Xây dựng khối đo lường, giám sát nhấp nháy điện áp cho thiết bị đo chất lượng điện năng dựa trên máy tính cá nhân

4 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan bản luận văn cao học với đề tài: “Xây dựng khối đo lường, giám sát nhấp nháy điện áp cho thiết bị đo chất lượng điện năng dựa trên máy tính cá nhân”

1

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Xuân Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Điện, thư viện Tạ Quang Bửu, cùng các giảng viên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn tôi trong khóa học và hoàn thành đề tài này

Để có được ngày hôm nay tôi không thể không nhắc đến công ơn, tình cảm của những người thân trong gia đình đã tạo một hậu phương vững chắc giúp tôi yên tâm hoàn thành công việc và nghiên cứu của mình

Cuối cùng tôi xin gửi tới toàn thể bạn bè, đồng nghiệp lời biết ơn chân thành về những tình cảm tốt đẹp cùng sự giúp đỡ quý báu mà mọi người đã dành cho tôi trong suốt thời gian gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài này

Tác giả Nguyễn Việt Cường

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 Giới thiệu chung 10

1.1 Giới thiệu chung về chất lượng điện năng 10

1.1.1 Phân loại các hiện tượng chất lượng điện năng 10

1.1.1.1 Quá độ 11

1.1.1.2 Biến đổi điện áp ngắn hạn 12

1.1.1.3 Biến đổi điện áp dài hạn 12

1.1.1.4 Mất cân bằng điện áp 13

1.1.1.5 Biến dạng sóng điện áp 13

1.1.1.6 Dao động điện áp 15

1.1.2 Hiện tượng chớp nháy điện áp 15

1.1.2.1 Định nghĩa hiện tượng chớp nháy điện áp 15

1.1.2.2 Nguyên nhân 16

1.1.2.3 Các ảnh hưởng của chớp nháy điện áp 17

1.2 Lý do cần giám sát các hiện tượng về chất lượng điện năng 18

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn 20

Chương 2 Đo lường hiện tượng chớp nháy điện áp 24

(Flicker measurement ) 24

2.1 Các nghiên cứu về hiện tượng chớp nháy điện áp 24

3

2.2 Đo lường hiện tượng chớp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEC 25

2.2.1 Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn IEC IEC 61000-4-15 27

2.2.2 Các khối chức năng của thiết bị đo lường chớp nháy điện áp 28

2.2.2.1 Khối 1: Biến đổi điện áp ( input voltage adaptation ) 29

2.2.2.2 Khối 2: Tách thành phần dao động điện áp ( spuaring multiplier ) ……… 29

2.2.2.3 Khối 3: Lọc các tín hiệu hữu ích ( Filter ) 30

2.2.2.4 Khối 4 : Mô phỏng quan hệ mắt-não người ( Non-linear variance estimator ) 32

2.2.2.5 Khối 5 : Khối tính toán thống kê ( statistical calculation block ) 35 Chương 3 Xây dựng khối giám sát hiện tượng chớp nháy điện áp dựa trên nền tảng phần mềm Labview 39

3.1 Giới thiệu phần mềm Labview 39

3.2 Xây dựng khối giám sát hiện tượng chớp nháy điện áp bằng Labview 41

Chương 4 Mô phỏng kiểm nghiệm và đánh giá kết quả 50

4.1 Phương thức đánh giá khối đo nhấp nháy điện áp đã xây dựng 50

4.2 Khối tạo tín hiệu thử nghiệm 53

4.3 Kết quả mô phỏng 54

4.3.1 Mô phỏng với biên dạng dao động điện áp theo hình sin 54

4.3.2 Mô phỏng với biên dạng dao động điện áp theo dạng xung vuông 56 4.4 Kết luận 57

4.5 Đề xuất nghiên cứu trong tương lai 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

4

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan bản luận văn cao học với đề tài: “Xây dựng khối đo lường, giám sát nhấp nháy điện áp cho thiết bị đo chất lượng điện năng dựa trên máy tính cá nhân” hoàn toàn do tác giả tự làm và các kết quả chưa từng

được công bố trong các tài liệu nào khác

Tác giả có tham khảo một số tài liệu được ghi trong mục “Tài liệu tham khảo”

Tác giả luận văn

Nguyễn Việt Cường

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.1 Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp 10 Bảng 1.1.2 Giới hạn độ biến dạng sóng hài điện áp 14 Bảng 1.3.1 So sánh ưu, nhược điểm của hai loại thiết bị đo 23 Bảng 2.4.1 Qui định về tần số và mức độ dao động điện áp chu kỳ hình sin gây ra giá trị Pinst,max=1 34

Bảng 4.1.1 Đáp ứng của thiết bị đo nhấp nháy điện áp với biên dạng dao động điện áp hình sin (áp dụng với hệ 230V/50Hz) Giá trị đầu ra của khối đo là 1 51

Bảng 4.1.2 Đáp ứng của thiết bị đo nhấp nháy điện áp với biên dạng dao động điện áp xung vuông (áp dụng với hệ 230V/50Hz) Giá trị đầu ra của khối đo là 1 52 Bảng 4.3.1 Kết qủa thử nghiệm với biên dạng dao động hình sin 55 Bảng 4.3.2 Kết qủa thử nghiệm với biên dạng dao động dạng xung vuông 56

6

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.1 Dao động điện áp và hiện tượng nhấp nháy do cường độ sáng thay đổi

16

Hình 1.3.1 Thiết bị đo lường chất lượng điện năng của hãng Fluke 21

Hình 1.3.2 Cấu trúc điển hình của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC 22

Hình 1.3.3 Giao diện thiết bị đo lường ảo do người sử dụng tự tạo 22

Hình 2.1.1 Ví dụ của nhấp nháy điệp áp chu kỳ 25

Hình 2.3.1 Đường cong nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEEE 141 và 519 27

Hình 2.4.1 Các khâu của thiết bị đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEC 28

Hình 2.4.2 Phương thức tính toán mức độ nhấp nháy điện áp ngắn hạn Pst 36

Hình 2.4.3 Ví dụ về giá trị nhấp nháy điện áp ngắn hạn đo tại thanh góp cấp điện cho lò hồ quang 38

Hình 3.2.1 Sơ đồ khối của khối đo lường nhấp nháy điện áp 41

Hình 3.2.2 Giao diện khối đo lường nhấp nháy điện áp trên máy tính 42

Hình 4.2.1 Giao diện của khối tạo dao động điện áp 53

Hình 4.2.2 Dạng sóng điện áp phát ra và kết quả đo Pinst tương ứng 54

Hình 4.2.3 Đồ thị nhấp nháy điện áp với biên dạng dao động hình sin …….….55

Hình 4.3.4 Đồ thị nhấp nháy điện áp với biên dạng dao động hình chữ nhật 57

Lịch sử nghiên cứu

Hiện tượng nhấp nháy điện áp đã được thế giới nghiên cứu từ khá lâu (từ những năm đầu thế kỷ 20) và các tổ chức như IEEE và IEC đã đặt ra các tiêu chuẩn để đo lường đánh giá hiện tượng này Tại Việt Nam các nghiên cứu hiện mới dừng ở mức giới thiệu về hiện tượng và chuẩn đánh giá, tuy nhiên còn thiếu

các phân tích chi tiết về các chuẩn này

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu về hiện tượng nhấp nháy điện áp (flicker) cùng với các nguyên nhân và ảnh hưởng của hiện tượng này Phần chính của luận văn sẽ mô tả chi tiết phương pháp đánh giá, đo lường hiện tượng này dựa theo tiêu chuẩn IEC và xây dựng khối đo lường sử dụng trên máy tính cá nhân bằng phần mềm Labview

Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản

Mục tiêu chính của luận văn bao gồm:

 Tìm hiểu và phân loại các các hiện tượng về chất lượng điện năng

 Đi sâu nghiên cứu về hiện tượng nhấp nháy điện áp: nguyên nhân, ảnh hưởng của hiện tượng này và phương pháp đo lường giám sát theo các tiêu chuẩn IEC hiện hành

8

 Xây dựng khối đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp dựa trên nền phần mềm Labview, với mục tiêu để biến máy tính cá nhân thành thiết bị giám sát chất lượng điện năng

Để thực hiện các nội dung này thì luận văn được chia làm 4 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung

Giới thiệu khái niệm chất lượng điện năng và các hiện tượng chất lượng điện thường gặp Phân tích nguyên nhân, ảnh hưởng của hiện tượng nhấp nháy điện áp tới hệ thống điện cũng như thiết bị điện Lý do cần giám sát các hiện tượng về chất lượng điện năng

Chương 2: Đo lường hiện tượng chớp nháy điện áp ( flicker measurement)

Đề cập tới các nghiên cứu về hiện tượng nhấp nháy điện áp, kèm theo là tiêu chuẩn IEC 61000-4-15 qui định về đo lường, đánh giá hiện tượng này

Chương này cũng đi phân tích chi tiết về các khối cần xây dựng khi thực hiện việc đo lường nhấp nháy điện áp

Chương 3: Xây dựng khối giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp dựa trên nền tảng phần mềm Labview

Giới thiệu khái quát về các đặc điểm của phần mềm Labview, cũng như thế mạnh của phần mềm này trong việc xây dựng các thiết bị đo lường, giám sát dựa trên nền tảng máy tính cá nhân (PC)

Sơ đồ chi tiết của khối giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp thực hiện bằng phần mềm Labview cũng sẽ được phân tích cụ thể trong chương này

9

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả

Thực hiện việc mô phỏng các nhấp nháy điện áp như tín hiệu đầu vào để kiểm tra sự hoạt động của khối đo lường đã được thực hiện Đánh giá kết quả và

đề xuất các vấn đề cần nghiên cứu trong tương lai

Các đóng góp mới của tác giả

Tác giả đã đi sâu nghiên cứu và làm rõ vai trò chức năng của từng khâu trong toàn bộ qui trình đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEC Đây là một hướng hầu như chưa được đề cập tới trong các tài liệu về chất lượng điện năng ở Việt Nam Thêm vào tác giả đã xây dựng được khối đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp dựa trên phần mềm Labview với mục đích sử dụng máy tính cá nhân như một công cụ đo các hiện tượng chất lượng điện năng

10

Chương 1 Giới thiệu chung

1.1 Giới thiệu chung về chất lượng điện năng

Khái niệm chất lượng điện năng được áp dụng vào rất nhiều các hiện tượng điện từ trong hệ thống điện Việc ứng dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử càng làm tăng sự quan tâm về chất lượng điện năng và đi kèm với đó là xác định các thuật ngữ để phân loại các hiện tượng chất lượng điện năng

1.1.1 Phân loại các hiện tượng chất lượng điện năng

Theo tiêu chuẩn IEEE 1159 – 1995, các hiện tượng điện từ trong hệ thống điện liên quan đến việc đánh giá chất lượng điện năng được phân loại như sau (1):

Bảng 1.1.1 Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp

Phân loại Dải tần Thời gian tồn tại Biên độ Quá độ

Tần số trung bình 5 – 500 kHz 20 micro giây 0 – 8 pu

Tần số cao 0,5 – 6 MHz 5 micro giây 0 – 4 pu

Biến đổi ngắn hạn

Biến đổi tức thời

11

Biến đổi dài hạn

Điện áp không cân

Khái niệm quá độ đã được dùng trong việc phân tích những biến đổi trong

hệ thống điện nhằm biểu thị những sự kiện xảy ra tạm thời trong quá trình chuyển đổi từ trạng thái ổn định ban đầu sang một trạng thái khác ổn định khác hoặc sang trạng thái mất ổn định Hiện tượng quá độ có thể được chia thành hai loại: quá độ xung và quá độ dao động

Quá độ xung là sự thay đổi tức thời theo một chiều (dương hoặc âm) với

tần số khác tần số điện ở trạng thái ổn định (50Hz, 60 Hz) Đặc trưng của quá độ xung là độ dốc đầu sóng và thời gian suy giảm Nguyên nhân chủ yếu của quá độ xung là sét đánh vào đường dây Ngoài ra, việc đóng cắt các phụ tải cũng có thể gây nên quá độ xung

Quá độ dao động là sự thay đổi tức thời theo cả hai chiều (dương hoặc

âm) với tần số khác tần số điện ở trạng thái ổn định Quá độ dao động đặc trưng

12

bởi tần số dao động, khoảng thời gian tồn tại và độ lớn Có thể chia thành dao động tần số thấp, tần số trung bình và tần số cao

1.1.1.2 Biến đổi điện áp ngắn hạn

Biến đổi ngắn hạn được quy định cho những biến đổi với thời gian nhỏ hơn 1 phút Đối với các biến đổi ngắn hạn, tuỳ theo độ dài thời gian có thể phân loại nhỏ hơn thành biến đổi tức thời, biến đổi chốc lát, biến đổi tạm thời như ở bảng 1.1 Biến đổi ngắn hạn gây ra bởi các sự cố trong hệ thống điện Tuỳ thuộc vào điều kiện sự cố có thể dẫn đến sụt điện áp, tăng điện áp hoặc gián đoạn điện

áp ngắn hạn

Các hiện tượng nêu trên xảy ra trong thời gian ngắn nên rất khó xác định

để đánh giá chất lượng điện áp Sự biến đổi điện áp ngắn hạn sẽ gây ảnh hưởng đến sự làm việc của các thiết bị điều khiển, điện tử, đặc biệt là máy tính kỹ thuật

số

1.1.1.3 Biến đổi điện áp dài hạn

Biến đổi dài hạn liên quan đến sự lệch điện áp so với giá trị hiệu dụng tại tần số công nghiệp với thời gian lớn hơn 1 phút Biến đổi dài bao gồm quá điện

áp, kém điện áp và gián đoạn điện áp Đặt nấc phân áp của máy biến áp không đúng gây ra quá áp, kém áp Quá tải đường dây cũng gây ra điện áp thấp, vận hành non tải đường dây siêu cao áp cũng gây ra điện áp cao Ảnh hưởng của kém

áp và quá áp đối với các thiết bị dùng điện là rõ ràng Các thiết bị dùng điện đều được thiết kế để làm việc ở một dải điện áp hiệu dụng nhất định, nếu vượt ra ngoài dải này có thể gây ra sự làm việc không đúng hoặc hư hỏng thiết bị điện Gián đoạn điện áp liên quan đến việc mất điện và cần phải có sự can thiệp của con người để khôi phục lại Thời gian và số lần gián đoạn thường được thông kê

để đánh giá độ tin cậy cung cấp điện

áp chủ yếu là do tải của 3 pha không đều nhau

Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết

bị dùng điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng

1.1.1.5 Biến dạng sóng điện áp

Có 5 loại biến dạng sóng:

1 Biến dạng do thành phần một chiều (dc offset) trong điện áp hoặc dòng điện

xoay chiều Thành phần này xuất hiện do ảnh hưởng của các chỉnh lưu nửa chu kỳ Thành phần một chiều trong dòng xoay chiều có thể có những ảnh hưởng bất lợi như làm cho lõi từ của máy biến áp bị bão hoà trong chế độ làm việc bình thường dẫn đến phát nóng và tăng tổn thất máy biến áp cũng như giảm tuổi thọ máy biến áp Thành phần một chiều còn gây nên sự ăn mòn điện phân của các cực nối đất và các mối nối

2 Sóng hài bậc cao (harmonics) là sóng điện áp hoặc dòng điện hình sin với tần

số là số nguyên lần tần số công nghiệp Sóng bị biến dạng có thể phân tích thành tổng của sóng tần số cơ bản và các sóng hài bậc cao Biến dạng hài xuất phát từ đặc tính phi tuyến của các thiết bị và phụ tải trong hệ thống điện Mức độ biến dạng hài được mô tả bởi toàn bộ phổ hài với biên độ và góc pha của từng thành phần hài

Để đánh giá mức độ méo sóng do thành phần hài thường dùng khái niệm tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (dòng điện) (THDV; THDi) là tỷ lệ của giá trị điện áp (dòng điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (dòng điện)

THDv, THDi : là tổng biến dạng sóng hài điện áp, dòng điện;

Vi, Ii: là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại sóng hài bậc i, i = 2, 3…

V1, I1 : là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz)

Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn, qui định tại các Thông tư số 12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 tháng

4 năm 2010 và Thông tư số 32/2010/TT-BCT ban hành ngày 30 tháng 7 năm

2010 như sau:

Bảng 1.1.2 Giới hạn độ biến dạng sóng hài điện áp

Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ

3 Hài đa tần (interharmonics) là những sóng hài có tần số không phải là số

nguyên lần của tần số công nghiệp Sóng hài loại này thường sinh ra bởi các

15

bộ biến đổi tĩnh, các bộ biến đổi chu kỳ, các động cơ cảm ứng và các thiết bị

hồ quang Các tín hiệu tải ba (PLC) có thể được coi là hài không nguyên

4 Xung nhọn xuất hiện chu kỳ là nhiễu loạn điện áp có tính chu kỳ, có dạng

hình V gây ra sự làm việc không bình thường của các thiết bị điện tử công nghiệp, do các thiết bị điện tử công suất sinh ra (khi các thyristor chuyển mạch) Do biến dạng hình V xuất hiện liên tục nên có thể được đặc trưng bởi

1 phổ hài Tuy nhiên, nó thường được xem là 1 trường hợp riêng Tần số của biến dạng này thường rất cao và cũng ít có thiết bị để đo thành phần này

5 Do các thành phần khác là những tín hiệu điện không mong muốn với dải tần

nhỏ hơn 200 kHz, xuất hiện ký sinh trong sóng điện áp và dòng điện Các thiết bị gây nên biến dạng này gồm: các thiết bị điện tử công nghiệp, các thiết

bị hồ quang… Các biến dạng lan truyền gây nhiễu loạn các thiết bị điện tử như các bộ điều khiển lập trình hoặc các bộ vi xử lý Có thể loại trừ bằng các

bộ lọc, biến áp cách ly…

1.1.1.6 Dao động điện áp

Dao động điện áp là sự biến đổi có tính hệ thống của giá trị biên độ điện

áp hoặc một loạt sự thay đổi ngẫu nhiên của điện áp, có biên độ biến thiên trong khoảng 0,9 – 1,1 pu Những thiết bị dùng điện có sự biến đổi liên tục và nhanh chóng về dòng điện có thể gây nên biến đổi điện áp được gọi là sự nhấp nháy Khái niệm độ nhấp nháy xuất phát từ ảnh hưởng của dao động điện đối với bóng đèn điện mà mắt người có thể cảm nhận được Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do các lò hồ quang

1.1.2 Hiện tượng chớp nháy điện áp

1.1.2.1 Định nghĩa hiện tượng chớp nháy điện áp

Dao động điện áp là những biến đổi có tính hệ thống của biên độ dạng sóng điện

áp Nhìn chung, những biến đổi này nằm trong khoảng từ 0,1% đến 7% điện áp danh định với tần số dưới 25 Hz Hiện tượng này gây ra nhấp nháy về ánh sáng

16

phát ra của các đèn chiếu sáng và được gọi chung là hiện tượng nhấp nháy điện

áp Hiện tượng nhấp nháy điện áp có thể gây ra khó chịu cho người đang làm việc hay không tùy thuộc rất nhiều vào biên độ dao động điện áp cũng như tần số biến đổi của điện áp này

Dao động điện áp và nhấp nháy điện áp là hai thuật ngữ khác biệt về mặt kỹ thuật, nhưng thường có sự nhầm lẫn khi dùng hai thuật ngữ này

Tuy nhiên, dao động điện áp và hiện tượng nhấp nháy có liên quan mật thiết với nhau Có thể coi nhấp nháy điện áp là hệ quả của dao động điện áp với một tần số thích hợp vì dao động điện áp làm cường độ chiếu sáng thay đổi (Hình 1.1.1) Trên thực tế, những biến đổi điện áp với biên độ thấp đến 0,5% có thể làm phát sinh hiện tượng nhấp nháy và gây khó chịu nếu tần số biến đổi nằm trong phạm

vi từ 6Hz đến 8 Hz

1.1.2.2 Nguyên nhân

Nguyên nhân của hiện tượng nhấp nháy điện áp bắt nguồn từ quá trình dao động điện áp Quá trình dao động điện áp có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau, ví dụ do các phụ tải lớn có dòng điện tiêu thụ thay đổi liên tục, nhanh chóng Một số ví dụ về các tải này là:

Hình 1.1.1 Dao động điện áp và hiện tượng nhấp nháy do cường độ sáng thay đổi

1.1.2.3 Các ảnh hưởng của chớp nháy điện áp

Hiện tượng nhấp nháy được coi là tác động lớn nhất của dao động điện áp

vì nó có thể tác động đến môi trường sản xuất bằng cách gây mệt mỏi cho người làm việc và làm giảm mức độ tập trung trong công việc Thêm vào đó, dao động điện áp có thể khiến thiết bị điện và điện tử chịu tác động có hại có thể làm gián đoạn quá trình sản xuất với mức chi phí thiệt hại tương đối cao

Chỉ số đánh giá độ nhấp nháy điện áp được chia ra các cấp (ký hiệu bằng chữ P – Perceptibility Index):

 Chỉ số đánh giá độ nhấp nháy tức thời Pins

 Chỉ số đánh giá độ nhấp nháy ngắn hạn PST (tính trong khoảng thời gian

18

1.2 Lý do cần giám sát các hiện tượng về chất lượng điện năng

Nhu cầu về giám sát chất lượng điện năng (điện áp và dòng điện) ngày càng tăng do các dây chuyền, thiết bị công nghiệp ngày càng phụ thuộc vào chất lượng của nguồn điện cung cấp Sự cần thiết của việc giám sát chất lượng điện năng thể hiện qua các mục tiêu sau đây (2):

 Giám sát để phân tích đặc tính của hệ thống

Đây là một trong những mục tiêu phổ biến nhất Trong thị trường điện cạnh tranh, các đơn vị bán điện cần hiểu rõ đặc tính của hệ thống để cung cấp dịch vụ với chất lượng đáp ứng yêu cầu, nâng cao khả năng cạnh tranh Nắm bắt rõ đặc tính hệ thống cũng giúp nhanh chóng xác định các vấn đề phát sinh và gửi thông tin đến khách hàng để họ có thể sử dụng các thiết bị với đặc tính kỹ thuật phù hợp với đặc tính của hệ thống

 Giám sát để đặc tính hóa các vấn đề cụ thể

Các nhà quản lý hoặc qui hoạch cũng cần nắm bắt các vấn đề về chất lượng điện năng phát sinh tại các điểm cụ thể để có thể đưa ra các qui hoạch hoặc cấu hình vận hành hợp lý

 Giám sát để nâng cao chất lượng dịch vụ

Trong thị trường điện cạnh tranh, các nhà cung cấp điện có thể đưa ra nhiều mức độ khác nhau của dịch vụ, đi kèm đó là giá bán điện tương ứng Với các khách hàng quan trọng, nhà cung cấp có thể đảm bảo cấp điện với độ tin cậy và chất lượng điện năng cao, tuy nhiên giá bán điện cũng được tính tương xứng Trong những trường hợp này việc giám sát chất lượng điện năng là quan trọng để đảm bảo rằng hợp đồng đã được thực hiện đúng

 Giám sát để đưa ra kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng hợp lý

Dữ liệu giám sát chất lượng điện năng trong khoảng thời gian đủ dài có thể sử dụng để cung cấp thông tin về thiết bị đang vận hành Ví dụ, hiện tượng phóng điện lặp lại có thể là chỉ báo của cáp điện đang bị xuống cấp, đóng cắt bộ tụ nhiều lần liên tục có thể là chỉ báo của hư hỏng trong thiết bị tự động đóng/cắt

19

các bộ tụ Phân tích các hiện tượng này có thể giúp nhanh chóng bảo dưỡng khắc phục các vấn đề trước khi nó trở nên trầm trọng hơn

Việc giám sát có thể cần thiết thực hiện tại điểm đấu nối ở lưới hạ áp, trung áp và

kể cả giám sát trên lưới điện cao áp Mục đích của việc giám sát tại các vị trí này

có thể khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu như sau:

 Giám sát tại các thiết bị

Việc giám sát tại thiết bị giúp xác định chính xác chất lượng điện năng đang sự dụng Các dữ liệu của quá tình giám sát còn giúp cho việc phân tích các vấn đề phát sinh Khoảng thời giam giám sát có thể thay đổi tùy theo mục đích nghiên cứu, ví dụ giám sát chất lượng điện năng cần khoảng thời gian theo dõi ít nhất một tuần, tuy nhiên với các hiện tượng quá độ điện áp chỉ cần giám sát trong khoảng thời gian đóng cắt thiết bị Trường hợp đầu tiên thiết bị

đo lường cần đo được giá trị hiệu dụng giá trị trung bình, trường hợp thứ hai thiết bị đo bắt buộc phải ghi được dạng sóng

Việc giám sát tại một thiết bị đơn lẻ trong nhiều trường hợp cũng là cần thiết do các lý do sau đây:

 Kiểm tra chất lượng điện áp & dòng điện (xác định hệ số quá tải cho phép)

 Phân tích dòng công suất phục vụ cho việc thương thảo hợp đồng mua bán điện

 Nắm bắt, giám sát các xu hướng biến đổi của chất lượng điện năng

 Phân tích các vấn đề (nếu có) đối với việc lắp đặt thiết bị

 Giám sát chất lượng điện năng trên lưới điện

Lý do cần thiết cho việc giám sát chất lượng điện năng trên lưới điện hoàn toàn tương tự như với việc giám sát tại các thiết bị Ngoài ra còn thêm các lý

do khác như:

 Giám sát chất lượng điện năng của lưới điện phục vụ cho việc vận hành lưới được tốt hơn

20

 Phục vụ cho công tác qui hoạch, xác lập cấu hình lưới để giám thiểu các hiện tượng xấu về chất lượng điện năng

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu của luận văn là xây dựng được khối giám sát chất lượng điện áp,

cụ thể là hiện tượng nhấp nháy điện áp (Flicker) dựa trên phần mềm Labview Khối giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp sẽ cho phép biến máy tính trở thành thiết bị đo lường các hiện tượng chất lượng điện năng (kết hợp bộ chuyển đổi A/D và các cảm biến dòng, áp) tương tự như các thiết bị chuyên dụng

Lý do lựa chọn xây dựng thiết bị giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp trên nền tảng máy tính cá nhân là do thiết bị sẽ có nhiều ưu điểm hơn trên quan điểm của người sử dụng, khả năng tùy biến tốt Các so sánh cụ thể hơn được thể hiện ở phần sau đây (3)

a Thiết bị đo lường giám sát chất lượng điện năng chuyên dụng

Các thiết bị giám sát chất lượng điện năng sử dụng phổ biến hiện nay thường do các nhà sản xuất như Fluke, Hioki chế tạo Sơ bộ các thiết bị này có thể phân loại như sau

 Các thiết bị đo lường cho hệ thống nối đất

 Các đồng hồ vạn năng

 Các máy hiện sóng

 Các thiết bị phân tích nhiễu loạn (distubances)

 Các thiết đo và phân tích sóng hài, phổ tần

 Thiết bị phân tích kết hợp cả sóng hài và các nhiều loạn khác

 Thiết bị đo và giám sát hiện tượng nhấp nháy điện áp

 Thiết bị đo và giám sát điện năng…

Các thiết bị này tùy theo nhu cầu, có thể là dạng lặp đặt cố định phục vụ cho mục đích đo lường dài hạn với dung lượng lưu trữ lớn, hoặc có thể là các thiết bị xách tay phục vụ cho công tác chuẩn đoán sơ bộ hoặc đo lường ngắn hạn

21

Nhược điểm: Các thiết bị này được chế tạo chuyên dụng với từng mục đích cụ

thể, và do vậy đây cũng chính là nhược điểm khi người sử dụng hoàn toàn lệ thuộc vào nhà sản xuất trong việc thay đổi tính năng, thay đổi tùy biến Mặc khác dung lượng lưu trữ của các thiết bị này thường bị hạn chế, thiết bị với dung lượng cao thường có giá thành rất đắt, không phù hợp để triển khai lắp đặt trên diện rộng

b Thiết bị giám sát chất lượng điện năng dựa trên máy tính cá nhân

Thiết bi đo lường dựa trên nền tảng máy tính cá nhân thường còn được gọi

là thiết bị đo lường ảo (Virtual Instrument) Các tính năng của thiết bị do người

sử dụng tự tạo ra, dung lượng lưu trữ chỉ phụ thuộc vào dung lượng của máy tính Tốc độ xử lý của các thiết bị đo lường ảo được cải thiện đáng kể do bộ vi xử

lý của máy tính có tốc độ cao, năng lực xử lý vượt trội so với các bộ vi xử lý dùng trong các thiết bị chuyên dụng

Một ưu điểm nữa của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC là khả năng truy cập, sử dụng hệ thống mạng Internet trong việc giám sát từ xa, truyền dữ liệu cần thiết về các trung tâm giám sát Các thiết bị này còn có khả năng triển khai trên diện rộng với giá thành hợp lý

Hình 1.3.1 Thiết bị đo lường chất lượng điện năng của hãng Fluke

Thiết bị giám sát kiểu xách tay

(Fluke 434)

Thiết bị giám sát kiểu lắp đặt cố định

(Fluke 1570)

22

Cấu trúc điển hình của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC thể hiện trên hình 1.3.2

So sánh chi tiết của hai loại thiết bị đo lường được thể hiện ở Bảng 1.3.1

Hình 1.3.2 Cấu trúc điển hình của thiết bị đo lường ảo dựa trên nền tảng PC

Hình 1.3.3 Giao diện thiết bị đo lường ảo do người sử dụng tự tạo

23

Bảng 1.3.1 So sánh ưu, nhược điểm của hai loại thiết bị đo

Thiết bị chuyên dụng truyền thống Thiết bị ảo

Các chức năng được cụ thể hóa bởi nha

sản xuất, khả năng kết nối hạn chế

Hệ thống hướng ứng dụng với khả năng kết nối tới mạng, thiết bị ngoại vi và các ứng dụng

Phần cứng đóng vai trò quyết định Phần mềm quyết định tính năng của thiết

bị Chi phí tương đối cao Chi phí thấp, có thể tái sử dụng

Tính năng cố định Tính năng linh hoạt do người dùng tự tạo Vòng đời công nghệ dài (5-10 năm) Vòng đời công nghệ ngắn (1-2 năm) Chi phí phát triển và bảo trì cao Phần mềm giúp hạn chế tối đa chi phí phát

triển và bảo trì

2.1 Các nghiên cứu về hiện tượng chớp nháy điện áp

Dao động điện áp là những biến đổi có tính hệ thống của biên độ dạng sóng điện áp với tần số nhỏ hơn tần số công nghiệp 50Hz Nếu những dao động điện áp này diễn ra với tần số trong dải từ 0,005Hz ÷ 35Hz sẽ dẫn tới nhấp nháy của ánh sáng mà mắt người có thể cảm nhận được (4) Hiện tượng dao động độ sáng của đèn mà mắt người có thể cảm nhận gọi là hiện tượng nhấp nháy điện

áp Hiện tượng nhấp nháy điện áp có thể gây ra khó chịu cho người đang làm việc hay không tùy thuộc rất nhiều vào biên độ dao động điện áp cũng như tần số biến đổi của điện áp này Ngòai ra mức độ gây khó chịu của nhấp nháy điện áp cũng phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài cũng như phụ thuộc vào thể trạng sinh học của mỗi người

Nhấp nháy điện áp có thể chia ra loại có chu kỳ hoặc không chu kỳ tùy theo loại dao động điện áp Ví dụ của nhấp nháy điện áp chu kỳ thể hiện trên Hình 2.1.1

Mức độ dao động điện áp xét trong hiện tượng nhấp nháy điện áp thường được thể hiện bằng phần trăm (%) theo điện áp định mức Do sử dụng tỷ lệ phần trăm (hệ đơn vị tương đối) nên không cần đề cập tới đó là điện áp đỉnh, điện áp hiệu dụng, điện áp pha…công thức tính như sau:

: mức độ dao động điện áp gây ra nhấp nháp điện áp

 V max: điện áp lớn nhất của dao động điện áp

 V min: điện áp nhỏ nhất của dao động điện áp

 V dm: điện áp định mức của mạng điện

2.2 Đo lường hiện tượng chớp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEC

Các nghiên cứu về nhấp nháp điện áp đã diễn ra từ những năm 1900, tuy nhiên các cố gắng để xây dựng một tiêu chuẩn đánh giá mới chỉ bắt đầu khoảng từ những năm 1937 (5) Các nghiên cứu ban đầu đã cố gắng lập ra một giới hạn gọi

là đường cong nhấp nháy điện áp (theo tiêu chuẩn IEEE) Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm rất nhiều nhấp nháy với biên độ và tần số khác nhau do bóng đèn sợi đốt loại 60W phát ra Những người tham gia thí nghiệm báo cáo lại về cảm giác của họ đối với các nhấp nháy khác nhau Có các mức độ báo cáo như không trông thấy nhấp nháy; có nhìn thấy nhấp nháy nhưng không thấy khó chịu; và có trông thấy nhấp nháy và có cảm thấy khó chịu

Hình 2.1.1 Ví dụ của nhấp nháy điệp áp chu kỳ

Đường cong nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEEE đã được sử dụng trong nhiều năm, tuy nhiên tiêu chuẩn đánh giá nhấp nháy điện áp của IEC ra đời với nhiều ưu điểm hơn đã dần được sử dụng rộng rãi

Theo phương pháp này thì hiện tượng nhấp nháy điện áp được đánh giá dựa theo theo giá trị hiệu dụng của điện áp, chế độ vận hành của tải và đường cong nhấp nháy điện áp được xây dựng sẵn

Tiêu chuẩn IEEE 141-1993 và IEEE 519-1992 đưa ra các đường cong để người

sử dụng có thể căn cứ vào đó đánh giá mức độ trầm trọng của hiện tượng nhấp nháy điện áp

Chi tiết của đường cong nhấp nháy điện áp được thể hiện trong Hình 2.2.1

27

Căn cứ theo đường cong này có thể thấy rằng khi độ lệch điện áp (giá trị hiệu

dụng) vượt tới mức 9V (tương đương với tỷ số ∆V/V=±8% với lưới điện 120V

của Mỹ) thì ngăn lộ cấp điện sẽ chịu hiện tượng nhấp nháy điện áp Ở đây khi mức lệch điện áp lớn hơn 7V thì hiện tượng nhấp nháy điện áp hầu như không còn phụ thuộc vào tần số nữa, người sử dụng chắc chắn cảm nhận được hiện tượng này.

Nhận xét: Phương pháp đánh giá dựa trên đường cong nhấp nháy điện áp

khá đơn giản do chỉ cần thiết bị đo lường giá trị hiệu dụng của điện áp, tuy nhiên phương pháp này tỏ ra thiếu chính xác và không thể xác định được tần suất xuất hiện của hiện tượng nhấp nháy điện áp

2.2.1 Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn IEC IEC 61000-4-15

a Giới thiệu chung về tiêu chuẩn IEC61000-4-15

Có thể thấy rằng việc đánh giá, đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp là rất phức tạp do nó phụ thuộc cả vào khả năng cảm nhận của mắt người và bộ não Tiêu chuẩn IEC 61000-4-15 đưa ra mô hình của thiết bị đo hiện tượng nhấp nháy điện áp dựa theo cả mức độ thay đồi điện áp, tần suất lặp lại của sự thay đổi này Đồng thời mô hình mô tả quan hệ "ánh sáng đèn-mắt-não người" cũng được xây

Hình 2.2.1 Đường cong nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEEE 141 và 519

28

dựng trong tiêu chuẩn này Mô hình có khả năng mô phỏng độ nhạy cảm của mắt người đối với ánh sáng phát ra từ một đèn sợi đốt tiêu chuẩn loại 60W-230V

b Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn IEC IEC 61000-4-15

Tiêu chuẩn IEC 61000-4-15 qui định về chức năng và thông số thiết kế cho các thiết bị đo mức độ nhấp nháy điện áp, có thể dựa trên các thông tin được đưa

ra trong tiêu chuẩn này để chế tạo các thiết bị đo tương ứng

Thiết bị đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp đề xuất trong tiêu chuẩn này áp dụng cho hệ thống 120 V và 230 V, 50 Hz và 60 Hz

Mục tiêu chính của tiêu chuẩn này là cung cấp các thông tin cơ bản cho việc thiết

kế thiết bị đo hiện tượng nhấp nháy điện áp (sử dụng kỹ thuật số hoặc tương tự Tiêu chuẩn này không đưa ra giới hạn để đánh giá mức độ nghiêm trọng của

nhấp nháy điện áp

2.2.2 Các khối chức năng của thiết bị đo lường chớp nháy điện áp

Mô hình thiết bị đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn IEC được thể hiện trên Hình 2.2.2 Theo mô hình này, thiết bị đo hiện tượng nhấp nháy điện áp cần có 5 khối xử lý tín hiệu cần thiết để đo các giá trị nhấp nháy điện áp tức thời, ngắn hạn và dài hạn Phần phân tích chi tiết ở đây dựa trên tổng hợp của nhiều tài liệu tham khảo (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13)

Hình 2.2.2 Các khâu của thiết bị đo lường hiện tượng nhấp nháy điện áp theo tiêu

chuẩn IEC

29

2.2.2.1 Khối 1: Biến đổi điện áp ( input voltage adaptation )

Khối 1: có nhiệm vụ qui đổi giá trị hiệu dụng của điện áp (đo theo

phương pháp nửa chu kỳ U rms1/2) đo được với điện áp tham chiếu (thường là điện

áp định mức), trong khi vẫn duy trì mức độ biến đổi của điện áp đầu vào Như vậy đầu ra của khối này sẽ là điện áp hiệu dụng theo tỷ lệ phần trăm đối với điện

áp tham chiếu Điều này đảm bảo rằng việc đo lường hiện tượng nhấp nháy điện

áp không phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối (đo bằng Volt) của điện áp đầu vào

2.2.2.2 Khối 2: Tách thành phần dao động điện áp ( spuaring

multiplier )

Khối 2: với bóng đèn dây tóc, cường độ ánh sáng của đèn phụ thuộc vào

năng lượng mà đèn tiêu thụ Năng lượng đèn tiêu thụ lại phụ thuộc vào bình phương của điện áp đặt vào đèn Khối này có nhiệm vụ mô phỏng quan hệ bình phương giữa điện áp và cường độ sáng của đèn như phân tích ở trên

Ví dụ điện áp đầu vào dao động với biên dạng

V(t) = A(coswt)(1+m.coswt)

Với V(t) là điện áp đang được đo, A là độ lớn điện áp, tần số góc ω ứng với tần số

cơ bản của lưới điện (50/60Hz) Tín hiệu điện áp (50/60Hz) này đang bị dao

động với biên dạng hình sin, với độ lớn là m và tần số góc là ω m

Khi bình phương tín hiệu này sẽ thu được:

cos2(w-wm)t + cos(2w+wm)t + cos(2w-wm)t + mA2coswmt + cos2wmt

2.2.2.3 Khối 3: Lọc các tín hiệu hữu ích ( Filter )

Khối 3: gồm 3 loại bộ lọc cơ bản với mục tiêu lọc bỏ các tín hiệu khác

(phát sinh do quá trình bình phương điện áp) ngoài tín hiệu dao động điện áp mà

có khả năng tạo ra nhấp nháy điện áp