Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống giám sát điện năng trong nhà máy

ệ thống 
 Ngày chấp nhận đăng: 25/6/2021 giám sát, đo lường, phân tích năng 
16 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
lượng điện, an toàn, tiết kiệm là xu thế tất yếu đối với các Hệ thống bao gồm các Interface để thu thập dữ liệu từ 
đơn vị sử dụng điện. các thiết bị cấp trường (Multile Meter, SGMV,) thông qua 
 Trên thế giới đã có một số giải pháp về giám sát và đo Modbus RTU. Một Interface giao tiếp tối đa 10 đồng hồ đo. 
lường, phân tích năng lượng như hệ thống CMS-700 của Sau đó dữ liệu được chuyển đổi đưa về Gateway (SEMS-
ABB, Eco PMS của hang Schneider, Eco Webserver của G4.2L). Một Gateway thu thập dữ liệu tối đa 50 đồng hồ đo. 
Mitsubishi, Các hệ thống của những hãng lớn có rất Gateway kết nối Interface thông qua giao thức Modbus 
nhiều ưu điểm, công nghệ cao, thông minh [3-26]. Tuy TCP/IP. 
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, Hệ thống linh hoạt với tùy chọn nhiều dòng đồng hồ 
chi phí đầu tư rất lớn. 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. 
 Hình 1. Sơ đồ khối giải pháp đề xuất Interface có thể cài đặt để kết nối với nhiều dòng đồng 
 Với chủ trương thực hiện cách mạng 4.0 của Chính phủ hồ khác nhau, địa chỉ mạng, số đồng hồ kết nối, thời gian 
cũng như tinh thần “Make in Vietnam”, tác giả đã triển khai timeout của đường truyền có thể cài đặt thông qua phần 
nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điện năng mềm cài đặt. 
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, Hình 2. Sơ đồ khối mạch thiết kế Interface 
cosphi, công suất, năng lượng, chất lượng điện năng; thông Hình 2 mô tả sơ đồ khối thiết kế mạch thiết bị Interface. 
số đại lượng không điện như nhiệt độ đầu cáp thanh cái, Thông số kỹ thuật chính của bộ Interface được trình bày 
nhiệt độ môi trường, trên bảng 1. 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17
 KHOA H ỌC 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 
 Interface 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 
 POWER [V DC][A] 24 ± 10% 3A 
 này, với các nhà máy chưa có hạ tầng mạng hoặc việc xây 
 RS485 Modbus RTU lắp gặp nhiều khó khăn thì có thể sử dụng mạng không dây 
 LAN Modbus TCP/IP 
 Cổng I/O và 4G. 
 USB-B Các thông số về cấu hình mạng, số kết nối với Interface, 
 WIFI cổng kết nối, địa chỉ server có thể cài đặt thông qua phần 
 Nhiệt độ hoạt động [C] 0-60 mềm setup. 
 Cài đặt DIN Rail [mm] 35 
 Kết nối Pitch [mm] 3,81 
 Dữ liệu thu thập MM 10 
 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
 Hình 3. Lưu đồ thuật toán thiết bị Interface SEMS-L Local Software
 Meter 1
 Port 201
 3.2. Thiết bị Gateway ... Message
 Gateway 1 Insert Data
 Services 1 Services 1
 Gateway được thiết kế với chức năng là một bộ thu thập Meter 30
 dữ liệu trung tâm, quản lý một nhóm thiết bị trường, cụ thể Database
 Meter 31 Port 202
 là dữ liệu của tối đa 50 đồng hồ. Các dữ liệu giám sát được Message Insert Data 
 ... Gateway 2
 Interface ở các khu vực khác nhau gửi về. Các dữ liệu được Services 2 Services 2
 Meter 60
 định dạng theo chuẩn của SES. RabitMQ
 ... ... ... GUI
 Thread 1: Thread 2:
 Meter 270 Port 210 Export Report Process Chart Process
 Message
 ... Gateway 10
 Services 10
 Meter 300
 Insert Data Services 1: - Process Warning and Insert Warning data to DataBase
 - Insert Measure data every 1 minute
 Insert Data Services 2: Insert Reporting data at the end of day
 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 
 Hình 4. Sơ đồ khối mạch thiết kế Gateway thuật toán cài đặt cho bộ Gateway được thể hiện trên hình 
18 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
5. Các đặc tính kỹ thuật chính của bộ Gateway được trình Trong quá trình thử nghiệm thì hệ thống giám sát điện 
bày trong bảng 2. năng hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu bài toán 
 Bảng 2. Các đặc tính kỹ thuật chính của bộ Gateway 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 
 SEMS-L4.2G 
 thử nghiệm đạt được như sau: 
 POWER [V DC][A] 24±10% 3A 
 Đã thu thập và đưa về màn hình hiển thị giám sát 
 RS485 Modbus RTU 
 được các thông số điện như dòng điện, điện áp, cosphi, 
 LANx2 Modbus TCP/IP 
 công suất,  
 USB-B - 
 Cổng I/O 
 4G MQTT Vẽ biểu đồ các thông số giám sát theo thời gian thực. 
 WIFI - Xuất các báo cáo về dữ liệu vận hành theo nhu cầu 
 CANbus - người sử dụng. 
 Nhiệt độ hoạt động [C] 0-60 Dữ liệu thu thập được đến từng phút và chu kỳ dữ liệu 
 SD Card 16GB có thể thay đổi tùy theo tình trạng thực tế của thiết bị cũng 
 Cài đặt DIN Rail [mm] 35 như nhu cầu của đơn vị vận hành. 
 Kết nối Pitch [mm] 3.81 Khi có tình trạng bất thường, hệ thống tự động hiện 
 Dữ liệu thu thập MM 50 thị cảnh báo trên màn hình giám sát cũng như gửi tin nhắn 
 4G hoặc/và email tới người vận hành. 
 Trạng thái đèn LED Power-Active Dữ liệu thu thập được số hóa và xuất báo cáo tự động 
 theo yêu cầu người vận hành. 
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. 
 + 2 Interface Hình 8. Giao diện phần mềm với người sử dụng 
 + 1 Gateway 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 
 + PC Server: điều khiển trung tâm hoặc các thiết bị thông minh có kết 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 19
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
 nối mạng đề theo dõi, giám sát tình trạng vận hành của 
 MBA. Hình 9 mô tả dữ liệu nhiệt độ được giám sát cũng như 
 biểu đồ năng lượng theo giờ. Như trên hình 9 thì các dữ 
 liệu được thu thập theo chu kỳ 5 phút. Dữ liệu về điện áp và 
 cosphi được giám sát bằng biểu đồ như trên hình 10. Khi có 
 các vấn đề bất thường thì phần mềm tự động gửi cảnh báo 
 cho người vận hành như mô tả trên hình 11. 
 Hình 12. Minh họa giao diện tính tiền điện sử dụng 
 Hình 12 minh họa giao diện tính tiền điện sử dụng. 
 Với kết quả thử nghiệm mô hình giải pháp đề xuất như 
 trình bày ở trên thì hiệu quả chính mang lại đối với đơn vị 
 vận hành hệ thống điện trong các đơn vị sử dụng năng 
 lượng là: 
 Thu thập dữ liệu từ các các đồng hồ multi meter qua 
 đó thu thập và hiển thị dữ liệu về tiêu thụ điện năng, thông 
 Hình 9. Biểu đồ năng lượng điện tiêu thụ theo giờ 
 số vận hành một cách trực quan giúp người vận hành, chủ 
 sở hữu có cái nhìn tổng quan về tình trạng của máy biến áp 
 (hình ảnh biểu đồ dữ liệu theo thời gian). 
 Giám sát các tải điện theo thời gian thực. 
 Giảm chi phí nhân công, tăng tính an toàn cho người 
 vận hành. 
 Giúp người vận hành tối ưu lại hệ thống điện trong 
 nhà máy nhằm giảm tổn thất, nâng cao hiệu quả sử dụng 
 năng lượng. 
 Giúp nhà máy, nhà xưởng đáp ứng tiêu chuẩn ISO 
 50001 và thực hiện công việc kiểm toán năng lượng dễ 
 dàng và chính xác. 
 Hình 10. Thông số dòng điện và cosphi được giám sát 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. 
 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 
 Hình 11. Màn hình giám sát thông số chính năng có thể tích hợp và mở rộng với các phần cứng khác 
20 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
nhau. Phẩn mềm có thể tùy biến đáp ứng theo từng nhu cầu [15]. Cisco quits EMS Market (last accessed 05/04/2012), Available: 
cụ thể của người sử dụng năng lượng. Giải pháp này đặc biệt 
cần thiết trong cuộc cách mạng số hóa của ngành năng management-software-market/ 
lượng nói riêng cũng như xu hướng ứng dụng cách mạng 4.0 [16]. EMS History (last accessed 04/04/2012), Available: 
trong sản xuất của Việt Nam nói chung. www.bacnet.org/Bibliography/STB-1988.pdf 
 Hướng nghiên cứu tiếp theo của nhóm là: (1) tích hợp [17]. ABB EMS (last accessed 08/04/2012), Available: 
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 600386176.aspx 
để phân tích, chẩn đoán các sự cố có thể xảy ra, giúp người [18]. Siemens EMS Solutions (last accessed 08/04/2012), Available: 
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). [19]. IEC Grid Standards (last accessed 09/04/2012), Available: 
 LỜI CẢM ƠN: Nghiên cứu này được thực hiện với sự 
 [20]. Smart Grids (last accessed 09/04/2012), Available: 
giúp đỡ của Công ty TNHH Giải pháp lưới điện thông minh 
SES. 
 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: 
 [1].   
 [2]. Decision 280/QĐ-TTg dated March 13, 2019 on the Approval of the [23]. Historical Data (last accessed 09/04/2012), Available: 
National Energy Efficiency Programme (VNEEP) for the period of 2019-2030.  
 [3]. Market Matthias, 2013. Power Management Systems. Lecture Notes on [24]. NERC/FERC CIP (last accessed 09/04/2012), Available: 
Ship Automation, Hochschule Wismar, Germany.  
 [4]. Marshel S., Dyonisius, 2014. Perancangan Power Management System. [25]. EMS Software (last accessed 09/04/2012), Available: 
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: 
 Nguyen Huu Duc 
ex.htm 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: 
https://www.njtc.org 
 [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 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 21