Ứng dụng công nghệ GSM GPRS trong điều khiển và giám sát các hệ thống chiếu sáng

TRANG BÌA PHỤBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THÁI HIỆP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GSM/GPRS TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÁC HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG Chuyên ngành: Thiết

TRANG BÌA PHỤ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ THÁI HIỆP

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GSM/GPRS TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÁC HỆ THỐNG CHIẾU

SÁNG

Chuyên ngành: Thiết bị điện – Điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

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

Lê Thái Hiệp

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC CÁC BẢNG 11 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 12

MỞ ĐẦU 14

1 Tính cấp thiết của đề tài 14

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 15

3 Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài 15

3.1 Mục đích 15

3.2 Đối tượng nghiên cứu 15

3.3 Phạm vi nghiên cứu 15

3.4 Phương pháp nghiên cứu 15

4 Kết cấu của luận văn 16

Chương I 18 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ ĐIỀU KIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 18 1.1 Hiện trạng hệ thống chiếu sáng công cộng của thành phố Quy Nhơn 18

1.1.1 Đơn vị quản lý vận hành hệ thống chiếu sáng công cộng thành phố Quy Nhơn 18

1.1.2 Chiếu sáng tại một số khu vực chính trong thành phố Quy Nhơn 19

1.1.3 Công tác điều khiển và vận hành hệ thống chiếu sáng công cộng tại

thành phố Quy Nhơn 24

1.2 Các phương pháp điều khiển và vận hành hệ thống chiếu sáng công cộng 25

1.2.1 Phương pháp tắt xen kẽ để giảm công suất hệ thống chiếu sáng 25

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh bằng chấn lưu nhiều mức công suất để có hệ thống đèn nhiều cấp công suất 27

1.2.3 Phương pháp điều chỉnh điện áp tại tủ điều khiển chiếu sáng để tiết giảm công suất của hệ thống chiếu sáng 30

1.3 Những hạn chế của các hệ thống chiếu sáng mà các tủ điều khiển chiếu sáng làm việc độc lập 33

1.4 Vận hành và điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua đường dây mạng điện thoại và mạng điện cung cấp tại Hà Nội 34

1.4.1 Truyền thông giữa Trung tâm điều khiển và tủ điều khiển khu vực 35

1.4.2 Truyền thông giữa tủ điều khiển khu vực và tủ chiếu sáng 35

1.4.3 Các cấp điều khiển của hệ thống điều khiển giám sát trung tâm 35

1.4.4 Ưu và nhược điểm 37

1.5 Vận hành và điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua mạng Internet và mạng điện cung cấp tại thành phố Hồ Chí Minh 38

1.5.1 Truyền thông giữa Trung tâm điều khiển và tủ điều khiển khu vực 39

1.5.2 Ưu và nhược điểm 39

Kết luận chương 1 39

Chương II 41 GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ CHO ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 41 2.1 Một số giải pháp điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng theo công nghệ hiện đại 41

2.1.1 Điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng thông qua đường dây điện thoại kết hợp với mạng điện cung cấp 41

2.1.2 Điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng thông qua mạng Internet

kết hợp với mạng điện cung cấp 42

2.1.3 Điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng thông qua mạng GSM/GPRS 43

2.1.4 So sánh các công nghệ hiện có trong nước 44

2.2 Tổng quan về công nghệ GSM/GPRS 46

2.2.1 Tổng quan về GSM: 47

2.2.2 Tổng quan về GPRS 53

2.2.3 Tương quan của công nghệ GSM/GPRS trong mạng viễn thông 58

2.3 Các thiết bị kỹ thuật hỗ trợ truyền thông theo công nghệ GSM/GPRS 59

2.4 Các giải pháp ứng dụng công nghệ GSM/GPRS trong giám sát và điều khiển chiếu sáng công cộng 61

2.4.1 Điều khiển và giám sát theo khu vực 61

2.4.2 Điều khiển và giám sát theo điểm sáng 62

2.5 Mô hình chung về hệ thống chiếu sáng công cộng ứng dụng công nghệ GSM/GPRS 63

Kết luận chương 2 64

Chương III 65 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG DỰA VÀO CÔNG NGHỆ GSM/GPRS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ QUY NHƠN 65 3.1 Cấu trúc hệ thống 65

3.1.1 Cấu trúc chi tiết hệ thống 65

3.1.2 Cấu trúc tủ điều khiển chiếu sáng 66

3.1.3 Cấu trúc bộ đèn 67

3.2 Xây dựng phần mềm 68

3.2.1 Các bước xây dựng phần mềm 68

3.2.2 Sơ đồ khối của phần mềm 72

3.2.3 Lưu đồ thuật toán của phần mềm 73

3.2.4 Các giao diện chính của phần mềm 76

3.3 Phân tích tính hiệu quả 77

3.3.1 Hiệu quả kỹ thuật 77

3.3.2 Hiệu quả quản lý 78

3.3.3 Hiệu quả kinh tế 79

3.3.4 Tác động môi trường 79

Kết luận chương 3 79

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 80 1 Kết quả thực hiện 80

2 Các nhận xét 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82 1 Kết luận 82

2 Đóng góp mới và kiến nghị về sử dụng kết quả của luận văn 82

2.1 Các đóng góp mới 82

2.2 Kiến nghị về sử dụng kết quả luận văn 82

3 Hạn chế, hướng phát triển 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHỤ LỤC 88

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Line

Đường thuê bao số không đối xứng

B

C

Services

Các dịch vụ truyền thông chung

Switching Centre

Cổng chuyển mạch dịch vụ di động trung tâm

communication

Thông tin di động toàn cầu

H

I

đường dây cung cấp điện

Remote Terminal Unit

Thiết bị đầu cuối điều khiển từ

xa theo công nghệ truyền thông qua đường cung cấp điện

cộng

SMS Short Message Services Dịch vụ thông báo ngắn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 - 1: Tổng kết công tác năm 2009 của CtyTNHH Công viên cây xanh và Chiếu sáng đô thị Quy Nhơn về các hạng mục điện 19Bảng 1 - 2: Bảng so sánh giữa Dimming Ballast với tủ điều chỉnh tiết kiệm QPS dùng cho đèn HPS 250W 32

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 - 1: Bố trí chiếu sáng trên đường Quy Nhơn – Sông Cầu đoạn

km0+0÷km7+400 21

Hình 1 - 2: Bố trí chiếu sáng trên đường Quy Nhơn – Nhơn Hội 23

Hình 1 - 3: Bố trí chiếu sáng trên một số đường nội thành 24

Hình 1 - 4: Cấu trúc của tủ điều khiển chiếu sáng thông thường 25

Hình 1 - 5: Đồ thị biểu diễn công suất tiêu thụ trên đèn khi không điều chỉnh 26

Hình 1 - 6: Chấn lưu hai mức công suất 27

Hình 1 - 7: Lắp chấn lưu 2 mức công suất trong bộ đèn 28

Hình 1 - 8: Đồ thị biểu diễn công suất tiêu thụ trên đèn khi sử dụng chấn lưu 2 mức công suất 29

Hình 1 - 9: Tủ điều chỉnh tiết kiệm điện QPS sản xuất ở Malaysia 31

Hình 1 - 10: Sơ đồ quá trình giảm điện áp qua 7 bước (20s/bước) của tủ QPS 32

Hình 1 - 11: Sơ đồ điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua đường dây mạng điện thoại và mạng điện cung cấp 34

Hình 1 - 12: Sơ đồ điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng thông qua mạng Internet kết hợp với mạng điện cung cấp 38

Hình 2 - 1: Mô hình điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng thông qua đường dây điện thoại kết hợp với mạng điện cung cấp 41

Hình 2 - 2: Mô hình điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng thông qua mạng Internet kết hợp với mạng điện cung cấp 42

Hình 2 - 3: Mô hình điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng thông qua mạng di động GSM/GPRS 43

Hình 2 - 4: Mô hình hệ thống GSM 49

Hình 2 - 5: Mô hình tổng quan mạng GPRS 53

Hình 2 - 6: Cấu trúc mạng GPRS 54

Hình 2 - 7: Cấu trúc BSC trong GPRS 57

Hình 2 - 8: Vị trí của GPRS trong sự phát triển của hệ thống thông tin di động 59

Hình 2 - 9: Cấu trúc mạng viễn thông 59

Hình 2 - 10: Sơ đồ hình cây mô tả tương quan giữa các thiết bị kỹ thuật hỗ trợ truyền thông theo công nghệ GSM/GPRS 60

Hình 2 - 11: Mô hình điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng theo khu vực ứng dụng công nghệ GSM/GPRS 61

Hình 2 - 12: Mô hình điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng theo điểm sáng ứng dụng công nghệ GSM/GPRS 62

Hình 2 - 13: Mô hình chung về các giải pháp điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng ứng dụng công nghệ GSM/GPRS 63

Hình 3 - 1: Cấu trúc chi tiết hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng 65

Hình 3 - 2: Sơ đồ các khối chức năng của tủ điều khiển chiếu sáng 66

Hình 3 - 3: Sơ đồ các khối chức năng của bộ đèn 68

Hình 3 - 4: Cấu hình Router và xác nhận địa chỉ IP của Server 70

Hình 3 - 5: Địa chỉ định hướng từ Internet tới Server 71

Hình 3 - 6: Sơ đồ khối phần mềm 72

Hình 3 - 7: Lưu đồ thuật toán của phần mềm tại trạm điều khiển 73

Hình 3 - 8: Lưu đồ thuật toán của phần mềm trên máy Server 74

Hình 3 - 9: Lưu đồ thuật toán của phần mềm trên máy Client 75

Hình 3 - 10: Giao diện giám sát của Server cũng như Client 76

Hình 3 - 11: Giao diện điều khiển của Server cũng như Client 76

Hình 3 - 12: Giao diện giám sát của Workstation 77

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện tại việc sử dụng tiết kiệm và có hiệu quả các nguồn năng lượng, nhất là điện năng có ý nghĩa rất quan trọng Vì nguồn thủy năng đã khai thác tối đa, trữ lượng than đá, đầu mỏ, khí đốt ngày càng cạn kiệt, việc sử dụng quang năng, phong năng và các nguồn năng lượng khác có hiệu suất còn rất thấp mà đầu tư lớn, cho nên cách tốt nhất để đảm bảo điện năng cho mọi hoạt động là sử dụng tiết kiệm và

có hiệu quả nguồn điện hiện có Ngoài ra việc sử dụng tiết kiệm và có hiệu quả nguồn điện còn có tác dụng bảo vệ môi trường, vì loài người đã và đang tác động vào thiên nhiên quá mức nên đã gây ra các hậu quả như sự nóng lên của trái đất, thủng tầng Ozon, ô nhiễm môi trường, thảm họa thiên tai…

Trong khi đó, các đô thị ngày càng phát triển và hoàn thiện về cơ sở vật chất hạ tầng, trong đó hệ thống chiếu sáng công cộng giữ vai trò quan trọng trong quá trình phát triển ấy Thành phố có huy hoàng, rực rỡ về đêm hay không cũng do hệ thống chiếu sáng công cộng Xe cộ lưu thông có an toàn hay không, an ninh trật tự có đảm bảo hay không cũng nhờ hệ thống chiếu sáng công cộng

Hệ thống chiếu sáng có vai trò quan trọng như thế, nhưng lại là một hệ thống phân tán trên toàn địa bàn của đô thị, nên để quản lý, điều khiển và giám sát chúng

là một vấn đề không dễ Hiện tại vấn đề điều khiển và giám sát chúng ở hầu hết thành phố, thị xã, thị trấn ở Việt Nam đều làm thủ công do các công nhân vận hành đến tận nơi đặt tủ điều khiển để cài đặt thông số, giám sát và quản lý, nên không linh hoạt, không kịp thời do đó không tiết kiệm điện năng và không kinh tế

Không ngoài các vấn đề trên, thành phố Quy Nhơn là một đô thị loại một, đang trên tiến trình phát triển thành một thành phố trọng điểm về kinh tế, văn hóa, du lịch của miền Trung, nên cũng đòi hỏi sự hoàn thiện hệ thống chiếu sáng công cộng sao cho tôn vinh vẻ đẹp của thành phố mà vừa khoa học và tiện lợi trong quản lý, đồng thời đảm bảo an toàn về giao thông, an ninh về xã hội mà tiết kiệm năng lượng

Để đáp ứng được các yêu cầu trên và giải quyết được khó khăn trong quản lý

một hệ thống phân tán, luận văn đưa ra giải pháp “Ứng dụng công nghệ

GSM/GPRS trong điều khiển và giám sát các hệ thống chiếu sáng”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Hệ thống chiếu sáng là một hệ thống phân tán cần được quản lý và giám sát tự động, từ xa dựa trên công nghệ mới

3 Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài

3.1 Mục đích

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GSM/GPRS trong điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng nhằm:

+ Đảm bảo chất lượng chiếu sáng tốt;

+ Giảm chi phí nhân lực;

+ Tiết kiệm năng lượng

3.2 Đối tượng nghiên cứu

+ Công nghệ GSM/GPRS ứng dụng vào truyền thông trong điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng

+ Hệ thống chiếu sáng công cộng tại thành phố Quy Nhơn

3.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ GSM/GPRS trong điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng

3.4 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu đề tài, tác giả dựa vào:

Cơ sở lý thuyết: Luận văn sử dụng các lý thuyết về truyền thông công nghiệp,

thông tin di động, công nghệ viễn thông, mạng máy tính, kỹ thuật lập trình và ghép nối máy tính, cơ sở toán học cho lập trình và điều khiển

Cơ sở thực tiễn: Tìm hiểu, phân tích thực trạng điều khiển và giám sát các hệ

thống chiếu sáng công cộng trong cũng như ngoài nước Tìm hiểu, phân tích tính năng hỗ trợ của các thiết bị hiện có trong cũng như ngoài nước, kết hợp với các công nghệ tiên tiến hiện có để ứng dụng vào điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng

Từ các cơ sở trên, tác giả xây dựng các giải pháp công nghệ cho việc điều khiển

và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng

Căn cứ vào tình hình cụ thể, tác giả xây dựng ứng dụng cho hệ thống chiếu sáng công cộng

4 Kết cấu của luận văn

Luận văn bao gồm:

+ Các nội dung nghiên cứu của luận văn:

Chương I: Các vấn đề chung về điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng

công cộng;

Chương II: Giải pháp công nghệ cho điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng

công cộng;

Chương III: Xây dựng ứng dụng dựa vào công nghệ GSM/GPRS để điều khiển

và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng trên địa bàn thành phố Quy Nhơn;

+ Kết quả và bàn luận;

+ Kết luận và kiến nghị;

+ Tài liệu tham khảo;

+ Phụ lục

Chương I CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ ĐIỀU KIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG CHIẾU

SÁNG CÔNG CỘNG

1.1 Hiện trạng hệ thống chiếu sáng công cộng của thành phố Quy Nhơn

1.1.1 Đơn vị quản lý vận hành hệ thống chiếu sáng công cộng thành phố Quy Nhơn

Hệ thống chiếu sáng công cộng của TP Quy Nhơn được quản lý và vận hành bởi CtyTNHH Công viên cây xanh & chiếu sáng đô thị Quy Nhơn

Đây là Doanh nghiệp Nhà nước được Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Định phê duyệt phương án chuyển đổi từ Công ty Nhà nước sang CtyTNHH một thành viên theo quyết định số 13/QĐ-UBND ngày 09/01/2007 Các ngành nghề kinh doanh của công ty: Sản xuất lắp ráp, tư vấn lập dự án đầu tư, thiết kế, giám sát thi công hệ thống đèn tín hiệu điều khiển giao thông, điện chiếu sáng công cộng, dân dụng, đường dây và trạm biến áp dưới 35kV; Xây dựng các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, thủy lợi, hạ tầng kỹ thuật khu công nghiệp, khu đô thị; Đầu tư kinh doanh các loại hình dịch vụ vui chơi, giải trí, tham quan du lịch; Trồng và chăm sóc cây xanh; Mua bán, đại lý, ký gửi các thiết bị điện, cây hoa giống, cây xanh, cây cảnh

Theo Báo cáo “Tổng kết công tác năm 2009 triển khai nhiệm vụ năm 2010” của

Đảng bộ CtyTNHH Công Viên Cây Xanh và Chiếu Sáng Đô Thị Quy Nhơn vào tháng 03 năm 2010 thì công ty hiện đang quản lý các hạng mục về điện công cộng như bảng 1-1

Bảng 1 - 1: Tổng kết công tác năm 2009 của CtyTNHH Công viên cây xanh và

Chiếu sáng đô thị Quy Nhơn về các hạng mục điện

Kế hoạch (KH)

2009

Kết quả thực hiện (TH)

2009

% KH/TH

% so với năm

Nguồn dữ liệu theo [7]

1.1.2 Chiếu sáng tại một số khu vực chính trong thành phố Quy Nhơn

1.1.2.1 Tuyến đường Quy Nhơn – Sông Cầu

Quốc lộ 1 D, hay còn gọi là đường Quy Nhơn - Sông Cầu (nối liền 2 tỉnh Bình Ðịnh - Phú Yên) bắt đầu từ cầu Sông Ngang, cửa ngõ vào trung tâm TP Quy Nhơn,

và kết thúc tại xã Xuân Hải, huyện Sông Cầu (Phú Yên), có tổng chiều dài 33,15

km trong đó 19 km nằm ở đất Bình Ðịnh, đoạn còn lại thuộc về Phú Yên Việc xây dựng con đường này không chỉ nhằm mục đích tránh đèo Cù Mông nguy hiểm trên quốc lộ 1, mà còn nhằm phá vỡ thế độc đạo ra vào TP Quy Nhơn

Trên tuyến đường này đoạn số 1 là đoạn từ ngã ba Quang Trung đến ngã tư Lam Sơn (km 0+0 ÷ km 7+400)

Hệ thống chiếu sáng trên đoạn đường này được xây dựng với những thông số chính sau:

Đoạn km 0+910 ÷ km 7+400, bố trí cột đèn TC – 11m, lắp đèn Solair-S.250W ở bên phải đường

1.1.2.2 Tuyến đường Quy Nhơn – Nhơn Hội

Đầm Thị Nại là một đầm nước lớn và sâu, có hình như một cái dạ dày, ra vào đầm bằng một lối duy nhất là cửa cảng Quy Nhơn, nơi trú ngụ lý tưởng của tàu thuyền khi gặp bão Cầu Thị Nại là chiếc cầu vượt biển dài nhất Việt Nam được thi công bằng công nghệ hiện đại Cầu được khởi công xây dựng vào tháng 11 năm

2002 và khánh thành vào ngày 12-12 năm 2006, nối liền thành phố Quy Nhơn và bán đảo Phương Mai (khu kinh tế Nhơn Hội)

Đ Quy Nhơn – Sông Cầu

Phần chính của cầu dài 2.477,3 m, rộng 14,5 m Cầu gồm 54 nhịp có khẩu độ mỗi nhịp là 120 m Tính cả phần hệ thống đường gom, cầu dài 6960 m với 5 cầu ngắn Cầu chịu xe trọng tải 30 tấn và xe bánh xích trọng tải 80 tấn

Hệ thống chiếu sáng trên đoạn đường này được xây dựng với những thông số chính sau:

Hình 1 - 2: Bố trí chiếu sáng trên đường Quy Nhơn – Nhơn Hội

Hình 1 - 3: Bố trí chiếu sáng trên một số đường nội thành

1.1.3 Công tác điều khiển và vận hành hệ thống chiếu sáng công cộng tại thành phố Quy Nhơn

Hiện tại hệ thống chiếu sáng công cộng của thành phố Quy Nhơn đang được điều khiển và giám sát tại từng tủ khu vực riêng rẽ bởi nhân viên vận hành của CtyTNHH Công viên cây xanh & chiếu sáng đô thị Quy Nhơn

B

T

Đ Đống Đa

Đ Quy Nhơn – Nhơn Hội

đi Nhơn Hội

1.2 Các phương pháp điều khiển và vận hành hệ thống chiếu sáng công cộng

Hiện nay có hai giải pháp cơ bản để điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng đang được áp dụng ở nhiều thành phố, đô thị trong nước và trên thế giới là chế độ điều khiển bật – tắt (ON – OFF) và chế độ điều khiển giảm điện áp (DIMMING) qua đó giảm quang thông của đèn, đồng thời giảm công suất tiêu thụ trên đèn

1.2.1 Phương pháp tắt xen kẽ để giảm công suất hệ thống chiếu sáng

Hình 1 - 4: Cấu trúc của tủ điều khiển chiếu sáng thông thường

Tại các thành phố hiện nay, toàn bộ hệ thống chiếu sáng công cộng vẫn chủ yếu

sử dụng phương pháp tắt đèn xen kẽ, giảm số bộ đèn sáng vào giờ thấp điểm hoặc khi có mật độ giao thông thấp Việc này được thực hiện tại tủ điều khiển chiếu sáng nhờ hai contactor Sơ đồ đấu nối tủ điều khiển như hình 1-4 cho phép tắt mở đèn theo hai nhánh contactor khác nhau qua đó có thể cho hoạt động ở chế độ tiết giảm bằng cách tắt đèn ở một nhánh contactor

Việc điều khiển tắt mở các đèn được thực hiện tại các tủ điều khiển chiếu sáng nhờ các contactor được ra lệnh bởi các role thời gian đặt giờ trước và bộ cảm biến quang Có thể điều chỉnh giờ bật, tắt đèn bằng cách thay đổi thông số của Rơle thời gian, độ nhạy của cảm biến quang

Ưu điểm:

+ Hệ thống đơn giản, vốn đầu tư xây dựng thấp

+ Đảm bảo được yêu cầu về chiếu sáng cơ bản và điều khiển tự động

Nhược điểm:

+ Trong thời gian từ 0 giờ đến 6 giờ sáng hôm sau công suất đèn tăng từ 108% đến 110% so với công suất định mức của đèn do điện áp tăng cao hơn định mức làm giảm đáng kể tuổi thọ của bộ đèn

Nguồn [4],[52]

Hình 1 - 5: Đồ thị biểu diễn công suất tiêu thụ trên đèn khi không điều chỉnh + Chất lượng chiếu sáng thấp Khi tắt một nửa số đèn trên đường sẽ gây ra “hiệu ứng bậc thang”, tranh sáng tranh tối, không đảm bảo đồng đều về độ chói, độ rọi trên đường

+ Phải sử dụng hai đường dây để phân bố phụ tải 3 pha cho đối xứng

Để khắc phục hạn chế này, người ta thực hiện điều khiển hệ thống chiếu sáng theo phương pháp DIMMING với nhiều cấp công suất

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh bằng chấn lưu nhiều mức công suất để có hệ thống đèn nhiều cấp công suất

Hiện tại đã có hệ thống đèn hai cấp công suất điều chỉnh bằng chấn lưu hai mức công suất Nhờ sự kết hợp giữa chấn lưu hai mức công suất và bộ định thời được gắn vào mỗi bộ đèn mà hệ thống chiếu sáng có thể giảm công suất vào giờ thấp điểm hoặc khi có mật độ giao thông thấp

Hệ thống sẽ để bóng đèn phát 100% công suất vào giờ cao điểm, có mật độ giao thông cao và điều chỉnh tiết giảm công suất cho bóng đèn (phát khoảng 60% công suất) vào giờ thấp điểm

Hiện tại có nhiều hãng sản xuất chấn lưu hai mức công suất Cụ thể có hãng Vossloh-Schwabe với các thông số của chấn lưu hai mức công suất: [52]

Nguồn [4],[52]

Hình 1 - 6: Sơ đồ mắc chấn lưu hai mức công suất

Các thành phần của bộ đèn hai cấp công suất:

1 Chấn lưu hai mức công suất,

2 bộ chuyển mạch công suất,

3 Tụ kích (mồi),

4 bóng đèn,

5 Tụ bù hệ số công suất (nên có)

Hình 1 - 7: Lắp chấn lưu 2 mức công suất trong bộ đèn

Chấn lưu hai mức công suất là chấn lưu điện từ có thêm cuộn kháng phụ, khi

được nối sẽ làm giảm công suất tiêu thụ trên đèn Đối với chấn lưu hai mức công suất, cuộn kháng phụ là cuộn dây được quấn trên cùng cực từ của cuộn dây chính và nối tiếp với cuộn dây chính, khi đó chấn lưu có 3 cực đấu dây Nhờ bộ chuyển mạch, chấn lưu có thể làm việc với chỉ cuộn dây chính hay chuyển sang làm việc với cuộn dây chính có thêm cuộn phụ

Bộ chuyển mạch công suất: Thường thì đây là một Rơle thời gian để đổi nối

chấn lưu với mạch điện, sau thời gian đã đặt, chấn lưu của bộ đèn được đóng thêm cuộn phụ khi Rơle tác động Đối với bộ chuyển đổi công suất thời gian đặt của Rơle được đặt trước là 4 hoặc 5 giờ (có công tắc gạt để chọn một trong hai mức này) Có thể điều khiển đồng bộ, linh hoạt toàn bộ tuyến đèn khi bộ chuyển đổi

công suất là một mạch điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ tủ điều khiển chiếu sáng

Tụ kích ( mồi), bóng đèn, tụ bù hệ số công suất được chọn để lắp như với trường

hợp chấn lưu một mức công suất

Xét hiệu quả kinh tế:

Nguồn [4],[52]

Hình 1 - 8: Đồ thị biểu diễn công suất tiêu thụ trên đèn khi sử dụng chấn lưu 2 mức

công suất

như vùng hoạt động của chấn lưu 1 mức công suất 250W thông thường Vùng màu

suất 250W/150W Với chấn lưu 2 mức công suất 250W/150W, công suất thực đầu vào 271W/182W công suất tiết kiệm được khi chuyển mức là 89W/bóng với thời gian giảm công suất 7h/ngày (từ 23h đến 6h sáng) Số tiền tiết kiệm được trong 1 năm là: [52]

89W/bóng x 7h x 365 ngày x 880 đồng/kW.h = 200.000 đồng/năm

Phương pháp này đã được nhiều đô thị trong nước đưa vào sử dụng Chẳng hạn,

hệ thống đèn 2 cấp công suất (400/250W, 250/150W) lắp đặt tại thành phố Vũng

Tàu cho phép tiết kiệm mỗi ngày là 6000kWh, mỗi năm là hơn 2 triệu kWh mà vẫn đảm bảo chất lượng chiếu sáng [4]

Ưu điểm:

+ Tiết kiệm điện năng tiêu thụ cho chiếu sáng công cộng, giảm từ 30 - 40% chi phí điện năng cho lĩnh vực này [52]

+ Giảm chi phí do phải đầu tư hai đường cáp điện ở hai chế độ phụ tải

+ Giảm tổn thất điện năng từ 8% xuống còn 4% [52]

+ Cường độ ánh sáng được phân bố tương đối đồng đều

+ Tăng cường tuổi thọ cho thiết bị chiếu sáng (bóng đèn, chấn lưu)

+ Loại bỏ được tình trạng bất cập hiện nay là phải cắt giảm phụ tải chiếu sáng công cộng theo chương trình của Chính Phủ

+ Giảm ô nhiễm ánh sáng chói vào ban đêm làm ảnh hưởng đến sức khỏe của cư dân đô thị khi ánh sáng rọi vào nhà

Nhược điểm:

+ Phải thay thế hoàn toàn các chấn lưu một mức công suất cũ bằng chấn lưu hai mức công suất, dẫn đến lãng phí thiết bị cũ còn sử dụng tốt Cho nên giải pháp này phù hợp khi sửa chữa hoặc lắp mới toàn bộ tuyến đèn

1.2.3 Phương pháp điều chỉnh điện áp tại tủ điều khiển chiếu sáng để tiết giảm công suất của hệ thống chiếu sáng

Thông qua điều chỉnh điện áp các pha tại tủ điều khiển chiếu sáng, thì công suất của toàn bộ tuyến đèn sẽ thay đổi theo

Hiện tại trên thị trường đã có bán tủ điều chỉnh tiết kiệm điện QPS sản xuất ở Malaysia

Hình 1 - 9: Tủ điều chỉnh tiết kiệm điện QPS sản xuất ở Malaysia

Đặc điểm:[3]

+ Tiết kiệm đến 35% công suất tùy loại đèn

+ Có thể điều chỉnh, cài đặt thời gian tự động và điều chỉnh tiết kiệm

+ Hệ thống ổn định điện áp pha độc lập làm giảm giá thành sử dụng

+ Thiết bị bảo vệ quá dòng

+ Có công tắc chuyển đổi điều chỉnh bằng tay

+ Thiết bị điều chỉnh bằng tay để tắt mở và điều chỉnh thời gian tiết kiệm (theo yêu cầu)

+ Hệ thống chuyển đổi điện áp theo 7 bước khắc phục hiện tượng thay đổi dòng điện đột ngột nhờ thiết bị điều chỉnh nguồn

Nguồn [3]

Hình 1 - 10: Sơ đồ quá trình giảm điện áp qua 7 bước (20s/bước) của tủ QPS

Bảng 1 - 2: Bảng so sánh giữa Dimming Ballast với tủ điều chỉnh tiết kiệm QPS dùng cho đèn HPS 250W

+ Chỉ áp dụng được trên tuyến đèn ngắn, ít đèn Vì hiện tượng sụt áp trên đường dây nên nếu tuyến đèn dài sẽ dẫn đến các đèn cuối tuyến không đủ điện áp để phát sáng trong khi điều chỉnh giảm áp

+ Cũng như các phương pháp thông thường khác, ở phương pháp này vẫn còn hiện tượng đầu tuyến gần tủ điều khiển có điện áp cao nên sáng nhiều, cuối tuyến xa

tủ điều khiển có điện áp thấp hơn nên sáng kém, do đó trên toàn tuyến ánh sáng cũng chưa được thực sự đồng đều

+ Cũng chưa lập nên một hệ thống điều khiển có kết nối với Trung tâm vì các tủ chỉ có chức năng hoạt động độc lập

1.3 Những hạn chế của các hệ thống chiếu sáng mà các tủ điều khiển chiếu sáng làm việc độc lập

Do các tủ điều khiển hoạt động độc lập nên khi cần thay đổi chế độ hoạt động thì phải thực hiện trực tiếp tại các tủ điều khiển, dẫn đến tốn nhân lực

Việc đóng cắt phụ thuộc vào thời gian đặt trước của thiết bị điều khiển nên không phát huy hiệu quả khi thời tiết thay đổi bất thường (mưa, trời tối sớm ) hoặc đóng sớm gây lãng phí điện năng

Hạn chế cơ bản nhất là do hệ thống hoạt động riêng lẻ nên thông tin về các hoạt động của hệ thống đến với bộ phận quản lý không được kịp thời, đầy đủ Để phát hiện sự cố các đơn vị quản lý phải thành lập các tổ, đội kiểm tra hệ thống chiếu sáng, thông báo sự cố cho người quản lý để sửa chữa, khắc phục Dẫn đến công tác phát hiện sự cố và sửa chữa bị chậm trễ, không được chủ động và tốn kém nhân lực Không thể điều khiển đến từng đèn, nên không phát hiện kịp thời sự già hóa cũng như hư hỏng của bộ đèn, để sớm thay thế

Chất lượng hoạt động của hệ thống còn nhiều hạn chế so với khả năng điều khiển tự động trong điều kiện kỹ thuật hiện nay

Chính vì các lý do đó mà các thành phố lớn là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đã xây dựng các Trung tâm điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng

1.4 Vận hành và điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua đường dây mạng điện thoại và mạng điện cung cấp tại Hà Nội

Tham khảo [10],[12]

Hình 1 - 11: Sơ đồ điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua đường dây

mạng điện thoại và mạng điện cung cấp

TỦ ĐKCS

TỦ ĐKCS

TỦ ĐK KHU VỰC

TỦ ĐKCS

TỦ

TỦ ĐKCS

TỦ ĐKCS

TỦ ĐK KHU VỰC

TỦ ĐKCS

TỦ ĐKCS

TỦ ĐKCS Điều khiển cấp 2

Điều khiển cấp 3

Coupler

Coupler

Coupler PLC

PLC

PLC

1.4.1 Truyền thông giữa Trung tâm điều khiển và tủ điều khiển khu vực

Truyền thông hai chiều giữa Trung tâm điều khiển và tủ điều khiển khu vực sử dụng modem và đường truyền điện thoại công cộng

Việc cập nhật dữ liệu thực hiện theo cơ chế hỏi tuần tự Khi máy tính trung tâm được kết nối với tủ điều khiển khu vực, dữ liệu sẽ được cập nhật theo chu kỳ 1 lần/1 giờ Ngoài ra khi trạm điều khiển bất kỳ có sự cố, thông tin được cập nhật tự động

về Trung tâm

Modem ở tủ điều khiển trung tâm và tủ điều khiển khu vực là loại có tốc độ 56k/s

1.4.2 Truyền thông giữa tủ điều khiển khu vực và tủ chiếu sáng

Truyền thông giữa tủ điều khiển khu vực và tủ chiếu sáng trong mỗi khu vực thông qua đường cáp cấp điện chiếu sáng – gọi là truyền thông qua đường dây tải điện hạ thế (Power Line Communication (PLC)) Theo công nghệ PLC, tín hiệu truyền thông được điều chế theo tín hiệu mang 220V/50Hz để truyền đi mà không cần đường truyền riêng

Tại mỗi tủ khu vực sẽ bao gồm ba loại thiết bị truyền thông PLC:

+ Tại mỗi tủ chiếu sáng sẽ đặt một thiết bị PLC-RTU (Power Line Communication – Remote Terminal Unit)

+ Tại mỗi tủ khu vực sẽ đặt một bộ quản lý mạng PLC (PLC – Master) Master có thể quản lý, điều khiển truyền thông đến 1000 PLC-RTU

PLC-+ Để có thể đảm bảo tín hiệu có thể truyền qua máy biến áp giữa hai lưới chiếu sáng và giữa hai tủ chiếu sáng sẽ ráp thêm một bộ giao diện truyền thông pha (Coupler)

1.4.3 Các cấp điều khiển của hệ thống điều khiển giám sát trung tâm

Trung tâm điều khiển sẽ đặt chế độ và thời gian đóng cắt cho từng tủ chiếu sáng (đặt đồng bộ cho cả hệ thống) Đến giờ đã định, các tủ chiếu sáng sẽ nhận lệnh đóng cắt từ tủ điều khiển khu vực (Trung tâm chỉ can thiệp đóng cắt một số trạm đặc biệt)

Khả năng tự điều khiển: trong trường hợp có sự cố thì tủ chiếu sáng sẽ tự động đóng cắt tuyến chiếu sáng sau một thời gian trễ (thay đổi được) so với thời điểm bật/tắt được đặt trước

Hệ thống bao gồm ba cấp điều khiển theo thứ tự ưu tiên như sau: Đóng cắt từ Trung tâm; Đóng cắt từ tủ điều khiển khu vực; Tự đóng cắt tại tủ chiếu sáng

Mạng nối các tủ điều khiển khu vực với trạm điều khiển trung tâm tạo thành một mạng thông tin theo cấu trúc hình sao Đây là cấu trúc đơn giản và có độ tác động nhanh rất cao

Các nhiệm vụ cụ thể của cấp này:

+ Bộ điều khiển tại các tủ điều khiển khu vực sẽ đảm nhiệm vai trò điều khiển đóng cắt các tủ chiếu sáng trong khu vực theo chế độ và thời gian đặt trước từ Trung tâm;

+ Đọc các thông số làm việc tủa từng tủ điều khiển chiếu sáng và lưu vào bộ nhớ (khả năng lưu trữ trong vòng 1 tháng)

1.4.3.3 Điều khiển cấp 3:

Cấp này là các tủ điều khiển chiếu sáng Mạng các tủ điều khiển chiếu sáng thường có kết cấu mạch vòng nhằm tăng độ tin cậy Vì trong truyền thông theo công nghệ PLC các tủ điều khiển chiếu sáng phía sau sẽ không kết nối được với Trung tâm điều khiển khi tủ điều khiển chiếu sáng phía trước đã cắt điện

Giữa các tủ điều khiển chiếu sáng thường có mắc thêm Coupler để chỉ liên kết

về tín hiệu truyền thông chứ không kết nối về điện

Cấp này có nhiệm vụ:

+ Nhận và thực hiện lệnh điều khiển đóng/cắt từ các tủ khu vực;

+ Đo các dữ liệu làm việc và trả dữ liệu cho tủ khu vực khi có yêu cầu;

+ Nếu sau thời điểm đóng cắt 15 phút mà không nhận được lệnh từ tủ điều khiển khu vực thì tủ điều khiển chiếu sáng sẽ tự phát lệnh đóng/cắt lưới đèn

1.4.4 Ưu và nhược điểm

Dễ bị xung đột truyền dữ liệu khi có nhiều tủ điều khiển khu vực bị sự cố và cùng phát tín hiệu cảnh báo

1.5 Vận hành và điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua mạng Internet và mạng điện cung cấp tại thành phố Hồ Chí Minh

Tham khảo [1],[56]

Hình 1 - 12: Sơ đồ điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng thông qua mạng

Internet kết hợp với mạng điện cung cấp Cấu trúc, cũng như hoạt động hoàn toàn tương tự như hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng công cộng thông qua đường dây mạng điện thoại và mạng điện

TỦ ĐK KHU VỰC

Điều khiển cấp 2

Điều khiển cấp 3

TỦ ĐKCS

TỦ ĐKCS

TỦ ĐKCS

TỦ ĐKCS

TỦ ĐKCS

TỦ ĐKCS

PLC

Coupler

cung cấp đã trình bày ở trên, chỉ khác về truyền thông giữa Trung tâm điều khiển và

tủ điều khiển khu vực

1.5.1 Truyền thông giữa Trung tâm điều khiển và tủ điều khiển khu vực

Truyền thông hai chiều giữa Trung tâm điều khiển và tủ điều khiển khu vực sử dụng Modem và đường truyền Internet

Khi máy tính trung tâm được kết nối với tủ điều khiển khu vực, dữ liệu sẽ được cập nhật liên tục

1.5.2 Ưu và nhược điểm

1.5.2.1 Ưu điểm:

Ngoài những ưu điểm như hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng công cộng thông qua đường dây mạng điện thoại và mạng điện cung cấp đã trình bày ở trên, thì còn có các ưu điểm:

+ Cập nhật dữ liệu liên tục;

+ Điều khiển và quản lý đến từng điểm sáng;

+ Không bi xung đột truyền dữ liệu, vì đường truyền Internet có băng thông lớn

và cơ chế truyền tin theo gói thông tin chứ không phải theo kênh dữ liệu

1.5.2.2 Nhược điểm:

Công nghệ truyền thông trên đường dây tải điện (PLC) cho phép truyền thông giữa các trạm trong mỗi khu vực không quá 1,5 km, mà hiện nay có nhiều trạm điều khiển chiếu sáng cách xa hơn 1,5 km nên không thể ứng dụng công nghệ này

Kết luận chương 1

Hầu hết các hệ thống chiếu sáng tại các đô thị của Việt Nam đều thực hiện quá trình giám sát và điều khiển một cách thủ công bởi các nhân viên vận hành đến tận hiện trường để thao tác Còn các phương pháp điều khiển để giảm công suất của hệ thống chiếu sáng trong giờ thấp điểm đã và đang áp dụng cũng chỉ mang tính riêng

lẻ cho từng khu vực Do đó hệ thống chiếu sáng tại các đô thị của Việt Nam vận

hành không linh hoạt và không tối ưu, dẫn đến không tiết kiệm điện năng và kém về hiệu quả kinh tế

Hiện tại, Hà Nội đã xây dựng Trung tâm điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua đường dây mạng điện thoại và mạng điện cung cấp, và thành phố

Hồ Chí Minh đã xây dựng Trung tâm điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng thông qua mạng Internet và mạng điện cung cấp Nhưng các hệ thống đó có những hạn chế về khả năng mở rộng khi phạm vi chiếu sáng phân bố quá rộng và thưa, cũng như kém về mỹ quan