Thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen

iải pháp 3: Sử dụng chấn lưu hai mức công 
suất, hoặc sử dụng chấn lưu phụ mắc thêm 
cho chấn lưu thường để tạo thành tổ hợp chấn 
lưu hai mức công suất, hoặc sử dụng loại 
bóng 2 mức công suất để giảm công suất tiêu 
thụ của đèn vào giờ thấp điểm. 
Giải pháp 4: Sử dụng máy biến áp tự ngẫu để 
điều chỉnh chiết giảm vô cấp điện áp đặt lên 
bóng đèn nhằm tiết kiệm năng lượng và nâng 
cao tuổi thọ của bóng. 
Có thể thấy rằng, các giải pháp trên đã đem 
lại hiệu quả tiết kiệm điện. Tuy nhiên giải 
pháp 1 không đảm bảo chất lượng chiếu sáng. 
Giải pháp 2, 3, 4 có chi phí đầu tư khá cao. 
Giải pháp 2, 3 không tận dụng được hệ thống 
bóng đèn đang có sẵn. Giải pháp 4 đã điều 
chỉnh được vô cấp điện áp, nhưng tổn hao lớn 
và tính tự động hóa vẫn chưa cao. Cùng với 
việc tiết kiệm điện, vấn đề giám sát tổn hao 
(do sử dụng điện trái phép) hoặc đưa ra các 
cảnh báo về các vị trí bị sự cố trên các tuyến 
đường vẫn còn bị hạn chế. Bài báo này trình 
bày một nghiên cứu nhằm chế tạo ra một tủ 
điện để điều khiển cho tuyến đèn đường. Tủ 
điều khiển có thể tự động điều chỉnh được 
công suất chiếu sáng với nhiều chế độ làm 
việc khác nhau, đồng thời giám sát được năng 
lượng tiêu thụ trên các tuyến đường này để 
đưa ra các cảnh báo cần thiết. Đặc biệt, với 
thiết kế này có thể tận dụng lại các cơ sở vật 
chất có sẵn tại các tuyến, chỉ cần thay thế tủ 
điều khiển và giữ nguyên hệ thống có sẵn, 
bao gồm: Đường dây, cột, các bóng đèn; do 
đó giảm được chi phí đầu tư. 
2. Đề xuất giải pháp thiết kế 
Sử dụng bộ điều khiển PLC và các linh kiện 
bán dẫn công suất, để chế tạo ra tủ điều khiển 
có khả năng tự động điều chỉnh công suất 
chiếu sáng tối ưu theo nhu cầu sử dụng của 
từng thời điểm, đồng thời ổn định được điện 
Vũ Trọng Hiệp và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 47 - 54 
 Email: jst@tnu.edu.vn 49 
áp đặt lên bóng đèn nhờ bộ điều khiển PID đã 
được tích hợp trong PLC S7 1200. 
Ưu điểm: 
- Khả năng chiết giảm đến 40% điện năng, nhưng 
vẫn đảm bảo cường độ chiếu sáng cho phép; 
- Đảm bảo mỹ quan đô thị; 
- Chống quá áp trên bóng đèn, giúp tăng tuổi 
thọ bóng; 
- Tận dụng được thiết bị hạ tầng chiếu sáng 
hiện có; 
- Tổn hao thấp. 
Nhược điểm: 
- Chi phí đầu tư ban đầu lớn hơn giải pháp tắt 
xen kẽ pha, nhưng vẫn thấp hơn so với các 
giải pháp khác. 
2.1. Chế độ làm việc: Tủ chiếu sáng tiết kiệm 
điện có 03 chế độ làm việc: 
+ Chế độ tiêu chuẩn; 
+ Chế độ cắt xen pha; 
+ Chế độ hỗn hợp. 
Chế độ tiêu chuẩn: 
Hình 1. Đặc tính làm việc ở chế độ tiêu chuẩn 
Ở chế độ tiêu chuẩn, hệ thống đèn chiếu sáng 
sẽ được tự động bật sáng ở thời điểm t1 và sẽ 
duy trì ổn định ở công suất đặt P2 cho đến 
thời điểm t2. Tại thời điểm t2 hệ thống chiếu 
sáng sẽ được tự động chuyển sang vận hành ở 
công suất P3 < P2 cho đến thời điểm t5. Trong 
khoảng thời gian từ t2 - t5 công suất có thể 
được vận hành ở mức từ 60 – 100% công suất 
định mức của hệ thống (hình 1). 
Chế độ cắt xen pha: Tủ điều khiển làm việc 
như một tủ điện đóng cắt thông thường theo 
chức năng thời gian thực, không có sự tham 
gia của bộ bán dẫn công suất. Năng lượng sẽ 
được tiết kiệm tối đa đến 50% nhưng không 
tránh khỏi việc bị quá áp bóng đèn và ảnh 
hưởng đến chất lượng chiếu sáng và mỹ quan 
đô thị. 
Chế độ hỗn hợp: Có thể kết hợp cả vận hành 
chiết giảm công suất và vận hành ngắt xen 
pha, điều đó sẽ cho hiệu quả tiết kiệm năng 
lượng cao hơn. Tuy nhiên, chỉ áp dụng chế độ 
vận hành này cho những tuyến đường ít 
phương tiện lưu thông về đêm, vì nó sẽ không 
đảm bảo chất lượng chiếu sáng. Gần sáng có 
thể lưu lượng tham gia giao thông tăng nên 
nhu cầu chiếu sáng lại tăng. Do đó các pha lại 
được bật sáng trở lại (hình 2). 
Hình 2. Đặc tính làm việc ở chế độ hỗn hợp 
2.2. Chế độ điều khiển: 
Điều khiển tại chỗ: Vận hành và cài đặt các 
tham số làm việc tại màn hình cảm ứng HMI 
đặt tại tủ điều khiển. Các tham số năng lượng 
được giám sát bằng đồng hồ năng lượng và 
hiển thị cả trên HMI. 
Điều khiển từ xa: Vận hành và cài đặt tại 
phòng điều khiển trung tâm thông qua mạng 
truyền thông không dây wifi, hoặc 3G, hoặc 
truyền thông có dây. Trong nghiên cứu này 
trình bày phương pháp truyền thông bằng 
sóng wifi. 
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển một pha 
Đặc tính có chiết giảm 
Đặc tính không chiết giảm 
Đặc tính không chiết giảm 
Đặc tính có chiết giảm 
Vũ Trọng Hiệp và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 47 - 54 
 Email: jst@tnu.edu.vn 50 
Sơ đồ cấu trúc điều khiển 1 pha được trình 
bày như hình 3, Sơ đồ chi tiết chức năng của 
từng khối được trình bày như hình 4. Trong 
đó: Đồng hồ năng lượng cũng được sử dụng 
để so sánh năng lượng tiêu hao trước và sau 
khi sử dụng tủ tiết kiệm điện. Nó được truyền 
thông theo giao thức Modbus RTU với PLC 
S7 1200. 
Hình 4. Sơ đồ chức năng các khối 
Bộ phản hồi áp lấy tín hiệu phản hồi điện áp 
của bóng đèn để đưa về PLC. Bộ PLC sẽ so 
sánh với giá trị đặt để điều chỉnh tín hiệu cấp 
ra bộ biến đổi công suất AC/AC theo thuật 
toán PID sao cho điện áp ra đặt lên bóng đèn 
và điện áp chiết giảm đặt có giá trị bằng nhau. 
Bộ wifi kết nối tín hiệu điều khiển không dây với 
máy tính. Trên máy tính được xây dựng phần 
mềm điều khiển giám sát toàn bộ hệ thống. 
2.3. Phần mềm điều khiển, giám sát 
Phần mềm điều khiển, giám sát được xây 
dựng trên Wincc và điều khiển tại máy tính. 
Việc truyền dữ liệu đến mô hình thực nghiệm 
được thực hiện bằng sóng wifi (hình 5). 
Ngoài ra tại tủ điều khiển có đặt một HMI 
cũng được xây dựng một giao diện tương tự 
(hình 6). 
Hình 5. Giao diện điều khiển, giám sát trên máy tính 
Hình 6. Giao diện điều khiển, giám sát trên màn 
hình cảm ứng HMI 
Phần mềm điều khiển giám sát cho phép lựa 
chọn các chế độ làm việc, hiệu chỉnh lại đồng 
hồ thời gian thực và cài đặt các khoảng thời 
gian đóng/cắt, thời điểm và mức % chiết giảm. 
Phần mềm cũng đưa ra các cảnh báo khi xảy ra 
việc sử dụng điện trái phép (có sự gia tăng đột 
biến về công suất) hoặc cảnh báo mức điện áp 
cao khi hệ thống chạy ở chế độ cắt xen pha 
(chế độ Byspass không có sự tham gia của bộ 
AC/AC và bộ điều khiển PID. 
3. Thuật toán điều khiển 
Thuật toán điều khiển được mô tả như các lưu 
đồ từ hình 7 – 10. Trên cơ sở 3 chế độ làm 
việc là: 
+ Chế độ tiêu chuẩn; 
+ Chế độ cắt xen pha; 
+ Chế độ hỗn hợp. 
Trong đó, chế độ tiêu chuẩn và chế độ hỗn 
hợp có sử dụng tính năng chiết giảm điện áp 
Vũ Trọng Hiệp và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 47 - 54 
 Email: jst@tnu.edu.vn 51 
vào những giờ không cao điểm để giảm công 
suất tiêu thụ. Phần trăm mức chiết giảm được 
cài đặt từ HMI tại tủ điều khiển hoặc từ giao 
diện điều khiển giám sát trên máy tính. Máy 
tính được đặt tại phòng điều khiển trung tâm 
và được giao tiếp với tủ điều khiển thông qua 
sóng 4G hoặc sóng wifi. Căn cứ vào giá trị 
cài đặt, bộ điều khiển sẽ tự động ổn định điện 
áp đầu ra theo thuật toán PID. 
B¾t ®Çu
Chän chÕ
®é tiªu
chuÈn?
Ð
Cµi ®Æt
tham sè
Ch-¬ng tr×nh con
chÕ ®é tiªu chuÈn
Chän chÕ
®é c¾t pha
Ch-¬ng tr×nh con
chÕ ®é c¾t pha
Chän chÕ
®é hçn hîp
Ch-¬ng tr×nh con
chÕ ®é hçn hîp
Ð
Ð
S
S
S
Hình 7. Lưu đồ thuật toán tổng thể 
Gi¸ trÞ ph¶n
håi = gi¸ trÞ
®Æt ?
Ð
Cµi ®Æt tham sè
lµm viÖc, tham sè
b¶o vÖ
Duy tr× tÝn hiÖu
®iÒu khiÓn
S
Ch-¬ng tr×nh con
chÕ ®é tiªu chuÈn
§äc gi¸ trÞ ph¶n
håi; §äc c¸c th«ng
sè n¨ng l-îng
Thay ®æi tÝn hiÖu
®iÒu khiÓn
Gi¸ trÞ ph¶n håi
= ng-ìng ®Æt
b¶o vÖ ?
C¾t hÖ thèng
BËt c¶nh b¸o;
Ð
S
Hình 8. Lưu đồ thuật toán chế độ tiêu chuẩn 
§Õn thêi
®iÓm c¾t
pha?
Ð
Cµi ®Æt tham sè
lµm viÖc, tham sè
b¶o vÖ
C¾t xen pha
S
Ch-¬ng tr×nh con
chÕ ®é c¾t pha
§äc gi¸ trÞ ph¶n
håi; §äc c¸c th«ng
sè n¨ng l-îng
Gi¸ trÞ ph¶n håi
= ng-ìng ®Æt
b¶o vÖ ?
C¾t hÖ thèng
BËt c¶nh b¸o;
Ð
S
Hình 9. Lưu đồ thuật toán chế độ cắt pha 
Gi¸ trÞ ph¶n
håi = gi¸ trÞ
®Æt ?
Ð
Cµi ®Æt tham sè
lµm viÖc, tham sè
b¶o vÖ
Duy tr× tÝn hiÖu
®iÒu khiÓn
S
Ch-¬ng tr×nh con
chÕ ®é hçn hîp
§äc gi¸ trÞ ph¶n
håi; §äc c¸c th«ng
sè n¨ng l-îng
Thay ®æi tÝn hiÖu
®iÒu khiÓn
Gi¸ trÞ ph¶n håi
= ng-ìng ®Æt
b¶o vÖ ?
C¾t hÖ thèng
BËt c¶nh b¸o;
Ð
S
§Õn thêi
®iÓm c¾t
pha?
C¾t xen pha
Ð
S
Hình 10. Lưu đồ thuật toán chế độ hỗn hợp 
Chế độ làm việc cắt xen pha, hệ thống làm 
việc như một tủ điện đóng cắt thông thường, 
lúc này bộ biến đổi điện áp AC/AC được tách 
ra khỏi hệ thống nhờ contactor bypass K2 (K1 
mở ra và K2 đóng lại). Hệ thống sẽ tự động 
ngắt xen pha khi đến thời gian đặt trước và 
không có khả năng ổn định điện áp theo giá 
trị đặt. 
Vũ Trọng Hiệp và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 47 - 54 
 Email: jst@tnu.edu.vn 52 
Các thông số năng lượng, bao gồm: Dòng 
điện, điện áp, tần số, cosphi, KW, KVAR, 
KVA, KWh, KVARh được đo lường và 
hiển thị nhờ đồng hồ đa chức năng. Đồng hồ 
này có trang bị truyền thông MODBUS 
RS485 và sẽ được PLC đọc về để hiển thị lên 
HMI và máy tính. Khi những giá trị đo lường 
vượt quá giá trị cài đặt của bảo vệ, PLC sẽ 
đưa ra cảnh báo hoặc ngắt toàn bộ hệ thống. 
4. Kết quả thực nghiệm 
Mô hình thực nghiệm được lắp đặt và thử 
nghiệm với tải là 4 bóng đèn 25W chia làm 2 
lộ (hình 11). 
Hình 11. Mô hình thực nghiệm hệ thống tiết kiệm 
chiếu sáng đèn đường 
+ Trong chế độ tiêu chuẩn: Khi đến thời 
điểm bật đèn, tất cả các bóng cùng sáng, công 
suất tiêu thụ khoảng 105W, hệ thống tự động 
ổn định điện áp 220V. Đến thời điểm thấp 
điểm đã cài đặt sẵn, hệ thống tự động giảm và 
ổn định điện áp toàn tuyến, công suất tiêu thụ 
cũng giảm theo. Ví dụ: Hình 12 đặt mức chiết 
giảm còn 60% nên công suất tiêu thụ chỉ còn 
67W, tất cả các bóng vẫn sáng (hình 13). 
Hình 12. Chiết giảm còn 60% công suất vào thời 
điểm thấp điểm của chế độ tiêu chuẩn 
Hình 13. Tất cả các bóng vẫn sáng, nhưng đã 
được chiết giảm công suất 
+ Trong chế độ cắt pha (Chế độ Bypass): 
Contactor K2 đóng lại, contactor K1 mở ra. 
Lúc này, bộ biến đổi AC/AC bị loại ra khỏi 
hệ thống. Khi đến thời điểm cắt xen pha, số 
lượng bóng sẽ được cắt đi một nửa, chỉ còn 
một nửa, nên công suất tiêu thụ chỉ còn 
khoảng 53W (Hình 14). 
Hình 14. Đặc tính công suất ở chế độ cắt xen pha 
Hình 15. Đặc tính công suất ở chế độ hỗn hợp 
Vũ Trọng Hiệp và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 47 - 54 
 Email: jst@tnu.edu.vn 53 
+ Chế độ hỗn hợp: Khi đến thời điểm cắt xen 
pha đặt trước, các bóng sẽ được cắt xen pha 
đồng thời chiết giảm điện áp. Do đó công suất 
tiêu thụ còn ít hơn cả chế độ cắt xen pha 
thông thường. Do vừa cắt xen pha vừa chiết 
giảm nên công suất chỉ còn khoảng 35W. Khi 
đến gần sáng, các phương tiện giao thông 
nhiều hơn, hệ thống tự động bật pha bị cắt trở 
lại nhưng vẫn thực hiện chiết giảm để tiết 
kiệm điện (Hình 15). 
4. Kết luận 
Bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu của 
việc xây dựng một mô hình điều khiển tiết 
kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường. 
Kết quả thực nghiệm cho thấy: 
+ Ở chế độ tiêu chuẩn: Khi hết giờ cao điểm 
tham gia giao thông, Điện áp được tự động 
giảm xuống để giảm công suất nên năng lượng 
tiết kiệm được đến 40%. Việc chiết giảm 
không nên thực hiện quá sâu do nếu giảm áp 
quá sâu, các bóng cao áp không đủ áp sẽ bị tắt 
và không đảm bảo ánh sáng lưu thông. 
+ Ở chế độ cắt xen pha: Năng lượng giảm được 
50% do việc cắt xen pha, nhưng việc quá áp của 
các bóng vẫn xảy ra. Do đó nó chỉ được sử dụng 
khi mà bộ biến đổi AC/AC bị sự cố. 
+ Ở chế độ hỗn hợp: Vừa cắt xen pha vừa 
chiết giảm nên năng lượng tiết kiệm được 
nhiều nhất. Tuy nhiên chỉ nên áp dụng chế độ 
này ở những tuyến đường có rất ít phương tiện 
tham gia giao thông về ban đêm. 
Bộ điều khiển PID của PLC S7 1200 được sử 
dụng để ổn định điện áp đặt lên bóng đèn ở 
chế độ tiêu chuẩn và chế độ hỗn hợp nhằm 
nâng cao độ ổn định của hệ thống và nâng cao 
tuổi thọ của bóng. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES 
[1]. H. P. Khandagale, R. Zambare, P. Pawar, P. 
Jadhav, P. Patil, and S. Mule, “Street light 
controller with GSM technology,” 
International Journal of Engineering Applied 
Sciences and Technology, vol. 4, no. 10, pp. 
268-271, 2020. 
[2]. H. G. Coandă, “Designing a control system 
for smart outdoor street lighting using 
advanced communication technologies,” 
Scientific Bulletin of the Electrical 
Engineering Faculty, vol. 29, no. 1, pp. 25-30, 
2015. 
[3]. K. Y. Rajput, G. Khatav, M. Pujari, and P. 
Yadav, “Intelligent Street Lighting System 
Using Gsm,” International Journal of 
Engineering Science Invention, vol. 2, no. 3, 
pp. 60-69, March 2013. 
[4]. Lakshmiprasad, and Keerthana, “Smart Street 
Lights,” International Journal of Students 
Research in Technology & Management, vol. 
2, no. 02, pp. 59-63, March-April 2014. 
[5]. D. A. Mhaske, and S. S. Katariya, “Smart 
Street Lighting using a ZigBee & GSM 
Network for High Efficiency & Reliability,” 
International Journal of Engineering 
Research & Technology (IJERT), vol. 3, no. 
4, pp. 175-179, April 2014. 
[6]. K. Nanavati, H. Prajapati, H. Pandav, K. 
Umaria, and N. Desai, “Smart Autonomous 
Street Light Control System,” IJSTE - 
International Journal of Science Technology 
& Engineering, vol. 2, no. 10, pp. 729-733, 
April 2016. 
[7]. S. A. E. Mohamed, “Smart Street Lighting 
Control and Monitoring System for Electrical 
Power Saving by Using VANET,” Int. J. 
Communications, Network and System 
Sciences, vol. 6, pp. 351-360, 2013, doi: 
[8]. C. Volosencu, D. I. Curiac, O. Banias, C. 
Ferent, D. Pescaru, and A. Doboli; 
“Hierarchical Approach for Intelligent 
Lighting Control In Future Urban 
Environments,” 2008 IEEE International 
Conference on Automation, Quality and 
Testing, Robotics, 2008, 
doi: 10.1109/AQTR.2008.4588726. 
[9]. M. Kolasa, “The concept of intelligent system 
for streetlighting control using artificial neural 
networks,” PRZEGL ˛AD ELEKTROTECHNICZNY, 
vol. R.92, pp. 32-37, July 2016. 
[10]. X. L. Nguyen, "Economical and efficient 
lighting solutions in buildings in Vietnam," 
Energy Saving conference of Construction 
Science and Technology Institute - IBST, 
2016. [Online]. Available:  
DATA/admin/Tapchi2011/Nguyen%20Son%
20Lam2.2010.pdf. [Accessed June, 2020]. 
[11]. A. T. Nguyen, "Energy-saving public 
lighting solutions in Da Nang," Danang 
Public Lighting Management and Operation 
Vũ Trọng Hiệp và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 47 - 54 
 Email: jst@tnu.edu.vn 54 
Conference, August 2014. [Online]. 
Available:  
vn/hoi-thao -truc-tuyen/giai-phap-chieu-sang-
cong-cong-tiet-kiem-dien-o-da-nang.html. 
[Accessed June, 2020]. 
[12]. T. C. Nguyen, and Q. H. Duong, "Cabinet for 
saving electricity and lighting street light," 
energy saving in lighting conference, Vinh 
Phuc Province, 2014. [Online]. Available: 
-phuc.gplist.378.gpopen.8002.gpside.1.gpnew 
title.hoi-thao-%E2%80%9Csan-pham-tiet-
kiem-nang-luong-trong-chieu-sang%E2%80 
%9D.asmx. [Accessed June, 2020].