1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN NĂNG TOẠI

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ
NĂNG LƯỢNG TỪ XA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014


2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN NĂNG TOẠI

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ
NĂNG LƯỢNG TỪ XA
LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. Hồ Văn Hiến
TS. Trương Việt Anh
TS. Võ Hoàng Duy

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
TP. HCM, ngày 20 tháng 05 năm 2014


4

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Năng Toại. Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1985. Nơi sinh: Hải Dương
Chuyên ngành: .Kỹ thuật điện. MSHV: 1241830037
I- Tên đề tài: Hệ Thống Quản Lý Và Giám Sát Năng Lượng Từ Xa.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Nhiệm vụ:
-

(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


5

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Năng Toại


6

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn TS.ĐINH HOÀNG BÁCH – Trưởng Bộ Môn Kỹ
Thuật Điện Trường Đại Học Tôn Đức Thắng, người thầy đã hết lòng chỉ bảo,
hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh nghiệm
nghiên cứu trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện –

ra đối với quá trình sản xuất và đời sống. Phương án tối ưu hiện nay là thiết lập hệ
thống tự động hóa giám sát và quản lý năng lượng.
Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng sẽ giám sát toàn bộ hệ thống năng
lượng của tòa nhà, nhà máy hay khu công nghiệp giúp nâng cao hiệu quả công trình,
hiện đại hoá, tiết kiệm điện năng tiêu thụ, bảo vệ môi trường.
Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng thực hiện việc giám sát hệ thống
điện qua thiết bị theo dõi các thông số kỹ thuật chính của nguồn điện như: kW, kVA,
kVAr... Hệ thống năng lượng hóa thạch như xăng, dầu, gas….Đây là những thông
số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết
bị sử dụng điện của tòa nhà hay công nghiệp. Quản lý tốt các tham số này đồng
nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của tòa nhà, hệ thống sản xuất nâng cao hiệu
quả sử dụng thiết bị. Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm năng lượng kỹ thuật
số nối mạng, thể hiện thông số trên màn hình máy tính và lưu trữ dữ liệu. Trong
khuôn khổ luận văn này sẽ nghiên cứu cấu trúc của một hệ thống quản lý và giám
sát năng lượng từ xa.


8

ABSTRACT
Energy is a vital element of life, and even more important in the production
and sales of businesses. The problem posed for managers is how to manage and
buildings and factories, the most efficient enterprises to reduce costs, save energy at
maximum level, to facilitate the operation of the business business. The use of
energy saving and efficiency is not synonymous with cutting energy deficit or
whether we do not use that energy to properly understand that the use of energy
saving and efficiency is the application of management practices and techniques to
reduce losses, reduce energy consumption of the vehicle, while maintaining
equipment needs, set objectives for the production and life. Optimal current plan is
to establish automated system monitoring and energy management.

CRC - Cyclic Redundancy Check: mã phát hiện lỗi
PC - Personal Computer: máy tính cá nhân


11

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Các thông số quan trọng của RS-485
Bảng 2: Thông số của các phương pháp
Bảng 3: Các mã chức năng
Bảng 4: Địa chỉ thanh ghi theo chuẩn Modbus
Bảng 5: Địa chỉ các chức năng chính của đồng hồ EM-368C
Bảng 6: Địa chỉ modbus TCP của PLC S7-1200
Bảng 7: Thiết lập các thông số chính cho dữ liệu.


12

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF
Hình 1.2: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa sử dụng hệ thống dây điện
có sẵn
Hình 2.1: Mô hình OSI cho giao thức truyền thông
Hình 2.2: Ghép nối trực tiếp
Hình 2.3: Sơ đồ bộ kích thích (driver) và bộ thu (receiver) RS-485
Hình 2.4: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485
Hình 2.5: Định nghĩa một tải đơn vị
Hình 2.6: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn
Hình 2.7: Cấu hình mạng RS485
Hình 2.8: Dây xoắn đôi

Hình 4.6: Tạo thông số các biến
Hình 4.7: Các tham số đã được thiết lập
Hình 4.8: Đồ thị phụ tải và các thông số của đồng hồ đo
Hình 4.9: Cài đặt điều kiện báo động
Hình 4.10: Giao diện xử lý lỗi
Hình 4.11: Chọn các tham số để lưu trữ dữ liệu


14

Chương 1
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Lý do chọn đề tài

1.1

Năng lượng vừa là ngành sản xuất vừa là ngành kết cấu hạ tầng cho toàn bộ
nền kinh tế - xã hội, là động lực của công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Chính
vì vậy ngành năng lượng có ý nghĩa quan trọng trong tiến trình phát triển bền vững
của kinh tế quốc dân và đời sống dân sinh. Nắm được quy luật hoạt động và kiểm
soát nguồn năng lượng đang sử dụng là điều kiện tiên quyết giúp doanh nghiệp tăng
khả năng cạnh tranh và tối ưu hóa sản xuất. Tuy nhiên đang hiện hữu một thực tế
nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển
kinh tế.
Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm trong sử dụng năng
lượng của từng đơn vị và cá nhân trong xã hội chưa thành tiềm thức, tự giác là các
nguyên nhân dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng của nước ta còn rất thấp. Hiệu
suất sử dụng năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện chỉ đạt 28-32% (thấp hơn
mức trung bình của thế giới chừng 10%). Hiệu suất các lò hơi công nghiệp chỉ đạt
60% (thấp hơn mức trung bình của thế giới khoảng 20%). Trong sản xuất công

tiêu đặt ra đối với quá trình sản xuất và đời sống.
-

Tầm quan trọng của Quản lý năng lượng.

Quản lý năng lượng là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng trong tổ chức của bạn.
Các tổ chức thương mại, công nghiệp và chính phủ, trong những năm gần đây đang
phải chịu những áp lực to lớn về kinh tế và môi trường. Việc nâng cao sức cạnh
tranh về kinh tế trên thị trường toàn cầu và đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng gia
tăng về môi trường nhằm giảm ôi nhiễm môi trường không khí và nguồn nước đã là
các nhân tố ảnh hưởng chính trong hầu hết các quyết định đầu tư về chi phí vốn và
chi phí vận hành trong thời gian gần đây đối với tất cả các tổ chức. Quản lý năng
lượng đã trở thành một công cụ chính giúp cho các tổ chức đạt được những mục
tiêu quan trọng nói trên để duy trì sự tồn tại trong ngắn hạn và đạt được thành công
trong dài hạn của mình.
Quản lý năng lượng giúp cải thiện chất lượng môi trường. Việc sử dụng năng
lượng trong thương mại và công nghiệp là nguyên nhân gây ra khoảng 45% cacbon
điôxit thoát ra từ việc đốt cháy các năng lượng hóa thạch và khoảng 70% sunfur
điôxit thoát ra từ các nguồn cố định. Thông qua Quản lý năng lượng có thể giảm


16

một cách đáng kể lượng cacbon điôxit và sunfur điôxit trong khí quyển và giúp làm
giảm sự nóng lên của toàn cầu và mưa axit.[11]
Quản lý năng lượng giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày
càng trở nên cạn kiệt. Khi tiêu thụ nhiều năng lượng doanh nghiệp sẽ phải đối mặt
với tình trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá năng
lượng dẫn đến ảnh hưởng đến lợi nhuận của tổ chức, bằng việc quản lý năng lượng
doanh nghiệp có thể giảm nguy cơ này bằng cách giảm và kiểm soát nhu cầu năng

Xác định loại nhiễu nào: tăng/ giảm điện áp, sóng hài, xung điện áp…
Duy trì mức tải cho thiết bị hợp lý, tránh trường hợp non hay quá tải.
Đưa ra quyết định đầu tư cho các thết bị cấp nguồn chính xác khi cần mở rộng
nhà máy.
Kiểm soát nguồn năng lượng cung cấp cho dây chuyền sản xuất. Phục vụ công
tác kiểm toán nguồn năng lượng.
1.2 Giới thiệu một số hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa trong
thực tế
Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF

1.2.1

Hình 1.1: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua sóng vô tuyến RF [12]
Hệ thống đọc chỉ số công tơ từ xa bằng sóng vô tuyến RF bao gồm các khối chức
năng sau:
-

Công tơ điện tử có tích hợp tính năng thu phát tín hiệu vô tuyến RF lắp tại
các hộ khách hàng sử dụng điện, có chức năng đo đếm, lưu trữ năng lượng
vào bộ nhớ không dây và truyền về bộ thu thập tín hiệu di động khi nhận
được lệnh.

-

Bộ thu thập tín hiệu di động (Handheld Unit) bao gồm: máy tính cầm tay
(Handheld Unit) được tích hợp module thu phát tín hiệu vô tuyến RF bên


18


Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa qua bộ truyền tải tín
hiệu thông qua đường dây điện.

Hình 1.2: Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng từ xa sử dụng hệ thống dây điện
có sẵn PLC (Power Line Communication ) [13]
Công nghệ đo đếm sử dụng công tơ kỹ thuật số truyền thông trên lưới điện,
sử dụng hệ thống dây điện sẵn có để thu thập và xử lý dữ liệu 01 Concentrator dùng
cho 1000 công tơ điện, với đầu tư ban đầu rất khiêm tốn, quá trình lắp đặt dễ dàng
và nhanh chóng. Dữ liệu từ các thiết bị này được truyền về máy tính trung tâm đặt
tại các Công ty điện lực các huyện, thành phố. Với thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay
(HHU) giúp nhân viên quản lý ngành điện biết đựợc các thông số từ công tơ điện
của khách hàng, đồng thời thiết bị HHU còn được dùng để lập trình và đọc các số
liệu từ các thiết bị tập trung để đưa vào máy tính. Với bộ server chứa các phần mềm
cần thiết cho quá trình vận hành hệ thống. Nó thu nhận dữ liệu từ các bộ tập trung
để sử dụng cho các mục đích quản lý của ngành điện.
Nhận xét: Thiết bị phần cứng còn hạn chế trên thị trường. Các thiết bị vẫn trong thời
gian thử nghiệm, chưa phân phối rộng rãi trên thị trường..


20

Phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.3

Mặc dù các hệ thống có khác nhau nhưng nguyên lý và cấu trúc để hình thành
nên hệ thống quản lý và giám sát năng lượng là giống nhau.
Mỗi hệ thống bao gồm: thiết bị đo điện năng, mạng truyền thông, phần mềm
quản lý và thu thập dữ liệu, trung tâm lưu trữ dữ liệu.
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào 2 yếu tố chính sau. Yếu tố thứ nhất độ


Tìm hiểu bộ chuyển đổi TCP/IP sang RS-232/422/248

-

Truyền thông Modbus, các đặc tính vật lý, nguyên tắc mã hóa dữ liệu, kiểm
tra lỗi, cách quy định địa chỉ…

-

Phần mềm DAQFactory cài đặt và cách sử dụng trong data sheet.

-

Thiết bị đo lường, điều khiển cho phù hợp để sử dụng trong đề tài như đồng
hồ điện, cảm biến lưu lượng, cảm biến siêu âm, PLC…

-

Chế tạo mô hình mô phỏng quá trình, kết nối vận hành hệ thống.

-

Ưu nhược điểm, hướng phát triển của đề tài
Nội dung nghiên cứu

1.5

Để đạt được các mục tiêu trên cần giải quyết các vấn đề sau:
-

được trên các bus thì thường có những tiêu chuẩn để truyền. Tiêu chuẩn này được
gọi là giao thức truyền thông.
Ứng với mỗi đường dây bus cho việc kết nối giữa 2 cấp thì có một giao thức
truyền thông riêng đối với bus trường thông thường người ta sử dụng các giao thức:
profibus, modbus…
Tuy các giao thức truyền thông giữa các lớp là khác nhau nhưng chúng đều
có chung một đặc điểm là tuân theo một mô hình giao thức nhất định. Đó là mô
hình OSI ( Open System Interconnect).
Mô hình OSI quy định trình tự để truyền một đoạn tin giữa 2 thiết bị.


23

7. Application

7. Application
6. Presentation

6. Presentation

5. Session

5. Session

4. Transport

4. Transport

3. Nerwork


24

Một ưu điểm khác của Modbus là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các
phương tiện truyền thông, trong đó có cổng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang,
Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng. Có nghĩa là, kết nối
Modbus có thể được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng.
Modbus/TCP được phát triển, cho phép giao thức Modbus có thể truyền dẫn qua các
hệ thống mạng nền TCP/IP.
2.2. Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp.
2.2.1. Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS-232
RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểmđiểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data Terminal Equipment), như giữa hai máy
tính PC, PLC ... giữa máy tính và máy in hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một
thiết bị truyền dữ liệu (DCE, Data Communication Equipment). Việc truyền dữ liệu
thực hiện nhờ 3 dây TxD, RxD và mass. Tín hiệu được so sánh với mass để phát
hiện sự sai lệch. Điều này khiến cho dữ liệu khó có thể khôi phục lại ở trạm phát.
Chế độ làm việc: chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn
phần (full-duplex), tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng
một lúc. Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn - trong đó hai
dây tín hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất. Với cấu hình tối
thiểu này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của
phần mềm.
Ta còn có thể ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay
(handshake mode) không thông qua modem. Qua việc sử dụng các dây dẫn DTR và
DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo. Trong trường hợp này các chân RTS và
CTS được nối ngắn mạch.


25

Hình 2.2: Ghép nối trực tiếp

± 1,5V
± 1,5V

Max
± 6V
± 5V
± 250mA
30%Ta

-1V

3V
± 200mV
12V

-7V
12kΩ