Ứng dụng giải pháp IoT trong thiết kế, chế tạo hệ thống quan trắc, giám sát thủy văn cho nhà máy thủy điện

Tác giả đã ứng dụng giao thức MQTT trong việc thiết kế và kết nối các trạm quan trắc thủy văn nằm rải rác trên lưu vực để từ đó tạo dựng cơ sở dữ liệu, giám sát hệ thống thủy văn một cách nhanh chóng, thuận tiện. Dựa trên các dữ liệu này hỗ trợ đưa ra các quyết định điều tiết hồ chứa phù hợp và tạo dựng cơ sở dữ liệu lớn để giải quyết các bài toán thủy văn phức tạp như dự báo lưu lượng nước về các hồ chứa.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng giải pháp IoT trong thiết kế, chế tạo hệ thống quan trắc, giám sát thủy văn cho nhà máy thủy điện KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP IoT TRONG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG QUAN TRẮC, GIÁM SÁT THỦY VĂN CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN Tạ Đức Thọ Công ty Thủy Điện Buôn Kuốp Tóm tắt: Để quan trắc, giám sát thủy văn toàn bộ lưu vực các hồ chứa thủy điện bậc thang thuộc Công ty thủy điện Buôn Kuốp quản lý, có diện tích lưu vực rộng lớn 2 9.400km , cần thiết phải thu thập số liệu các trạm quan trắc mưa, mực nước, thông số thủy văn của các nhà máy thủy điện liền kề. Để đánh giá, phân tích và đưa ra các quyết định điều tiết hồ chứa, chạy máy phù hợp với từng hình thế thời tiết và hệ thống điện. Sự phát triển nhanh chóng của Internet of thing (IoT) hỗ trợ các giao thức kết nối, thu thập dữ liệu từ một lượng lớn thiết bị phân tán, các giao thức này có thể được nhúng vào các thiết bị nhúng nhỏ gọn. Tác giả đã ứng dụng giao thức MQTT trong việc thiết kế và kết nối các trạm quan trắc thủy văn nằm rải rác trên lưu vực để từ đó tạo dựng cơ sở dữ liệu, giám sát hệ thống thủy văn một cách nhanh chóng, thuận tiện. Dựa trên các dữ liệu này hỗ trợ đưa ra các quyết định điều tiết hồ chứa phù hợp và tạo dựng cơ sở dữ liệu lớn để giải quyết các bài toán thủy văn phức tạp như dự báo lưu lượng nước về các hồ chứa. Từ khóa: IOT, IoT, MQTT, giám sát thủy văn, quan trắc thủy văn, trạm đo mưa. Abstract: In order to observe and monitor the basins of hydroelectric reservoirs under the management of Buon Kuop Hydropower Company, with a large basin area of 9,400km2, it is necessary to collect data from rain monitoring stations, water level, hydrological parameters of adjacent hydroelectric plants. To evaluate, analyze and make decisions on reservoir operation, suitable for each weather condition and power system. The rapid growth of the Internet of things (IoT) supports protocols that connect, collect data from huge amount of distributed devices, these protocols can be embedded into compact devices. The company has applied the MQTT protocol in the design and connection of hydrological monitoring stations scattered across the basin, thereby creating a database and monitoring the hydrological system quickly and conveniently. Based on these data, it helps the Company to make appropriate reservoir regulation decisions and build a large database to solve complex hydrological problems such as forecasting water flow to reservoirs. Key Words: IOT, IoT, MQTT, hydrological monitoring, hydrological observation, rain monitoring station. CHỮ VIẾT TẮT NMTĐ: Nhà máy thủy điện MQTT: Message Queueing Telemetry Transport 316 CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Broker: Máy chủ giao thức MQTT TLS: Transport Layer Security IoT: Internet of Things PCNM : Principal Coordinates of Neighbor Matrices OSS: Open source software 1. GIỚI THIỆU Công ty Thủy điện Buôn Kuốp vận hành 03 Nhà máy Thủy điện (NMTĐ) bậc thang trên dòng sông Srêpốk, bao gồm NMTĐ Buôn Tua Srah, NMTĐ Buôn Kuốp và NMTĐ Srêpốk 3 với tổng công suất lắp đặt là 586 MW. Với diện tích lưu vực trải rộng 9410 km2, công tác quản lý liên hồ đóng vai trò quan trọng nhằm khai thác và điều tiết nguồn nước hợp lý theo yêu cầu phòng lũ, sản xuất điện năng, tưới tiêu và đảm bảo an toàn dân sinh vùng hạ du 3 hồ chứa. Việc quan trắc và tính toán dòng chảy về hồ chủ yếu dựa vào số liệu từ các trạm quan trắc Khí tượng Thủy văn (KTTV) được bố trí rải rác trên lưu vực các hồ chứa. Để gia tăng cơ sở dữ liệu cho công tác tính toán dòng chảy về hồ chứa được kịp thời và chính xác, cần thiết phải gia tăng mật độ trạm quan trắc trên lưu vực. Ứng dụng các giao thức truyền thông công nghiệp truyền thống (Modbus TCP/IP,…) để thu thập số liệu trở nên khó đáp ứng với sự gia tăng số lượng các trạm quan trắc được bố trí phân tán khắp lưu vực hồ chứa, nhất là những nơi có hạ tầng mạng viễn thông hạn chế, có độ trễ cao, tín hiệu chập chờn, việc truyền số liệu qua sóng di động GSM/GPRS thường không ổn định, đặc biệt ở những vùng đồi núi hiểm trở, ít khu dân cư. Các trạm quan trắc thủy văn có số lượng tín hiệu được gửi đi thường ít (mực nước, lượng mưa tích lũy, điện áp bình acquy, trạng thái trạm…). Theo đó, giao thức MQTT có header nhỏ (chỉ với 2 bytes và ở giới hạn kích thước tải trọng 256 bytes) thường được sử dụng trong hệ thống nhúng có hiệu suất gửi tốt, thích hợp sử dụng qua sóng đi động GSM/GPRS [3], được ưu tiên lựa chọn. Đối với trạm quan trắc có số lượng tín hiệu lớn, có thể tách dữ liệu truyền thành nhiều gói tin để dễ dàng gửi đi. Các trạm thủy văn trên lưu vực đòi hỏi phải làm việc tin cậy, thiết bị nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, có thể tùy biến, và chi phí thấp. Việc sử dụng giải pháp phần cứng nguồn mở được quy chuẩn và phần mềm nguồn mở được nhiều người sử dụng và phát triển. Tác giả sử dụng nền tảng điện tử mã nguồn mở Arduino để phát triển giải pháp kết thối thiết bị qua chuẩn công nghiệp như Modbus-RTU và truyền số liệu lên Broker dạng đám mây (máy chủ được xây dựng bởi máy server cloud), qua giao thức MQTT được mã hóa SSL/TLS giúp tăng độ tin cậy dữ liệu của hệ thống. Việc lưu trữ dữ liệu 317 KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 của các cảm biến được lấy từ một client kết nối với Broker và lưu trữ vào database SQL Server. Từ đây, dữ liệu được dễ dàng truy xuất để giải quyết các bài toán thủy văn phức tạp như dự báo lưu lượng nước về các hồ chứa. 2. GIAO THỨC MQTT TRONG HỆ THỐNG IOT MQTT là giao thức định hướng bản tin, sử dụng giao thức TCP/IP là giao thức nền, h ...