Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống giám sát điện năng trong nhà máy
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG
GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TRONG NHÀ MÁY
A STUDY ON DESIGN AND FABRICATION OF A POWER MANAGEMENT SYSTEM FOR FACTORIES
Nguyễn Hữu Đức
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
TÓM TẮT
Trong những năm qua, Việt Nam là
Điện năng chiếm một tỷ trọng lớn trong việc sử dụng năng lượng thứ cấp tại các nhà máy hiện một trong những nền kinh tế phát triển
nay. Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là một yêu cầu cấp thiết đặt ra đối với các đơn vị sử
dụng năng lượng trọng điểm. Tuy nhiên việc giám sát hệ thống điện trong nhà máy hiện nay đa phần
được thực hiện thủ công. Điều này dẫn tới khó khăn trong việc phân tích đánh giá việc sử dụng năng
lượng tiết kiệm hiệu quả. Ngoài ra, việc không có hệ thống giám sát, cảnh báo tức thời các tình trạng
bất thường trong vận hành hệ thống điện có nguy cơ gây ra các sự cố nghiêm trọng như cháy, nổ, mất
điện và ngừng sản xuất. Thiệt hại về kinh tế và con người trong các sự cố này là rất lớn. Do vậy cần thiết
ứng dụng hệ thống giám sát hệ thống điện theo thời gian thực giúp giám sát, phát hiện và cảnh báo
sớm các điều kiện bất thường trong vận hành, qua đó giúp người vận hành có thể khắc phục trước khi
sự cố xảy ra. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điện năng
ứng dụng cho các đơn vị sử dụng năng lượng lớn, qua đó giúp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu
quả, giảm sự cố bất thường và hỗ trợ bảo trì, bảo dưỡng theo điều kiện (CBM). Chức năng chính được
lập trình, thiết kế trên mạch điện tử và chương trình giám sát được viết trên phần mềm tập trung giúp
người vận hành sử dụng thuận lơi. Các kết quả thử nghiệm hệ thống đề xuất cho các kết quả đáp ứng
nhu cầu quản lý, vận hành của các đơn vị sử dụng năng lượng.
năng động với tốc độ tăng trưởng GDP
bình quân vào khoảng 7%/năm. Đi cùng
với sự phát triển của kinh tế, xã hội thì
nhu cầu về năng lượng nói chung và
điện năng nói riêng ngày càng tăng cao,
với mức độ tăng trưởng nhu cầu điện
khoảng 12 - 15%/năm [1]. Để đáp ứng
với mức tăng trưởng như vậy thì áp lực
đầu tư xây dựng các nhà máy điện mới,
đi cùng với đầu tư hệ thống truyền tải,
phân phối mới. Việc đầu tư nâng cấp
mới hệ thống điện quốc gia đòi hỏi
nguồn lực về tài chính rất lớn. Trong
quá trình sử dụng năng lượng cũng đã
chỉ ra những tồn tại như sử dụng năng
lượng chưa hợp lý, tối ưu. Nhiều nhà
máy, công xưởng chưa có giải pháp sử
dụng năng lượng tối ưu, kế hoạch sản
xuất chưa hợp lý. Phương pháp quản lý
Từ khóa: Hệ thống giám sát điện năng; giám sát; quản lý; chuẩn đoán; sự cố; CBM.
ABSTRACT
Electricity accounts for a large proportion in the use of secondary energy in factories today.
Economical and efficient use of energy is an urgent requirement for key energy users. However, the
monitoring of the power system in factories is currently mostly done manually. This makes it difficult to năng lượng còn thô sơ, thiết bị giám sát
analyze and evaluate the efficient use of energy. In addition, the absence of a monitoring and immediate tại chỗ phân tán, tốn nhân lực vận hành,
warning system in the operation of the power system may cause serious problems such as fire, explosion, dữ liệu chưa số hóa.
power failure and production stoppage. The economic and human losses in these incidents are enormous
and uncountable. Therefore, it is necessary to apply a real-time power system monitoring system to
monitor, detect and give early warning of abnormal conditions in operation, thereby helping the operator
to remedy the problem timely. This article presents the results of research, design and manufacture of the
power monitoring system for large energy users, thereby helping to use energy economically and
efficiently, reducing abnormal incidents. It also helps to maintenance according to condition (condition
based maintenance - CBM). The main functions are programmed and designed on electronic circuit. The
monitoring program is written on the centralized software to help the operator use it conveniently. The
Chính phủ đã phê duyệt Chương
trình quốc gia về sử dụng năng lượng
tiết kiểm và hiệu quả giai đoạn 2019 -
2030 [2]. Chương trình đặt mục tiêu đạt
mức tiết kiệm năng lượng từ 5,0 đến
7,0% tổng tiêu thụ năng lượng toàn
quốc trong giai đoạn từ 2019 - 2025,
giảm mức tổn thất điện năng xuống
test results of the proposed system meet the management and operation needs of electric power systems
in factories.
thấp hơn 6,5%. Các doanh nghiệp đang
hướng đến áp dụng tiêu chuẩn ISO
Keywords: Smart transformer; monitoring; management; diagnostic; fault; CBM.
50001 nhằm tiết kiệm chi phí, hướng
tới hệ thống quản lý năng lượng theo
các tiêu chuẩn tiên tiến, qua đó tăng
được lợi thế cạnh tranh, năng cao tính
minh bạch.
Trường Đại học Điện lực
Email: ducnh@epu.edu.vn
Ngày nhận bài: 10/4/2021
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 10/6/2021
Ngày chấp nhận đăng: 25/6/2021
Do vậy, nhu cầu ứng dụng hệ thống
giám sát, đo lường, phân tích năng
16
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
lượng điện, an toàn, tiết kiệm là xu thế tất yếu đối với các
đơn vị sử dụng điện.
Hệ thống bao gồm các Interface để thu thập dữ liệu từ
các thiết bị cấp trường (Multile Meter, SGMV,…) thông qua
Modbus RTU. Một Interface giao tiếp tối đa 10 đồng hồ đo.
Sau đó dữ liệu được chuyển đổi đưa về Gateway (SEMS-
G4.2L). Một Gateway thu thập dữ liệu tối đa 50 đồng hồ đo.
Gateway kết nối Interface thông qua giao thức Modbus
TCP/IP.
Trên thế giới đã có một số giải pháp về giám sát và đo
lường, phân tích năng lượng như hệ thống CMS-700 của
ABB, Eco PMS của hang Schneider, Eco Webserver của
Mitsubishi,… Các hệ thống của những hãng lớn có rất
nhiều ưu điểm, công nghệ cao, thông minh [3-26]. Tuy
nhiên, các hệ thống đó vẫn còn một số hạn chế về tính linh
Các thiết bị trong hệ thống đều được thiết kế “Plug &
hoạt trong thực tế vận hành các hệ thống điện ở những Play” rất dễ tích hợp và lắp đặt cho các hệ thống cũ hoặc
nước đang phát triển như phần mềm chưa tùy biến theo mới của khách hàng. Các đường truyền tín hiệu sử dụng
nhu cầu thực tế của doanh nghiệp, ngôn ngữ sử dụng là mạng LAN cục bộ có sẵn ở các nhà máy công nghiệp.
tiếng Anh dẫn đến khó khăn cho người vận hành. Ngoài ra,
chi phí đầu tư rất lớn.
Hệ thống linh hoạt với tùy chọn nhiều dòng đồng hồ
của các hãng cung cấp khác nhau. Tất cả đều được đồng bộ
dữ liệu trên hệ thống của SES. Ví dụ: Schenider, Mitsubisi,
Selec, Mikro, Tense,…
Phần mềm được viết nhằm hiển thị, giám sát các thông
số từ các sensor thu thập, có thể vẽ biểu đồ, xuất báo cáo
tùy theo nhu cầu người vận hành.
3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, XÂY DỰNG GIẢI PHÁP
Giải pháp đề xuất sẽ bao gồm các thiết bị Interface và
Gateway lắp đặt gần các đồng hồ đo. Sau đó dữ liệu thu
thập được sẽ truyền về server và được phần mềm phân
tích, xử lý hiện thị trên giao diện với người sử dụng.
3.1. Thiết bị Interface
Interfae được thiết kế với chức năng thu thập, chuyển
đổi dữ liệu của các thiết bị trường về chuẩn của SES. Mỗi
Interface có thể thu thập dữ liệu tối đa 10 đồng hồ thông
qua mạng RS485. Dữ liệu này được chuyển về Gateway
trung tâm thông qua mạng LAN.
Interface có thể cài đặt để kết nối với nhiều dòng đồng
hồ khác nhau, địa chỉ mạng, số đồng hồ kết nối, thời gian
timeout của đường truyền có thể cài đặt thông qua phần
mềm cài đặt.
Hình 1. Sơ đồ khối giải pháp đề xuất
Với chủ trương thực hiện cách mạng 4.0 của Chính phủ
cũng như tinh thần “Make in Vietnam”, tác giả đã triển khai
nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điện năng
cho các đơn vị tiêu thụ điện. Tác giả đã làm chủ các công
nghệ tiên tiến như công nghệ điện tử, công nghệ IoT, công
nghệ thông tin.
Bài báo được bố cục như sau: Phần 1 giới thiệu về nhu
cầu giám sát năng lượng. Phần 2 trình bày mô hình giải
pháp đề xuất của tác giả. Phần 3 trình bày thiết kế chế tạo
và thử nghiệm kiểm chứng được trình bày trong Phần 4.
Phần 5 là một số kết luận và hướng nghiên cứu phát triển
tiếp theo.
2. MÔ HÌNH GIẢI PHÁP GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG
Giải pháp đề xuất được mô tả như trên hình 1. Giải pháp
gồm các thiết bị thu thập dữ liệu đặt tại hiện trường; các bộ
xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu; và phần mềm thực hiện trên
nền tảng web-server.
Thiết bị tại hiện trường như đồng hồ đo điện năng
(multi-meter), các cảm biến,… có nhiệm vụ thu thập các
thông số điện của các tải điện như dòng điện, điện áp,
cosphi, công suất, năng lượng, chất lượng điện năng; thông
số đại lượng không điện như nhiệt độ đầu cáp thanh cái,
nhiệt độ môi trường,…
Hình 2. Sơ đồ khối mạch thiết kế Interface
Hình 2 mô tả sơ đồ khối thiết kế mạch thiết bị Interface.
Thông số kỹ thuật chính của bộ Interface được trình bày
trên bảng 1.
17
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của bộ Interface
Các dữ liệu giám sát được thu thập và gửi liên tục lên hệ
thống server. Với các khu vực, nhà máy đã có mạng LAN
cục bộ thì hệ thống tích hợp ngay trên đường mạng vật lý
này, với các nhà máy chưa có hạ tầng mạng hoặc việc xây
lắp gặp nhiều khó khăn thì có thể sử dụng mạng không dây
và 4G.
Interface
POWER
[V DC][A]
RS485
LAN
USB-B
WIFI
24 ± 10% 3A
Modbus RTU
Modbus TCP/IP
Cổng I/O
Các thông số về cấu hình mạng, số kết nối với Interface,
cổng kết nối, địa chỉ server có thể cài đặt thông qua phần
mềm setup.
Nhiệt độ hoạt động
Cài đặt
[C]
0-60
35
DIN Rail [mm]
Pitch [mm]
MM
Kết nối
3,81
10
Dữ liệu thu thập
Trạng thái đèn LED
Power-Active
Lưu đồ thuật toán cài đặt cho bộ Interface được thể
hiện trên hình 3.
Hình 5. Lưu đồ thuật toán thiết bị Gateway
SEMS-L Local Block Diagram
SEMS-L Local Software
Hình 3. Lưu đồ thuật toán thiết bị Interface
Meter
1
Port 201
3.2. Thiết bị Gateway
Message
.
Insert Data
Services
Gateway
Gateway
1
Services
1
1
Meter 30
Gateway được thiết kế với chức năng là một bộ thu thập
dữ liệu trung tâm, quản lý một nhóm thiết bị trường, cụ thể
là dữ liệu của tối đa 50 đồng hồ. Các dữ liệu giám sát được
Interface ở các khu vực khác nhau gửi về. Các dữ liệu được
định dạng theo chuẩn của SES.
Database
Meter 31
Meter 60
Port 202
Insert Data
Services
Message
.
2
2
Services
2
RabitMQ
GUI
.
...
...
Thread 2:
Thread 1:
Export Report Process
Meter 270
Meter 300
Port 210
Chart Process
Message
.
Gateway 10
Services 10
Insert Data Services 1:
- Process Warning and Insert Warning data to DataBase
- Insert Measure data every 1 minute
Insert Reporting data at the end of day
Insert Data Services 2:
Hình 6. Sơ đồ khối kết nối thành phần trên phần mềm
Hình 4 mô tả sơ đồ khối thiết kế mạch Gateway. Lưu đồ
thuật toán cài đặt cho bộ Gateway được thể hiện trên hình
Hình 4. Sơ đồ khối mạch thiết kế Gateway
18
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
5. Các đặc tính kỹ thuật chính của bộ Gateway được trình
bày trong bảng 2.
Trong quá trình thử nghiệm thì hệ thống giám sát điện
năng hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu bài toán
đặt ra. Hình 7 mô tả hình ảnh lắp đặt thiết bị hiện trường tại
trạm biến áp. Các chức năng chính của hệ thống sau khi
thử nghiệm đạt được như sau:
Bảng 2. Các đặc tính kỹ thuật chính của bộ Gateway
SEMS-L4.2G
POWER
[V DC][A]
RS485
LANx2
USB-B
4G
24±10% 3A
Modbus RTU
Modbus TCP/IP
-
Đã thu thập và đưa về màn hình hiển thị giám sát
được các thông số điện như dòng điện, điện áp, cosphi,
công suất, …
Cổng I/O
Vẽ biểu đồ các thông số giám sát theo thời gian thực.
MQTT
Xuất các báo cáo về dữ liệu vận hành theo nhu cầu
người sử dụng.
WIFI
-
CANbus
[C]
DIN Rail [mm]
Pitch [mm]
MM
-
Dữ liệu thu thập được đến từng phút và chu kỳ dữ liệu
có thể thay đổi tùy theo tình trạng thực tế của thiết bị cũng
như nhu cầu của đơn vị vận hành.
Nhiệt độ hoạt động
SD Card
Cài đặt
Kết nối
Dữ liệu thu thập
4G
0-60
16GB
35
3.81
50
Khi có tình trạng bất thường, hệ thống tự động hiện
thị cảnh báo trên màn hình giám sát cũng như gửi tin nhắn
hoặc/và email tới người vận hành.
Dữ liệu thu thập được số hóa và xuất báo cáo tự động
theo yêu cầu người vận hành.
Trạng thái đèn LED
Power-Active
3.3. Phần mềm
Phần mềm được cài đặt tại server giúp thực hiện các
chức năng sau:
Giám sát được thông số dòng điện tức thời tại các tải
điện có lắp đặt đồng hồ đo điện năng.
Giám sát được thông số điện áp tức thời.
Giám sát được thông số công suất tiêu thụ tức thời tại
các tải điện có lắp đặt đồng hồ đo điện năng.
Giám sát được điện năng tiêu thụ tích lũy của từng
thành phần cũng như của toàn bộ nhà máy.
Các thông số chất lượng điện năng như THD được thu
thập, giám sát và phân tích trên phần mềm.
Chu kỳ gửi dữ liệu có thể cài đặt được tới đơn vị phút.
Hình 7. Mô hình thử nghiệm trong Lab - SES
Cảnh báo vận hành, cảnh báo trạng thái được cài đặt
tùy theo hiện trạng vận hành của từng thiết bị, dây chuyền
sản xuất, giúp phát hiện sớm các nguy cơ tiềm ẩn sự cố.
Tất cả các chức năng trên được tích hợp trên một thiết
bị nhỏ gọn, hệ thống Web sever tối ưu, có tính mở giúp cho
việc vận hành, tích hợp hệ thống dễ dàng.
4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
Giải pháp được thử nghiệm tại Lab của Công ty TNHH
Giải pháp lưới điện thông minh SES. Cấu hình thử nghiệm
gồm:
Mô hình thử nghiệm với KIT Demo-1 gồm 6 điểm đo.
Cấu hình hệ thống:
+ 6 đồng hồ đo với các hãng khác nhau: SELEC MFM384,
SELEC EM386, Mitsubisi ME96SS, Schneider PM2100, TENSE
EM-07K, Mikro DPM-380.
Hình 8. Giao diện phần mềm với người sử dụng
+ 2 Interface
+ 1 Gateway
+ PC Server:
Màn hình giám sát của phần mềm được mô tả như trên
hình 8. Người vận hành có thể sử dụng máy tính tại phòng
điều khiển trung tâm hoặc các thiết bị thông minh có kết
19
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
Thu thập dữ liệu của các dây chuyền, xưởng sản xuất
giúp người vận hành đưa ra được các kế hoạch sản xuất
tối ưu.
Hình 10. Thông số dòng điện và cosphi được giám sát
Cảnh báo sớm những bất thường, ngăn ngừa sự cố,
giảm chi phí liên quan do việc mất điện từ sự cố của máy
biến áp.
Giảm chi phí vận hành, bảo trì, sửa chữa thiết bị.
Đáp ứng xu hướng số hóa dữ liệu, thực hiện quản lý
sản xuất theo xu hướng cách mạng 4.0.
5. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày nghiên cứu thiết kế chế tạo thử
nghiệm hệ thống giám sát điện năng ứng dụng cho các nhà
máy, nhà xưởng, tòa nhà và các đơn vị sử dụng năng lượng
lớn. Hệ thống thu thập, giám sát và cảnh báo theo thời gian
thực. Giải pháp gồm các thiết bị được lắp đặt tại các tải tiêu
thụ điện, các bộ chuyển đổi và truyền dữ liệu và phần mềm
phân tích xử lý dữ liệu tập trung. Hệ thống linh hoạt ở khả
năng có thể tích hợp và mở rộng với các phần cứng khác
Hình 11. Màn hình giám sát thông số chính
20
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
[15]. Cisco quits EMS Market (last accessed 05/04/2012), Available:
management-software-market/
nhau. Phẩn mềm có thể tùy biến đáp ứng theo từng nhu cầu
cụ thể của người sử dụng năng lượng. Giải pháp này đặc biệt
cần thiết trong cuộc cách mạng số hóa của ngành năng
lượng nói riêng cũng như xu hướng ứng dụng cách mạng 4.0
trong sản xuất của Việt Nam nói chung.
[16]. EMS History (last accessed 04/04/2012), Available:
Hướng nghiên cứu tiếp theo của nhóm là: (1) tích hợp
hệ thống giám sát điện năng này vào hệ thống quản lý sản
xuất của nhà máy; và (2) sử dụng những thuật toán hiện đại
để phân tích, chẩn đoán các sự cố có thể xảy ra, giúp người
vận hành có quyết định can thiệp kịp thời, chính xác.
Hướng tới việc triển khai bảo trì, bảo dưỡng hệ thống điện
trong nhà máy theo tiêu chuẩn tình trạng thiết bị (CBM).
[17]. ABB EMS (last accessed 08/04/2012), Available:
600386176.aspx
[18]. Siemens EMS Solutions (last accessed 08/04/2012), Available:
[19]. IEC Grid Standards (last accessed 09/04/2012), Available:
LỜI CẢM ƠN: Nghiên cứu này được thực hiện với sự
giúp đỡ của Công ty TNHH Giải pháp lưới điện thông minh
SES.
[20]. Smart Grids (last accessed 09/04/2012), Available:
Smart-Grids-to-Double-by-2015/Page1.html
[21]. GE Digital Library (last accessed 09/04/2012), Available:
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[22]. ISO Standard 50001 (last accessed 09/04/2012), Available:
[23]. Historical Data (last accessed 09/04/2012), Available:
[2]. Decision 280/QĐ-TTg dated March 13, 2019 on the Approval of the
National Energy Efficiency Programme (VNEEP) for the period of 2019-2030.
[24]. NERC/FERC CIP (last accessed 09/04/2012), Available:
[3]. Market Matthias, 2013. Power Management Systems. Lecture Notes on
Ship Automation, Hochschule Wismar, Germany.
[25]. EMS Software (last accessed 09/04/2012), Available:
[4]. Marshel S., Dyonisius, 2014. Perancangan Power Management System.
Pada Kapal Penumpang, Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,
Surabaya.
[26]. EU Vision on Smart Grids (last accessed 09/04/2012), Available:
[5]. First SCADA systems (last accessed 07/04/2012), Available:
[6]. EDP Inov City (last accessed 07/04/2012), Available:
AUTHOR INFORMATION
[7]. Austin, Texas, U.S.A. (last accessed 08/04/2012), Available:
ex.htm
Nguyen Huu Duc
Electric Power University
[8]. Google Powermeter (last accessed 08/04/2012), Available:
[9]. ABB EMS (last accessed 08/04/2012), Available:
aspx
[10]. New Jerseys business case (last accessed 07/04/2012), Available:
[11]. EEM Dispatch (last accessed 07/04/2012), Available:
[12]. EMS Systems (last accessed 07/04/2012), Available:
[13]. EMS Solutions (last accessed 05/04/2012), Available:
management/energyflowmonitor?gclid=COzKidW-j68CFcYOfAodAQ8tzg
[14]. Siemens EMS (last accessed 05/04/2012), Available:
topics/smartgrid/?stc=wwecc120054
21
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
6 trang
20/04/2022
1340
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống giám sát điện năng trong nhà máy", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_thiet_ke_che_tao_thu_nghiem_he_thong_giam_sat_die.pdf
