao thức truyền thông AMQP .4 Giao thức truyền thông DDS .5 Một ví dụ về XMPP .6 Giao diện đăng ký tạo tài khoản trên ThingSpeak .7 Giao diện tạo Data Channel trên ThingSpeak .8 Giao diện lấy URL để upload dữ liệu trên ThingSpeak .9 Giao diện upload dữ liệu từ Blocky trên ThingSpeak .10 Giao diện chương trình Arduino IDE .11 Lưu đồ thuật toán chương trình trên ThingSpeak .12 Giao diện khởi tạo các kênh trên ThingSpeak .13 viết code Matlab trực tiếp trên ThingSpeak .14 Kênh 1 giám sát điện áp, tần số trên ThingSpeak .15 Kênh 2 giám sát dòng điện, hệ số công suất trên ThingSpeak 53 Hình 3.16 Kênh 3 giám sát công suất và ĐNTT trên ThingSpeak .17 Kênh 4 giám sát phổ tần số, phổ điện áp, biểu đồ công suất ba pha và vị trí địa lý trên google maps .18 Giao diện chương trình phân tích CLĐN trên Matlab .1 Nguồn cung cấp ba pha có điều chỉnh .2 Tải biến trở ba pha .3 Đồng hồ đo lường chất lượng điện năng .4 So sánh dòng điện với kết quả của máy đo CLĐN .5 So sánh điện áp với kết quả của máy đo CLĐN .6 Kết quả giám sát trực tuyến điện áp và tần số trên kênh 1 .7 Kết quả giám sát dòng điện và hệ số công suất trên kênh 2 .8 Kết quả giám sát công suất và ĐNTT trên kênh 3 .9 Kết quả phân tích phổ điện áp và phổ tần số trên kênh 4 .10 Các kết quả khác .11 Kết quả giám sát tần số từ ngày 1-3/3/2020 .12 Kết quả giám sát điện áp từ ngày 1-3/3/2020 .13 Kết quả giám sát dòng điện từ ngày 1-3/3/2020 .14 Kết quả giám sát công suất từ ngày 1-3/3/2020 .15 Kết quả giám sát hệ số công suất từ ngày 1-3/3/2020. 70 e viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các biến số đo lường của PZEM004T .1 Một số hàm đọc giá trị đo từ PZEM004T .2 Một số hàm gửi dữ liệu từ Arduino WeMos lên ThingSpeak 47 Bảng 3.3 Các kênh và các trường trong mỗi kênh trên ThingSpeak .4 Các dạng cú pháp của lệnh ThingSpeakRead. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước, nhu cầu về tiêu thụ điện năng ngày càng cao trong khi khả năng cung cấp điện còn rất nhiều khó khăn, từ đó vấn đề sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trở thành vấn đề cấp bách. Việc ý thức tiết kiệm điện của người dân chưa được nâng cao, các biện pháp đề ra để tiết kiệm điện còn khá ít và việc áp dụng nó vào thực tiễn còn nhiều bất cập [1, 2].
Để tiết kiệm điện phụ thuộc ở hai yếu tố: thiết bị điện và thói quen sử dụng của con người. Người dùng thường bận rộn với công việc nên ít có thời gian giám sát được việc sử dụng các thiết bị trong gia đình hay cơ quan, dẫn đến nhiều thiết bị hoạt động không cần thiết, gây lãng phí năng lượng điện và tăng chi phí điện cho gia đình, cơ quan. Để giải quyết vấn đề quản lý và giám sát được việc sử dụng điện năng của các phụ tải điện thì việc thiết kế một hệ thống thông minh có thể giúp người dùng tiết kiệm điện năng qua việc giám sát lượng điện và có thể định ngưỡng tiêu thụ điện trong mỗi ngày hoặc mỗi tháng [3-5]. Khi lượng điện vượt mức giới hạn thì thông báo cho người dùng biết mà đưa ra việc điều khiển thiết bị điện phù hợp, hoặc hệ thống tự động tắt các thiết bị khi không cần thiết [6, 7].
Hoặc người dùng có thể theo dõi các thiết bị từ xa bằng điện thoại hoặc PC thông qua Internet Wifi [5]. Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, quản lý, điều khiển và giám sát điện năng là yếu tố vô cùng quan trọng và càng quan trọng hơn trong sản xuất và kinh doanh của doanh nghiệp. Một bài toán đặt ra cho các nhà quản lý là làm sao quản lý tòa nhà, nhà máy hay xí nghiệp của mình một cách hiệu quả nhất nhằm để tiết giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng ở mức tối đa, tạo điều kiện thuận lợi cho doanh nghiệp trong những hoạt động kinh doanh. Hiện nay, công nghệ IoT đang là xu thế phát triển đối với các tập đoàn công nghệ trên thế giới [7-10].
IoT cơ bản là sự kết nối của các e 2 thiết bị với Internet, trong đó các thiết bị điện phải giao tiếp với nhau và giao tiếp với máy tính bảng cũng như với Internet để tạo thành một hệ thống thông minh trao đổi dữ liệu, điều khiển lẫn nhau. IoT đang trở thành xu hướng công nghệ ảnh hưởng ngày càng lớn tới đời sống của cả thế giới và có ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong tương lai, trong đó có ngành điện. Sự phát triển IoT có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và khả năng vận hành, triển khai của lưới điện. Do đó, phương án tối ưu hiện nay là thiết lập hệ thống tự động giám sát và phân tích chất lượng điện năng ứng dụng công nghệ IoT như Hình 1.
Hình 1: Ứng dụng IoT trong giám sát và phân tích CLĐN Với xu thế phát triển IoT hiện nay, tác giả tập trung nghiên cứu và thử nghiệm giao thức IoT, các thiết bị tự động hóa và điều khiển từ xa nhằm xây dựng một hệ thống giám sát và phân tích chất lượng điện năng theo xu hướng IoT cho các mạng điện hạ áp. Các chức năng giám sát và phân tích chất lượng điện năng của hệ thống này sẽ giúp nâng cao hiệu quả công trình, hiện đại hoá, tiết kiệm điện năng tiêu thụ và góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Hệ thống thực hiện việc giám sát điện năng, theo dõi các thông số kỹ thuật chính của e 3 nguồn điện như: điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất,. Đây là những thông số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết bị sử dụng điện của các nhà máy, xí nghiệp,.
Quản lý tốt các tham số này đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của các nhà máy, xí nghiệp đồng thời nâng cao được hiệu quả sử dụng thiết bị [8]. Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm điện năng kỹ thuật số nối mạng, thể hiện thông số trên màn hình máy tính, lưu trữ dữ liệu và giám sát từ xa qua mạng Internet. Phần mềm web được nhúng trong thiết bị cho phép người quản lý có thể xem các tham số được thể hiện trực quan với nhiều hình thức như thể hiện dạng đồng hồ số điện, dạng bảng số liệu, dạng đồ thị thời gian. Người sử dụng có thể thực hiện chức năng chiết xuất các cơ sở dữ liệu theo ngày, tháng năm để phục vụ công tác báo cáo.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu 2. Trong nước Sự tăng nhanh của phụ tải tiêu thụ, sự xuất hiện ngày càng nhiều các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo, cùng với sự phát triển của các giải pháp quản lý hệ thống dựa trên công nghệ phần mềm, công nghệ nhúng và hệ thống các thiết bị đo thông minh đã hình thành nên một khái niệm mới trong ngành điện, đó là lưới điện thông minh [1]. Để đảm bảo cho lưới điện thông minh vận hành bình thường ổn định thì việc trang bị các thiết bị đo đếm thông minh, cơ sở hạ tầng truyền thông dữ liệu cần phải đảm bảo. Như vậy việc quản lý các thiết bị điện và giám sát, phân tích chất lượng điện năng cho các khách hàng trở nên cần thiết nhằm góp phần mang lại hiệu quả vận hành cho thiết bị, tiết kiệm điện năng, giảm chi phí đầu tư thiết bị,.
Ở Việt Nam cũng có một số công trình có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài.