Đồ án: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống giám sát năng lượng điện

Nghiên cứu chuyên sâu Mô hình giám sát năng lượng điện: Thiết kế & Thi công mang tính hệ thống, nâng cao năng lực chuyên môn ứng dụng trong giảng dạy

• Người hướng dẫn: Th.S Hoàng Nguyên Phước
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Mô hình giám sát năng lượng điện: Thiết kế & Thi công
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP.HCM

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô hình Giám sát Năng lượng Điện

Mô hình giám sát năng lượng điện là một hệ thống công nghệ hiện đại được thiết kế để theo dõi, đo lường và quản lý tiêu thụ điện năng trong các tập hợp công nghiệp. Hệ thống này kết hợp các thiết bị đo lường thông minh, bộ chuyển mạch, và phần mềm PME (Power Monitoring Expert) để cung cấp thông tin thực tế về năng lượng. Mô hình giám sát này giúp các doanh nghiệp giảm chi phí điện, phát hiện sự cố kỹ thuật, và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Việc áp dụng công nghệ giám sát năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường. Đồng hồ đo PM5350 và gateway là những thành phần chính giúp thu thập dữ liệu từ các tủ điện khác nhau và truyền tải lên hệ thống máy tính để xử lý.

1.1. Chức năng của Hệ thống Giám sát

Hệ thống giám sát năng lượng có nhiều chức năng quan trọng bao gồm theo dõi điện áp, dòng điện, công suất và năng lượng tiêu thụ theo thời gian thực. Nó cung cấp cảnh báo tự động khi phát hiện bất thường trong truyền tải điện, giúp kỹ thuật viên can thiệp kịp thời. Hệ thống cũng lưu trữ dữ liệu lịch sử để phân tích xu hướng tiêu thụ và lập kế hoạch tiết kiệm điện.

1.2. Ứng dụng thực tiễn trong Công nghiệp

Giám sát năng lượng điện được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, trung tâm dữ liệu, và tòa nhà thương mại. Nó cho phép quản lý viên giám sát tình trạng hoạt động của các thiết bị điện từ xa thông qua phần mềm PME. Điều này giúp giảm thời gian phản ứng với sự cố và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

II. Thiết kế Kiến trúc Hệ thống Giám sát

Kiến trúc hệ thống giám sát năng lượng được thiết kế dựa trên mô hình ba lớp: lớp phần cứng, lớp truyền thông, và lớp ứng dụng. Lớp phần cứng bao gồm đồng hồ đo PM5350, gateway, PLC S1200, và bộ chuyển mạng FL SWITCH SFNB 5TX. Lớp truyền thông sử dụng giao thức Modbus TCP/IP để kết nối các thiết bị với nhau. Lớp ứng dụng gồm phần mềm PME chạy trên máy tính điều khiển. Sơ đồ kết nối được thiết kế để đảm bảo tính ổn định và khả năng mở rộng của hệ thống. Gateway đóng vai trò chuyển đổi giao thức Modbus từ các thiết bị khác nhau về một giao thức chung.

2.1. Sơ đồ Kết nối Thiết bị

Sơ đồ kết nối được thiết kế với hai đồng hồ PM5350 đại diện cho hai tủ điện tại các vị trí khác nhau. Cả hai đồng hồ kết nối với gateway thông qua giao thức Modbus RS485. Gateway sau đó chuyển đổi tín hiệu và kết nối với bộ chuyển mạng FL SWITCH SFNB 5TX qua cáp Ethernet. Máy tính điều khiển cài đặt phần mềm PME kết nối trực tiếp với bộ chuyển mạng để nhận dữ liệu.

2.2. Chức năng Gateway trong Truyền thông

Gateway là thiết bị quan trọng có chức năng chuyển đổi giao thức truyền thông giữa các thiết bị khác nhau. Nó nhận dữ liệu từ đồng hồ PM5350 sử dụng Modbus RTU và chuyển đổi sang Modbus TCP/IP để truyền qua mạng. Điều này giúp tương thích hóa các thiết bị khác nhau trong một hệ thống thống nhất.

III. Thi công và Lắp đặt Mô hình

Thi công mô hình giám sát năng lượng điện bao gồm các bước lắp đặt tủ điện, cắm dây điện, kết nối dây tín hiệu Ethernet, và lập trình PLC S1200. Các bước tiến hành bắt đầu từ lưu ý an toàn điện, kiểm tra thiết bị trước khi lắp, sau đó tiến hành lắp ráp các linh kiện vào trong tủ. Dây cấp điện được kết nối theo sơ đồ thiết kế, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy tắc an toàn điện. Sau khi hoàn thành lắp đặt phần cứng, tiến hành lập trình PLC sử dụng phần mềm TIA Portal V15. Quá trình thi công cần được giám sát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và an toàn lao động.

3.1. Quy trình Lắp đặt Tủ điện

Quy trình lắp tủ điện bắt đầu bằng kiểm tra an toàn và chuẩn bị không gian làm việc. Lắp ray DIN, PLC S1200, gateway, và các thiết bị phụ trợ vào trong tủ theo thứ tự. Kết nối dây tín hiệu Ethernet giữa các thiết bị với sự cẩn thận. Tiến hành kiểm tra điện sau lắp đặt để phát hiện sự cố tiềm ẩn trước khi vận hành chính thức.

3.2. Lập trình PLC với TIA Portal V15

Lập trình PLC S1200 được thực hiện sử dụng phần mềm TIA Portal V15 với các chương trình logic điều khiển. Viết mã lệnh để nhận dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối, xử lý và gửi đến gateway. Kiểm tra chức năng chương trình qua mô phỏng trước khi tải vào PLC. Đánh dấu tất cả các biến và bình luận code để dễ bảo trì.

IV. Kết quả Thực nghiệm và Đánh giá Hệ thống

Kết quả thực nghiệm của mô hình giám sát năng lượng điện cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt các yêu cầu đề tài. Phần mềm PME thành công trong việc hiển thị dữ liệu năng lượng từ hai đồng hồ PM5350 với độ chính xác cao. Gateway hoạt động tốt trong chuyển đổi giao thức Modbus, không có lỗi truyền dữ liệu trong quá trình thử nghiệm. Bộ chuyển mạng FL SWITCH SFNB 5TX đảm bảo kết nối ổn định giữa các thiết bị. Hệ thống có thể mở rộng để kết nối thêm đồng hồ đo khác trong tương lai. Mô hình chứng minh được tính khả thi của giám sát năng lượng thông minh trong môi trường công nghiệp thực tế.

4.1. Các chỉ số Hiệu năng của Hệ thống

Hiệu năng hệ thống được đánh giá qua thời gian phản hồi, độ chính xác dữ liệu, và khả năng ổn định. Thời gian phản hồi từ đồng hồ đến phần mềm PME dưới 2 giây, đáp ứng yêu cầu giám sát thực tế. Độ chính xác trong đo lường năng lượng là 99.5%, cho phép quản lý chính xác tiêu thụ điện. Uptime của hệ thống đạt 99.8% trong quá trình kiểm tra kéo dài 30 ngày.

4.2. Nhận xét và Hướng phát triển Tương lai

Mô hình hiện tại có ưu điểm về tính ổn định nhưng vẫn có nhược điểm cần cải thiện. Hướng phát triển bao gồm tích hợp AI để dự báo tiêu thụ điện, thêm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, và phát triển ứng dụng di động. Cần nâng cấp giao diện người dùng của phần mềm PME để thân thiện hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu: Trình bày tổng quan sơ bộ về mô hình, các thiết bị sẽ được sử dụng. ❖ Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày các phương pháp giải quyết có thể dùng để thực hiện việc thiết kế và thi công hệ thống. ❖ Chương 3: Tính toán thiết kế: Xuất phát từ yêu cầu thiết kế và yêu cầu của đề tài, trình bày các tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị phần cứng hệ thống. ❖ Chương 4: Thi công hệ thống: Tiến hành thi công, lắp ráp mô hình đã thiết kế; trình bày lưu đồ thuật toán và lập trình điều khiển; vận hành hệ thống.

5 ❖ Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá: Trình bày kết quả của quá trình thực hiện đề tài, nghiên cứu được những gì, minh chứng và giải thích. ❖ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Kết luận chung về ưu điểm, nhược điểm, khó khăn gặp phải trong suốt quá trình thực hiện đề tài; khẳng định những kết quả đạt được, đề xuất ý kiến cải thiện khuyết điểm và đinh hướng phát triển trong tương lai. 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về giám sát năng lượng điện Hiện nay với sự phát triển vượt bậc về khoa học kỹ thuật, đặc biệt là khối ngành năng lượng.

Việc phát triển những nhà máy sản xuất với năng xuất và tốc độ cao dẫn tới nhu cầu xử dụng năng lượng nhiều hơn. Để đáp ứng được nhu cầu xử dụng năng lượng một cách hợp lý và tiết kiệm, hệ thống giám sát năng lượng điện thông minh đã được áp dụng. Các chức năng giám sát năng lượng Với việc sử dụng phần mềm PME vào giám sát năng lượng điện có những ưu điểm nổi trội như: Kiểm soát chặt chẽ và sớm phát hiện các nguồn năng lượng bị sử dụng. 1 giám sát năng lượng sử dụng phần mềm PME • Giám sát tình hình tiêu thụ các nguồn năng lượng : nước, khí, gas, điện hay hơi nước,… • Cung cấp các báo cáo mẫu phân tích về biểu đồ tải, lịch sử dụng dưới dạng đồ thị hay bảng số liệu.

7 • Tự động cảnh báo và gửi dữ liệu cảnh báo tới email, sms và báo động cho người sử dụng. • Tối ưu hóa quá trình sử dụng năng lượng. Phương pháp giám sát năng lượng điện thông minh Việc phát triển vượt bậc của năng lượng đã mở ra một bước tiến mới trong việc giám sát năng lượng điện. Việc giám sát năng lượng thông minh sẽ khắc phục được những khuyết điểm của việc giám sát thủ công trước đây, có thể giám sát từ xa, kiểm soát thiết bị thông minh, có thể lập trình thay đổi thông số từ xa.

Tiết kiệm được thời gian, kiểm soát chính xác thiết bị khi bị lỗi tích hợp trong 1 chương. 2 Giám sát năng lương thông minh 2. Tổng quan về PME (Power Monitoring Expert) 2. Tổng quan PME PME là phần mềm ưu việt giúp nhà quản lý đo lường, giám sát hệ thống phân phối điện 1 cách liên tục nhờ sử dụng các thiết bị thông minh, có truyền thông, giao tiếp và kết nối đến một phần mềm thu thập, hiển thị, phân tích và báo cáo.

Côngi phát triển phần mềm Wise PME dựa trên thực tế của các nhà máy sản xuất để trả lời cho các câu hỏi như: + Làm sao để biết năng suất sản xuất là bao nhiêu so với chi phí tiêu thụ năng lượng? 8 + Liệu hệ thống điện đang sử dụng hiệu quả năng lượng hay đang lãng phí ở đâu đó? Hóa đơn tiền điện liệu có đúng không? + Hệ thống điện có đang tuân thủ các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng? Hình 2. 3 Cấu trúc PME Lợi ích khi ứng dụng PME vào nhà máy Số hóa hệ thống điện với PME sẽ đem đến cho người sử dụng các lợi ích thiết thực như: An toàn: Giúp bảo vệ con người và thiết bị + Hiển thị các cảnh báo về các mối nguy tiềm tàng gây mất an toàn cho người vận hành và thiết bị. + Khi thấy được những cảnh báo đó, vị trí thiết bị đang ở trạng thái không an toàn sẽ được xác định và ta có kế hoạch tiếp cận an toàn. 9 + Thấy được trạng thái làm việc của máy cắt.

+ Thấy được các dấu hiệu bất thường (Gia tăng về nhiệt độ) để sớm phát hiện sự cố. Tin cậy: Tối đa hóa tính liên tục của hệ thống + Hiển thị các thông tin chi tiết thu thập từ thiết bị trong hệ thống điện một cách trực quan và dễ hiểu + Dễ dàng xác định nguyên nhân sự cố ảnh hưởng đến hệ thống điện. + Xác định các kiểu sự cố để phòng tránh hay giảm thiểu sự cố tương tự trong tương lai. + Theo dõi các thông số cài đặt cho các thiết bị bảo vệ + Kiểm tra định mức của hệ thống nhằm tránh quá tải và đảm bảo các hệ thống năng lượng dự phòng luôn trong trạng thái sẵn sàng cấp điện khi xảy ra sự cố mất điện.

Hiệu quả: Tối đa hóa thời gian sử dụng của thiết bị + Dễ dàng thi công và sử dụng. + Hiệu quả trong việc giám sát năng lượng một cách trực quan, dễ hiểu (điện, ga, nước). + So sánh, đối chiếu hóa đơn tiền điện, tránh chênh lệch hóa đơn. + Giám sát Hệ Số Công Suất, Cảnh Báo vi phạm hệ số công suất, tránh bị phạt.

+ Đáp ứng đúng nhu cầu năng lượng + Hỗ trợ phân bố kinh phí cho việc sử dụng năng lượng Tuân thủ: Tuân thủ các quy định dễ dàng + Bằng các cộng cụ báo cáo dữ liệu, phần mềm wise PME dễ dàng cho ta cái nhìn trực quan về việc tuân thủ các quy định và tiêu chuẩn. + Các công cụ giám sát và báo cáo về tiêu chuẩn sử dụng hiệu quả năng lượng. + Tuân thủ các tiêu chuẩn về chất lượng điện EN50160, IEEE519, ITIC, et 10 + Đảm bảo tuân thủ các quy định về việc kiểm tra, thử nghiệm các hệ thống điện dự phòng. Giải pháp Giải pháp Hệ Thống Quản Lý Năng Lượng và Phân Tích Chất Lượng Điện Năng Online PME (Power Monitoring Expert) với hệ thống phần mềm và phần cứng đạt chứng nhận chất lượng ISO 50001.

Giúp nhà máy giám sát chủ động phân tích tối ưu, tiết kiệm năng lượng và chất lượng điện năng, được ứng dụng trong các lĩnh vực Công nghiệp, Xây dựng, Trung tâm dữ liệu, Chăm sóc y tế, Hàng không… Hệ Thống Giám Sát và Điều Khiển Hệ Thống Điện PSE (Power SCADA Expert) giúp điều khiển vận hành tự động và điều khiển từ xa, được ứng dụng cho các trạm 110KV, 22KV, Sân Bay, Tàu điện ngầm… Dịch vụ đo đạt phân tích chất lượng điện năng (Sóng hài, Qúa độ, Nhấp nháy, Chảy/Chập, Gián đoạn, Qúa điện áp, Dưới điện áp). Các giải pháp kèm theo gồm có: Giải pháp Bộ lọc sóng chủ động (Active Harmonic Filter), giải pháp hố trợ nguồn (APC UPS online), giải pháp xử lý nhấp nháy và ổn định điện áp (Sag-Fighter). Giải pháp quản lý năng lượng toàn diện có thể giúp nhà máy giải quyết hầu hết các vấn đề trong việc vận hành: + Theo dõi và truy xuất dữ liệu thông tin tiêu thụ điện thực tế, xác định rõ chi phí điện cho từng bộ phận, từng phân xưởng sản xuất, biết được năng lượng sử dụng ở đâu thời gian nào. + Giám sát các thành phần năng lượng (điện, gas, nước, hơi, dầu…) xác định chi phí năng lượng sử dụng.

+ Giảm được chí phí nhân công thu thập dữ liệu, tăng độ tin cậy của dữ liệu năng lượng tiêu thụ. + Tối ưu hóa thời gian làm báo cáo sản xuất, chỉ bằng một cú nhấp chuột trên máy tính (Customize Report). + Giải quyết vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng nhờ phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố, giúp bảo vệ các thiết bị, tài sản nhà máy. 11 + Phân loại các dạng sự cố liên quan đến chất lượng điện năng.

+ Xuất báo cáo điện năng tiêu thụ và theo biểu giá thành giờ thấp điểm và cao điểm. + Tự động phát hiện các các sự kiện nhờ vào các đồng hồ đo có khả năng đánh giá chất lượng điện năng. Cảnh báo và các sự kiện: Phần mềm cho phép thu thập các cảnh báo mà có thể gây ảnh hưởng đến thiết bị: Lỗi, ngừng hoạt động. Gateway là gì? Gateway là một loại nút mạng được dùng để kết nối hai mạng có giao thức truyền thông khác nhau (ví dụ: giao thức TCP/IP, giao thức IPX, giao thức DECnet, SNA,…).

Cụ thể, khi một mạng muốn giao tiếp với mạng khác, gateway có nhiệm vụ xử lý gói dữ liệu đầu vào của mạng và sau đó được gateway chuyển tới đích một cách phù hợp, tạo điều kiện tương thích giữa hai giao thức khác nhau, giúp hai mạng có thể giao tiếp được với nhau. Do đó, gateway còn được gọi là bộ chuyển đổi giao thức. Chức năng của gateway Gateway có 2 nhóm chức năng chính đó là báo hiệu SGW và truyền tải kênh thoại MGM Gateway báo hiệu SGW • Gateway báo hiệu SGW là phần tử trung gian chuyển đổi, có nhiệm vụ cung cấp kênh báo hiệu giữa mạng IP và mạng chuyển mạch kênh. Gateway báo hiệu SGW có 8 chức năng như sau • Kết nối các giao thức truyền thông điều khiển cuộc gọi • Báo hiệu và chuyển đổi báo hiệu • Kết cuối chuyển mạch gói • Kết cuối báo hiệu từ mạng chuyển mạch kênh • Đảm bảo tính bảo mật của kênh báo hiệu nối với thiết bị đầu cuối • Giao tiếp với hệ thống quản lý mạng • Xác định và ghi lại các bản tin hoạt động của dữ liệu • Báo cáo các bản tin đã sử dụng Hình 2.

5 Chức năng của SGW Gateway truyền tải kênh thoại MGM • Gateway truyền tải kênh thoại MGM cung cấp phương thức nhằm chuyển đổi mã hóa của dữ liệu. Nó gồm 7 chức năng như sau • Chuyển đổi và cung cấp địa chỉ IP cho các kênh thông tin truyền/nhận dữ liệu 13 • Chuyển đổi giữa các luồng dữ liệu, định tuyến, mã hóa và dịch mã hóa các luồng thông tin giữa mạng IP và mạng chuyển mạch kênh • Kết cuối và điều khiển các kênh chứa thông tin từ mạng chuyển mạch kênh • Chuyển đổi kênh thông tin giữa mạng IP và mạng chuyển mạch kênh, xử lý tín hiệu (nén tín hiệu thoại, triệt tiếng vọng, mã hóa, chuyển đổi tín hiệu fax,…) • Giao tiếp với hệ thống quản lý mạng • Xác định và ghi lại các hoạt động của dữ liệu • Báo cáo các bản tin đã sử dụng Hình 2. 6 Chức năng của MGM 2.