Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ IOT
GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TỪ
XA BỘ ĐIỀU KHIỂN TỤ BÙ HẠ ÁP
Trần Trung Hiếu1, Ngơ Đình Thanh1, Nguyễn Xn Tiến2, Nguyễn Phúc Lê Huy1, Nguyễn Quang Tiến1
1
Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
2
Điện lực Chư Pah, Công ty điện lực Gia Lai
Email:

bao gồm các vấn đề như chưa thể phát hiện kịp thời khi
có hư hỏng do chỉ có thể kiểm tra định kỳ, tốn nhiều
nhân công trong công tác quản lý vận hành, vẫn có các
vụ tai nạn điện xảy ra do việc kiểm tra đo thơng số trực
tiếp và hiện chưa có phần mềm quản lý theo dõi từ xa.
Với những vấn đề cấp thiết như trên, việc yêu cầu một
hệ thống IoT giám sát từ xa là phù hợp với nhu cầu thực
tiễn, đảm bảo an toàn lao động, tiết kiệm thời gian và chi
phí cho việc quản lý có u cầu phải vận hành liên tục
và hiệu quả.

Tóm tắt — Bài báo trình bày việc thiết kế, chế tạo
thiết bị IoT thu thập dữ liệu của bộ điều khiển tụ bù
hạ áp từ xa qua mạng viễn thông 4G. Thiết bị bao
gồm mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều
khiển STM32 giao tiếp với bộ điều khiển tụ bù
DUCATI R8 qua chuẩn truyền thông Modbus RTU,
và gửi dữ liệu lên server thông qua giao thức HTTP.
Dữ liệu sẽ được trực quan hóa, lưu trữ, cập nhật theo

thời gian thực để có thể dễ dàng truy vấn và hiển thị
trên phần mềm quản lý. Hệ thống cho phép thu thập
thông tin chất lượng điện năng như điện áp, dòng
điện tiêu thụ, hệ số công suất cosφ, tần số, cũng như
trạng thái của các tụ bù hạ áp, ... Việc ứng dụng cơng
nghệ IoT giúp cán bộ nhân viên ngành điện có thể
tiết kiệm được thời gian, công sức để theo dõi số liệu
vận hành, kiểm tra định kì tại chỗ cũng như là có thể
sửa chữa hư hỏng một cách kịp thời. Giải pháp này
đảm bảo các tủ tụ bù có thể vận hành liên tục theo
thời gian thực và đảm bảo hệ số công suất cosφ lớn
hơn 0,9. Từ kết quả thực hiện được, dự án đã cho
thấy đây là giải pháp có thể triển khai tại các nhà
máy, các tủ bù hạ áp đang hoạt động và rất thuận
lợi trong việc thi công, lắp đặt, vận hành, dữ liệu
được thu thập theo thời gian thực và có độ tin cậy
cao.

Hình 1. Tình hình thực tế quản lý tụ bù tại điện lực Chư Pưh
2021

II.

Việc giám sát chất lượng và quá trình hoạt động từ xa
của hệ thống điều khiển tụ bù thông qua các thông số
chất lượng điện năng như cosφ, cơng suất phản kháng,
dịng điện, điện áp, trạng thái của tụ bù… sẽ giúp người
quản lý vận hành đánh giá được chính xác chất lượng
điện năng, đồng thời việc giám sát các thông số sẽ giúp
cảnh báo sớm được tình trạng tụ bù đó như thế nào để

có kế hoạch khắc phục, xử lý sớm và chính xác nhất. Hệ
thống giám sát thông số năng lượng của bộ điều khiển

Từ khóa - Bộ điều khiển tụ bù, IoT, Chất lượng
điện năng, Thu thập dữ liệu..
I. GIỚI THIỆU
Trong một hệ thống điện, tụ bù được sử dụng với
mục đích bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số
công suất cosφ nhằm đảm bảo hiệu quả các hoạt động
trên lưới điện. Chính vì thế, trên khắp nước ta hiện đang
có trên 100.000 tủ tụ bù các loại được sử dụng và hoạt
động liên tục mỗi ngày. Việc xảy ra những sự cố như hư
hỏng tủ tụ bù sẽ làm tổn hao trên dây truyền tải điện,
công suất phản kháng khơng được bù khi sụt áp, ảnh
hưởng đến chi phí tiền điện.
Hiện nay vẫn cịn những khó khăn vướng mắc
đang tồn tại việc quản lý nhiều tủ tụ bù hạ áp hàng tháng,

ISBN 978-604-80-7468-5

GIẢI PHÁP XỬ LÝ

31


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

tụ bù hạ áp từ xa thông qua mạng viễn thông 4G được
chia ra làm 3 phần:


Hình 3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị

Hình 2. Giải pháp thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu

•
Thu thập dữ liệu.
•
Xử lý và truyền dữ liệu.
•
Quản lý và trực quan hóa dữ liệu.
Thu thập dữ liệu: Các thông số của tụ bù sẽ được bộ điều
khiển tụ bù Ducati chuyển về module thu thập dữ liệu
thông qua giao thức Modbus RTU. Các trạng thái của tụ
bù sẽ được giám sát trực tiếp thông qua các tiếp điểm
phụ của contactor.
Phần xử lý và truyền dữ liệu: Dữ liệu sẽ được bóc tách,
xử lý, đóng gói theo dạng Json và gửi lên Database thông
qua giao thức HTTP bằng vi điều khiển STM32F407 và
module Sim 7600E-H.
Phần quản lý và trực quan hóa dữ liệu: Các thơng số sẽ
được gửi lên một cơ sở dữ liệu cập nhật thời gian thực,
dữ liệu lưu tại đây được truy vấn đến để hiển thị lên
webserver và có thể được lưu trong một thời gian tương
đối tùy vào dung lượng dữ liệu cập nhật đến.
III.

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng

Thiết kế nguyên lý mạch phần cứng:
Sơ đồ nguyên lý thiết bị giám sát Role tụ bù Ducati

R8[1] bao gồm 6 phần:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ VẬN

- Phần Nguồn sử dụng bộ nguồn Uno Phoenix Contact
[2]. Từ đó chia ra hai nguồn để đảm bảo cách ly cho
thiết bị.

HÀNH

Từ những yêu cầu, bài báo hướng đến mục tiêu nghiên
cứu và thiết kế chế tạo thiết bị giúp cho điện lực Chư
Pưh giám sát các thông số và vận hành tụ bù hạ áp trên
lưới điện theo thời gian thực. Từ đó, có thể xây dựng hệ
thống nơi các thông số của tụ bù, trạng thái làm việc,
chất lượng điện áp được gửi về trung tâm điều khiển,
góp phần nâng cao chất lượng điện năng. Cụ thể, hệ
thống đề xuất:
•
Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo lường, giám sát
từ xa các thơng số năng lượng quan trọng tích hợp kết
hợp với phần mềm mã nguồn mở Scada để lập trình, thu
thập số liệu phục vụ cho cơng tác quản lý vận hành tụ
bù hạ áp.
•
Giám sát trạng thái làm việc của hệ thống
contactor để so sánh với tín hiệu từ Relay điều khiển tụ
bù, từ đó theo dõi được tình trạm vận hành của tủ bù.
•
Triển khai lắp đặt thử nghiệm tại lưới của Điện

lực Chư Pưh, sau đó đánh giá độ tin cậy của thiết bị sau
khi vận hành trực tiếp.

ISBN 978-604-80-7468-5

- Phần truyền thông lên Web Server sử dụng Module
SIM7600E-H[3] có các chân UART để kết nối với vi
điều khiển STM32F407.
- Phần thu thập dữ liệu sử dụng vi điều khiển
STM32F407 có các thống số nổi bậc như [4]. Đồng thời
có khả năng tiêu thụ năng lượng thấp và hiệu năng cao.
Cùng tính năng Watch Dogs, bảo mật. Có được sự cân
bằng giữa năng lượng tiêu thụ và hiệu suất.
- Phần mạch giao tiếp giữa Ducati và thiết bị thu thập:
Mạch chuyển giao tiếp TTL to RS485.
- Phần đầu vào sử dụng PC817[5] đọc trạng thái của
contactor.

32


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

- Bước 3: Thiết lập khung truyền Modbus RTU
để lấy số liệu từ bộ điều khiển tụ bù.
- Bước 3: Thực hiện gửi dữ liệu và chờ nhận dữ
liệu phản hồi.

- Phần Led báo trạng thái hoạt động của bộ điều khiển
trung tâm (STATUS LED).


Hình 7. Lưu đồ thuật tốn q trình truyền nhận, xử lý dữ
liệu

- Bước 4: Nhận dữ liệu và tính CRC để kiểm tra
tính chính xác của dữ liệu, quá trình kiểm tra được lặp
đi lặp lại để bảo đảm dữ liệu được bảo tồn và chính
xác.
- Bước 5: Thực hiện ghép dữ liệu, sau khi khung
truyền dữ liệu được phản hồi về thì thực hiện tách và
ghép dữ liệu để lấy ra thông số cần.
- Bước 6: Thiết lập khung truyền cho HTTP để
gửi dữ liệu lên Database.
- Bước 7: Khung truyền HTTP được gửi qua
module sim 7600E-H đã định sẵn địa chỉ hoặc cũng có
thể là domain của server mà thiết bị kết nối tới.

Hình 5. Lưu đồ thuật tốn q trình thiết kế sản phẩm

Thiết kế phần mềm của ứng dụng:
Công nghệ truyền thông của thiết bị:
Để bộ điều khiển trung tâm giao tiếp được với Rơle
điều khiển tụ bù, ta sử dụng chuẩn truyền thông
Modbus RTU [6].

IV.

Q TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ PHÂN
TÍCH SỐ LIỆU


Hình 6. Cấu trúc khung truyền Modbus RTU

Module Sim SIM7600E-H có nhiều giao thức để giao
tiếp hoặc phục vụ những chức năng khác nhau. Ở đây,
nhóm dùng giao thức HTTP [7] gửi dữ liệu thu thập
được với định dạng dữ liệu JSON lên server.
Thuật toán truyền nhận, xử lý dữ liệu:
- Bước 1: Khởi tạo các ngoại vi gồm: UART,
Timer và GPIO, trong đó:
+ UART dùng để tạo đường truyền cho Modbus
RTU và giao tiếp module SIM
+ Timer dùng để định thời gian gửi giữa các
khung truyền, tính cơng suất tiêu thụ.
+ GPIO dùng để hiển thị các đèn và nhận các tín
hiện trạng thái từ các contacter.
- Bước 2: Thiết lập khung truyền HTTP để gửi
dữ liệu lên Websever.

ISBN 978-604-80-7468-5

Hình 8. Chương trình giám sát vận hành tụ bù hạ áp từ xa

Sau khi lắp đặt thành công mô hình, tiến hành
thao tác thử nghiệm với các thiết bị điện công suất nhỏ.
Hệ thống được kết nối với mạng điện hạ áp một pha
đang có tải tiêu thụ được đấu nối vào. Các thiết bị đã
đọc được các thông số bao gồm: Điện áp; Dòng điện
tiêu thụ; Hệ số công suất; Công suất tác dụng; Công
suất phản kháng; Trạng thái đóng cắt contactor và
trạng thái thực tế trên các tụ bù hạ áp.


33


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

Dữ liệu thu thập được sau đó được đóng gói và gửi lên
máy chủ theo giao thức Http bằng mạng viễn thông 4G.
Trên màn hình máy tính, các thơng số đã nêu trên đã
được hiển thị ra màn hình và thay đổi theo thời gian
thực.

Hình 9b. Giám sát các thơng số theo biểu đồ

của hệ thống hay cần sửa chữa kịp thời mà không phải
liên tục đến tận nơi kiểm tra.
Các thông tin thu thập được xử lý, hiển thị dưới dạng
biểu đồ, giúp người giám sát dễ dàng tiếp cận thông tin,
nắm rõ tình hình của đường dây từ xa, phát hiện các
điểm bất thường trong thời gian hoạt động, từ đó có thể
đưa ra kết luận về tính ổn định của hệ thống hay cần sửa
chữa kịp thời mà không phải liên tục đến tận nơi kiểm
tra.

Hình 9a. Giám sát các thông số theo biểu đồ

Biểu đồ bên thể hiện các giá trị dịng điện (A), cơng suất
sử dụng (P), giá trị điện áp (U), hệ số cosφ, trục hoành
thể hiện thời gian giám sát trong ngày. Qua các thông
số cơ bản trên, giám sát viên có thể biết được mức sử

dụng công suất trong khu vực đang tiêu thụ, việc sử
dụng năng lượng có phù hợp với tình hình vận hành của
lưới điện hay khơng. Chính vì có sự hỗ trực cái nhìn
trực quan về các thơng số mà người quản lý sẽ sớm phát
hiện các trường hợp vận hành khơng hiệu quả hay tình
trạng bất thường của nguồn tiêu thụ và các thiết bị trên
hệ thống điện, khắc phục được tình trạng chất lượng
điện áp khơng ổn định cho hoạt động cung ứng điện.

Định hướng phát triển của thiết bị:
- Phát triển nhiều bộ thiết bị để thu thập tại những vị trí
khác nhau tạo thành một cơ hạ tầng trong hệ thống kiểm
tra và theo dõi các trạm tụ bù tại tỉnh Gia Lai.
- Lưu dữ liệu đọc được trong thời gian dài, phục vụ mục
đích truy xuất nếu cần thiết.
- Nâng cấp phần cứng thiết bị để phù hợp với sản xuất
số lượng lớn, chất lượng cao.
- Xây dựng thuật tốn nhằm tối ưu hóa lượng điện năng
tiêu thụ, cập nhật phần mềm từ xa.
- Cung cấp thiết bị giám sát năng lượng giá cả cạnh
tranh cho thị trường.
- Nâng cấp giao diện người dùng thân thiện hơn, thiết
kế giao diện trên mobile.

Thơng qua giá trị dịng điện thể hiện được mức sử dụng
công suất trong khu vực đang tiêu thụ, việc quan sát trực
quan giúp người quản lý sẽ biết được việc sử dụng năng
lượng có phù hợp với tình hình vận hành của lưới điện
hay không. Điều này giúp người quản lý sớm phát hiện
các trường hợp vận hành không hiệu quả, chất lượng

điện áp có đảm bảo hay khơng, hay tình trạng bất
thường của nguồn tiêu thụ và các thiết bị trên hệ thống
điện, giám sát được công suất tiêu thụ của khu dân cư.

V.

Về hiệu quả đạt được, bước đầu đã xây dựng thành cơng
mơ hình thử nghiệm đầu tiên, tiến hành thu thập thành
công dữ liệu thực trên một số thiết bị công suất cỡ vừa
và nhỏ thông qua thiết bị đọc dữ liệu, thực hiện đưa dữ
liệu đã được cập nhật thời gian thực về máy chủ người
sử dụng và có thể hiển thị trên Webserver. Việc giám
sát cũng thuận tiện vì có thể theo dõi từ xa. Đạt được
các mục tiêu như:

Giá trị điện áp trên biểu đồ dao động do việc đóng cắt
thiết bị sử dụng điện trong các hộ tiêu thụ, tuy nhiên vẫn
đảm bảo theo quy định về độ giao động điện áp. Qua
biểu đồ trên, vẫn có thời điểm giá trị cosφ <0,9, giá trị
này liên tục dao động và thường có giá trị thấp vào giờ
cao điểm, điều này do đặc thù của phụ tải là thời gian
tiêu thụ điện của khu dân cư thường vào các khung giờ
nhất định, dẫn đến hệ số cosφ thấp.thông tin thu thập
được xử lý, hiển thị dưới dạng biểu đồ, giúp người giám
sát dễ dàng tiếp cận thông tin, nắm rõ tình hình của hệ
thống tụ, phát hiện các điểm bất thường trong thời gian
hoạt động, từ đó có thể đưa ra kết luận về tính ổn định

ISBN 978-604-80-7468-5


KẾT LUẬN

- Chi phí rẻ hơn so với thiết bị trên thị trường khi sử
dụng cho các mục đích trên.
- Việc giám sát từ xa sẽ góp phần giảm hao phí mà
khơng phải đến vị trí lắp đặt tủ điện tổng để kiểm tra.

34


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

- Tận dụng được các thiết bị thế hệ cũ hiện lắp trên lưới
mà không cần phải thay thế các thiết bị mới có giao thức
truyền thơng cơng nghiệp.

[3]

Waveshare Electronics. SIM7600E-H-4G User
Manual
/>7600E-H-4G-HAT-Manual-EN.pdf

- Có thể mở rộng và nâng cấp cho các thiết bị thơng
minh khác.

[4]

ST. STM32F405xx STM32F407xx datasheet

- Hồn tồn có khả năng mở rộng đáp ứng các nhu cầu

phát sinh mới trong tương lai.

/>037051.pdf

- Giám sát được trạng thái đóng cắt của các contactor
và có thể phát hiện ngay tình trạng hư hỏng của các
contactor đóng cắt mà hệ thống của điện lực không phát
hiện được.

[5]

PC817. Datasheet
/>
[6]

- Thời gian thu thập số liệu rất ngắn so với việc kiểm
tra định kì nên thông tin rất kịp thời để xử lý khi các
thiết bị trong hệ thống vận hành bất thường.

Modicon. Modicon Modbus Protocol Reference
Guide
/>df

- Giảm thiểu số lần thực hiện công tác vận hành kiểm
tra trực tiếp, từ đó hạn chế được tai nạn lao động, đặc
biệt vào mùa mưa bão, thời tiết xấu.

[7]

/>

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] DUCATI energia. R8 Power Factor Controllers

AUTHORS INFORMATION

/>&id=8&cat=13&product=91

Tran Trung Hieu1, Ngo Dinh Thanh1, Nguyen
Xuan Tien2, Nguyen Phuc Le Huy1, Nguyen
Quang Tien1

[2]

Phoenixcontact. Product Details

1

Faculty of Electrical Engineering, Da Nang
University of Science and Technology
2
Chu Puh Electricity - Gia Lai Power Company

/>
ISBN 978-604-80-7468-5

35