Nghiên cứu, thiết kế bộ truyền thông trong hệ thống điện tái tạo

ùng trên các nông trại, các tải điện xa lưới điện 
quốc gia cũng được thiết kế và ứng dụng [3] [10]. 
Hay bộ truyền thông tích hợp cho các bộ nạp năng 
lượng cho thiết bị tích trữ, hòa công suất vào lưới 
điện phân phối cũng đã được nghiên cứu và phát 
triển [4] [5] [15]. Các bộ truyền thông tích hợp 
trong các bộ biến đổi điện cho hộ gia đình có chức 
năng giám sát, nâng cao hiệu suất các thiết bị, ổn 
định ngỏ ra của các thiết bị biến đổi điện với chuẩn 
220VAC, 50Hz [6] [7] [13]. Bên cạnh các bộ truyền 
thông trên đường dây truyền tải thì các bộ truyền 
thông không dây cũng khá phổ biến [8] [9]. Các nhà 
sản xuất đã cho ra đời các IC, Board mạch, iMars 
WinExpert (Phần mềm giám sát hệ thống pin năng 
lượng mặt trời) chuyên dùng trong lĩnh vực truyền 
thông, giám sát và điều khiển trong hệ thống điện 
[14]. Các bộ truyền thông sẽ phát huy hiệu quả đối 
với các lưới điện DC nhỏ (dc microgrid) với các 
nguồn phân tán [15] [17], các bộ truyền thông này 
giữ vai trò cân bằng dòng tải giữa các nguồn và duy 
trì điện áp cho hệ thống.
Bài báo sẽ trình bày một giải pháp thiết kế bộ 
truyền thông định hướng ứng dụng trong hệ thống 
điện tái tạo có mô hình như Hình 1 gồm các modul: 
thu thập dữ liệu điện; xử lý dữ liệu và truyền thông 
2 chế độ: chế độ truyền thông hữu tuyến sử dụng 
đường truyền vật lý là đường dây DC và truyền 
không dây sử dụng công nghệ Zigbee.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology40 Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
Hình 1. Mô hình hệ thống điện phân tán
2. Thiết kế các modul chức năng
2.1. Thiết kế modul thu thập dữ liệu điện (DAQ)
Modul thu thập dữ liệu điện có nhiệm vụ thu 
thập các dữ liệu điện trên các bộ biến đổi DC-DC, 
DC-AC của hệ thống để cung cấp cho bộ truyền 
thông. Sơ đồ cấu trúc như Hình 2.
Trong sơ đồ Hình 2, bộ đo gồm các cầu đo 
điện áp, các cảm biến dòng để đo dòng điện, điện 
áp tại các đầu vào/ ra của các bộ biến đổi DC-DC, 
DC-AC, bộ dồn kênh (MUX) để thực hiện ghép 
kênh luân phiên theo thời gian đưa sang bộ biến 
đổi tương tự-số (ADC), bộ xử lý số dữ liệu làm 
nhiệm vụ tính toán công suất và xuất dữ liệu sang 
bộ truyền thông đồng thời hiển thị giá trị trên màn 
hình tinh thể lỏng (LCD).
Bộ 
đo 
MUX ADC DSP 
LCD 
Tới bộ 
truyền 
thông 
Nguồn 
Hình 2. Cấu trúc khối modul thu thập dữ liệu điện
Hình 3 đưa ra giải pháp thiết kế thử nghiệm 
bộ DAQ sử dụng các linh kiện thương mại. Trong 
đó, bộ đo sử dụng các cầu phân áp để đo điện áp, sử 
dụng các cảm biến dòng ACS712 và ACS758 để đo 
dòng điện. Các khối MUX, ADC, DSP sử dụng vi 
điều khiển Arduino.
Kết quả thử nghiệm trên hệ thống điện mặt 
trời tại khoa Điện-Điện tử, Đại học SPKT Hưng 
Yên đã thu thập được dữ liệu điện như sau:
Tại các bộ biến đổi DC/DC công suất thiết 
kế 1kW:
+ Điện áp đầu vào bộ DC/DC (0-40V);
+ Dòng điện đầu vào bộ DC/DC (0-40A);
+ Điện áp đầu ra bộ DC/DC (0-340V);
+ Dòng điện đầu ra bộ DC/DC (0-8A);
+ Công suất của bộ DC/DC (0-1kW);
Tại các bộ biến đổi DC/DC công suất thiết 
kế 3kW:
+ Điện áp ra của bộ DC/AC (0-230V);
+ Dòng điện ra của bộ AC (0-15A);
+ Đo công suất của bộ AC (0-3kW);
+ Đo tần số của bộ AC (0.3-51Hz).
2.2. Thiết kế modul điều khiển và truyền thông 
hữu tuyến (PLC)
Modul điều khiển và truyền thông hữ tuyến 
trên đường dây HDVC có cấu trúc khối truyền và 
nhận như Hình 4. . Trong đó, phần tử chính thực hiện 
chức năng xử lý số dữ liệu sử dụng PIC 16F876A 
là dòng vi điều khiển thương mại rất sẵn trên thị 
trường. Các vi điều khiển tạo ra các gói dữ liệu gồm 
mười bit dữ liệu (giao thức UART: bít bắt đầu, bảy 
bit dữ liệu, bit chẵn lẻ, bit dừng) từ các tham số 
được gửi đi. Dữ liệu này sau đó được cung cấp cho 
bộ thu phát qua giao diện của loại RS232-TX/RX. 
Các gói này sau đó được phủ lên trên đường trục 
bus HVDC từ 0 Hz sử dụng ASK bởi bộ điều khiển 
(bộ phát) tại tần số sóng mang được lập trình bằng 
50 kHz.
Tại đầu ra của bộ slave, bộ thu phát PLC 
phát hiện lại sóng mang và tách các gói dữ liệu. 
Những dữ liệu này sau đó được truyền đến vi điều 
khiển của bộ master và các xử lý cần thiết được thực 
hiện trên vi điều khiển. Quá trình xảy ra tương tự 
khi một bộ slave đáp ứng với bộ master. Tất cả các 
gói được truyền đi đều theo giao thức Modbus.
Việc thực thi slave và bộ master cho thấy các 
giá trị thực tế cho các thành phần. Những giá trị này 
đã được lựa chọn theo các thông số cố định ban đầu 
cho ứng dụng đưa ra làm ví dụ là hệ thống điện mặt 
trời công suất 3 KW (VDC = 300V, I = 10A). Hình 
5 đưa ra sơ đồ nguyên lý modul truyền thông thiết 
kế dựa trên vi điều khiển PIC 16F876A.
Các kết quả mô phỏng thu được bằng cách 
sử dụng Pspice đưa ra trên Hình 6, trong đó trình 
bày các mô hình chính xác của hai thành phần thụ 
động và hoạt động như Diode và MOSFET. Mô 
phỏng mô tả cách một luồng tín hiệu số được điều 
chế biên độ và truyền trên đường dây DC bằng cách 
sử dụng bộ phát và bộ thu ở trạng th ái ổn định.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018 Journal of Science and Technology 41
Hình 3. Thiết kế nguyên lý modul DAQ
Hình 4. Cấu trúc khối modul điều khiển và truyền thông PLC
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology42 Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý modul điều khiển và truyền thông PLC
Hình 6.a minh họa dạng sóng của luồng dữ 
liệu gốc và dạng sóng tương ứng của tín hiệu điều 
chế biên độ trên bus HVDC. Trong mô phỏng, luồng 
dữ liệu ban đầu được thực hiện bằng cách sử dụng 
tín hiệu logic có thể lập trình ‘0’ và ‘1’ được biểu thị 
bằng 0V và 5V tương ứng. Vì mạch phát chỉ hoạt 
động khi truyền dữ liệu được yêu cầu, còn trong mô 
phỏng, bộ phát bị tắt khi tín hiệu đầu vào là 0V.
Hình 6.b cho thấy điện áp gợn sóng HVDC 
trong quá trình chuyển đổi để thay đổi điều chế biên 
độ. Thời gian chuyển tiếp từ mức logic ‘1’ sang mức 
logic ‘0’ là 10ns.
Hình 6.c, d thể hiện cho dạng sóng điện áp 
của cuộn cảm L2 và cổng của MOSFET được so 
sánh với điều chế tín hiệu số ban đầu.
Điện áp được tái tạo bởi mạch cảm biến hiện 
tại như một hàm của dòng điện của tụ lọc được 
thể hiện trong Hình 6.e. Tín hiệu vào ra của khâu 
khuếch đại như Hình 6.f, g.
Đầu ra của mạch nhận là một loạt các xung 
hình chữ nhật, trong đó khoảng thời gian bằng với 
biên độ điều chế của tín hiệu sóng mang; nó chưa 
được giải điều chế kể từ khi bộ giải điều chế và 
giải mã tín hiệu được thực hiện bởi vi điều khiển. 
Tín hiệu được quan sát cho thấy rằng dòng dữ liệu 
ban đầu được điều chế thành công, được truyền qua 
đường dây 400VDC bằng cách sử dụng bộ truyền 
và truy xuất bằng bộ thu.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018 Journal of Science and Technology 43
2.3. Thiết kế modul truyền thông không dây 
dùng Zigbee
Sau khi xử lý dữ liệu trên Vi điều khiển 
như trình bày trong Hình 5, chế độ truyền không 
dây sẽ được ghép nối với modul truyền thông sử 
dụng kit Zigbee CC2530 phát triển trên nền chip 
SOOCCC2530, giao tiếp RF 2.4 GHz. CC2530 là 
giải pháp “System-on-Chip” với hiệu suất cao, sử 
dụng năng lượng thấp thích hợp cho những ứng 
dụng về IEEE 802.15.4 kiểu điểm-điểm, hình sao 
hoặc hình cây.
a. Tín hiệu điều chế với vi điều khiển PIC16F876A
b. Tín hiệu truyền trên bus HVDC 400V
c. Tín hiệu tại điện cảm Lp2 của biến áp cũng như 
tại katot diode
d. Tín hiệu trên khuếch đại trên MOSFET
e. Tín hiệu trên mạch lọc băng tần thấp R2, C3
f. Tín hiệu đầu vào tại chân B transistor Q3
g. Tín hiệu khuếch đại tại cực C Transistor Q3
Hình 6. Kết quả mô phỏng bộ truyền thông PLC
CC2530 có bốn loại khác nhau và tương 
ứng 32/64/128/256-KB bộ nhớ Flash. Tích hợp bên 
trong bộ truyền nhận RF hiệu suất cao, với MCU 
8051 chuẩn công nghiệp nâng cao, 8-KB RAM 
và hỗ trợ nhiều ngoại vi mạnh mẽ khác [18]. Phần 
mềm điều khiển và xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm 
IAR embedded workbench để lập trình cho chip 
theo thuật toán Hình 7.
 Bắt đầu 
- Khởi tạo vào ra 
- Khởi tạo tần số 
- Khởi tạo RF 
- Bật ngắt toàn cục 
Truyền dữ liệu: 
- Thiết lập Frame truyền 
- Kiểm tra đường truyền có đang rỗi? 
- Truyền Frame dữ liệu đi 
Kết thúc 
a. Thuật toán truyền dữ liệu
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology44 Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
 Bắt đầu 
- Khởi tạo vào ra 
- Khởi tạo tần số 
- Khởi tạo RF 
- Bật ngắt toàn cục 
Khi có sự kiện truyền đến, cờ ngắt RF được bật 
lên và thực hiện quá trình ngắt nhận. 
- Dữ liệu nhận được lưu trong thanh ghi SFD 
[1]. 
- Các bit dữ liệu có thể sử dụng cho việc điều 
khiển các thiết bị, xử lí giám sát các cảm biến 
từ xa 
Kết thúc 
b. Thuật toán nhận dữ liệu
Hình 7. Thuật toán xử lý dữ liệu cho modul truyền 
thông Zigbee
Kết quả khảo sát thực nghiệm trên hệ thống 
điện mặt trời tại khoa Điện-Điện tử, Đại học SPKT 
Hưng Yên cho kết quả như sau:
- Trong môi trường không vật cản (Hình 8a): 
Trong môi trường không vật cản: Khả năng ZIGBEE 
truyền tốt tín hiệu test, độ trễ thấp, chính xác.
- Trong môi trường có vật cản (Hình 8b): 
Khoảng cách truyền tín hiệu giảm nhưng vẫn đáp 
ứng được độ trễ tín hiệu và độ chính xác.
a. Môi trường không có vật cản
b. Môi trường có vật cản
Hình 8. Thử nghiệm bộ truyền thông không dây 
Zigbee
3. Kết quả và thảo luận
Bài báo đã trình bày một số giải pháp chế tạo 
thử nghiệm bộ truyền thông định hướng ứng dụng 
cho các hệ thống điện tái tạo sử dụng các linh kiện 
thương mại có trên thị trường. Các kết quả khảo 
sát thực nghiệm tại hệ thống điện mặt trời tại khoa 
Điện-Điện tử trường Đại học Sư phạm kỹ thuật 
Hưng Yên cho thấy: Thiết bị hoạt động khá tốt và 
ổn định. Tuy nhiên, đây mới chỉ là thử nghiệm bước 
đầu do bộ truyền thông thiết kế ở trên đang là các 
modul rời rạc. Đây cũng là cơ sở để trong thời gian 
tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục thiết kế thử nghiệm 
bộ truyền thông có các modul Slave tích hợp trong 
các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC nhằm đạt được 
chất lượng tốt hơn.
Lời cảm ơn
Nhóm tác giả xin trân trọng cảm ơn đề tài 
cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo mã số B2018-SKH-06 
đã giúp nhóm hoàn thành nghiên cứu này.
Tài liệu tham khảo
[1].
tai-tao-dang-bung-no-nhanh-chong-tren-toan-cau.html
[2]. Yoshihisa ISHIGAKI*, Yoshitaka KIMURA, Ikumi MATSUSU E, Hidekazu MIYOSHI and 
Kentarou YAMAGISHI, Optimal Energy Management System for Isolated Micro Grids. SEI 
TECHNICAL REVIEW, Số 78, APRIL 2014.
[3]. Fawzi Al-Naima, Ramzy Ali, Ahmed Abid, Zabih Ghassemlooy, Zhiwei Gao, A New Power 
Line Communication Modem Design with Applications to Vast Solar Farm Management. Innovative 
Systems Design and Engineering, ISSN 2222-1727 (Paper) ISSN 2222-2871 (Online) Vol.4, No.14, 
2013.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018 Journal of Science and Technology 45
[4]. Lu, X., Sun, K., Guerrero, J. M., Vasquez, J. C., & Huang, L., State-of-Charge Balance Using 
Adaptive Droop Control for Distributed Energy Storage Systems in DC MicroGrid Applications. 
I E E E Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(6), pp. 2804-2815. DOI: 10.1109/
TIE.2013.2279374.
[5]. Sun, K., Zhang, L., Xing , Y., & Guerrero, J. M., A Distributed Control Strategy Based on DC 
Bus Signaling for Modular Photovoltaic Generation Systems With Battery Energy Storage. I E E E 
Transactions on Power Electronics, 2011, 26(10), 3032-3045. 10.1109/TPEL.2011.2127488.
[6]. E. Mainardi, S. Banzi, M. Bonfè, S. Beghelli, A low-cost Home Automation System based on 
Power-Line Communication Links. 22nd International Symposium on Automation and Robotics in 
Construction ISARC 2005, Ferrara (Italy), September 11-14, 2005.
[7]. J.Manikandan, V.Ramya, Design and Implementation of Smart Home Control System Based on 
Power Line Communication. International Conference on Engineering Innovations and Solutions 
(ICEIS-2016).
[8]. Alejandro Barreras Gutierrez, Audley Darmand, Victor Watt, Lucien Ngalamou, Design of an 
Analog Electronic Interface for a Power Line Based Telephony System, 1-4244-0113-5/06/$20.00 
c2006 IEEE.
[9]. Asier Llano, Itziar Angulo, Pablo Angueira, Txetxu Arzuaga and David de la Vega, Analysis of 
the Channel Influence to Power Line Communications Based on ITU-T G.9904 (PRIME). Energies 
2016, 9, 39; doi:10.3390/en9010039.
[10]. Ajinder Singh, Dave Hermann, DC Power-Line Communication Reference Design, Copyright 
© 2013, Texas Instruments Incorporated.
[11]. Syed Samser Ali, Amitabha Bhattacharya, Dipak Ranjan Poddar, Design of Bidirectional 
Coupling Circuit for Broadband Power-Line Communications. Journal of Electromagnetic Analysis 
and Applications, 2012, 4, pp. 162-166.
[12]. Ashish Garg, Angad Singh Gill, Designing Reliable Powerline Communications. Published in 
EDN, December 2010.
[13]. Haibo He, Shijie Cheng, and J. Nguimbis, Home Network Power-Line Communication Signal 
Processing Based on Wavelet Packet Analysis. EEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 
Vol. 20, No. 3, July 2005.
[14]. Riccardo Fiorelli, Mauro Colombo, ST7580 power line communication system-on-chip design 
guide. AN4068 Application note, Doc ID 022923 Rev 2.
[15]. Xiaonan Lu, Kai Sun, Josep M. Guerrero, Juan C. Vasquez, Lipei Huang, State-of-Charge 
Balance Using Adaptive Droop Control for Distributed Energy Storage Systems in DC MicroGrid 
Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 10.1109/TIE.2013.2279374, 2014.
[16]. Abdul Mannan, D.K.Saxena, Mahroosh Banday, A Study on Power Line Communication. 
International Journal of Scientific and Research Publications, Volume 4, Issue 7, July 2014. 
[17]. Anand, Sandeep; G. Fernandes, Baylon; Guerrero, Josep M, Distributed Control to Ensure 
Proportional Load Sharing and Improve Voltage Regulation in Low-Voltage DC Microgrids. IEEE 
Transactions on Power Electronics, 28(4), pp. 1900 - 1913. DOI: 10.1109/TPEL.2012.2215055.
[18]. Documents trong bộ Z-Stack cho CC2530 cung cấp bởi Texas Instruments.
RESEARCH AND DESIGN THE COMMUNICATIONS
FOR THE RENEWABLE ELECTRIC POWER SYSTEM
Abstract:
Renewable electricity power systems (REPs) are increasingly playing an important role in securing 
energy security around the world. Some developed countries, such as Germany, Netherlands, United States, 
 have developed REPs quite early and are increasing in proportion. Recently, the development of REPs 
has become the inevitable trend of the whole world, including Vietnam. Technology companies have also 
provided commercial REPs of varying types and prices. This difference is mainly due to technological 
problems, while the process of converting renewable energy is essentially the same. In particular, energy 
conversion efficiency is a very important parameter and determines the quality of the system. The design 
of communication units to control and monitor the transformation process will contribute to improving the 
efficiency and stability of the operation of renewable electricity systems.
Keywords: DC-DC, DC-AC, HDVC, PLC, Renewable Electricity Power System, Solar Power.