Thiết kế các bộ thu thập có giao tiếp không dây và các phần mềm chức năng ứng dụng cho hệ thống giám sát nhiêt độ các điểm kín trong trạm BA sử dụng công nghệ cảm biến thụ động SAW

Hằng năm, sản lượng điện cung cấp ở nước ta vô cùng lớn, do đó hệ thống truyền tải điện ở nước ta cũng có quy mô lớn với nhiều các TBA. Để hệ thống truyền tải điện năng hoạt động an toàn, hiệu quả thì việc giám sát nhiệt độ trong các trạm biến áp hết sức quan trọng, vì vậy em xin chọn đề tài: ”Thiết kế các bộ thu thâp có giao tiếp không dây và các phần mềm chức năng ứng dụng cho hệ ̣ thống giám sát nhiêt đô ̣ c̣ ác điểm kín trong trạm BA sử dụng công nghê cảm ̣ biến thụ động SAW.” làm đề tài Đồ án tốt nghiệp của mình. Để phục vụ cho đề tài của mình em đã sử dụng các phần mềm: Visual Studio, Visual Code, Keil C, Altium và Solid Work…; phần cứng em sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6, Module Wifi ESP8266-E1, Zigbee CC2530… Kết quả đồ án cơ bản hoàn thiện được mục tiêu đề ra. Đề tài hướng tới ứng dụng thực tế trong các TBA 110kV khu vực Hà Nội và cả nước. Các kiến thức và kỹ năng đạt được: - Nắm được giao thức truyền thông Modbus RTU. - Lý thuyết về truyền thông không dây Zigbee. - Cảm biến SAW và nguyên lý đầu đọc nhiệt độ cảm biến SAW.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thiết kế các bô ̣ thu thâ ̣p có giao tiếp không dây và các phần mềm chức năng ứng dụng cho hệ thống giám sát nhiê ̣t đô ̣ các điểm kín trong trạm BA sử dụng công

nghê ̣ cảm biến thụ động SAW

LÊ HỒNG SƠN

son.lh153192@sis.hust.edu.vn

Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Hoàng Sĩ Hồng

HÀ NỘI, 01/2020

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Họ và tên: Lê Hồng Sơn Mã số sinh viên: 20153192

Khóa: 60

Viện: Điện

Ngành: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

1 Đầu đề thiết kế/Tên đề tài

Thiết kế các bô ̣ thu thâ ̣p có giao tiếp không dây và các phần mềm chức

năng ứng dụng cho hệ thống giám sát nhiê ̣t đô ̣ các điểm kín trong trạm BA sử

dụng công nghê ̣ cảm biến thụ động SAW

2 Các số liệu ban đầu

Các bộ thu thập được thiết kế gồm hai bộ chuyển đổi (End Device), một bộ

điều phối mạng (Coordinator) Các bộ thu thập phải thực hiện được các chức

năng thu thập nhiệt độ được giả lập trên phần mềm máy tính theo phần mềm cấu

hình bộ đọc IntelliSaw, sau đó đưa dữ liệu lên giao diện web và cơ sở dữ liệu

giúp giám sát, lưu trữ dữ liệu

3 Các nội dung tính toán, thiết kế

- Thiết kế các bộ chuyển đổi (End Device)

- Thiết kế bộ điều phối mạng (Coordinator)

- Thiết kế phần mềm giả lập bộ đọc từ cảm biến không dây thụ động

- Thiết kế giao diện web giám sát nhiệt độ

4 Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Hoàng Sĩ Hồng

5 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 20/09/2019

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/01/2020

Ngày tháng năm

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

i

ii

Lời cảm ơn

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được rất nhiều sựgiúp đỡ, động viên chia sẻ của gia đình, các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn.Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ em, đã tạo điềukiện và giúp đỡ em về cả vật chất lẫn tinh thần, luôn động viên và khích lệ emtrong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Hoàng Sĩ Hồng, người trựctiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài này Thầy đã có những định hướng, hướngdẫn, chỉ bảo và trao dồi với em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tạitrường, cũng như trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã trực tiếp giảng dạy và traudồi những kiến thức quý báu cho em suốt những năm học tập tại Bách khoa

Em cũng gửi lời cảm ơn đến các bạn, các em trong Lab ManDevices đãnhiệt tình đóng góp ý kiến giúp em hoàn thiện đồ án của mình

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Báchkhoa Hà Nội, Viện Điện, Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp đã tạođiều kiện thuận lợi giúp em hoàn thiện đồ án này

Tóm tắt nội dung đồ án

Hằng năm, sản lượng điện cung cấp ở nước ta vô cùng lớn, do đó hệ thốngtruyền tải điện ở nước ta cũng có quy mô lớn với nhiều các TBA Để hệ thốngtruyền tải điện năng hoạt động an toàn, hiệu quả thì việc giám sát nhiệt độ trong

các trạm biến áp hết sức quan trọng, vì vậy em xin chọn đề tài: ”Thiết kế các bộ

thu thập có giao tiếp không dây và các phần mềm chức năng ứng dụng cho hệ thống giám sát nhiê ̣t độ các điểm kín trong trạm BA sử dụng công nghê ̣ cảm biến thụ động SAW.” làm đề tài Đồ án tốt nghiệp của mình.

Để phục vụ cho đề tài của mình em đã sử dụng các phần mềm: VisualStudio, Visual Code, Keil C, Altium và Solid Work…; phần cứng em sử dụng viđiều khiển STM32F103C8T6, Module Wifi ESP8266-E1, Zigbee CC2530… Kết quả đồ án cơ bản hoàn thiện được mục tiêu đề ra

Đề tài hướng tới ứng dụng thực tế trong các TBA 110kV khu vực Hà Nội

và cả nước

Các kiến thức và kỹ năng đạt được:

- Nắm được giao thức truyền thông Modbus RTU

- Lý thuyết về truyền thông không dây Zigbee

- Cảm biến SAW và nguyên lý đầu đọc nhiệt độ cảm biến SAW

iiiSinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC VIẾT TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ GIẢI PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ TRONG TRẠM 110KV 3

1.1 Tổng quan hệ thống điện Việt Nam hiện nay 3

1.2 Trạm biến áp không người trực – xu hướng tất yếu 4

1.2.1 Nguyên nhân dẫn đến sự cố trong trạm biến áp 6

1.2.2 Thực trạng việc giám sát nhiệt độ ở Việt Nam 9

1.3 Giải pháp đặt ra 12

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THỤ ĐỘNG VÀ GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG 15

2.1 Cảm biến không dây thụ động SAW 15

2.1.1 Lịch sử của SAW 15

2.1.2 Nguyên lý cơ bản 16

2.1.3 Cấu tạo cảm biến SAW 18

2.2 Bộ đọc cảm biến nhiệt độ thụ động 21

2.2.1 Bộ đọc dạng FMCW/FSCW 22

2.2.2 Bộ đọc dạng S–FSCW 24

2.2.3 Một số bộ đọc phổ biến 25

2.3 Giao thức Modbus RTU 26

2.3.1 Khái niệm 26

2.3.2 Cách thức giao tiếp Modbus 26

2.3.3 Dữ liệu và các hàm trong Modbus RTU 29

2.3.4 Toàn vẹn dữ liệu 30

2.3.5 Đường truyền RS485 31

2.4 Giải pháp truyền thông không dây 33

2.4.1 Lựa chọn giải pháp truyền thông không dây 33

2.4.2 Giao thức ZigBee 35

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ 38

iv

3.1 Yêu cầu bài toán 38

3.2 Sơ đồ khối hệ thống 39

3.3 Thiết kế phần cứng bộ chuyển đổi 40

3.3.1 Khối nguồn 41

3.3.2 Khối xử lý trung tâm 43

3.3.3 Khối Modbus RTU 47

3.3.4 Khối truyền thông Zigbee 51

3.4 Thiết kế phần cứng bộ điều phối trung tâm 52

3.4.1 Khối nguồn 53

3.4.2 Khối xử lý trung tâm 55

3.4.3 Khối giao tiếp Wifi 56

3.4.4 Thiết kế khối giao tiếp SIM800L 58

3.4.5 Khối truyền thông Zigbee 59

3.5 Thiết kế phần mềm 60

3.5.1 Thiết kế phần mềm giả lập bộ đọc 60

3.5.2 Xây dựng bản tin giao tiếp 62

3.5.3 Lưu đồ thuật toán các chương trình 65

3.6 Thiết kế giao diện web 70

3.6.1 Giới thiệu về giao thức MQTT 70

3.6.2 Thiết kế cơ sở dữ liệu 72

3.6.3 Thiết kế giao diện Web 72

3.7 Thiết kế mạch in, đóng vỏ sản phẩm 74

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 77

4.1 Kết quả đạt được 77

4.2 Thử nghiệm hệ thống 79

4.2.1 Kịch bản thử nghiệm 1: Sử dụng đồng hồ DPM380 79

4.2.2 Kịch bản thử nghiệm 2: Hai bộ chuyển đổi hoạt động 83

4.2.3 Kịch bản thử nghiệm 3: Kiểm tra khoảng cách ZigBee 87

4.2.4 Kịch bản thử nghiệm 4: Đo đầu ra mạch nguồn 89

4.3 Đánh giá kết quả 89

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC 95

v

DANH MỤC HÌNH VẼ

vi

Hình 1.1 Biểu đồ tổng công suất nguồn điện Việt Nam năm 2018 [1] 3

Hình 1.2 Biểu đồ sản lượng điện theo các nguồn năng lượng năm 2018 [1] 3

Hình 1.3 Sự cố với máy cắt dầu 33kV 6

Hình 1.4 Cháy TBA 110kV Yên Bình 2 ngày 1/8/2017 8

Hình 1.5 Sử dụng thiết bị đo nhiệt bằng hồng ngoại đo độ tại trạm [8] 10

Hình 1.6 Màn hình giám sát nhiệt độ sử dụng camera nhiệt [8] 10

Hình 1.7 Minh họa sơ đồ nhất thứ trạm Noruma [9] 11

Hình 1.8 Giải pháp truyền thông sử dụng ZigBee, cáp quang của ABB [10] 12

Hình 1.9 Giải pháp ứng dụng cảm biến SAW của ABB [11] 12

Hình 1.10 Thực tiễn giải pháp lắp đặt cảm biến của ABB [11] 13

Hình 1.11 S t ng th h th ng SCADA t i các tr m bi n ápơ đồ ổ ể ệ ố ạ ạ ế 13

Hình 1.12 Các tủ máy cắt trong một phòng tại trạm 110kV Uông Bí 2 [12] 14

Hình 1.13 Sơ đồ khối giải pháp hệ thống thực tiễn 14

Hình 2.1 Cấu trúc thiết bị SAW cơ bản 16

Hình 2.2 Cấu trúc phân tử không đồng đều trong tinh thể [14] 17

Hình 2.3 Biến dạng cấu trúc vật liệu áp điện khi đặt vào điện áp [14] 17

Hình 2.4 Vật liệu áp điện chịu lực nén tạo ra điện tích trên hai bản cực [14] 17

Hình 2.5 Cấu tạo của IDT trên một cảm biến SAW [15] 18

Hình 2.6 Một số dạng cảm biến SAW phổ biến [16] 18

Hình 2.7 Nguyên lý, cấu tạo của cảm biến SAW dòng trễ phản xạ [15] 18

Hình 2.8 Quá trình nhận sóng và phát sóng trên IDT [15] 19

Hình 2.9 Cảm biến SAW được phủ lớp cảm biến [17] 20

Hình 2.10 Cảm biến SAW mục đích nhận dạng và đo lường 20

Hình 2.11 Cảm biến nhiệt độ của hãng IntelliSAW [18] 21

Hình 2.12 Cảm biến nhiệt độ của hãng SENSeOR [19] 21

Hình 2.13 Phân loại các bộ đọc cảm biến SAW [16] 22

Hình 2.14 Sơ đồ khối bộ đọc dạng FMCW/FSCW [16] 22

Hình 2.15 Luồng xử lý dữ liệu FDS với cảm biến SAW dòng trễ phản xạ [16] 24

Hình 2.16 Sơ đồ khối bộ đọc dạng S–FSCW [16] 24

Hình 2.17 Bộ đọc cảm biến nhiệt độ nguyên lý SAW của hãng IntelliSAW [20] .25

Hình 2.18 Bộ đọc cảm biến nhiệt độ nguyên lý SAW của hãng SENSeOR [19] 25 Hình 2.19 Tham chiếu Modbus trên mô hình OSI 27

Hình 2.20 Chế độ unicast 27

Hình 2.21 Chế độ Broadcast 28

Hình 2.22 Cấu trúc khung bản tin Modbus RTU [22] 28

Hình 2.23 Phân cực đường truyền RS-485 32

vii

Hình 2.24 ZigBee được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực 34

Hình 2.25 Bộ chuyển đổi ZigBee-RS232/422/485 ATC-2630 [26] 34

Hình 2.26 Bộ chuyển đổi ZigBee-RS232/422/485 ATC-3200 [27] 34

Hình 2.27 Bộ điều khiển ánh sáng ứng dụng chuyển đổi ZigBee - Modbus RTU .35

Hình 2.28 Cấu trúc ZigBee 36

Hình 3.1 Sơ đồ toàn bộ khối hệ thống sử dụng trong đồ án 39

Hình 3.2 Sơ đồ khối thiết kế bộ chuyển đổi 41

Hình 3.3 Mạch nguyên lý bộ chuyển đổi 41

Hình 3.4 Thiết kế khối nguồn của bộ chuyển đổi 42

Hình 3.5 Vi điều khiển STM32F103C8T6 43

Hình 3.6 Sơ đồ khối trong chip STM32F103C8T6 [29] 44

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm 44

Hình 3.8 Mạch lọc nguồn cho vi điều khiển 45

Hình 3.9 Nguyên lý bộ lọc thông thấp 45

Hình 3.10 Nguyên lý khối dao động 45

Hình 3.11 Hiện tượng dội phím thường gặp 46

Hình 3.12 Lựa chọn thiết kế mạch reset cho vi điều khiển 46

Hình 3.13 Bảng lựa chọn vùng nhớ khi khởi động của MCU [29] 46

Hình 3.14 Khối nạp và sửa lỗi chương trình cho vi điều khiển 47

Hình 3.15 IC MAX485, sơ đồ chân [30] 47

Hình 3.16 Độ trễ chuyển đổi khi nhận tín hiệu [30] 48

Hình 3.17 Sơ đồ chức năng của MAX485 [30] 48

Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý khối Modbus RTU 49

Hình 3.19 Chuẩn điện áp đầu vào STM32F103C8T6 [29] 50

Hình 3.20 Module Zigbee CC2530 51

Hình 3.21 Nguyên lý khối truyền thông Zigbee 51

Hình 3.22 Sơ đồ khối bộ điều phối trung tâm 52

Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý bộ điều phối trung tâm 52

Hình 3.24 Thiết kế khối nguồn của bộ điều phối trung tâm 53

Hình 3.25 Đặc tính dòng RMS của tụ điện [31] 54

Hình 3.26 Đặc tính lựa chọn cuộn cảm cuộn cảm [31] 54

Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm bộ điều phối 56

Hình 3.28 Module ESP8266 ESP-01 56

Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp Wifi 57

Hình 3.30 Nguyên lý smart config của ESP8266 58

Hình 3.31 Module Sim800L 58

viii

Hình 3.32 Nguyên lý thiết kế khối Module SIM800L 59

Hình 3.33 Phần mềm cấu hình bộ đọc của hãng IntelliSAW 60

Hình 3.34 Thiết kế phần mềm giả lập bộ đọc trên máy tính 61

Hình 3.35 Cấu hình Baud Rate cho Module ZigBee CC2530 63

Hình 3.36 Tác vụ giao tiếp giữa bộ chuyển đổi và bộ điều phối 64

Hình 3.37 Lưu đồ thuật toán gia nhập mạng của bộ chuyển đổi 66

Hình 3.38 Lưu đồ thuật toán của bộ chuyển đổi sau khi đã gia nhập mạng 67

Hình 3.39 Lưu đồ thuật toán bộ điều phối trung tâm 68

Hình 3.40 Lưu đồ thuật toán cho ESP8266 69

Hình 3.41 Khung bản tin UDP ứng dụng ESP Touch sẽ gửi đi 69

Hình 3.42 Ví dụ về kết nối trong mạng lưới MQTT 71

Hình 3.43 Mô hình cơ bản của giao thức MQTT 71

Hình 3.44 Cơ sở dữ liệu sử dụng trên trang web 72

Hình 3.45 Cách thức hoạt động của Nodejs 73

Hình 3.46 Mô hình MVC 73

Hình 3.47 Kết hợp validation và router 74

Hình 3.48 Cách hoạt động của mô hình MVC 74

Hình 3.49 Mạch in 2D, 3D bộ điều phối 75

Hình 3.50 Thiết kế vỏ hộp bộ điều phối 75

Hình 3.51 Mạch in 2D,3D bộ chuyển đổi 75

Hình 3.52 Thiết kế vỏ hộp bộ chuyển đổi 76

Hình 4.1 Bộ điều phối khi hoàn thiện 77

Hình 4.2 Bộ chuyển đổi khi hoàn thiện 78

Hình 4.3 Phần mềm giả lập bộ đọc 78

Hình 4.4 Màn hình chính giao diện web 78

Hình 4.5 Mô hình thử nghiệm 1 79

Hình 4.6 Kịch bản thử nghiệm 1 79

Hình 4.7 Cấu hình và đặt thông số nhiệt độ trên bộ giả lập 80

Hình 4.8 Giá trị dòng điện 3 pha trên đồng hồ DPM380 81

Hình 4.9 Bản tin Modbus RTU đọc bộ đọc giả lập trên PC 81

Hình 4.10 Dữ liệu gửi lên web từ bộ chuyển đổi thứ nhất 82

Hình 4.11 Dữ liệu gửi lên web từ bộ chuyển đổi thứ hai 83

Hình 4.12 Mô hình thử nghiệm 2 84

Hình 4.13: Kịch bản thử nghiệm 2 84

Hình 4.14 Cài đặt thông số phần mềm giả lập cho bộ đọc thứ nhất 85

Hình 4.15 Cài đặt thông số phần mềm giả lập bộ đọc thứ hai 85

Hình 4.16 Bản tin Modbus RTU giao tiếp với bộ chuyển đổi thứ nhất 86

ix

Hình 4.17 Bản tin Modbus RTU giao tiếp với bộ chuyển đổi thứ hai 86

Hình 4.18 Dữ liệu gửi lên web từ bộ chuyển đổi thứ nhất 87

Hình 4.19 Dữ liệu gửi lên web từ bộ chuyển đổi thứ hai 87

Hình 4.20 Kịch bản thử nghiệm 3 88

Hình 4.21 Thực nghiệm đo điện áp nguồn 89

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thống kê chiều dài đường dây truyền tải và phân phối điện (2018) 4

x

Bảng 1.2 Thống kê tổng công suất lắp đặt và số lượng trạm cao thế (2018) 4

Bảng 2.1 Đầu vào, đầu ra bộ đọc IRM – 48 [20] 25

Bảng 2.2 Các đối tượng trong giao thức Modbus RTU [21] 29

Bảng 2.3 Các mã hàm thường gặp trong Modbus RTU [22] 30

Bảng 2.4 Một số giao thức truyền thông không dây phổ biến hiện nay 33

Bảng 3.1 Tính toán số lượng cảm biến cần thiết cho các máy cắt trong trạm Trôi .38

Bảng 3.2 Mức độ tiêu thụ nguồn 3.3VDC của các khối trong bộ chuyển đổi 42

Bảng 3.3 Mức độ tiêu thụ nguồn 5VDC của các khối trong bộ chuyển đổi 42

Bảng 3.4 Các thông số nổi bật của STM32F103C8T6 [29] 43

Bảng 3.5 Thông số nổi bật của IC MAX485 [30] 47

Bảng 3.6 Bảng trạng thái của MAX485 khi truyền dữ liệu [30] 48

Bảng 3.7 Bảng trạng thái của MAX485 khi nhận dữ liệu [30] 48

Bảng 3.8 Các thông số cơ bản của Module CC2530 51

Bảng 3.9 Mức độ tiêu thụ nguồn 3.3VDC của các khối trong bộ điều phối 53

Bảng 3.10 Mức độ tiêu thụ nguồn 5VDC của các khối trong bộ điều phối 53

Bảng 3.11 Bảng cấu hình thanh ghi nhiệt độ cho bộ đọc IntelliSAW [20] 61

Bảng 3.12 Bản tin đọc dữ liệu thanh ghi giữ 62

Bảng 3.13 Bản tin trả lời từ slave 62

Bảng 3.14 Các mã hàm trong bản tin truyền thông Zigbee 65

Bảng 4.1 Bảng thông số cài đặt nhiệt độ trên phần mềm giả lập 80

Bảng 4.2 Bảng đối chiếu dữ liệu cài đặt và truyền thông 82

Bảng 4.3 Đối chiếu dữ liệu khi đọc đồng hồ DPM380 83

Bảng 4.4 Đối chiếu kết quả thử nghiệm 2 86

Bảng 4.5 Kết quả thử nghiệm khoảng cách truyền ZigBee 88

Bảng 4.6 Kết quả kiểm tra khối nguồn 89

DANH MỤC VIẾT TẮT

xi

1 Trạm biến áp TBA

3 Tập đoàn điện lực Việt Nam (VietNam Electricity) EVN

13 Tổng Công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh EVNHCMPC

25 Switch - Frequency Steped Continuous Wave S-FSCW

28 Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE

xii

39 Transmission Control Protocol/Internet Protocol TCP/IP

xiii

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Mỗi năm nước ta cung cấp một sản lượng điện vô cùng lớn với một hệthống truyền tải, phân phối điện phức tạp rất nhiều TBA 500kV, 220kV,110kV… trải dài khắp ba miền Bắc Trung Nam nhằm đảm bảo công suất truyềntải điện năng hiệu quả khi truyền đi xa Để đảm bảo cho hệ thống này hoạt động

ổn định, an toàn và hiệu quả thì việc kiểm tra giám sát các thiết bị ở chế độ vậnhành bình thường và giám sát các thông số kỹ thuật như dòng điện, điện áp, nhiệt

độ, độ ẩm là hết sức cần thiết

Đặc biệt việc giám sát tình trạng phát nhiệt tại các kẹp cực thiết bị, các thiết

bị chuyển mạch, các máy biến áp, biến dòng, các thanh cái, máy cắt và các điểmxuất tuyến nhằm thực hiện các thao tác đóng cắt phù hợp Việc giám sát này hiệnnay ở các trạm 110kV phần nhiều do con người thu thập dữ liệu, sử dụng cáccảm biến nhiệt độ gắn trực tiếp nhưng cần nguồn cấp, dùng camera hồng ngoạilắp đặt tại các trạm chụp ảnh các điểm phát nhiệt để tiến hành xử lý ảnh sau đócảnh báo lên hệ thống giám sát Như vậy hầu hết các phương pháp đều tốn kém,không hoàn toàn hiệu quả và chưa đạt được chủ trương của EVN về việc năngcao năng lực tự động hóa của lưới điện Bên cạnh đó các phương pháp trên chủyếu tập trung vào giám sát các điểm phát nhiệt hở còn các điểm phát nhiệt kín rấtkhó phát hiện

Phương pháp giám sát các điểm phát nhiệt kín đang được tiến hành hiệnnay là sử dụng các cảm biến không dây SAW (Surface Acoustic Wave), lắp đặtbên trong các điểm có khả năng phát nhiệt kín, cùng với một thiết bị đọc nhiệt độ

có thể lắp đặt dễ dàng, nhưng vẫn còn sử dụng các chuẩn truyền có dây nhưModbus RTU, CAN,… Ngày nay, lĩnh vực IoT đang bùng nổ, mạng lưới cảmbiến không dây phát triển với các chuẩn truyền không dây như Zigbee, Lora, Z-Wave, Wifi… Tại các TBA cơ sở hạ tầng hiện nay đều ổn định, tối ưu đảm bảo

an toàn nếu lắp đặt thêm hệ thống giám sát nhiệt độ sử dụng các chuẩn có dâytrên thì hết sức tốn kém và phức tạp Vì vậy một hệ thống giám sát nhiệt độ cácđiểm phát nhiệt kín truyền thông không dây là cần thiết, giúp tiết kiệm chi phí, dễdàng lắp đặt

2 MỤC ĐÍCH

Đề tài: ”Thiết kế các bô ̣ thu thâ ̣p có giao tiếp không dây và các phần mềmchức năng ứng dụng cho hệ thống giám sát nhiê ̣t đô ̣ các điểm kín trong trạm BA

sử dụng công nghê ̣ cảm biến thụ động SAW.” hướng đến các mục tiêu sau:

- Giảm đến mức tối đa các trạm biến áp 110kV vận hành có người trực

- Giúp giám sát liên tục nhiệt độ tại các điểm phát nhiệt kín trong trạm110kV, giảm thiểu tối đa các sự cố vận hành

- Tiết kiệm chi phí, dễ dàng lắp đặt tại các TBA hiện hành

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG

xiv

Hiện tại vẫn còn nhiều TBA trên cả nước vận hành có người trực, chưagiám sát thời gian thực, có khả năng thao tác nhầm cũng như có nhiều nguy cơtiềm ẩn, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người…

Mục tiêu đề tài hiện tại với giới hạn tìm hiểu chỉ tập trung tìm hiểu để giámsát nhiệt độ tại một số TBA 110kV Với các TBA còn lại trên toàn quốc cần cóthêm các thông tin chi tiết thực tế nhằm bổ sung các phương pháp truyền thôngcũng như giải pháp xử lý riêng

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG

Đề tài được thực hiện nhờ việc tìm hiểu cách bố trí các thiết bị đóng cắttrong trạm TBA 110kV Trạm Trôi nhằm giám sát nhiệt độ tại các máy cắt trungthế Từ đó đưa ra giải pháp phù hợp, không gây ảnh hưởng nhiều đến cơ sở hạtầng hiện tại mà vẫn đảm bảo giám sát được nhiệt độ tại những điểm quan trọngtrong trạm

Đồ án gồm phần mở đầu và 4 chương Phần mở đầu thể hiện tính cấp thiết,mục đích thiết kế, phạm vi áp dụng và các nội dung trình bày trong đồ án

Chương 1 trình bày tổng quan lưới điện Việt Nam, xu hướng TBA KNT,hiện trạng các giải pháp giám sát nhiệt độ

Chương 2 tìm hiểu chi tiết về cảm biến không dây thụ động SAW, bộ đọc,giao thức Modbus RTU và giải pháp truyền thông không dây

Chương 3 trình bày chi tiết thiết kế các bộ thu thập dữ liệu

Chương 4 trình bày các kết quả đạt được; thử nghiệm hệ thống; đánh giákết quả thử nghiệm

Từ những nội dung trên, kết cấu của đồ án bao gồm:

Chương 1: Tổng quan các vấn đề và giải pháp giám sát nhiệt độ trong trạm110kV

Chương 2: Tìm hiểu cảm biến không dây thụ động và giải pháp truyềnthông

Chương 3: Phân tích và thiết kế

Chương 4: Kết quả đạt được, thử nghiệm, đánh giá kết quả

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng hết sức, nhưng do thời gian

có hạn nên khó tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sựgóp ý của thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

xv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ GIẢI PHÁP GIÁM

SÁT NHIỆT ĐỘ TRONG TRẠM 110KV

Đầu tiên chương 1 này, em sẽ đi vào tìm hiểu sơ bộ hệ thống điện Việt Nam hiện nay, các vấn đề về sự cố trong trạm và các giải pháp giám sát trạm điện hiện nay Từ đó em sẽ đưa ra giải pháp đề tài cho đồ án của mình.

1.1 Tổng quan hệ thống điện Việt Nam hiện nay

Hệ thống điện Việt Nam trải dài khắp cả nước được chia thành 3 miền vàliên kết bởi hệ thống truyền tải 500kV Nhu cầu điện cho việc phát triển kinh tế -

xã hội và đời sống nhân dân liên tục gia tăng, vượt quá khả năng cung ứng Hiệnnay, tổng công suất nguồn điện của Việt Nam theo tổng kết năm 2018 là khoảng48.000MW Với tốc độ tăng trưởng sản lượng điện khoảng 10%/năm (Hình 1 1)đến năm 2025, dự kiến nhu cầu công suất nguồn điện của hệ thống điện quốc gia

sẽ là 90.000MW, gấp đôi so với thời điểm năm 2018 Đến năm 2030, sẽ tăng lênkhoảng 130.000MW

xvi

0%

40%

19% 1%

Sản lượng theo nguồn điện (2018)

Thủy điện Khí đốt/Chu trình kết hợp Nhiệt điện than Nhiệt điện khí + dầu Nhập khẩu

Hình 1.2 Biểu đồ sản lượng điện theo các nguồn năng lượng năm

2018[ CITATION Tập \l 1033 ]

Các nguồn điện thay thế khác cũng gặp nhiều khó khăn do Việt Nam đã tạmdừng triển khai dự án điện hạt nhân, nhiều dự án nhiệt điện chậm tiến độ, cácnguồn năng lượng tái tạo hiện chưa thể phát triển quy mô lớn do chi phí cao, hệthống truyền tải chưa đáp ứng được yêu cầu Việc vay vốn nước ngoài để pháttriển nguồn điện cũng gặp nhiều khó khăn do vướng mắc các thủ tục về bảo lãnhchính phủ Thách thức lớn đối với ngành điện nước ta chính là sự mất cân bằnggiữa cung và cầu của từng vùng miền Trong khi miền Nam sử dụng trên 50%tổng nhu cầu điện năng (miền Bắc gần 40%, miền Trung gần 10%) thì nguồnđiện lại tập trung chủ yếu ở miền Bắc và miền Trung (gần 60%), miền Nam chỉ

có thể tự sản xuất dưới 40% Chính vì vậy hệ thống truyền tải điện ở nước ta vôcùng phức tạp với hàng ngàn kilomet đường dây 500kV, hàng chục ngàn kilometđược dây 220kV và cũng như 110kV

Bảng 1 1 là thống kê của EVN về chiều dài đường dây truyền tải và phânphối điện khắp cả nước tính đến 31/12/2018[ CITATION Tập \l 1033 ]:

Bảng 1.1 Thống kê chiều dài đường dây truyền tải và phân phối điện (2018)

2 Đường dây truyền tải 220kV 17.360

Cùng với đó là hệ thống các trạm biến áp 500kV, 220kV, 110kV và cáctrạm trung gian, các trạm phân phối tới người tiêu dùng Bảng 1 2 là tổng côngsuất lắp đặt và số lượng các trạm cao thế ở nước ta tính đến31/12/2018[ CITATION Tập \l 1033 ]:

Bảng 1.2 Thống kê tổng công suất lắp đặt và số lượng trạm cao thế (2018)

xvii

1.2 Trạm biến áp không người trực – xu hướng tất yếu

Với nhu cầu sử dụng điện rất cao ở nước ta việc đảm bảo lưới điện hoạtđộng liên tục, ổn định, luôn luôn đề phòng trước các sự cố có thể xảy ra gây thiệthại về người và kinh tế nghiêm trọng Việc kiểm tra giám sát, điều khiển cáctrạm biến áp, các đường dây truyền tải điện là vấn đề ưu tiên hàng đầu đối vớiEVN Theo đề án phát triển Lưới điện thông minh tại Việt Nam, ngành Điện đặt

ra mục tiêu đến năm 2020, 100% số trạm biến áp 110kV và 60% số trạm biến áp220kV sẽ được giám sát và vận hành theo mô hình KNT[ CITATION Đềá16 \l

1033 ]

Ở Miền Nam, Công ty Truyền tải điện 4 (PTC4) – đơn vị đầu tiên của TổngCông ty Truyền tải điện Quốc gia thử nghiệm mô hình này Xác định việc xâydựng các TBA KNT là yêu cầu cần thiết phải thực hiện trong quá trình hiện đạihóa, tăng cường khả năng truyền tải và độ an toàn, tin cậy cho hệ thống điệnQuốc gia, Tổng công ty Truyền tải điện quốc gia (EVNNPT) đã lựa chọn Công tyTruyền tải điện 4 (PTC4) – đơn vị quản lý, vận hành hệ thống lưới điện đi qua 19tỉnh, thành phố phía Nam là khu vực có tốc độ phát triển kinh tế và nhu cầu điệnnăng cao nhất nước (đặc biệt là TP.HCM, tỉnh Đồng Nai, tỉnh Bình Dương làtrung tâm phụ tải của đất nước) để tiến hành thử nghiệm Trung tâm điều khiển từ

xa Thực hiện nhiệm vụ này, Công ty Truyền tải điện 4 đã tiến hành đầu tư, cảitạo nâng cấp và mở rộng trạm biến áp 220 kV Thủ Đức theo hướng điều khiển

xa, thực hiện việc giám sát, điều khiển trên lưới điện truyền tải tại các Trạm biếnáp 220kV Bến Tre và Mỹ Phước Hệ thống Trung tâm giám sát, điều khiển xanày hoàn thành và đưa vào vận hành từ ngày 15/11/2014, làm tiền đề cho việctriển khai đưa vào vận hành các trạm biến áp không người trực Có thể nói, đây

là công trình đầu tiên của ngành Điện áp dụng công nghệ điều khiển tích hợphoàn toàn, tạo bước ngoặt quan trọng trong việc chuyển đổi sang tự động hoácao Mục tiêu đặt ra là hết năm 2020, 100% TBA 220kV do Công ty vận hành sẽ

đi vào vận hành KNT Để đáp ứng chỉ tiêu đặt ra, Công ty sẽ tập trung thực hiệnmột số mục tiêu, nhiệm vụ có tính đặc thù đối với đơn vị và tận dụng các côngnghệ đã có, như: Chương trình quản lý công văn E-office phiên bản trên 3.0, sửdụng báo cáo điện tử và chữ ký điện tử; các chương trình quản lý dự án, quản lývật tư, quản lý nhân sự, quản lý tài chính, quản lý kỹ thuật… kết hợp với cáccông nghệ đã có như định vị sự cố, giám sát dầu online, ứng dụng IRIG-B đồng

bộ thời gian, ứng dụng Flycam trong quản lý vận hành; tăng cường ứng dụngcảm biến như cảm biến sét, cảm biến nhiệt độ; tăng cường ứng dụng trí tuệ nhântạo như phân tích khí dầu online để đánh giá tình trạng máy biến áp; tăng cườngkết nối vạn vật IoT[ CITATION Tra1 \l 1033 ]

xviii

Theo Tổng Công ty Điện lực miền Trung (EVNCPC), tính đến đầu tháng10/2019, Tổng Công ty đã đưa 114/120 TBA 110kV sang vận hành mô hìnhKNT, chiếm 95% TBA 110kV do Tổng Công ty quản lý Dự kiến trong quý IVnày, EVNCPC sẽ phấn đấu chuyển nốt 6 TBA 110kV còn lại sang vận hànhKNT, hoàn thành mục tiêu 100% TBA 110kV vận hành KNT mà EVN đề ratrước một năm[ CITATION Tra2 \l 1033 ].

Ở miền Bắc, tính đến 15/9/2019, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miềnBắc (A1) đã chấp thuận chuyển 57 TBA 110kV sang chế độ vận hành KNT ở cácCông ty điện lực: Hưng Yên (12/12 TBA), Bắc Ninh (19/20 TBA), Hà Nam (7/9TBA), Thái Nguyên (12/12 TBA), Vĩnh Phúc (7/7 TBA) Như vậy tính đến15/9/2019, EVNNPC đã đưa vào vận hành tổng cộng 11 TTĐK và 99 TBA110kV KNT trên 27 tỉnh/thành miền Bắc Đối với các công trình mới xây dựng,cải tạo mở rộng TBA 110kV EVNNPC cũng yêu cầu các thủ tục đóng điện đểđưa ngay TBA vào vận hành KNT Thông qua việc chỉ huy, thao tác vận hành,đóng cắt thiết bị từ xa, trung tâm điều khiển và các TBA KNT/bán người trực đãmang lại nhiều lợi ích thiết thực như: giảm thời gian thao tác vận hành, đóng cắtthiết bị; rút ngắn thời gian bảo trì bảo dưỡng, xử lý sự cố TBA Từ đó, giảm tối

đa nhân lực vận hành, giảm khối lượng công việc mà nhân viên vận hành phảithường xuyên theo dõi, ghi chép và báo cáo Các TBA KNT cũng góp phần giảm

sự cố do thao tác nhầm do người vận hành, đồng thời nâng cao độ an toàntrong vận hành[ CITATION Tổn \l 1033 ]

1.2.1 Nguyên nhân dẫn đến sự cố trong trạm biến áp

Trên thực tế các thiết bị điện cao áp hiện có trong hệ thống điện làm việcliên tục và ngày càng già hóa theo thời gian, phần lớn các sự cố xuất hiện là kếtquả của ứng suất nhiệt và điện Bên cạnh đó, các sự cố của thiết bị còn do thiếtkế cơ khí, phần lớn các sự cố ngắt mạch là do phản ứng cơ học Các lỗi điển hình

là các khớp nối lỏng lẻo dẫn đến quá nhiệt hoặc tạo hồ quang, có thể bị oxi hóagiảm cách điện gây ra sự cố Hay một số vật liệu thép, trong điều kiện bìnhthường có độ dẻo đáng kể, nhưng trong nhiệt độ thấp hơn có thể gãy giòn dẫnđến sự cố Dưới đây là nguyên nhân một số sự cố với hai thiết bị quan trọng củatrạm biến áp là thiết bị đóng cắt và máy biến áp

a Sự cố thiết bị đóng cắt

Các mối nguy hiểm liên quan đến sự cố của thiết bị đóng cắt bao gồm cháy,

nổ và điện giật Đặc biệt có nhiều rủi ro cho các nhân viên kỹ thuật yêu cầu vậnhành thiết bị đóng cắt điện áp cao, tiến hành thử nghiệm và bảo trì trên thiết bị

này Máy cắt dầu và công tắc cầu chì là nguyên nhân của nhiều vụ tai nạn nghiêm

trọng và tử vong Một số tổn thất hỏa hoạn thiệt hại lớn nhất cũng do các thiết bịđóng cắt gây ra

Các nguyên nhân gây ra sự cố thiết bị đóng cắt điện áp cao thường như sau:

- Bảo trì kém dẫn đến ô nhiễm cách điện và kết nối lỏng lẻo

xix

- Sử dụng thiết bị kiểm tra không chính xác hoặc không phù hợp trên thiết

bị thực

- Hoạt động lặp đi lặp lại không giới hạn của máy cắt dầu dẫn đến sự cốcách điện và/hoặc tiếp xúc

- Tia lửa điện phát sinh do đóng cắt thủ công dẫn làm mòn tiếp điểm

Hình 1.3 Sự cố với máy cắt dầu 33kV

Đối với một hệ thống điện cao áp, quản lý máy cắt điện cao áp có vai tròquyết định tới sự vận hành ổn định và an toàn của hệ thống truyền tải điện Trong

số các sự cố hư hỏng thiết bị điện trong trạm biến áp, sự cố máy cắt điện chiếmmột tỷ lệ khá lớn Khi máy cắt điện gặp sự cố thì việc sửa chữa phục hồi rất khókhăn Hầu hết các trường hợp đều phải thay thế trụ cực hoặc thay máy cắt mới,dẫn đến tăng thời gian mất điện và đẩy chi phí xử lý sự cố tăng cao Ngoài ra, sự

cố nổ trụ cực máy cắt sẽ phát sinh hồ quang lớn và áp lực quá mức bên trongkhông chỉ làm hỏng máy cắt mà còn ảnh hưởng lớn đến các thiết bị điện xungquanh Máy cắt nổ vỡ sẽ kéo theo sự nổ vỡ các thiết bị khác như biến dòng điện,dao cách ly và sứ đỡ

b Sự cố máy biến áp

Sự cố máy biến áp chủ yếu do các nguyên nhân dưới đây:

Nhiệt độ của máy biến áp tăng quá mức cho phép do những hư hỏng trầm trọng xảy ra ở mạch từ:

- Cách điện giữa các lá thép bị hỏng do chúng bị già cỗi vì thời gian làmviệc lâu vượt quá tuổi thọ của chúng hoặc do những hư hỏng cục bộ

- Cháy trong các lá thép do hỏng cách điện của chốt ép tạo ra ngắn mạchhoặc hư hỏng cục bộ cách điện giữa các lá thép gây ngắn mạch giữachúng

- Ngắn mạch cục bộ các lá thép do có vật kim loại vật dẫn điện nào đógây ngắn mạch

- Do lực ép mạch từ yếu, chi tiết bắt chặt bị long ra các lá thép ngoài cũng

bị tụt ở trụ quấn dây hoặc gông từ, hoặc do điện áp sơ cấp cao quá giá trịđịnh mức từ đó dẫn đến máy bị rung và kêu tới mức không cho phép

Do cuộn dây trong máy bị chập nhau gây cháy:

- Hiện tượng chập cuộn dây là do cách điện của cuộn dây bị già cỗi hayquá tải bị kéo dài, chế độ làm mát không đảm bảo, do hư hỏng cơ giới

xx

của cách điện vòng dây khi sự cố Cuộn dây bị nhô lên khỏi mặt dầu vìmức dầu thấp quá mức.

- Cuộn dây bị đánh thủng ra vỏ là do cách điện có vết nứt hoặc bị sứt mẻ

- Ngắn mạch giữa các vòng dây của cuộn dây: nguyên nhân chủ yếu làcách điện bị phá hủy, dầu biến áp bị ẩm, dòng điện ngắn mạch chạy quadầu ra vỏ gây ngắn mạch xuống đất hay ngắn mạch giữa các pha

Hiện tượng các vòng dây bị chập chiếm 70% trong tổng số hư hỏng máybiến áp Chất cách điện của cuộn dây trong máy bị hỏng nhanh khi máy biến áplàm việc liên tục ở nhiệt độ 1050C Ngắn mạch giữa các cuộn dây, xuất hiện lựcđiện động của dòng điện ngắn mạch gây biến dạng cuộn dây và dịch chuyển theohướng dọc trục Thường hiện tượng này xảy ra cùng hiện tượng chạm vỏ củacuộn dây

Ngắn mạch giữa các pha gây cháy: Nguyên nhân chủ yếu là cách điện giữa

các pha bị hỏng Dạng này ít xảy ra Khi xảy ra thường kèm theo hiện tượng phụtdầu qua ống phòng nổ Vì đây là dạng sự cố lớn, dầu bị sôi mạnh, áp suất trongmáy rất lớn

Đứt mạch giữa các pha của cuộn dây gây cháy: Nguyên nhân chủ yếu là do

các đầu nối bị phá hủy bởi lực cơ học, lực điện động của dòng ngắn mạch, tiếpxúc không chặt Khi đứt mạch xuất hiện hồ quang làm phân tích đầu, từ đó có thểgây ngắn mạch các pha và phóng điện ra vỏ

Hư hỏng các sứ đầu vào của máy biến áp gây cháy: Do cách điện của sứ

đầu vào bị hỏng gây chạm vỏ hay phóng điện giữa các pha Sứ đầu vào bị nứthay can dầu, mặt trong của sứ bị bẩn, chim thú sa vào, chạy trên mặt biến áp Sựphóng điện giữa các sứ đầu vào xuống vỏ tạo thành hồ quang dẫn điện dẫn đếnchảy dầu, gây cháy nổ thiết bị điện Hiện tượng này do ngoài sứ bị lớp bụi bẩn,

ẩm dẫn điện Ống cách điện bakelite bẩn, nứt, dầu cách điện trong sứ bị phân tíchthành oxit cacbon và axit

Do những sai lầm của công nhân vận hành gây cháy: Do thao tác nhầm khi

bảo dưỡng, sửa chữa máy biến áp; do sơ suất khi sử dụng lửa trong khi vận hànhmáy biến áp

Do tác động của thiên nhiên gây cháy: Khi mưa giông máy biến áp có thể

bị sét đánh thẳng nếu hệ thống thu lôi chống sét không đảm bảo độ tin cậy, khi cósét đánh trên đường dây tải điện, điện áp của sét theo đường dây chạy vào trongmáy gây quá điện áp trong máy, nếu các thiết bị chống sét (kiểu van, ống tácđộng không kịp thời hay không tác động sẽ gây cháy máy)[ CITATION Siê \l

1033 ]

c Các sự cố thực tế ở Việt Nam

Hiện nay cả nước có 568 trạm 110kV có vai trò quan trọng trong hệ thốngtruyền tải nằm dưới sự quản lý của 5 Tổng Công ty Điện lực (EVNNPT,EVNNPC, EVNCPC, EVNHNPC, EVNHCMPC) và do các Công ty Điện lựcTỉnh trực tiếp vận hành, khai thác Chỉ một sự cố xảy ra trong trạm cũng dẫn đếnmất điện diện rộng gây ảnh hưởng lớn đến sản xuất và cuộc sống của người dân

xxi

Như vụ cháy TBA 110k Yên Bình 2 xảy ra ngày 1/8/2017 (Hình 1 4) đã làm hưhỏng toàn bộ 1 MBA 63MVA, 22 tủ phân phối cùng hệ thống cáp điện ngầm…gây thiệt hại hàng chục tỷ đồng; sự cố cũng khiến việc cấp điện cho Công tySamsung Thái Nguyên gián đoạn và làm tổn thất nhiều tỷ đồng[ CITATIONCaf \l 1033 ] Các sự cố cháy nổ khác như sự việc cháy nổ toàn bộ buồng phânphối 22kV tại trạm biến áp 110kV Võ Cường, thành phố Bắc Ninh ngày15/7/2018 đã gây mất điện trên toàn thành phố Bắc Ninh…

Hình 1.4 Cháy TBA 110kV Yên Bình 2 ngày 1/8/2017

Như vậy qua các sự cố thực tế việc xảy ra cháy nổ hầu hết do những nguyênnhân hiện hữu sau:

- Nhu cầu phụ tải tăng cao trong các vụ mùa, dịp lễ tết vượt quá khả nănglàm việc của hệ thống dẫn đến quá tải hoặc phụ tải có vấn đề gây mất ổnđịnh lưới điện

- Do các tiếp điểm, đầu nối trong các tủ kín bị già hóa không biết trước

- Do lắp đặt chưa hoàn thiện, lỏng lẻo dẫn đến tiếp xúc kém, dẫn đếnphóng điện làm mòn tiếp điểm

- Do điều kiện môi trường dẫn đến cách ly không đảm bảo

- Cháy do hồ quang điện: Hồ quang điện là một dạng phóng điện trongkhông khí Sức nóng lên đến 6000°C

- Cháy nổ do chập mạch: các dây pha chập vào nhau, hoặc dây pha chạmđất làm điện trở cách điện giảm, cường độ dòng điện tăng lớn dẫn đếncháy cách điện, phát sinh tia lửa điện gây cháy thiết bị

- Cháy do tĩnh điện: Tĩnh điện phát sinh do ma sát giữa các vật cách điệnvới nhau, giữa vật cách điện với vật dẫn điện do va đập của các chấtlỏng cách điện (xăng, dầu) khi bơm rót, hoặc va đập của các chất lỏngvới kim loại hay khi nghiền nát các hạt nhỏ rắn cách điện

Vì vậy để có thể đưa ra các kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng kịp thời; các hệthống giám sát TBA hiện nay tập trung giám sát các thông số điện áp, dòng điện

và nhiệt độ trong các thiết bị này Các giải pháp đã được đưa ra nhằm giám sátcác thông số như tần số, dòng điện, điện áp, công suất, phóng điện trong MBA,nhiệt được gửi trực tiếp về trung tâm điều khiển thông qua các thiết bị hiện đại.Bên cạnh đó, các hệ thống phụ trợ TBA không người trực như giám sát an ninh,

hệ thống báo cháy, báo khói tự động cũng được gửi về trung tâm điều khiển để

xxii

theo dõi, quản lý trạm Thông qua việc giám sát, vận hành điều khiển thiết bị từ

xa, trung tâm điều khiển và các TBA KNT đã mang lại nhiều lợi ích thiết thựcnhư: giảm thời gian thao tác vận hành, đóng cắt thiết bị, rút ngắn thời gian bảo trìbảo dưỡng, xử lý sự cố TBA Từ đó, giảm tối đa nhân lực vận hành, giảm khốilượng công việc mà nhân viên vận hành phải thường xuyên theo dõi, ghi chép.Các TBA KNT qua đó cũng giảm sự cố do người vận hành thao tác nhầm, nângcao độ an toàn khi vận hành

1.2.2 Thực trạng việc giám sát nhiệt độ ở Việt Nam

Nhiệt độ là một trong các thông số quan trọng để nhanh chóng và kịp thờiphát hiện các thay đổi bất thường đang diễn ra trong thiết bị Thông số nhiệt độphản ánh nhiều tình trạng của thiết bị hiện tại, tình trạng phát nhiệt tại các tiếpđiểm, các kẹp cực trong máy cắt, hay các thanh cái có thể xác định được dòngđiện chịu đựng được của chúng Các thông số nhiệt độ trong máy cắt, dao cách

ly, tủ hợp bộ, tủ xuất tuyến… các thông số nhiệt độ tại các điểm phát nhiệt kín làcác thông số hết sức quan trọng nhằm dự đoán trước các sự cố có thể xảy Từ đóđưa ra các quyết định chính xác trước khi đóng cắt các thiết bị, cũng như bảodưỡng sửa chữa

Đặc biệt các thiết bị đóng cắt là thành phần chính trong hệ thống điện vàđược sử dụng để phân phối năng lượng điện và cách ly có chọn lọc với các tải,bởi vậy sự tích tụ nhiệt là một đặc tính quan trọng cần theo dõi Hiệu ứng nhiệtđặc biệt rõ ràng trong các thiết bị đóng cắt trung thế được sử dụng trong phânphối, ở đó dòng điện có thể tăng lên vài ngàn Ampe Do đó giữ cho thiết bị đóngcắt hoạt động đúng điều kiện bình thường trở thành một vấn đề quan trọng Hiệntại, giám sát nhiệt độ các thanh cái, các điểm phát nhiệt tại trụ sứ được kiểm trađịnh kỳ bằng cách kiểm tra thủ công sử dụng camera hồng ngoại (Hình 1 5)

Hình 1.5 Sử dụng thiết bị đo nhiệt bằng hồng ngoại đo độ tại trạm[ CITATION

Ngãi cải tiến công nghệ hỗ trợ giám sát trực tuyến nhiệt độ sử dụng camera nhiệtđược gắn cố định trong trạm ứng dụng phương pháp xử lý ảnh (Hình 1 6).

Hình 1.6 Màn hình giám sát nhiệt độ sử dụng camera nhiệt[ CITATION Tra \l

1033 ]

Nhưng phương pháp này cũng có nhiều nhược điểm như tốn kém chi phí, nhiệt

độ đo được từ camera thường bị ảnh hưởng bởi môi trường như khi có các nguồnkhí nóng đi qua, khó bao quát hết toàn trạm

Một số phương pháp đo dòng điện, điện áp của các điểm làm việc liên quanviệc phát nhiệt, tuy nhiên phương pháp này chỉ phát hiện các hiện tượng quá tải,

sự cố không thể phát hiện các điểm phát nhiệt xuất hiện mô-ve hay phóng hồquang

Hơn nữa thiết bị đóng cắt được sản xuất trong nhiều hình thức như cầu chì,máy cắt, bộ ngắt mạch, thanh cái được đặt ở bất cứ nơi nào và hầu hết các điểmphát nhiệt được chỉ ra là các mối nối, các điểm kín bên trong vỏ thiết bị Đặc biệttrong trạm 110kV có rất nhiều máy cắt thường xuyên làm việc, các máy cắt caothế, trung thế là các điểm đo nhiệt độ quan trọng trong trạm Như máy cắt cao thếtrên ngăn lộ 110kV trước biến áp, các máy cắt trung thế sau biến áp trên cácthanh cái, các ngăn lộ tổng, trước các ngăn tủ xuất tuyến, các máy cắt hạ thếtrước các biến áp cấp điện tự dùng trong trạm Hình 1 7 là minh họa sơ đồ nhấtthứ trạm Noruma đơn giản thể hiện rõ vị trí các máy cắt trong một trạm biến áp110kV

xxiv

Hình 1.7 Minh họa sơ đồ nhất thứ trạm Noruma[ CITATION Sin16 \l 1033 ]

Việc mở vỏ thiết bị phục vụ công tác kiểm tra thường xuyên có thể gây rahiện tượng phóng điện do môi trường cao áp có khả năng gây nguy hiểm đếnngười và thiết bị Nên các phương pháp trên hầu như không thể áp dụng để đonhiệt tại các điểm này

Một số giải pháp truyền thông không dây, hay cáp quang nhằm giám sátnhiệt độ các điểm phát nhiệt kín sử dụng cảm biến nguồn pin đã được áp dụng(Hình 1 8) Nhưng các ứng dụng này cũng có những nhược điểm nhất định như:thời gian sống của pin, yêu cầu thay thế Đặc biệt các cảm biến loại này có thể bịảnh hưởng bởi môi trường khắc nghiệt bên trong thiết bị cao áp

xxv

Hình 1.8 Giải pháp truyền thông sử dụng ZigBee, cáp quang của

ABB[ CITATION Swi16 \l 1033 ]

1.3 Giải pháp đặt ra

Ngày nay tự động hóa phát triển, bên cạnh đó là sự bùng nổ của IoT vàmạng cảm biến không dây, Lưới điện thông minh là mục tiêu hàng đầu của cácquốc gia, nhằm giảm thiểu tối đa nhân công, rủi ro trong vận hành.Theo đề ánphát triển Lưới điện thông minh tại Việt Nam, ngành Điện đặt ra mục tiêu đếnnăm 2020, 100% số trạm biến áp 110kV và 60% số trạm biến áp 220kV sẽ đượcgiám sát và vận hành theo mô hình KNT[ CITATION Đềá16 \l 1033 ], thì việcứng dụng các công nghệ mới, IoT hay mạng cảm biến không dây vào trong trạm

là giải pháp tất yếu trong tương lai

Với công nghệ cảm biến không dây thụ động SAW đang và đã được ápdụng hầu khắp hiện nay với những ưu điểm về độ an toàn, bền bỉ với nhiễu vàmôi trường khắc nghiệt thì nhiều hãng như ABB (Hình 1 9) và một số hãngkhác đã tích hợp các cảm biến SAW vào các thiết bị máy cắt, tủ hợp bộ… của họcùng với các giải pháp truyền thông, IoT để giám sát trực tiếp nhiệt độ tại cácđiểm phát nhiệt kín, cảnh báo từ xa

Hình 1.9 Giải pháp ứng dụng cảm biến SAW của ABB[ CITATION ABB19 \l 1033

]

Tuy nhiên những giải pháp này hầu hết là các giải pháp hệ thống đi kèm vớiviệc thay thế toàn bộ các thiết bị không hợp lý với mục tiêu của EVN đề ra là cảitạo các trạm biến áp hiện hành ở Việt Nam đi đến vận hành không người trực.Chỉ có thể áp dụng với các trạm điện đang trong quá trình xây dựng, nhưng chiphí cũng vô cùng đắt đỏ Hơn thế nữa nước ta hiện nay có đến hàng trăm trạm

xxvi

110kV thì việc thay mới toàn bộ các thiết bị là không thể nào vì hết sức tốn kém.Trên thực tế các cảm biến không dây thụ động SAW có thể dễ dàng lắp được lắpđặt thêm tại các điểm phát nhiệt cần đo, các điểm phát nhiệt kín (Hình 1 10), kếthợp các thiết bị chuyển đổi dữ liệu vào các thiết bị hiện hành.

Hình 1.10 Thực tiễn giải pháp lắp đặt cảm biến của ABB[ CITATION ABB19 \l

1033 ]

Vì vậy đề tài đồ án này em tập trung tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ SAW,

bộ đọc cảm biến từ đó đưa ra thiết kế giải pháp truyền thông cho hệ thống giámsát nhiệt độ các điểm phát nhiệt kín trong trạm Hầu hết các bộ đọc hiện có đều

có hỗ trợ giao thức truyền thông Modbus RTU, nhưng việc truyền thông có dâytrong trạm hiện nay cũng tương đối phức tạp bởi các giao thức truyền tin đã được

sử dụng như IEC61850, Modbus RTU, Modbus TCP/IP, IEC60870-5-104 Hình 1 11 dưới là sơ đồ tổng thể hệ thống SCADA phổ biến tại một trạm biếnáp

Hình 1.11 S t ng th h th ng SCADA t i các tr m bi n ápơ đồ ổ ể ệ ố ạ ạ ế

Như vậy ở các trạm hiện hành việc lắp đặt thêm các hệ thống có dây sẽphức tạp hơn nhiều và khó có thể tránh được những rủi ro trong quá trình lắp đặt

xxvii

cũng như hoạt động, vì vậy một giải pháp truyền thông không dây trong trạmđược em tìm hiểu và áp dụng trong đồ án này Trong thực tế các máy cắt, tủ xuấttuyến được đặt gần nhau và trong một phòng tập trung nên vấn đề về truyềnthông không dây cũng không quá khó khăn khi khoảng cách không xa, chỉkhoảng 50m đổ lại (Hình 1 12).

Hình 1.12 Các tủ máy cắt trong một phòng tại trạm 110kV Uông Bí 2[ CITATION

Côn \l 1033 ]

Như vậy, một giải pháp truyền thông không dây với những ưu điểm như antoàn với môi trường cao áp, nhiều nhiễu, toàn vẹn tín hiệu, tốc độ truyền thấp,tiết kiệm năng lượng, khoảng cách truyền hợp lý cần được áp dụng Hình 1 13hiện giải pháp hệ thống em sẽ thiết kế trong đồ án này

Hình 1.13 Sơ đồ khối giải pháp hệ thống thực tiễn

Kết luận chương 1: Trong chương 1 này, đồ án đã đi tìm hiểu tổng quan hệ thống điện Việt Nam hiện nay, xu thế vận hành TBA KNT, các giải pháp giám sát tình trạng thiết bị, đặc biệt là các giải pháp giám sát nhiệt độ Em đã chỉ ra được các nhược điểm các giải pháp trên để cuối cùng đưa ra giải pháp hệ thống mà

em đề xuất trong đồ án của mình.

xxviii

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THỤ ĐỘNG VÀ

GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG

Sau khi tìm hiểu các phương pháp giám sát nhiệt độ hiện tại và đưa ra giải pháp hệ thống, Chương 2 này em sẽ đi vào tìm hiểu chi tiết các vấn đề chính mà giải pháp em đưa ra có đề cập đến và đưa ra lựa chọn giải pháp truyền thông.

2.1 Cảm biến không dây thụ động SAW

2.1.1 Lịch sử của SAW

Năm 1855, Surface Acoustic Waves (SAW) được đưa ra bởi nhà toán họcLord Rayleigh Đến năm 1965, Inter Digital Transducers (IDT) được phát minhbởi White và Voltmer, cho phép sử dụng SAW trong các bộ lọc khác nhau Lúcđầu, bộ lọc SAW được sử dụng thay thế cho các bộ lọc LC trong Tivi và sau đóchúng cũng được sử dụng để xử lý tín hiệu trong radar Năm 1977, chỉ 12 nămsau khi IDT được phát minh, Williamson đã công bố danh sách 45 sản phẩm ứngdụng SAW Kể từ đó, việc sử dụng các thiết bị SAW đã được mở rộng Đối vớicác thiết bị liên lạc, chúng đã được sử dụng trong điện thoại không dây và máynhắn tin, gần đây còn thường xuyên được sử dụng trong điện thoại di động và cácthiết bị liên lạc khác Đối với phát sóng truyền hình, SAW bắt đầu được sử dụngtrong các bộ điều chỉnh để phát sóng vệ tinh, sau đó được sử dụng rộng rãi đểđáp ứng việc mở rộng phạm vi phát sóng, thay đổi cơ sở hạ tầng phát sóng, nhưphát sóng kỹ thuật số cho thiết bị di động và phát thanh kỹ thuật số vệ tinh, ứngdụng trong truyền hình kỹ thuật số mặt đất Hơn nữa, các bộ lọc SAW cho GPShiện đang được sử dụng trong các hệ thống định vị xe hơi, viễn thông và thậmchí trong điện thoại di động Việc sử dụng các bộ lọc SAW đang mở rộng liêntục vì các chức năng giao tiếp thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng lớnhơn, bao gồm các hệ thống khóa, hệ thống giám sát áp suất lốp[ CITATION Wor

\l 1033 ]

Những ý tưởng đầu tiên về việc sử dụng thiết bị sóng âm bề mặt (SAW)làm cảm biến đã được phát triển khoảng 40 năm trước với sự phát triển liên tục

kể từ đó cho một loạt các lĩnh vực ứng dụng Cảm biến SAW được chứng minh

là hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và được sử dụng để làm cảm biếnnhiệt độ, áp suất, mô-men xoắn, gia tốc, độ ẩm và hơn thế nữa Ngày nay, SAWước tính được ứng dụng số lượng rất lớn trong các bộ lọc tần số vô tuyến trongđiện thoại, thì cảm biến SAW vẫn là một phân khúc ứng dụng rất nhỏ của thiết bịSAW Tuy nhiên, điều này có thể thay đổi trong tương lai bởi cuộc cách mạngcông nghiệp lần thứ tư, công nghệ cảm biến không dây cho các ứng dụng đolường đóng một vai trò ngày càng quan trọng Đặc biệt, sự quan tâm đến các giảipháp không dây đang tăng lên, vì một kết nối có dây cố định không thể ứng dụngtrong hầu hết các trường hợp với điều kiện môi trường khắc nghiệt Tuy nhiênbản thân cảm biến SAW là một dạng cảm biến thụ động, không thực hiện bất cứphép đo nào nếu không có kích thích vì thế một bộ đọc là cần thiết trong các ứngdụng cảm biến SAW không dây thụ động

xxix

2.1.2 Nguyên lý cơ bản

Khi một hòn đá nhỏ được ném xuống nước, sóng được tạo ra và di chuyểnđến môi trường xung quanh Khi chúng ta gõ trên mặt bàn, chúng ta có thể cảmnhận được những rung động truyền đến môi trường xung quanh Một loại sóngtồn tại trong một vật liệu đàn hồi với một bề mặt tự do, có phân bố cục bộ gần bềmặt Trong các thiết bị Surface Acoustic Wave, sóng âm bề mặt truyền đi trên bềmặt của vật liệu áp điện

a Yêu cầu kích thích

Sóng âm bề mặt có thể được tạo ra ở bề mặt tự do của vật rắn đàn hồi.Trong các thiết bị SAW, việc tạo ra sóng âm bề mặt bằng cách đặt điện áp lênmột bộ chuyển đổi bằng các thanh kim loại đan xen nhau (IDT) được đặt trên bềmặt của vật liệu áp điện kết nối với một anten Một thiết bị SAW sử dụng haiIDT cơ bản được phác họa trong Hình 2 14 Một IDT là đầu vào thiết bị vàchuyển đổi các biến đổi điện áp thành sóng âm bề mặt cơ học dựa trên nguyên lýáp điện nghịch IDT còn lại được sử dụng như một bộ phát đầu ra để chuyển đổicác rung động SAW cơ học thành điện áp đầu ra dựa trên hiện tượng áp điệnthuận Để có thể chuyển đổi năng lượng như vậy đòi hỏi IDT phải được sử dụngcùng với các bề mặt đàn hồi cũng là bề mặt áp điện Tuy nhiên, lưu ý rằng bề mặtbên ngoài các vùng IDT chỉ cần có tính đàn hồi, không cần là vật liệu áp điện

Hình 2.14 Cấu trúc thiết bị SAW cơ bản

Hai đầu sử dụng hai bộ hấp thụ SAW giúp sóng lan truyền trên bề mặt theomột hướng duy nhất từ IDT đầu vào đến IDT đầu ra

b Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect) là một hiện tượng được nhà khoángvật học người Pháp đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhàPierre và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880 Hiệntượng xảy ra như sau: người ta tìm được một số chất có tính chất hóa học gầngiống gốm, đơn tinh thể và nó có hai hiệu ứng thuận - nghịch Áp điện thuận làđiện thế được tạo ra do hiệu ứng áp điện của một số vật liệu khi chịu lực nénhoặc giãn nở cơ học Và hiệu ứng áp điện nghịch là khi một số vật liệu dưới tácdụng của điện thế có thể gây ra thay đổi tính chất cơ học, tạo ra nén hoặc giãn nở,biến dạng Lý do chủ yếu cho hiệu ứng áp điện là do cấu trúc lưỡng cực và khôngđồng đều, dị hướng của các phần tử trong tinh thể Cấu trúc không đồng đềuđược thể hiện ở Hình 2 15

xxx

Hình 2.15 Cấu trúc phân tử không đồng đều trong tinh thể[ CITATION You \l

1033 ]

Khi đặt vào một hiệu điện thế trên bề mặt hai bản cực, một điện trường sẽđược tạo ra và định hướng lại các phân tử trong tinh thể theo chiều điện trường,dẫn đến cấu trúc tinh thể được sắp xếp lại làm cho tinh biến dạng cơ học trên tinhthể đó Đó là hiệu ứng áp điện nghịch, Hình 2 16 là cấu trúc vật liệu bị biếndạng nén tác dụng của điện trường đặt vào

Hình 2.16 Biến dạng cấu trúc vật liệu áp điện khi đặt vào điện áp[ CITATION

You \l 1033 ]

Khi vật liệu bị ép hoặc nén, một điện thế được tạo ra giữa hai bản cực củavật liệu Do các phân tử chịu tác dụng của lực nén hoặc dãn cũng sắp xếp lại thứ

tự của nó tạo lên các điện tích trên hai bản cực như trên Hình 2 17

Hình 2.17 Vật liệu áp điện chịu lực nén tạo ra điện tích trên hai bản

cực[ CITATION You \l 1033 ]

Các thiết bị SAW thường sử dụng các vật liệu áp điện như thạch anh,LiNbO3, LiTaO3

c Chuyển đổi kỹ thuật số (IDT)

Đây là những điện cực giống như ngón tay trên bề mặt chất nền áp điệnbằng kỹ thuật in thạch bản Chúng được sử dụng để phát và thu sóng âm trên bềmặt tinh thể áp điện Bằng cách đưa tín hiệu điện áp thay đổi theo thời gian trêncác điện cực IDT, do tính chất kim loại các thanh IDT đều dẫn điện và nhanhchóng phân cực thành các điện tích (+) và (-), tạo ra điện trường xoay chiều giữacác thanh IDT Nhờ điện trường xoay chiều và xen kẽ giữa các IDT tạo nên sự

xxxi

nén hoặc kéo xen kẽ tương ứng trên bề mặt áp điện gây ra biến dạng đàn hồi.Năng lượng điện biến đổi thành năng lượng cơ dưới dạng dao động cơ Điệntrường xoay chiều này liên tục tác động lên bề mặt áp điện nên gây ra các daođộng cơ liên tục và lan truyền dọc theo bề mặt do hiệu ứng áp điện ngược (Hình

2 18)

Hình 2.18 Cấu tạo của IDT trên một cảm biến SAW[ CITATION Ngu18 \l 1033 ]

Và khi sóng đi đến IDT đầu ra, nó được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp

do hiệu ứng áp điện thuận, hoặc đến các bộ phản xạ thì nó bị phản xạ ngược lạicộng hưởng với sóng lan truyền đến IDT đầu vào lúc này lại đóng vai trò đầu ra

để tạo ra điện áp cũng do hiệu ứng áp điện thuận[ CITATION Ngu18 \l 1033 ]

2.1.3 Cấu tạo cảm biến SAW

Trong thực tế chế tạo có rất nhiều loại cảm biến SAW như Hình 2 19

Hình 2.19 Một số dạng cảm biến SAW phổ biến[ CITATION Fab18 \l 1033 ]

Nhưng trong đồ án này, em chỉ đi vào tìm hiểu chi tiết một dạng SAW đượcứng dụng nhiều trong đo nhiệt độ hiện nay đó là SAW dòng trễ phản xạ sử dụngmột IDT như trên Hình 2 19c SAW sử dụng dòng trễ phản xạ được đề xuất lầnđầu vào năm 1972 cho các hệ thống nhận dạng không dây (ID-Tags) và vẫn được

sử dụng ngày nay trong các ứng dụng nhận dạng RFID Phải mất một thời giandài sau đó, SAW sử dụng dòng trễ phản xạ mới được sử dụng làm cảm biến lầnđầu tiên năm 1987 Một lợi thế quan trọng của chúng là có thể kết hợp cả nhậndạng và cảm biến không dây

a Cấu tạo của cảm biến SAW dòng trễ phản xạ một IDT

Hình 2 20 là nguyên lý, cấu tạo của cảm biến thụ động không dây dạngsóng âm bề mặt SAW dòng trễ phản xạ một IDT

xxxii

Hình 2.20 Nguyên lý, cấu tạo của cảm biến SAW dòng trễ phản xạ[ CITATION

Ngu18 \l 1033 ]

Cảm biến loại này bao gồm một đế là vật liệu áp điện, trên bề mặt có sửdụng một bộ chuyển đổi (IDT) tạo bởi các thanh kim loại xếp đan xen nhau,được nối với 1 anten và các bộ phận phản xạ cũng được tạo bởi các thanh kimloại

b Nguyên lý cảm biến SAW dòng trễ phản xạ một IDT

Khi anten của cảm biến nhận được sóng tần số vô tuyến (RF) từ thiết bị đọc

và truyền tới IDT, do tính chất của IDT là kim loại và đế được làm bằng vật liệuáp điện như đã nói ở phần trên một sóng cơ lan truyền trên bề mặt áp được đượctạo ra với một vận tốc nhất định Các sóng cơ lan truyền tới các bộ phản xạ, mộtphần sóng này sẽ phản xạ theo hướng ngược lại khi đập vào các thanh phản xạ.Các sóng này sẽ lan truyền đến IDT đầu vào, tại đây xảy ra hiện tượng áp điệnthuận – các sóng cơ lại biến đổi thành tín hiệu điện và được phát đi bởi anten.Sóng lan truyền trên bề mặt đế áp điện chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố thểhiện theo công thức:

PT 2.1

Trong đó: T – là nhiệt độ, E – là điện trường, σ – độ dẫn điện của vật liệu, ε

– hằng số điện môi, p – áp suất, m – khối lượng

Có thể thấy vận tốc lan truyền sóng trên bề mặt áp điện chịu ảnh hưởng bởicác yếu tố trên, như vậy từ các tín hiệu điện phản xạ như biên độ, tần số, góc pha,chu kỳ chúng ta có thể dễ dàng tính toán các thông số trên về các đối tượng đo(Hình 2 21)

xxxiii

Hình 2.21 Quá trình nhận sóng và phát sóng trên IDT[ CITATION Ngu18 \l

1033 ]

Các thiết bị đọc từ đó căn cứ vào độ trễ, sự khác biệt về tần số, pha của cácsóng RF phát ra và sóng phản xạ nhận được để có thể tính toán ra các giá trị đovề nhiệt độ, áp suất, điện môi, độ dẫn điện… của môi trường chứa cảm biến Bêncạnh các đại lượng trên có thể đo từ một cảm biến SAW nguyên bản thì còn cóthể ứng dụng SAW để đo các đại lượng khác như các loại khí gas, nồng độ bụi,các thông số môi trường đặt cảm biến chỉ bằng cách phủ các chất nhạy cảm biếntrên bề mặt lan truyền sóng (Hình 2 22) Các chất này cũng phải có khả năng tácđộng đến vận tốc lan truyền sóng, biên độ sóng, độ suy hao khi môi trường thayđổi để tạo ra độ trễ

Hình 2.22 Cảm biến SAW được phủ lớp cảm biến[ CITATION Vic18 \l 1033 ]

Nếu ký hiệu T D là thời gian lan truyền sóng trên bề mặt đế áp điện, khoảngcách từ vị trí trung tâm của IDT và bộ phản xạ là L, vận tốc truyền sóng là v saw thìmối quan hệ của chúng được thể hiện bởi công thức:

aw

D s

L T v

[ CITATION Ngu18 \l 1033 ]

PT 2.2

Thời gian lan truyền sóng phụ thuộc vào các yếu tố: nhiệt độ, áp suất, điệnmôi,… hay các yếu tố nồng độ khí, bụi trong các trường hợp SAW được phủ lớpcảm biến Nếu gọi T0 là thời gian lan truyền, chịu tác động của đại lượng vật lý y,thì độ nhạy S T y của T theo y được thể hiện bởi:

1

y T

dT S

Xấp xỉ tuyến tính mở rộng chuỗi Taylor bậc 1 công thức trên sẽ nhận được:

toán đo T hoặc đo tần số trung tâm Cảm biến thụ động không dây dạng sóng

âm bề mặt SAW làm việc ở chế độ một IDT có thể ứng dụng trong mục đíchnhận dạng hoặc đo lường Với mục đích nhận dạng nữa cảm biến sẽ có nhiều hơncác bộ phản xạ (Hình 2 23), với việc sử dụng nhiều bộ phản xạ thì mỗi bộ phản

xạ sẽ đưa về một giá trị dữ liệu hồi đáp về bộ đọc, từ các giá trị đó có thể xácđịnh được loại cảm biến nào đang được đọc

Hình 2.23 Cảm biến SAW mục đích nhận dạng và đo lường

Khi cảm biến bị tác động bởi các yếu tố vật lý sẽ gây ra thời gian trễ τ giữacác đáp ứng của sóng phản xạ, trễ này tỷ lệ với khoảng cách đặt các bộ phản xạ,hoặc tính vào độ suy giảm biên độ sóng để tính được giá trị cần đo:

saw

L L v

[ CITATION Ngu18 \l 1033 ]

PT 2.6

c Một số loại cảm biến nhiệt độ nguyên lý SAW

Hình 2 .24 là một loại cảm biến nhiệt độ ứng dụng SAW của hãng IntelliSAW[ CITATION EME \l 1033 ]:

Hình 2.24 Cảm biến nhiệt độ của hãng IntelliSAW[ CITATION EME \l 1033 ]

Hình 2.25 Cảm biến nhiệt độ của hãng SENSeOR[ CITATION SEN1 \l 1033 ]

2.2 Bộ đọc cảm biến nhiệt độ thụ động

Như đã phân tích ở mục 2.1, cảm biến nhiệt độ dựa trên nguyên lý SAW làmột dạng cảm biến không dây thụ động Vì vậy yêu cầu một đầu đọc cho các loạicảm biến dạng này là tất yếu Đối với bộ đọc cảm biến nhiệt độ không dây thụđộng dạng này có nhiều kiến trúc khác nhau, được chia làm 2 loại chính: Lấymẫu theo thời gian (TDS) được biết đến với việc lấy mẫu trên dải tần số rộnghoặc toàn dải, thứ hai là lấy mẫu theo tần số (FDS) cũng được biết đến với việclấy mẫu dải hẹp hoặc lấy mẫu cục bộ trong dải Cả hai cấu trúc cảm biến SAW(trễ phản xạ và cộng hưởng) có thể dùng cả hai phương pháp trên để phân tích dữliệu phản hồi về Vì mỗi loại cảm biến và bộ đọc có sự khác biệt về ưu nhượcđiểm của nó, nên ta chọn dạng cảm biến và bộ đọc cho từng ứng dụng, đặc điểmmôi trường cụ thể (Hình 2 26):

Hình 2.26 Phân loại các bộ đọc cảm biến SAW[ CITATION Fab18 \l 1033 ]

Do thời gian thực hiện làm đồ án có hạn nên em cũng chỉ tập trung tìm hiểuđược một số bộ đọc lấy mẫu theo tần số FDS cho phép đọc các cảm biến SAW

sử dụng trễ phản xạ đã tìm hiểu ở mục 2.1.3

2.2.1 Bộ đọc dạng FMCW/FSCW

a Lý thuyết cơ bản

Kiến trúc phần cứng bộ đọc loại này được thể hiện dưới Hình 2 27:

xxxvi

Hình 2.27 Sơ đồ khối bộ đọc dạng FMCW/FSCW[ CITATION Fab18 \l 1033 ]

Bộ tổng hợp tần số RF tạo ra tín hiệu đọc s tT( ) Đối với bộ đọc FMCW,

đây là một tín hiệu hình sin, tần số ban đầu là fst, với độ tăng tần số tuyến tính

PT 2.8

Với biên độ và pha ban đầu tùy ý Bộ đọc dạng FSCW cũng tương tự nhưng

nó sử dụng các bước tăng tần số rời rạc f n[ ]:

đó, sóng âm tại IDT được chuyển đổi thành sóng điện từ và chuyển lại bộ đọc Ở

đó, nó được đưa qua bộ khuếch đại LNA và lấy một phần tín hiệu dưới dạng tínhiệu dao động cục bộ từ bộ tạo tần đi qua bộ ghép lai thành hai tín hiệu, 1 tínhiệu giữ nguyên, 1 tín hiệu bị dịch pha 90° được chuyển đến bộ trộn IQ Tín hiệusau đó được đưa qua bộ lọc thông thấp (LPF) khuếch đại và được số hóa bởiADC, sau đó thường xử lý bởi các bộ vi điều khiển hoặc các bộ xử lý tín hiệu số

Từ các biên độ, độ lệch pha, tần số sẽ tính toán ra các thuộc tính của cảm biến

xxxvii

b Mô hình tín hiệu

Người ta chứng minh rằng có thể lấy được mô hình tín hiệu hợp lệ mô tả tínhiệu bằng việc số hóa x[n], cho cả tín hiệu kích thích và tín hiệu từ cảm biến:

ref,i 1

là tương đương, riêng khi đánh giá pha có sự khác biệt nhỏ, với FMCW:

2 , 2

c Xử lý tín hiệu từ cảm biến đường trễ phản xạ

Trong trường hợp cảm biến đường trễ phản xạ, tín hiệu được số hóa x[n]bao gồm sự chồng chất của các tín hiệu phản hồi của từng gương phản xạ Biểu

đồ luồng xử lý tín hiệu nhận được ở Hình 2 28 dưới đây:

Hình 2.28 Luồng xử lý dữ liệu FDS với cảm biến SAW dòng trễ phản

xạ[ CITATION Fab18 \l 1033 ]

Đầu tiên, với phương pháp FSCW, các tín hiệu được lấy mẫu I[f], Q[f]được chuyển thành miền thời gian bằng cách biến đổi ngược Fourier nhanh(IFFT) Với phương pháp FMCW, tín hiệu được lấy mẫu I[t], Q[t] trước tiên sẽđược ánh xạ   t f rồi thực hiện tương tự như FSCW Cuối cùng các tín hiệuđược đưa thành các xung sau đó tính toán thời gian trễ so với tín hiệu gửi đi vàước lượng thời gian sai lệch và đưa ra các giá trị cảm biến[ CITATION Fab18 \l

1033 ]

2.2.2 Bộ đọc dạng S–FSCW

Sơ đồ khối bộ đọc loại này được thể hiện ở Hình 2 29

xxxviii