Giới thiệu dự án

Hệ thống lưới điện phân phối trung thế (22kV) và hạ thế (380V/220V) đóng vai trò huyết mạch trong việc cung cấp năng lượng liên tục cho các khu công nghiệp, nhà máy sản xuất và đô thị hiện đại. Theo thống kê của ngành điện lực, hơn 70% các sự cố mất điện bắt nguồn từ lưới phân phối, trong đó hiện tượng quá dòng (Overcurrent) do quá tải/ngắn mạch và sự cố mất pha (Phase Loss) là nguyên nhân hàng đầu gây cháy hỏng máy biến áp, phá hủy động cơ ba pha công nghiệp và làm tăng chỉ số gián đoạn cung cấp điện trung bình (SAIDI - System Average Interruption Duration Index).

Các phương pháp quản lý truyền thống chủ yếu dựa vào việc kiểm tra thủ công định kỳ hoặc chờ phản ánh sự cố từ khách hàng, dẫn đến thời gian cô lập sự cố kéo dài (thường mất từ 45–120 phút). Đồ án "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát lưới điện" giải quyết triệt để điểm nghẽn này bằng cách ứng dụng công nghệ mạng vạn vật kết nối Internet (IoT - Internet of Things) kết hợp truyền thông không dây băng rộng tầm xa LoRa (Long Range), cho phép giám sát dòng điện 3 pha liên tục theo thời gian thực và tự động phát hiện, định vị sự cố tức thời.

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                           MỤC TIÊU CỐT LÕI CỦA ĐỀ TÀI                       |
|                                                                             |
| 1. Thiết kế 03 nút đo dòng điện độc lập gắn trực tiếp trên các dây pha 22kV.|
| 2. Nhận diện chính xác sự cố quá dòng và mất pha với độ trễ dưới 500ms.     |
| 3. Truyền dữ liệu không dây qua sóng vô tuyến LoRa khoảng cách 200m-3000m.  |
| 4. Xây dựng bộ thu phát Gateway trung tâm có khả năng đệm ngoại tuyến.      |
| 5. Phát triển hệ thống Web Server và Ứng dụng Android giám sát đa nền tảng. |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Giải pháp sử dụng kiến trúc phân tán đa tầng: Tầng đo biên (Edge Nodes) sử dụng cảm biến biến dòng không xâm lấn SCT-013 kết hợp vi điều khiển ATmega328P; Tầng truyền thông sử dụng module LoRa SX1278 tần số 433MHz với khả năng xuyên cản cao; Tầng Gateway trung tâm sử dụng vi điều khiển NodeMCU ESP8266 tích hợp Wi-Fi kết hợp bộ nhớ đệm EEPROM 24LC512 và chip đồng hồ thời gian thực DS1307; Tầng ứng dụng quản lý qua Web và Mobile App.

Phạm vi và giới hạn đề tài: Hệ thống tập trung vào việc giám sát thông số dòng điện xoay chiều (0–100A AC) trên lưới điện ba pha, thử nghiệm mô hình thực tế với khoảng cách truyền nhận vô tuyến 200m–300m trong môi trường nhiều vật cản, đồng thời tích hợp pin sạc và mạch ổn áp LM7805 cho các nút cảm biến độc lập.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại Việt Nam và các quốc gia đang phát triển, các đơn vị vận hành lưới điện chủ yếu triển khai hai nhóm giải pháp:

Tiêu chí so sánh Bộ cảnh báo sự cố FCI (Mỹ) Bộ chỉ thị sự cố FLA3 (Đức) Giải pháp IoT LoRa đề xuất
Công nghệ truyền dẫn Sóng vô tuyến RF độc quyền / Cellular Chỉ thị cơ học / Đèn LED chớp LoRa SX1278 (433MHz) + Wi-Fi
Khả năng đo lường Chỉ phát hiện ngưỡng sự cố Chỉ báo ngắn mạch cục bộ Đo dòng liên tục (True RMS) + Cảnh báo
Lưu trữ ngoại tuyến Hạn chế, phụ thuộc trạm SCADA Không có bộ nhớ đệm EEPROM 24LC512 (64KB) + RTC DS1307
Giao diện giám sát Phần mềm chuyên dụng đắt tiền Quan sát đèn LED tại hiện trường Web Dashboard + App Android
Chi phí triển khai Rất cao ($800 – $1,500/điểm) Cao ($500 – $900/điểm) Tối ưu thấp (< $60/nút hoàn chỉnh)

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Đo lường dòng điện AC 0–100A, phát hiện quá dòng và mất pha, truyền nhận dữ liệu qua LoRa UART, hiển thị màn hình LCD 20x4 tại Gateway, gửi dữ liệu lên Web Server qua HTTP POST.
  • Should have (Nên có): Tự động lưu trữ dữ liệu vào EEPROM khi mất kết nối Wi-Fi/Internet và tự động đồng bộ lại khi có mạng; xây dựng ứng dụng Android giám sát.
  • Could have (Có thể có): Cấu hình địa chỉ LoRa từ xa thông qua giao diện Web; cảnh báo âm thanh buzzer công suất lớn.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Thu hoạch năng lượng từ trường đường dây (Inductive Energy Harvesting), đo điện áp và góc lệch pha $\cos\varphi$.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống được phân thành 3 khối chính tương tác theo mô hình hình sao (Star Topology):

graph TD
    subgraph "Khối Nút Đo Cảm Biến (Phát Hiện Sự Cố)"
        CT1["SCT-013 Phase A"] --> M1["Arduino Nano 1"]
        CT2["SCT-013 Phase B"] --> M2["Arduino Nano 2"]
        CT3["SCT-013 Phase C"] --> M3["Arduino Nano 3"]
        M1 --> L1["LoRa E32 Node 1"]
        M2 --> L2["LoRa E32 Node 2"]
        M3 --> L3["LoRa E32 Node 3"]
    end

    subgraph "Khối Xử Lý Trung Tâm (Gateway)"
        L1 -. Sóng RF 433MHz .-> L0["LoRa E32 Gateway"]
        L2 -. Sóng RF 433MHz .-> L0
        L3 -. Sóng RF 433MHz .-> L0
        L0 --> MCU["NodeMCU v3 (ESP8266)"]
        RTC["RTC DS1307"] <-->|I2C| MCU
        MEM["EEPROM 24LC512"] <-->|I2C| MCU
        MCU -->|I2C PCF8574| LCD["LCD 20x4"]
        MCU --> LED["LED Cảnh Báo Pha"]
    end

    subgraph "Khối Nền Tảng Đám Mây & Ứng Dụng"
        MCU ==>|Wi-Fi / HTTP REST| WEB["Web Server (Apache/PHP/MySQL)"]
        WEB --> DB[(Cơ Sở Dữ Liệu SQL)]
        WEB --> UI1["Web Dashboard (Laptop/PC)"]
        WEB --> UI2["Mobile App (Android Studio)"]
    end

Ngăn xếp công nghệ chi tiết (Technology Stack)

  • Phần cứng nút đo: Vi điều khiển Microchip ATmega328P (16MHz, 32KB Flash), Cảm biến biến dòng hiệu ứng Hall/CT SCT-013-000 (Tỷ số biến dòng 100A/50mA, dải tần 50Hz–1kHz), Module thu phát LoRa E32-TTL-100 (Semtech SX1278, công suất 100mW/20dBm, độ nhạy -130dBm, truyền nhận UART).
  • Phần cứng Gateway trung tâm: NodeMCU v3 ESP8266-12E (Tensilica L106 32-bit 80MHz, Wi-Fi 802.11 b/g/n), Chip thời gian thực Maxim DS1307 (Giao tiếp I2C, thạch anh 32.768kHz), Bộ nhớ EEPROM Microchip 24LC512 (512 Kbit / 64 KByte, chuẩn bus I2C 400kHz), Màn hình LCD 20x4 điều khiển qua IC mở rộng PCF8574T.
  • Phần mềm & Nền tảng: Arduino IDE v1.8.x, Altium Designer 16.0, RF_Setting_EN v2.7, Apache 2.4, PHP 7.0, MySQL 5.7, Android Studio 2.3+ (Java SDK).

Thiết kế cơ sở dữ liệu (Database Schema)

Hệ thống quản lý dữ liệu trên MySQL với cấu trúc bảng chuẩn hóa:

CREATE TABLE `tb_dongdien` (
  `id` INT(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `node_id` INT(3) NOT NULL,
  `current_phase_a` FLOAT(5,2) NOT NULL,
  `current_phase_b` FLOAT(5,2) NOT NULL,
  `current_phase_c` FLOAT(5,2) NOT NULL,
  `status_phase_a` VARCHAR(20) DEFAULT 'Normal',
  `status_phase_b` VARCHAR(20) DEFAULT 'Normal',
  `status_phase_c` VARCHAR(20) DEFAULT 'Normal',
  `recorded_time` DATETIME NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

Thiết kế API RESTful

  • POST /api/insert_data.php: Nạp dữ liệu định kỳ và các bản ghi sự cố từ Gateway lên Server. Tham số truyền: node_id, i_a, i_b, i_c, status_a, status_b, status_c, timestamp.
  • GET /api/get_realtime.php: Trả về dữ liệu JSON của 3 pha tại thời điểm mới nhất phục vụ vẽ biểu đồ Web và cập nhật trạng thái App Android.

Methodology

Quy trình nghiên cứu và triển khai được tổ chức theo mô hình V-Model gồm 13 tuần:

[Tuần 1-2: Khảo sát & Chọn linh kiện] ──> [Tuần 3-4: Lập trình nhúng Arduino/LoRa]
                                                          │
[Tuần 7-8: Chế tạo PCB & Lập trình App Android] <── [Tuần 5-6: Thiết kế mạch Altium]
         │
[Tuần 9-10: Lắp ráp mô hình & Đo kiểm khoảng cách] ──> [Tuần 11-13: Đóng gói & Báo cáo]

Ma trận quản trị rủi ro:

  1. Rủi ro suy hao tín hiệu LoRa do nhiễu điện từ trường 22kV: Khắc phục bằng cách sử dụng module LoRa bọc kim loại chống nhiễu, sử dụng anten đồng trục 433MHz có độ lợi 3dBi và cấu hình chế độ truyền địa chỉ cố định (Fixed Transmission Mode).
  2. Rủi ro mất kết nối Internet/Wi-Fi: Sử dụng thuật toán lưu đệm (Store-and-Forward) trên EEPROM 24LC512, đánh dấu con trỏ ghi (Write Pointer) và con trỏ đọc (Read Pointer) để đẩy bù dữ liệu khi phục hồi mạng.

Implementation và kết quả

Development process

1. Mạch phối ghép tín hiệu cảm biến SCT-013 với ADC Vi điều khiển

Cảm biến SCT-013-000 cho ngõ ra dòng điện xoay chiều AC (0–50mA). Để vi điều khiển ATmega328P (ADC 0–5V DC) có thể đọc chính xác, mạch phối hợp tín hiệu gồm điện trở tải biến dòng (Burden Resistor) $R_b$, cầu phân áp nâng mức DC $V_{cc}/2$ và tụ lọc mass $C_1$:

$$R_b = \frac{V_{ADC_max} / 2}{I_{out_peak}} = \frac{2.5\text{V}}{0.05\text{A} \times \sqrt{2}} \approx 35.35,\Omega \quad (\text{Chọn } R_b = 33,\Omega)$$

Mức điện áp DC 2.5V được tạo từ cầu phân áp $R_1 = R_2 = 10\text{k}\Omega$ kết hợp tụ hóa $C_1 = 10\mu\text{F}$ để lọc nhiễu tần số cao về đất.

2. Thuật toán tính True RMS dòng điện xoay chiều (Arduino C++)

#include <Arduino.h>

const int SENSOR_PIN = A0;
const double VREF = 5.0;
const int ADC_COUNTS = 1024;
const double BURDEN_RESISTOR = 33.0;
const double TURNS_RATIO = 2000.0; // 100A / 0.05A

double calculateTrueRMS(int samples) {
    double sum_squared_voltage = 0.0;
    for (int i = 0; i < samples; i++) {
        int raw_adc = analogRead(SENSOR_PIN);
        // Chuyển đổi ADC sang điện áp và trừ đi mức phân cực DC 2.5V
        double voltage = ((raw_adc * VREF) / ADC_COUNTS) - 2.5;
        sum_squared_voltage += (voltage * voltage);
        delayMicroseconds(100); // Lấy mẫu ~10kHz cho sóng 50Hz
    }
    double v_rms = sqrt(sum_squared_voltage / samples);
    double i_secondary_rms = v_rms / BURDEN_RESISTOR;
    double i_primary_rms = i_secondary_rms * TURNS_RATIO;
    return i_primary_rms;
}

3. Thuật toán đóng gói và truyền tin cố định qua LoRa E32-TTL-100

Module LoRa được cấu hình hoạt động ở chế độ truyền theo địa chỉ cố định (Fixed Transmission). Định dạng gói tin truyền gồm: [ADDH] [ADDL] [CHAN] [DATA_PAYLOAD].

void sendLoRaPacket(uint8_t target_addh, uint8_t target_addl, uint8_t target_chan, float current_val) {
    uint8_t payload[8];
    payload[0] = target_addh;
    payload[1] = target_addl;
    payload[2] = target_chan;
    payload[3] = 0xA1; // Mã định danh nút đo pha A
    
    // Đóng gói giá trị float thành 4 bytes
    byte* byte_ptr = (byte*) &current_val;
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        payload[4 + i] = byte_ptr[i];
    }
    
    // Gửi qua cổng Serial UART sang module LoRa E32
    Serial.write(payload, 8);
}

Testing và validation

Hệ thống được tiến hành kiểm thử thực nghiệm trên các tải tiêu thụ thực tế để đối chứng giữa giá trị đo bằng Ampe kìm chuyên dụng Fluke 376 FC và kết quả ghi nhận từ hệ thống đo IoT:

Thiết bị kiểm thử tải Dòng định mức (A) Giá trị đo Ampe kế chuẩn (A) Giá trị đo hệ thống IoT (A) Sai số tuyệt đối (A) Sai số tương đối (%)
Quạt máy dân dụng 0.35 0.362 0.358 0.004 1.10%
Tủ lạnh gia đình 1.80 1.845 1.815 0.030 1.62%
Bếp hồng ngoại cấp 1 4.50 4.480 4.410 0.070 1.56%
Bếp hồng ngoại cấp 2 9.00 9.120 8.975 0.145 1.59% 
KẾT QUẢ KHẢO SÁT TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN LORA E32 (Tần số 433MHz, 100mW)
- Cự ly 50m (Xuyên 2 tầng bê tông): Tỷ lệ mất gói (Packet Loss) = 0.0% | RSSI = -72 dBm
- Cự ly 150m (Môi trường nhà xưởng có máy móc): Packet Loss = 0.2% | RSSI = -88 dBm
- Cự ly 300m (Ngoài trời, có vật cản cây cối): Packet Loss = 0.48% | RSSI = -102 dBm
- Thời gian trễ xử lý cảnh báo quá dòng từ nút đo đến Web Server: 320ms - 450ms

Kết quả đạt được

Hệ thống đã hoàn thiện toàn bộ các tính năng theo mục tiêu đề ra ban đầu:

  1. Thiết bị đo nút pha: Kích thước nhỏ gọn ($50 \times 60 \times 60\text{ mm}$), tích hợp pin sạc và cảm biến kẹp CT không cần cắt dây điện.
  2. Bộ Gateway trung tâm: Kích thước $110 \times 100 \times 65\text{ mm}$, hiển thị thông số 3 pha trực quan trên màn hình LCD 20x4, kèm hệ thống LED chỉ thị trạng thái riêng biệt cho từng pha.
  3. Phần mềm Web & Mobile App: Giao diện Dashboard hiển thị biểu đồ dòng điện tức thời, bảng nhật ký sự cố (Fault Log) kèm thời gian thực từ RTC, giao diện tương thích hoàn hảo trên trình duyệt máy tính và điện thoại Android.

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng công nghệ LoRa phân tán trong giám sát lưới điện hạ/trung thế: Thay thế các hệ thống SCADA dây dẫn RS485 phức tạp hoặc các module truyền thông GSM/GPRS tốn phí cước dữ liệu hàng tháng bằng mạng LoRa Private tần số 433MHz miễn phí với bán kính phủ sóng rộng.
  2. Cơ chế lưu đệm Store-and-Forward chống mất mát dữ liệu: Sử dụng EEPROM ngoại vi 24LC512 với dung lượng 64 KBytes (tương đương 4,000 bản ghi dữ liệu sự cố) kết hợp chip thời gian thực DS1307. Khi mất kết nối Wi-Fi, dữ liệu tự động ghi vào EEPROM; khi có mạng trở lại, Gateway tự động đẩy dữ liệu bù lên Cloud mà không làm gián đoạn luồng dữ liệu thời gian thực.
  3. Tối ưu chi phí sản xuất vượt trội: Giảm chi phí đầu tư thiết bị hơn 85% so với các giải pháp nhập khẩu (FCI, FLA3) nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác đo lường (sai số dòng điện $< 1.8%$).

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai thực tế

  • Trạm biến áp phân phối 22/0.4kV: Lắp đặt 03 bộ đo trên 3 pha thanh cái hạ thế của trạm biến áp để giám sát cân bằng pha và cảnh báo quá tải cục bộ theo mùa vụ.
  • Tủ phân phối tổng (MSB) trong khu công nghiệp: Giám sát tải tiêu thụ của từng xưởng sản xuất, tự động cảnh báo khi có sự cố chập tải hoặc mất pha đột ngột, bảo vệ an toàn cho hệ thống động cơ 3 pha công suất lớn.
HƯỚNG DẪN LẮP ĐẶT VẬN HÀNH (DEPLOYMENT STEPS)
Bước 1: Kẹp cảm biến SCT-013 vào từng dây pha (L1, L2, L3).
Bước 2: Cấp nguồn 9V/Pin cho các hộp nút đo (LED xanh sáng báo hoạt động).
Bước 3: Đặt Gateway tại phòng bảo vệ/trực ban, kết nối nguồn 5V và cấu hình Wi-Fi.
Bước 4: Truy cập địa chỉ IP Web Server hoặc mở App Android để đăng nhập giám sát.

Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit & ROI)

Đối với một nhà máy quy mô vừa có 10 tủ điện phân phối, việc trang bị hệ thống IoT này tốn khoảng 15.000.000 VNĐ. Giả sử giảm thiểu được 01 sự cố cháy động cơ 3 pha 45kW (thiệt hại ước tính ~60.000.000 VNĐ bao gồm tiền sửa chữa và chi phí dừng dây chuyền sản xuất), thời gian thu hồi vốn đầu tư (ROI) đạt được trong vòng dưới 3 tháng.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật: Hệ thống nút đo hiện vẫn sử dụng nguồn pin sạc độc lập, cần bảo trì thay pin định kỳ sau 6–12 tháng; khoảng cách truyền nhận LoRa trong khu vực đô thị bị suy giảm so với khoảng cách lý thuyết 3000m.
  • Hướng phát triển tương lai:
    1. Tích hợp mạch thu hoạch năng lượng cảm ứng điện từ (Current Transformer Energy Harvesting) lấy trực tiếp nguồn nuôi từ đường dây mang điện.
    2. Mở rộng đo thêm điện áp và góc lệch pha $\varphi$ để tính toán công suất tác dụng $P$, công suất phản kháng $Q$ và sóng hài (THD).
    3. Ứng dụng các thuật toán máy học (Machine Learning) trên Cloud để dự báo phụ tải và phát hiện sớm hiện tượng phóng điện vầng quang (Partial Discharge).

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử & Viễn thông: Nguồn tài liệu thực nghiệm giá trị về thiết kế phần cứng nhúng, xử lý tín hiệu analog từ cảm biến biến dòng và kỹ thuật lập trình mạng không dây LoRa.
  • Kỹ sư vận hành hệ thống IoT / Tự động hóa: Cung cấp kiến trúc tham chiếu mẫu về giải pháp Gateway lai (LoRa to Wi-Fi) tích hợp cơ chế bảo vệ toàn vẹn dữ liệu qua EEPROM.
  • Doanh nghiệp sản xuất và Đơn vị quản lý điện lực: Giải pháp khả thi, chi phí thấp để chuyển đổi số lưới điện truyền thống thành lưới điện thông minh (Smart Grid).

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Cần mạng Wi-Fi băng tần 2.4GHz tại vị trí đặt Gateway trung tâm, nguồn cấp 5V DC cho Gateway và nguồn 9V DC/Pin sạc cho các nút đo dòng. Cảm biến SCT-013 chỉ cần kẹp trực tiếp vào dây pha mà không cần cắt điện đường dây.

2. Giới hạn mở rộng (Scalability) của hệ thống là bao nhiêu nút đo?

Module LoRa E32-TTL-100 hỗ trợ cấu hình 65,536 địa chỉ (Address ID) và 32 kênh tần số. Một Gateway trung tâm có thể quản lý lên đến 50–100 nút đo theo cơ chế phân chia thời gian (TDMA / Polling) mà không gây nghẽn kênh truyền vô tuyến.

3. Hệ thống có khả năng tích hợp vào trung tâm điều khiển SCADA hiện hữu không?

Có. Web Server có thể mở rộng API chuẩn giao thức OPC-UA hoặc đóng vai trò Modbus TCP Server để phần mềm SCADA công nghiệp dễ dàng lấy thông số dòng điện 3 pha và trạng thái cảnh báo.

4. Nút đo ngoài trời chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt như thế nào?

Hộp nút đo được thiết kế theo tiêu chuẩn chống nước/bụi IP65, sử dụng linh kiện bán dẫn có dải nhiệt độ hoạt động công nghiệp từ -40°C đến +85°C.

5. Chi phí đầu tư và thời gian hoàn vốn dự tính cho doanh nghiệp?

Chi phí phần cứng cho 1 bộ trung tâm và 3 nút đo pha chỉ khoảng 1.500.000 – 2.000.000 VNĐ. Với khả năng ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ thiết bị điện và giảm thời gian mất điện, hệ thống đem lại thời gian hoàn vốn cực nhanh (thường dưới 6 tháng vận hành).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát lưới điện" đã hoàn thành xuất sắc việc xây dựng một hệ thống IoT toàn diện từ phần cứng thu thập dữ liệu biên, mạng truyền thông không dây LoRa cự ly xa đến nền tảng đám mây quản lý qua Web và ứng dụng Android. Kết quả đo kiểm thực nghiệm cho thấy sai số đo lường dòng điện đạt dưới 1.8%, thời gian phản hồi cảnh báo sự cố quá dòng/mất pha tức thời dưới 500ms và hệ thống hoạt động ổn định liên tục. Đây là tiền đề kỹ thuật vững chắc để phát triển thành các sản phẩm thương mại hóa phục vụ công cuộc hiện đại hóa hạ tầng lưới điện thông minh tại Việt Nam.