Thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện cao áp ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại

Nội dung text: Thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện cao áp ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại

1. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Nhiệt Độ Thiết Bị Điện Cao Áp Ứng Dụng Cảm Biến Nhiệt Hồng Ngoại Trần Ngọc Đạt1, Lương Vinh Quốc Danh2 và Trần Nhựt Khải Hoàn2 1Công ty Dịch Vụ Kỹ Thuật Truyền Tải Điện - Trung Tâm Dịch Vụ Kỹ Thuật 4 2Bộ môn Điện tử - Viễn thông, Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ E-mail: tranngdat@gmail.com, lvqdanh@ctu.edu.vn, tnkhoan@ctu.edu.vn Tóm tắt—Trong bài viết này, tác giả đề xuất một giải pháp có chi Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, việc phí thấp để giám sát tự động nhiệt độ mối nối và thiết bị cao áp ứng dụng các hệ thống thông tin, đo lường, điều khiển để tự tại Trạm biến áp ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại. Hệ thống động hóa trong hệ thống điện là một hướng đi tất yếu. Chủ thiết kế gồm có 2 thành phần chính: Nút cảm biến bao gồm cảm trương của ngành điện đang hướng đến Trạm không người trực biến đo nhiệt độ MLX90621 và mô-đun Bluetooth 4.0 lắp đặt gần nhằm nâng cao nâng lực tự động hóa trong vận hành lưới điện. nơi thiết bị cần đo; Bộ thu thập dữ liệu bao gồm mô-đun nhận dữ liệu Bluetooth và mô-đun phát sóng Wi-Fi tạo Web server cho Các công việc thủ công sẽ được thay thế bằng giải pháp tự phép hiển thị và truy xuất dữ liệu nhiệt độ đo đạc thông qua địa động hóa giúp nâng cao năng suất lao động. chỉ IP của Server. Giải pháp đề xuất cho phép nhân viên điều Gần đây, đã có một số giải pháp tiên tiến được giới thiệu để hành Trạm biến áp giám sát nhiệt độ các thiết bị theo thời gian giám sát nhiệt độ thiết bị điện như dùng cảm biến nhiệt gắn thực tại trung tâm vận hành hoặc từ xa qua kết nối internet. Kết trực tiếp lên điểm nối dây dẫn để đo nhiệt độ, kết hợp với bộ quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để tự động hóa việc giám thiết bị phụ trợ kết nối không dây để thu thập dữ liệu (Hình 2) sát nhiệt độ thiết bị vận hành tại Trạm biến áp giúp giảm chi phí [3]. Một giải pháp khác sử dụng cảm biến sóng âm bề mặt công nhân công và nâng cao độ ổn định của mạng lưới cung cấp điện. nghệ SAW (Surface Acoustic Wave) để giám sát nhiệt độ trong Từ khóa- Beacon, Bluetooth, cảm biến nhiệt hồng ngoại, nhiệt các tủ hợp bộ lưới điện 22 kV. Các cảm biến sóng âm này được độ mối nối. lắp đặt trực tiếp tại điểm đo đạc (Hình 3) [4]. Bên cạnh đó, phương pháp sử dụng cảm biến sợi quang lắp đặt trực tiếp lên máy biến áp để đo nhiệt độ cuộn dây cũng đã được nghiên cứu I. GIỚI THIỆU [5]. Các giải pháp nói trên có ưu điểm như: vận hành đơn giản, Trong quá trình vận hành hệ thống truyền tải điện năng tại có khả năng giao tiếp và giám sát qua mạng với các thiết bị phụ các Trạm biến áp, việc giám sát nhiệt độ thiết bị điện cao áp và trợ. Tuy nhiên, mặt hạn chế là việc bảo trì, thay thế khi có hỏng các điểm tiếp xúc dây dẫn là rất quan trọng. Giá trị nhiệt độ này hóc gặp nhiều trở ngại do cảm biến được lắp đặt trực tiếp trên phản ánh nguyên nhân gây ra các sự cố trên hệ thống cung cấp thiết bị điện cao áp. điện như quá tải, điểm tiếp xúc (mối nối) không tốt, gây mất ổn Sự phát triển của công nghệ IoT (internet của vạn vật), định cho hệ thống dẫn đến những thiệt hại nghiêm trọng. Để mạng cảm biến không dây và đặc biệt là kỹ thuật đo nhiệt độ giám sát nhiệt độ thiết bị tại Trạm biến áp, phương pháp được gián tiếp dựa trên bức xạ nhiệt hồng ngoại giúp mang lại những sử dụng chủ yếu hiện tại là dùng các thiết bị cầm tay để đo công cụ hiệu quả phục vụ công tác giám sát nhiệt độ thiết bị nhiệt độ thiết bị gián tiếp như súng đo nhiệt độ bằng tia hồng vận hành trong Trạm biến áp [6]. ngoại [1] và camera chụp ảnh nhiệt [2]. Giải pháp này có ưu điểm là vận hành đơn giản nhưng mặt hạn chế là không thể giám sát nhiệt độ thiết bị liên tục, mất nhiều thời gian và tốn chi phí nhân công. Hình 2. Giám sát nhiệt độ đường dây với cảm biến nhiệt gắn trực tiếp. Hình 1. Đo nhiệt độ máy biến áp 220 kV sử dụng thiết bị đo cầm tay. ISBN: 978-604-80-5076-4 64
2. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Hình 3. Hệ thống giám sát nhiệt độ ứng dụng công nghệ SAW. Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện cao áp. Trong bài viết này, tác giả đề xuất một giải pháp có chi phí thấp để giám sát tự động nhiệt độ mối nối và thiết bị điện cao áp tại Trạm biến áp ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại. Hệ Cảm biến nhiệt hồng ngoại: Cảm biến đo nhiệt độ sử thống thiết kế gồm có 2 thành phần chính: Nút cảm biến bao dụng trong nghiên cứu này là MLX90621 của hãng Melexis gồm cảm biến đo nhiệt độ MLX90621 và mô-đun Bluetooth [8]. Cảm biến đo nhiệt độ dựa trên nguyên lý sử dụng một 4.0 lắp đặt gần nơi thiết bị cần đo; Bộ thu thập dữ liệu bao gồm mảng gồm 16x4 điểm (pixels) cảm biến hồng ngoại để thu mô-đun nhận dữ liệu Bluetooth và mô-đun phát sóng Wi-Fi tạo nhận bức xạ nhiệt hồng ngoại của vật thể với mỗi pixel là một Web server cho phép hiển thị và truy xuất dữ liệu nhiệt độ đo điểm đo riêng biệt (Hình 6). Dữ liệu ngõ ra của cảm biến được đạc thông qua địa chỉ IP của Server. Giải pháp đề xuất cho lưu trữ trong RAM nội và có thể truy cập đến từng pixel thông phép nhân viên điều hành Trạm biến áp giám sát nhiệt độ các qua giao thức I2C. Cảm biến được hiệu chuẩn để đo nhiệt độ thiết bị theo thời gian thực tại trung tâm vận hành hoặc từ xa vật thể trong khoảng từ 500 C đến 3000 C [8]. qua kết nối internet. Động cơ servo: Để có thể đo đạc nhiệt độ tại 3 vị trí của Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần một trạm biến áp bằng 01 cảm biến MLX90621, một động cơ II, tác giả trình bày nội dung thiết kế hệ thống. Phần III trình servo được sử dụng để thay đổi hướng nhìn của cảm biến. Các bày các kết quả đo đạc thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của vị trí cần đo nhiệt độ là 3 mối nối tương ứng với 3 pha của máy giải pháp đề xuất. Cuối cùng, tác giả kết luận bài báo ở phần biến áp. Bo mạch vi xử lý sẽ điều khiển góc quay của động cơ IV. servo tương ứng với vị trí điểm cần đo đạc. Một đèn LED lazer II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG cũng được gắn trên trục quay của động cơ servo với mục đích chỉ thị vị trí điểm đo đạc hiện tại của cảm biến. Hệ thống giám sát nhiệt độ thiết bị điện cao áp đề xuất bao gồm 01 Bộ thu thập dữ liệu và các Nút cảm biến được lắp đặt Mô-đun thu/phát sóng Bluetooth: Một mô-đun Bluetooth tại vị trí thiết bị điện cần giám sát nhiệt độ (Hình 4). Trong 4.0 (còn gọi là Bluetooth Low Energy BLE) được sử dụng để nghiên cứu này, thiết bị điện cần giám sát là các máy biến áp kết nối các nút cảm biến với Bộ thu thập dữ liệu [9,10]. Các 22 kV và Nút cảm biến được lắp đặt cách máy biến áp và các mô-đun Bluetooth được thiết lập chế độ hoạt động theo chuẩn mối nối ở khoảng cách 2 mét. Nút cảm biến được thiết kế để Beacon cho phép các Nút cảm biến truyền dữ liệu về Bộ thu hoạt động bằng nguồn điện từ pin năng lượng mặt trời để thuận thập dữ liệu qua kênh quảng bá (advertising) mà không cần tiện trong việc lắp đặt tại các trạm biến áp. Dữ liệu đo đạc tại thực hiện việc kết nối giữa 2 mô-đun Bluetooth [11,12]. các nút được truyền về Bộ thu thập dữ liệu thông qua giao thức Phương thức này không chỉ giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ Bluetooth Beacon. của nút cảm biến mà còn cho phép đơn giản hóa việc truyền dữ liệu từ các nút cảm biến về Bộ thu thập dữ liệu. 1. Nút cảm biến: Nút cảm biến, có sơ đồ khối được mô tả ở Hình 5, có cấu Lưu đồ giải thuật điều khiển hoạt động của Nút cảm biến tạo gồm 01 bo mạch vi xử lý, 01 cảm biến nhiệt hồng ngoại, 01 được trình bày ở Hình 7. Theo đó, ở thời điểm bắt đầu chương động cơ servo, 01 đèn LED lazer và 01 mô-đun thu/phát sóng trình, động cơ servo được đặt ở vị trí khởi tạo. Sau khoảng thời Bluetooth. gian chờ T giây, động cơ servo quay cảm biến hướng đến vị trí thứ 1 để đo nhiệt độ; sau T giây tiếp theo quay cảm biến đến vị Bo mạch vi xử lý: một kit Arduino Nano [7] được sử trí thứ 2; sau T giây tiếp theo nữa quay đến vị trí 3 để đo nhiệt dụng để điều khiển hoạt động của nút cảm biến. Dữ liệu nhiệt độ. Sau khi thu thập đủ giá trị nhiệt độ của 3 điểm cần đo trên độ đọc từ cảm biến nhiệt hồng ngoại sẽ được truyền về bộ máy biến áp, dữ liệu sẽ được phát lên kênh quảng bá của tín trung tâm thông qua mô-đun thu/phát sóng Bluetooth. hiệu Bluetooth. Sau đó, động cơ servo được đưa về điểm khởi tạo để bắt đầu một chu kỳ mới. ISBN: 978-604-80-5076-4 65
3. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) 2. Bộ thu thập dữ liệu: Sơ đồ khối Bộ thu thập dữ liệu được trình bày ở Hình 8. Một kit ESP8266 NodeMCU [13,14] được sử dụng làm bộ xử lý để nhận và xử lý dữ liệu nhiệt độ từ các Nút cảm biến thông qua 01 mô-đun Bluetooth HM-10 [15]. Mô-đun Bluetooth HM- 10 quét các tín hiệu Beacon để lấy dữ liệu nhiệt độ từ các Nút cảm biến lưu vào thẻ nhớ SD và hiển thị thông tin lên màn hình LCD. Bên cạnh đó, kit ESP8266 cũng được lập trình để thiết lập một Web Server và điểm phát sóng Wi-Fi cho phép các thiết bị di động, máy tính kết nối truy vấn thông tin nhiệt độ Hình 5. Sơ đồ khối Nút cảm biến đo nhiệt độ thiết bị điện. các thiết bị điện. Lưu đồ chương trình điều khiển hoạt động của Bộ thu thập dữ liệu được trình bày ở Hình 9. Theo đó, hệ thống sẽ phát thông tin cảnh báo bằng tiếng còi và màu sắc trên giao diện tương ứng với 2 ngưỡng nhiệt độ được cài đặt trước (trong thí nghiệm này là 600 C và 900 C). Hình 6. Sơ đồ khối chức năng của cảm biến MLX90621 [8]. Ảnh nhỏ: Hình 8. Sơ đồ khối Bộ thu thập dữ liệu. Cảm biến thực tế. Hình 7. Lưu đồ giải thuật điều khiển Nút cảm biến. Hình 9. Lưu đồ giải thuật điều khiển Bộ thu thập dữ liệu. ISBN: 978-604-80-5076-4 66
4. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) III. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Một hệ thống gồm 01 Bộ thu thập dữ liệu và 01 Nút cảm biến đã được thi công để thử nghiệm trong điều kiện thực tế. Mạch điện của Nút cảm biến được đặt trong một hộp kín và được cấp điện bởi 01 bộ nguồn pin năng lượng mặt trời [16] như ở Hình 10. Bộ thu thập dữ liệu tạo điểm phát sóng Wi-Fi nội bộ cho phép truy cập Web server thông qua địa chỉ IP: (Hình 11). Người sử dụng thông qua thiết Hình 12. Giao diện hiển thị nhiệt độ trên thiết bị di động. bị di động có thể truy cập vào địa chỉ IP này để truy xuất giá trị nhiệt độ của thiết bị điện (Hình 12). Bên cạnh đó, dữ liệu nhiệt độ cũng được lưu trữ trên thẻ nhớ SD dưới dạng file Excel (định dạng .csv) như ở Hình 13. Để đánh giá khả năng đáp ứng của giải pháp đề xuất trong điều kiện thực tế, một thí nghiệm đã được thực hiện để đo nhiệt độ của 01 máy biến áp 22 kV đang hoạt động tại Trạm biến áp 220 kV Cần Thơ (Hình 14). Tại thời điểm đo đạc, nhiệt độ môi trường là 280 C, Nút cảm biến được đặt cách điểm đo 2 mét. Một camera chụp ảnh nhiệt FLIR E60 được sử dụng như một chuẩn để so sánh [17]. Kết quả thực nghiệm (Hình 15 và 16) cho thấy số liệu nhiệt độ đo đạc bằng hệ thống đề xuất (370 C) sai lệch so với số liệu đo đạc từ camera ảnh nhiệt FLIR E60 (37.90 C) khoảng 10 C. Khoảng cách truyền / nhận dữ liệu giữa Nút cảm biến và Bộ thu thập dữ liệu đạt khoảng 30 mét và có thể xa hơn khi sử dụng ăng-ten có độ lợi cao. Với kết quả này, hệ thống có thể đáp ứng được các yêu cầu của công tác giám sát nhiệt độ thiết bị điện vận hành tại Trạm biến áp. Hình 13. File dữ liệu nhiệt độ lưu trữ trên thẻ nhớ SD. Hình 10. Mạch điện thực tế của Nút cảm biến. Hình 14. Thí nghiệm đo nhiệt độ máy biến áp 22 kV. Hình 11. Màn hình LCD Bộ thu thập dữ liệu hiển thị địa chỉ kết nối. ISBN: 978-604-80-5076-4 67
5. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Súng đo nhiệt độ bằng hồng ngoại EXTECH 42512. URL: extech-42512-50degc-den-1000degc-2-tia-laser-3179/pr.html, truy cập ngày 21/10/2020. [2] Camera chụp ảnh nhiệt. URL: vn/product/thermal-cameras/ti480- pro?utm_source=GoogleSearch&utm_medium=PPC&utm_campaign =FSEA-IRCameras, truy cập ngày 21/10/2020. Hình 15. Kết quả đo nhiệt độ bằng cảm biến MLX90621. [3] Gao Q., Wang H., Wang H., “Design of the Wireless Temperature Measurement Alarming System in the High-Voltage Transformer Substation”. In: Yan XT., Jiang C., Eynard B. (eds) Advanced Design and Manufacture to Gain a Competitive Edge. Springer, 2008. [4] Wireless SAW temperature sensors. URL: truy cập ngày 21/10/2020. [5] Marcel Nicola et al., “Monitoring System for Power Transformer Windings Hot Spot Temperature Using Fiber Optic Sensors, Kalman Filter and Integration in SCADA System”, American Journal of Signal Processing 2018, 8(2), pages 33-44. [6] Basic principles of non-contact temperature measurement. URL: truy cập ngày 21/10/2020. [7] Arduino Nano. URL: nho-tien-loi-mang-tren-minh-tinh-hoa-cua-arduino-uno, truy cập ngày 21/10/2020. [8] Far infrared sensor array at high speed with low noise. URL: array-high-speed-low-noise, truy cập ngày 21/10/2020. Hình 16. Kết quả đo nhiệt độ bằng camera chụp ảnh nhiệt FLIR E60. [9] Bluetooth Low Energy. URL: truy cập ngày IV. KẾT LUẬN 21/10/2020. [10] WH-BLE103 user manual. URL: Nội dung bài viết đã trình bày việc thiết kế và thử nghiệm một giải pháp có chi phí thấp cho phép giám sát tự động nhiệt V1.0.1.pdf, truy cập ngày 21/10/2020. độ mối nối và thiết bị cao áp trong Trạm biến áp ứng dụng [11] Bluetooth Low Energy – Networking guide. URL: cảm biến nhiệt hồng ngoại và công nghệ truyền thông energy-networking_guide.pdf, truy cập ngày 28/10/2020. Bluetooth Beacon. Giải pháp đề xuất cho phép nhân viên điều [12] Adam Warski, “How do iBeacons work?”. URL: hành Trạm biến áp giám sát nhiệt độ thiết bị cao áp theo thời truy cập gian thực tại chổ hoặc từ xa thông qua kết nối internet. Kết ngày 21/10/2020. quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ đo đạc có sai số khoảng [13] ESP8266 NodeMCU LUA CP2102. URL: 10C so với kết quả đo bằng camera chụp ảnh nhiệt FLIR E60. truy cập ngày Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để tự động hóa việc 21/10/2020. giám sát nhiệt độ thiết bị điện vận hành tại Trạm biến áp giúp [14] Welcome to ESP8266 Arduino core’s documentation. URL: truy cập ngày giảm chi phí nhân công và nâng cao độ ổn định của mạng lưới 21/10/2020. cung cấp điện. Trong thời gian tới, nhóm tác giả sẽ tiếp tục [15] Mạch thu phát Bluetooth 4.0 UART CC2541 HM-10. URL: nghiên cứu hoàn thiện các chức năng của hệ thống hướng tới việc triển khai sử dụng trong thực tế. chon, truy cập ngày 21/10/2020. [16] Pin năng lượng mặt trời solar panel 9V/2W. URL: truy cập ngày 21/10/2020. [17] FLIR E60. URL: truy cập ngày 21/10/2020. ISBN: 978-604-80-5076-4 68