Hội liên hiệp KHKT Việt nam
Liên hiệp hội kHKT công trình

Báo cáo tổng kết đề tài trọng điểm cấp nhà nớc
Kc 03 Tự động hóa

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các scada
phục vụ cho ngành năng lợng
thay thế cho nhập ngoại
M số kc 03.11 Chủ nhiệm: PGS Nguyễn trọng quế
Phần 2
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
thiết bị cơ bản xây dựng hệ scada mạng điện
2

BÀI TÓM TẮT

Đây là nội dung của 5 đề tài nhánh 3,4,5,6,7 của đề tài Nhà nước KC – 03-
11 ký kết ngày 6/11/2001 với chủ nhiệm chương trình khoa học và công nghệ
trong diện Nhà nước KC – 03.
Nội dung của đề tài nhánh như sau:
Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các transducer đo các đại lượng sau:
- Dòng và áp hiệu dụng
- Công suất và năng lượng tác dụng
- Công suất và năng lượng phản kháng
- Công suất và năng lượng biểu ki
ến
- Chu kỳ lưới điện
- Hệ số công suất cosφ.
Cấp chính xác của tất cả các thang đo 0,5% FS.
Đầu ra thống nhất hoá 4-20mA và ra nối tiếp kiểu số theo chuẩn RS 485
Có thể đặt được giá trị báo động.
Hợp đồng ký kết 11/2001/HD – DTCT – KC03.
Đây là những bộ biến đổi của các đại lượng điện cơ bản mà trong quản lý


4
CHƯƠNG I
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN

I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Transducer điện là một bộ biến đổi đo lường, biến của các đại lượng về điện
trong lưới điện thành dòng điện một chiều thống nhất hoá 4-20mA hay biến
thành đại lượng số được truyền đi bằng mã nối tiếp theo các chuẩn xác định
(thông thường là RS 232 hay RS485)
Các đại lượng là:
Dòng và áp dụng hiệu dụng (I
rms,
U
rms)
Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến (P,Q,S)
Năng lượng tác dụng và phản kháng (W
a,
W
r
)
Chu kỳ lưới điện hay tần số, hệ số cosφ.
1. Dòng điện và điện áp hiệu dụng. Theo định nghĩa.
I

Dòng điện ở thời điểm thứ i
Đối với dòng điện hình sin ta có:

5
I
rms
=
dtSinatI
T
T
m
∫
0
22
)(
1
=
2
m
I

Trong công nghiệp, khi điện tử chưa phát triển người ta thường đo dòng
điện bằng có cấu điện từ trong ấy momen quay
M
q
=
α
d
dL
2

2
vì vậy nó có thể dùng đo
dòng điện, điện áp (I
1
= K
2
I
2
=KI) hoặc I
1
=K
2
I
2
= KV) M
q
= K
α
d
dM
12
hoặc có
thể dùng đo công suất.
(I = K
1
I; I
2
= K
v
V)

rời rạc hoá xoay chiều, thu nhập và tính toán theo đúng công thức như đã định
nghĩa ở trên.
Liên tiếp các transducer vạn năng ra đời, vừa đo I, U, P, Q, S, W
a
, W
t
với độ
chính xác 0,5.
Sơ đồ chung của các transducer này là ADC tốc độ cao phối hợp với vi xử lý
hoặc ADC phối hợp với DSP.

7
2. Đo công suất và năng lượng
Theo định nghĩa: P= ui
Công suất P =
∫∫
=
N
ii
T
IU
N
uidt
T
1
0
11

Năng lượng W
a

12
Kw.ui
M
q
= Kw.U
m
sin
.t
ω
I
m
sin (
ϕ
ω
+
t
)

M
wl
= Kw
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
++
+
)1cos(2

= Kw

=
2
.
2
mm
IU
cosφ
M
th
= Kw

=U.Icosφ = Kwφ
Đối với đo năng lượng ta dùng cơ cấu cảm ứng.
8
Momen quay: M
q
= KΦ
u
Φ
i
sinφ
Ta phải chuyển M
q
= K.U.Icosφ
Muốn vậy:
Φ
0
= K

Thông thường transducer vạn năng thuận lợi hơn nhưng độ chính xác
thường kém hơn transducer chuyên dụng.
Nếu đảm bảo được sai số yêu cầu và giá thành vẫn giữ nguyên thì đứng về
phương diện công nghệ
việc vạn năng hóa transducer, tăng số lượng sản xuất
đạt thông số ở phần mền sẽ cho phép:
- Giảm giá thành lắp ráp chế tạo (phần cứng).
- Linh hoạt sử dụng (phần mềm).
9
Trong các transducer thông minh (Smart transmiter) người ta chế tạo phần
cứng rất giống nhau và dùng một hand held unit một communicator để đặt lại
thông số cho transmitter.
Vì vậy transducer thiết kế và chế tạo các yêu cầu sau:
1. Giảm tối thiểu phần cứng tức là phần cứng tối thiểu nhất về linh kiện các
IC, điện trở dung các công tắc đổi nối các đầu cắm
2. Thống nhất hoá, tiêu chuẩn hoá để dễ l
ắp đặt, dễ sử dụng.
3. Sử dụng tối đa khả năng phần mềm, linh hoạt hoá nhờ phần mềm.
4. Giảm giá thành chế tạo đến mức tối thiểu.
5. Đặc tính kỹ thuật nổi trội hơn các thiết bị từ trước đến nay.
6. Sử dụng các linh kiện hiện đại nhất để tăng các tính năng kể trên.
7. Vì như vậy: transducer U, I, P, Q, f, cosφ được chế tạo thống nhất phần
cứng khi cần đo sẽ dùng communication để đặt thông số.
Cũng vì như vậy mà ta chọn họ IC ADE 775X để thiết kế các transducer.
Vì bên ngoài chùng hoàn toàn giống nhau về cấu tạo. Khi cần biến đổi đại
lượng với yêu cầu khác nhau, ta có thể tác động vào phần mềm của IC để đáp
ứng các yêu cầu về đo lường.
Cấu trúc của transducer như hình vẽ 1.1.
- Tính được giá trị hiệu dụng của V
1rms
, U
2rms.

- Có thể làm phép nhân tức thời giữa V
1
và V
2
đưa ra kết quả tức thời.
- Có thể nhân, lấy tích phân để cho giá trị trung bình của tích ấy.
p(t) = V
1
(t).V
2
(t)
Tính P =
∑
=
N
ti
i
P
N
1

Tính P = V
1rms
, V
2rms.

Hình 1.2: Sơ đồ chức năng của ADE7753

Có thể giải thích cách làm việc của ADE 7753 như sau:
Điện áp và 2 kênh V
1
và V
2
. Điện áp vào V
1
, V
2
có thể vi sai, có thể so đất.
Điện áp V
1
được truyền qua khuyếch đại vi sai PGA có thể thay đổi hệ số
khuyếch, có thể thay đổi 1, 2, 4, 8, 16. Điện áp cao nhất 0,5V. Thấp nhất
0,00781V, hệ số khuyếch đại có thể điều khiển được phần mềm.
Sau khi khuyếch đại tín hiệu được đưa vào ADC kiểu
∑
,
∆ 16 bit tần số lấy

Ngoài ra Analog devices còn bố trí một biến đổi số thành tần số (DFC) để
có tần số lấy ra CF dùng cho việc khắc độ thiết bị.
Đường thứ 2 được đưa đến bộ bình phương sau đó bộ lọc thông thấ
p. Bộ
cộng (lấy trung bình) và bộ căn để cho ra số liệu về điện áp hiệu dụng của U
1
và
U
2.
Số liệu này cũng được lấy ra ngoài qua cổng SPI.
Các giá trị hiệu dụng của cả 2 kênh được đưa vào nhân với nhau để cho ra
số liệu tỷ lệ với công suất biểu kiến.
Các số liệu tức thời cũng có thể lấy ra ngoài theo cổng SPI.
Ngoài ra trong ADE 7753 còn bố trí mạch phát hiện qua điểm zero, dùng để
cho số liệu về chu kỳ hay tần số.
Số liệu về cosφ
được tính quan P và S cosφ =
S
P

Tóm tắt đặc tính kỹ thuật của ADE 7753:
1. Đầu vào 2 điện áp xoay chiều có thang đo lớn nhất 500mV, thang bé
nhất 7,81mV phân giải 24 bit.
Chọn thang ADC
Tín hiệu vào
Max
0,5V 0,15V 0,12V
0,5V Gain = 1
0,25V Gain = 2 Gain = 1
0,125V Gain = 4 Gain = 2 Gain = 1

6. Cho phép lấy trung bình của tích V
1
, V
2
để có công suất tác dụng
thông qua thiết bị.
7. Cho phép nhân V
1rms
với V
2rms
để có công suất biểu kiến
8. Tích luỹ năng lượng trong khoảng thời gian 10 giây
9. Cho phép phát hiện kiểm tra zero của lưới điện để làm mốc khởi đầu
cho các phép tích luỹ, cho phép đo tần số lưới điện với độ phân giải
cao.
10. Cho phép tính hệ số công suất cosφ .
11. Sai số tổng bé hơn 0,1% là sai số rất thấp so với các thiết bị đã có. Để

đảm bảo sai số ấy cần rất nhiều phep gia công như trong sơ đồ chức
năng.
12. Cho phép tác động và các nơi cần thiết của ADE 7753 để hiệu chỉnh
thay đổi thông số đảm bảo cho transducer rất chính xác yêu cầu đồng
thời rất linh hoạt trong sử dụng. 14
III. PHÂN TÍCH NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT ÁP DỤNG VÀO ADE
7753.
Một vấn đề cực kỳ quan trọng là các biện pháp kỹ thuật và công nghệ mà
Analog devices đã áp dụng để đảm bảo đặc tính kỹ thuật của ADE 775X

.K
φ
U
.K
φ
VA
.K
DFC
.F
0
.U. I
sai số:

CFI
γ
=
KI
γ
+
GI
γ
+2
γ
ADC
+
KU
γ
+
GU
γ

γ
: Sai số của mạch khuếch V
1
.
K
ADC
: Hệ số biến đổi của ADC;
γ
ADC
: Sai số của ADC
K
0
: Hệ số phân áp của điện áp;
0k
γ
: Sai số của phân áp.
G
0
: Hệ số khuếch của mạch khuếch V
2

GU
γ
:

Hệ số khuếch của mạch
khuếch V
2
.
1

Như vậy:
Các phép biến đổi từ U, I đến tần số ở đầu ra CF phải qua
nhiều khâu biến đổi nối tiếp và 1 phép nhân. Nếu chia đều các sai số trong
trong chuỗi biến đổi ấy thì mỗi thành phần sẽ phải đảm bảo một sai số:
10
yc
γ

(
yc
γ
: sai số yêu cầu )
Tức If sai số thành phần là 0,01% để đảm bảo sai số tổng là 0.1%.
Đây là một sai số rất nhỏ vượt qua những sai số hiện có lâu nay của các
thiết bị đo vì vậy phải có biện pháp thực hiện đã được Analog devices áp
dụng vào các IC ADE 775X một cách có hiệu quả.
b. Sai số của biến dòng:
Biến dòng ở đây không dùng ở chế độ hoàn toàn ngắn mạch mà có một
ph
ụ tải.
Đối với biến dòng thông thường, thứ cấp phải cung cấp cho cuộn dây
ampemet điện từ, tiêu thụ vào khoảng 1W, cuộn dây của Wattmet vá công tơ
tiêu thụ cỡ 2W. Vì thế sai số của các biến dòng công nghiệp không thể vượt
qua 0,2%.
Đối với bộ biến đổi ADE 7753 công suất tiêu thụ trong các mạch đo
p =
R
U
2


W
2
: Số vòng thứ cấp.
W
1
: Số vòng sơ cấp (thường là 1).
W
2
= 1.
A
A
01,0
5
= 500 vòng.
Ví dụ:

I
1
= 5A
Ta muốn I
2
= 10mA.
Dòng thứ cấp là 10mA.
Để 1 điện áp 500mV.
R
s
sẽ phải là: 50Ω .
Công suất tiêu thụ trong mạch này sẽ là:
P = RI
2

5,0
tức là tương ứng 1, 12 µs một LSB tức là 1 LSB
bù góc pha tương ứng với 4 nhịp clock hay 0
0
, 024.
Để chỉnh pha ta gọi PHCA (Phase calibration) ở địa chỉ 10h trên Memory
map.
Khi lắp đặt, ta bố trí một fazo met điện tử để đo góc pha giữa I
1
và I
2
trong
biến dòng. Từ đây ta tính giá trị trễ phải đặt trong mạch bù góc pha.
Nếu trong các phazomet có thang chỉ tφ.
Ví dụ
: tµ= + 12µs.
Ta phải đặt:
12,1
12
= 10,71 LSB.
Lấy chẵn là: 11 LSB.
Con số phải đặt trong register.
Theo hình vẽ sẽ là 22 – 1 = 21
Tức:

Vì thế để kiểm tra một biến dòng
có thể hoạt động với ADE 7753
hay không ta phải bố trí đo góc pha
giữa I
1

2
RR
R
+

Nếu R
1
, R
2
cùng làm bằng 1 vật liệu ở điều kiện như sau thì có thể
1
1
R
R
∆
=
2
2
R
R
∆
bù trừ cho nhau.
Điều này có thể thực hiện được khi dùng điện trở là mang máng với công
nghệ quang khác hay màng mỏng với công nghệ bốc hơi.
Bây giờ ta tính toán sai số của phần áp: Nguyên nhân sai số của phân áp chủ
yếu do nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi, do hệ số nhiệt độ của các điện trở khác
nhau sai số do nhiệt độ của áp được tính.
⎟
⎟
⎠

)1)(1(
22
21
tt
tt
αα
αα
++
−

Tính gần đúng

γ
t.R1/R2
(
)
21
α
α
−
t.
Nếu hai điện trở được chế tạo cùng vật liệu
21
,
α
α
chỉ sai khác có 1 vài phần triệu
(2ppm); nhiệt độ làm việc giao động độ 10-20
0
C.


Hình 2.5: Mạch PGA, ADC, xử lý tín hiệu và các tín hiệu ở kênh 1

Mạch khuếch đại phải có hệ số khuếch 1, 2,4, 8, 16 sai số khuếch đại gây ra
không quá 0,01% là một mạch rất khó thực hiện .
Khi thiết kế mạ
ch khuếch đại thuật toán ta có:
Tuỳ theo cách mắc của khuếch đại đảo đầu hay không đảo đầu:
G =
1
2
R
R
(có đảo dấu hay bù dòng điện ).
G = 1 +
1
2
R
R
( không đảo dấu hay bù điện áp).
Sai số khuếch đại gây nền gồm 2 thành phần sai số nhân tính và sai số công tính.
Sai số nhân tính do hệ số khuếch G thay đổi.
G
γ


β
: Hệ sô phản hồi:
R
dR
R
dR
d
21
==
β
β

Hệ số này chủ yếu là do
1
2
R
R
và nó cũng được tính như sai số phân
áp.
- Sai số cộng tính chủ yếu là do nhiễu, do các nguyên nhân sau:
Nhiễu, trễ, trôi, lệch zero (drift, offset)
Trong tài liệu các khuyếch đại thuật toán đều có giá trị này và vì chúng độc lập
với nhau.

222
+∆+∆+∆=∆
offsetdriftn
a


a
∆
: Sai số cộng tính tuyệt đối

n
X
: Giá trị định mức đầu vào khuyếch đại
Đối với ADE 7753 có 3 định mức vào 0,5V; 0,25V và 0,125V
Như vậy
∆ a phải : ∆ a =
≤
V
mV
µ
5,12
000.10
125
=

21

Khoảng làm việc là
±
15
0
C so với 20
0
C vì vậy. Nhiễu phải không quá
0,5µV/
0


22
Bảng 1: Ghi cách bố trí các thang đo của ADE 7753
Với cách bù offset như trên không giải quyết được vấn đề dư.
Offset người ta bố trí thân phần lọc số thông cao (HPF) để loại trừ ảnh
hưởng của offset dư.
Max signal
Chanel 1
ADC Input Range Selection
0,5V 0,25V 0,125V
0,5V Gain = 1 - -
0,25V Gain = 2 Gain = 1 -
0,125V Gain = 4 Gain = 2 Gain = 1
0,0625V Gain = 8 Gain = 4 Gain = 2
0,0313V Gain = 16 Gain = 8 Gain = 4
0,0156V - Gain = 16 Gain = 8
0,00781V - - Gain = 16

VEV.PrC 01/20
đ, Sai số của ADC
ADC ở đây là ADC chính xác cao, tốc độ cao.
Analog devices sử dụng ADC dựa trên nguyên lý
∑
∆.
cho hình vẽ 2.8
Tín hiệu đầu vào đi qua bộ lọc thông thấp tương tự trên cơ sở RC dùng để
lọc các nhiễu cao tần do can nhiễu vào mạch biến dòng hay mạch phân áp.

của ADC là
24
2
1
= 6.10
-7
.
Phương trình biến đổi của ADC được viết dạng:
U
X
= N
X
.LSB
1LSB = K
pa
./U
ref
.
K
pa
: Hệ số phân áp của DAC.
U
X
= N
X
.K
pa
.U
ref
.

K
dK
< 10
-6
ref
γ
: Sai số của áp chuẩn.
Trong ADE 7753 người ta bố trí U
ref
có 3 giá trị: 2,42V, 1,21V và 0,6V
Phân tích sai số của U
ref
có 2 vấn đề:
Thứ nhất là tính ổn định theo nhiệt độ giao động 20
0
C tức là 0,04%
Trong khi đòi hỏi ADC phải có độ chính xác hay sai số bé hơn 0,01%, do đó phải
bố trí bù sai số nhiệt độ. Phân bù nhiệt đó này đã được đặt trong phần mềm của
DSP.
Thứ hai là giá trị thực tế của U
ref
, U
ref
ở trong ADE 7753 giao động 8% tức
là mỗi ADC phải có một bộ phận chỉnh U
ref
. Bộ phận chỉnh kết quả trược tiếp ra
sau từng ADC không thực hiện mà chỉ chỉnh ở giá trị U.

Hình ảnh và giá trị tức thời U và I lấy ra ở kênh 1 và kênh 2 cho ở Hình 2.9