Nghiên cứu và phát triển hệ thống theo dõi điện năng thông minh cho tòa nhà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





VÕ TUẤN KHANG






NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN
HỆ THỐNGTHEO DÕI
ĐIỆN NĂNG THÔNG MINH
CHO TÒA NHÀ




LUẬN VĂN THẠC SĨ






Hà Nội – 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





VÕ TUẤN KHANG





NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN
HỆ THỐNG THEO DÕI
ĐIỆN NĂNG THÔNG MINH
CHO TOÀ NHÀ
Ngành: Công Nghệ Thông Tin
Chuyên ngành: Công Nghệ Phần Mềm
Mã số: 68 40 10
LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. BÙI THẾ DUY




Hà Nội – 2011

Mục lục

Mục lục 5
Danh mục hình vẽ i
Thuật ngữ tiếng Anh ii
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG 4
2.1. Giải pháp sử dụng đồng hồ đo điện toàn nhà 4
2.1.1. The Energy Detective (TED) 7
2.2. Thiết bị đo plug-load 9
2.3. Giải pháp gói – Nhà thông minh 10
2.3.1. Đối với phạm vi tòa nhà 10
2.3.2. Đối với phạm vi hộ gia đình 13
CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG KHÔNG XÂM PHẠM 15
3.1. Giới thiệu 15
3.2. Mục tiêu 17
3.3. Thuật toán 20
3.3.1. Đo công suất và dòng 21
3.3.2. Chuẩn hóa công suất 21
3.3.3. Phát hiện biên 21
3.3.4. Phân cụm 22
3.3.5. Xây dựng các mô hình trạng thái thiết bị 23
3.3.6. Theo dõi thời gian thay đổi trạng thái của thiết bị 23
3.3.7. Gán nhãn thiết bị đã đƣợc nhận dạng 23
3.4. Ứng dụng học máy trong theo dõi năng lƣợng không xâm phạm 23
CHƢƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THEO DÕI ĐIỆN NĂNG THÔNG MINH 25
4.1. Giới thiệu 25
4.2. Phát biểu bài toán 25
4.3. Các khái niệm 26
4.3.1. Chu kỳ điện áp T 27
4.3.2. Công suất trung bình trong thời gian T 27
4.3.3. Độ lệch công suất tiêu thụ trong hai khoảng thời gian 28

4.3.4. Độ lệch cƣờng độ dòng điện của hai tín hiệu 28
4.3.5. Độ lệch tín hiệu điện trong hai khoảng thời gian 28
4.3.6. Phép trừ hai tín hiệu 29
4.4. Thuật toán 29
4.5. Thiết kế hệ thống 30
4.5.1. Tổng quan về hệ thống theo dõi điện năng thông minh 30
4.5.2. Thiết bị số đo dòng và áp, giao tiếp đƣợc với máy tính 31
4.6. Hệ thống phần mềm theo dõi điện năng thông minh 33
4.6.1. Thiết kế chức năng 33
4.6.2. Thiết kế mô-đun 34
4.6.3. Mô-đun Tiền xử lý 35

4.6.4. Mô-đun Xử lý tín hiệu đầu vào 35
4.6.4.1. Chức năng chính 35
4.6.4.2. Thuật toán giải mã tín hiệu tƣơng tự 36
4.6.5. Mô-đun Nhận dạng thiết bị 37
4.6.5.1. Chức năng 37
4.6.5.2. Thuật toán tìm chu kỳ điện áp T 39
4.6.5.3. Tính công suất tiêu thụ của thiết bị 40
4.6.5.4. Thuật toán nhận dạng thiết bị 41
4.6.5.5. Thuật toán đệ quy tìm các thiết bị đang ở trạng thái bật 42
4.6.5.6. Thuật toán tính độ lệch giữa hai tín hiệu 43
4.6.5.7. Thuật toán tính tổng tín hiệu 44
4.6.6. Mô-đun Giám sát năng lƣợng tiêu thụ 45
4.6.7. Mô-đun Xử lý kết quả 45
4.6.8. Một số chức năng khác 46
4.6.8.1. Trích chọn mẫu tín hiệu của một thiết bị 46
4.6.8.2. Đọc dữ liệu tín hiệu từ tệp tin văn bản 46
4.6.9. Thiết kế cơ sở dữ liệu 46
4.6.10. Thiết kế các lớp 47

4.7. Một số kết quả nhận dạng 48
4.7.1. Mô tả thí nghiệm 48
4.7.2. Lấy mẫu thiết bị 49
4.7.2.1. Máy sấy 49
4.7.2.2. Adapter 50
4.7.2.3. Bóng đèn 50
4.7.2.4. Cơ sở dữ liệu nhận dạng 51
4.7.3. Thử nghiệm nhận dạng 51
4.7.3.1. Trƣờng hợp không có thiết bị nào đƣợc sử dụng 51
4.7.3.2. Trƣờng hợp có một thiết bị đƣợc sử dụng 51
4.7.3.3. Trƣờng hợp có 2 thiết bị đƣợc sử dụng 52
4.7.4. Đánh giá 52
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
Tiếng Việt 56
Tiếng Anh 56

i
Danh mục hình vẽ


Hình 1. 12 thiết bị tiêu tốn điện năng nhiều nhất ở Mỹ, sắp xếp theo thứ tự tiêu thụ kWh trung
bình hàng năm. Các cột dọc chỉ ra tỉ lệ phần trăm các hộ gia đình sử dụng thiết bị này. Phần
màu xám là biểu đồ lũy kế tỷ lệ điện năng thiết bị đó tiêu thụ. 6
Hình 2. Thiết bị theo dõi điện năng toàn nhà TED. 8
Hình 3. Kill-A-Watt - một thiết bị plug-load điển hình. 10
Hình 4. Biểu đồ biến đổi công suất theo thời gian, mô tả các bƣớc nhảy công suất. 17
Hình 5. Biểu đồ biến đổi công suất thực theo thời gian tại một tòa nhà. Thời gian đo đạc là 6
phút. 19
Hình 7. Đồ thị biến đổi công suất theo thời gian, biểu thị các bƣớc nhảy công suất xảy ra. 22

Hình 8 Mô hình thiết kế Hệ thống theo dõi điện năng thông minh. 31
Hình 10. Các mô-đun chính của Hệ thống theo dõi điện năng thông minh. 34
Hình 10. Cấu trúc các lớp chính của Hệ thống theo dõi điện năng thông minh. 48

ii
Thuật ngữ tiếng Anh
Nonintrusive load
monitoring
Theo dõi điện năng không xâm phạm
Plug-load
Thiết bị cắm
Smart house
Nhà thông minh
Whole-house meter
Thiết bị đo điện năng toàn
Smart meter
Thiết bị đo thông minh
NALM Nonintrusive
Appliance Load
Monitoring
Hệ thống theo dõi điện năng không xâm
phạm
ApplianceMonitoring
Phần mềm theo dõi điện năng thông
minh do tác giả xây dựng
Adapter
Bộ sạc điện của máy tính xách tay
INPUT
Đầu vào của bài toán
OUTPUT

Đầu ra của bài toán
ADC
Bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín
hiệu số
CHƢƠNG 1:MỞ ĐẦU
1
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU
Tình trạng lãng phí điện năng đang là vấn đề nóng bỏng đƣợc khắp
các quốc gia trên thế giới quan tâm. Ở nƣớc ta, Chính phủ đã có những
chính sách, văn bản luật về sử dụng điện năng tiết kiệm, tuyên truyền
nâng cao ý thức sử dụng điện của ngƣời dân. Cƣờng độ năng lƣợng trong
công nghiệp của Việt Nam cao hơn Thái Lan và Malaysia khoảng 1,5-1,7
lần (tức là để làm ra một giá trị sản phẩm nhƣ nhau, nƣớc ta phải tiêu tốn
năng lƣợng gấp 1,5-1,7 lần). Tỷ lệ giữa tăng trƣởng nhu cầu năng lƣợng
so với tăng trƣởng GDP của Việt Nam lên đến 2 lần, trong khi ở các nƣớc
phát triển tỷ lệ này là dƣới 1. Chi phí bỏ ra để tiết kiệm 1 kWh điện năng
ít hơn nhiều so với chi phí đầu tƣ để sản xuất ra 1 kWh trong các nhà máy
điện.
Ngoài ra việc sử dụng năng lƣợng tạo ra khoảng 25% lƣợng phát
thải CO2 và khoảng 15% tổng lƣợng khí nhà kính. Nếu tiết kiệm sử dụng
năng lƣợng cũng có nghĩa là giảm thiểu tác động xấu đến môi trƣờng.
Để tiết kiệm năng lƣợng một cách chủ động, ngƣời sử dụng có thể
mua sắm, lắp đặt các hệ thống, thiết bị tiết kiệm năng lƣợng. Tuy nhiên
việc sử dụng các hệ thống, thiếtbị này nhƣ thế nào để đạt đƣợc hiệu quả
mong muốn phụ thuộc vào cách mà chúng ta điều khiển, kiểm soát hệ
thống. Khía cạnh này của điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc sử
dụng điện năng với hiệu suất cao nhất. Ta lấy một ví dụ, một chiếc điều
hòa tiết kiệm điện nhƣng đƣợc bật ở phòng khách lúc không có ngƣời.
Kết quả là chúng ta đã phung phí điện năng hơn so với sử dụng một chiếc
điều hòa thông thƣờng đúng cách. Việc quản lý mức độ sử dụng năng

lƣợng bằng cách đo đạc, giám sát, theo dõi, điều khiển chính là những
hành động mà chúng ta có thể quyết định đƣợc.
CHƢƠNG 1:MỞ ĐẦU
2
Để hiện thực việc quản lý điện năng tiêu thụ, một vấn đề đặt ra là
làm sao để theo dõi đƣợc tình trạng hoạt động của các thiết bị điện trong
nhà cũng nhƣ công suất tiêu thụ tƣơng ứng. Ngƣời sử dụng cần có một cái
nhìn tổng quan về tình trạng các thiết bị điện mình đang sử dụng từ đó
phân loại đƣợc các thiết bị tiêu tốn nhiều điện năng, các thiết bị đƣợc sử
dụng không đúng cách dẫn tới lãng phí ngoài mong muốn. Trong luận văn
này tôi sẽ trình bày những nghiên cứu để xây dựng một hệ thống theo dõi
điện năng thông minh sử dụng phƣơng pháp theo dõi điện năng không
xâm phạm (Nonintrusive load monitoring). Hệ thống này bao gồm một
thiết bị đo dòng và áp, giao tiếp đƣợc với máy tính và một phần mềm
nhận dạng thiết bị điện đang hoạt động. Ngoài việc có thể nhận dạng đƣợc
trạng thái của các thiết bị điện, hệ thống còn cho phép xác định đƣợc tổng
công suất mà các thiết bị tiêu thụ tại từng thời điểm.
Luận văn đƣợc tổ chức nhƣ sau, Chương 1 giới giới thiệu các vấn
đề, nhu cầu và mục đích của luận văn. Trong chƣơng này, chúng ta thấy
đƣợc phƣơng hƣớng các nghiên cứu và bố cục tổ chức trong luận văn.
Chương 2 giới thiệu tổng quan về các phƣơng pháp giám sát điện năng
hiện đang đƣợc sử dụng trong thực tế. Trong chƣơng này chúng ta sẽ có
cái nhìn bao quát về những kỹ thuật theo dõi, giám sát hệ thống điện trong
một ngôi nhà hoặc ở các tòa nhà công sở lớn. Chương 3 giới thiệu
phƣơng pháp theo dõi điện năng không xâm phạm (Nonintrusive load
monitoring – NALM). Trong chƣơng này chúng ta sẽ tìm hiểu thế nào là
theo dõi điện năng không xâm phạm. Phân tích một số ƣu điểm của
phƣơng pháp này và phân tích tính khả thi khi triển khai giải pháp này
trong thực tế. Chương 4 trình bày một hệ thống theo dõi điện năng thử
nghiệm. Trong chƣơng này sẽ đƣa ra một hệ thống điện đơn giản trong

một ngôi nhà và phân tích cách thức thu thập, phân loại dữ liệu từ đó đƣa
ra các kết quả cần quan tâm nhƣ lƣợng điện tiêu thụ của từng thiết bị,
trạng thái của các thiết bị tại từng thời điểm. Chương 5 giới thiệu hệ
CHƢƠNG 1:MỞ ĐẦU
3
thống phần mềm đƣợc xây dựng và một số kết quả thu đƣợc ban đầu.
Cuối cùng là hƣớng nghiên cứu và cải tiến trong tƣơng lai cho nghiên cứu
này.

CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
4
CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO
DÕI ĐIỆN NĂNG
Mặc dù những hệ thống đo đạc điện năng dành cho những khu công
nghiệp và khu nhà lớn đã đƣợc lắp đặt sử dụng khá rộng rãi từ nhiều năm
nay nhờ tiết kiệm đƣợc chi phí từ việc cắt giảm điện lãng phí trên quy mô
lớn.Tuy nhiên những hệ thống đo đạc trên quy mô nhỏ mới chỉ xuất hiện
gần đây, chúng thƣờng đƣợc giới thiệu nhƣ là một phƣơng pháp tiết kiệm
điện năng nhằm bảo vệ môi trƣờng cũng nhƣ giảm gánh nặng tài chính
cho ngƣời sử dụng. Phần lớn chúng là các thiết bị cắm (plug load) hoặc
đo đạc trên phạm vi toàn nhà. Cả hai phƣơng pháp này đều không thể đƣa
ra ƣớc lƣợng chính xác cho từng thiết bị riêng lẻ cũng nhƣ không thể ghi
lại những thay đổi về lƣợng điện sử dụng theo thời gian.
Chúng ta sẽ xem xét một vài chức năng chính của những thiết bị
này bằng cách phân chúng ra thành ba loại: đồng hồ đo toàn nhà (whole-
house meter), thiết bị cắm (plug load) và giải pháp gói (packaged
solution, smart home). Mục tiêu của chúng ta không phải là cung cấp một
nghiên cứu chi tiết về tất cả các công nghệ hiện có mà chỉ nhằm đƣa ra
một số ví dụ để so sánh với kĩ thuật NALM.
2.1. Giải pháp sử dụng đồng hồ đo điện toàn nhà

Đồng hồ đo điện toàn nhà thƣờng đƣợc lắp đặt trong hoặc gần tủ
điện tổng của tòa nhà, từ đây hệ thống dây điện đƣợc chia đến các thiết bị
khác. Các bộ đo có khả năng thu thập dữ liệu thông qua các cảm biến
quang học hoặc thông qua việc giải mã các tín hiệu điện từ rồi hiển thị lại
trên một màn hình chuyên dụng. Thông thƣờng, một hoặc nhiều đầu dò sẽ
đƣợc lắp vào mạch điện chính để đo cƣờng độ dòng điện. Trong một vài
trƣờng hợp, điện thế cũng đƣợc đo đạc để nâng cao độ chính xác của các
tính toán. Các thông tin nhƣ watts hay watts giờ sẽ đƣợc hiển thị trên một
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
5
màn hình chuyên dụng dƣới dạng các đồ thị và đôi khi chúng còn có thể
đƣợc gửi tới máy tính qua các cổng truyền dẫn hay Internet.
Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng với việc sử dụng thiết bị đo
điện năng toàn nhà, lƣợng điện tiêu thụ có thể đƣợc cắt giảm từ 5 cho tới
15% (cho dù ta chỉ dừng lại ở mức đo cƣờng độ và điện thế hiện thời).
Mặc dù vậy, phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là thiếu sự chi tiết. Ngƣời
dùng có thể nhận ra rằng tại một thời điểm nào đó họ dùng nhiều điện hơn
bình thƣờng, nhƣng nếu muốn biết đƣợc thiết bị nào gây ra hiện tƣợng đó
họ sẽ phải kiểm tra từng thiết bị để bằng cách thử tắt từng thiết bị một và
xem lƣợng điện tiêu thụ thay đổi thế nào. Để thử hết các thiết bị trong một
tòa nhà thông thƣờng phải tốn từ 2 đến 4 giờ đồng hồ.
Hơn nữa, ngƣời dùng không thể tắt bật trực tiếp một số thiết bị nhƣ
bình nóng lạnh, tủ lạnh và lò nƣớng nên khó đo đƣợc lƣợng điện mà các
thiết bị này sử dụng nếu chỉ dùng thiết bị đo điện năng toàn nhà. Mặt khác
ngƣời dùng quan sát một cách trực quan quá trình hoạt động và thay đổi
lƣợng điện sử dụng của các thiết bị nên họ sẽ tập trung vào các thiết bị
tiêu tốn nhiều điện nhƣng chỉ hoạt động trong thời gian ngắn (ví dụ: máy
nƣớng bánh, máy sấy tóc) mà bỏ quên các thiết bị tốn ít điện năng hơn
nhƣng chạy trong thời gian dài (ví dụ: tủ lạnh).
Vì vậy, cho dù ta có quan sát trong một thời gian dài thì cũng khó

có thể kết luận rằng những thay đổi trong lƣợng điện sử dụng là do chất
lƣợng thiết bị, ảnh hƣởng thời tiết hay do các yếu tố bên ngoài tác động.
Các yếu tố khác nhau có thể cộng hƣởng hay triệt tiêu lẫn nhau làm kết
quả đo càng thiếu chính xác.
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
6

Hình 1. 12 thiết bị tiêu tốn điện năng nhiều nhất ở Mỹ, sắp xếp theo thứ tự tiêu thụ kWh trung bình hàng
năm. Các cột dọc chỉ ra tỉ lệ phần trăm các hộ gia đình sử dụng thiết bị này. Phần màu xám là biểu đồ lũy
kế tỷ lệ điện năng thiết bị đó tiêu thụ.
Rất nhiều phƣơng pháp đo đạc hiện đại cần phải có sự hỗ trợ của
chuyên gia trong quá trình cài đặt. Việc sử dụng những thiết bị đo nhƣ
vậy sẽ làm tăng thêm chi phí cũng nhƣ thời gian trong quá trình kiểm
soát. Một giải pháp đƣợc đƣa ra đó là gắn một thiết bị cảm biến quan học
vào một thiết bị đo đa năng đã đƣợc cài đặt sẵn, và thiết bị này sẽ truyền
thông tin về giá trị kilowatt giờ về cho một thiết bị hiển thị ở trong nhà.
Tuy giá thành cài đặt là tƣơng đối thấp nhƣng cách làm này có thể ghi
nhận lại giá trị kWh theo mỗi chu kì 30 giây. Cũng có thể sử dụng phƣơng
pháp gắn một đầu dò cảm biến lên mặt ngoài của cáp điện chính chạy
giữa thiết bị đo và tủ điện tổng. Cách làm này có nhƣợc điểm là thƣớc đo
có độ chính xác không cao nên chỉ thích hợp để đo tổng lƣợng điện tiêu
thụ của tất cả các thiết bị, tuy nhiên ƣu điểm của nó là tốc độ nhận dạng
và cho kết quả nhanh.
Một khó khăn nữa trong việc sử dụng các dữ liệu do thiết bị đo toàn
nhà cung cấp đó là rất khó có thể phân biệt đƣợc các thiết bị điện khác
nhau nếu chúng tiêu thụ lƣợng điện năng nhƣ nhau. Một bóng đèn 50
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
7
watts có thể bị nhầm lẫn với một mô tơ 50 watts hay một thiết bị có công
suất 50 watts nào đó. Vì vậy cần thiết phải thu thập thông tin về các số

liệu nhƣ công suất phản kháng (reactive power), dạng của những đƣờng
khởi động. Một vài thiết bị còn có thể đƣợc phân biệt dựa trên việc phân
tích thói quen thứ tự mà ngƣời dùng sử dụng các thiết bị điện. Ví dụ nhƣ
vào thời điểm ăn sáng thì việc máy pha cà phê hoạt động có thể báo hiệu
sau đó máy nƣớng bánh mì cũng sẽ đƣợc bật lên[12].
2.1.1. The Energy Detective (TED)
Một đồng hồ tổng sẽ cho bạn biết tình trạng sử dụng điện năng hiện
tại trong ngôi nhà của bạn và tính đến thời điểm hiện tại ngôi nhà của bạn
đã tiêu thụ hết bao nhiêu điện năng cũng nhƣ số tiền mà bạn phải trả. Giá
của thiết bị này khoảng 120 đô la Mỹ. Ngƣời sử dụng có thể lựa chọn
nhiều loại đồng hồ tổng trên thị trƣờng sau đó yêu cầu thợ điện, chuyên
gia cài đặt. Việc cài đặt khá đơn giản, thƣờng chỉ mất khoảng 15 phút. Có
2 dòng sản phẩm đồng hồ tổng phổ biến trên thị trƣờng Mỹ, Canada là
The Energy Detective và EUM-2000.
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
8

Hình 2. Thiết bị theo dõi điện năng toàn nhà TED.
TED là một thiết bị theo dõi điện năng đơn giản cho độ chính xác
cao cho phép ngƣời sử dụng có thể biết đƣợc lƣợng điện sử dụng theo thời
gian thực. Bạn sẽ không cần phải chờ tới cuối tháng khi có hóa đơn của
nhà cung cấp mới biết đƣợc mình đã sử dụng bao nhiêu. Tại mọi thời
điểm, thiết bị TED có thể cho bạn biết đã sử dụng bao nhiêu điện năng
tƣơng ứng với số tiền phải trả là bao nhiêu. Vì vậy, bạn sẽ biết đƣợc nhiều
hơn về tình trạng sử dụng hiện tại của nhà mình, tiết kiệm năng lƣợng
đồng thời góp phần bảo vệ môi trƣờng.
Với giải pháp quản lý điện năng của TED, ngƣời dùng có thể theo
dõi trực tiếp kết quả lƣợng điện tiêu thụ, số tiền phải trả ở trên một màn
hình LCD, trên một máy tính ở trong nhà hoặc theo dõi từ xa thông qua
Internet. Không giống nhƣ các hệ thống phức tạp khác, TED rất đơn giản,

cho kết quả trực quan và chi phí hợp lý trong việc theo dõi điện năng tiêu
thụ của một ngôi nhà. Sau khi cài đặt, các chức năng sẽ hoạt động tự động
theo chế độ đã đƣợc định sẵn. Ngƣời dùng không cần phải lo về việc thiết
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
9
lập lại chế độ hay mất dữ liệu khi mất điện. Không giống với các thiết bị
theo dõi điện năng khác, TED không sử dụng pin.
TED còn cung cấp phần mềm TED Footprints cho phép ngƣời dùng
có thể có một cái nhìn chi tiết, dễ hiểu hơn để biết đƣợc liệu gia đình mình
có sử dụng lãng phí điện năng, tiền bạc hay không. Các phiên bản nâng
cấp của phần mềm này đƣợc tải về miễn phí. TED có khả năng lƣu trữ
đƣợc lƣợng dữ liệu đo đạc trong 10 năm. Độ chính xác của thiết bị này là
98%. Hệ thống cũng hỗ trợ thể hiện trạng thái tiêu thụ dƣới dạng biểu đồ,
mô hình rất dễ hiểu.
2.2. Thiết bị đo plug-load
Thiết bị plug-load đƣợc thiết kế để đo một thiết bị duy nhất, nó
đƣợc cắm vào một ổ điện còn thiết bị cần đo sẽ đƣợc cắm vào thiết bị
plug-load đó. Phần lớn các thiết bị đo plug-load có thể hiển thị giá trị tức
thời, mức tiêu thu điện dƣới dạng kWh, một số thiết bị còn có thể truyền
tải các số liệu đó thông qua cổng serial, ethernet hay qua mạng không dây
Wifi. Những thiết bị này là công cụ cần thiết để tính toán, kiểm soát điện
năng, cho phép ngƣời dùng đo số liệu của một thiết bị duy nhất và đánh
giá chi phí sử dụng của thiết bị đó một cách tƣơng đối. Cần chú ý rằng :
để đƣa ra kết quả chính xác, quá trình đo một thiết bị đơn lẻ có thể kéo dài
tới 2 ngày kể cả khi sử dụng thiết bị đặc dụng vì có sự ảnh hƣởng của
những biến đổi trên tải.
Những số liệu thu đƣợc có thể đƣợc sử dụng để cân nhắc việc nâng
cấp thiết bị, thay tủ lạnh, nên tắt hẳn ti vi hay nên để nó ở chế độ chờ….
Tuy nhiên để đảm bảo số liệu đo đƣợc là chính xác ta phải thực hiện đo
đạc nhiều lần trong một khoảng thời gian dài, và việc đo sự biến thiên

lƣợng năng lƣợng sử dụng có thể gặp nhiều khó khăn hơn nữa.
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
10

Hình 3. Kill-A-Watt - một thiết bị plug-load điển hình.
2.3. Giải pháp gói – Nhà thông minh
2.3.1. Đối với phạm vi tòa nhà
Hiện nay trên thế giới hầu hết các toà nhà trong các đô thị hiện đại
nhƣ: tổ hợp văn phòng, chung cƣ cao cấp, nhà băng, nhà chính phủ, toà
nhà sân bay…đều đƣợc trang bị hệ thống quản lý tòa nhà (Building
Management System - BMS). Điều này góp phần quan trọng trong việc
khai thác hiệu quả và kinh tế các toà nhà, bên cạnh đó giúp cho các toà
nhà đáp ứng đƣợc các yêu cầu về an toàn, an ninh. Chức năng và nhiệm
vụ của hệ thống BMS :
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
11
- Điều khiển và giám sát cho các hệ thống cơ/điện trong tòa nhà
nhằm đảm bảo quá trình vận hành của các hệ thống này một cách tối ƣu
và hiệu quả
- Phối hợp hoạt động của các hệ thống cơ/điện trong tòa nhà để đáp
ứng tốt nhất các yêu cầu về mức độ sử dụng, đảm bảo an ninh, an toàn và
tiện nghi, thoải mái cho con ngƣời trong tòa nhà.
- Tạo ra một công cụ giao tiếp Ngƣời/Máy cho các nhân viên vận
hành tòa nhà để họ có thể vận hành các hệ thống cơ/điện trong tòa nhà
một cách an toàn, chính xác và hiệu quả.
- Thống kê các số liệu về tình trạng hoạt động, thông số kỹ thuật
của các hệ thống cơ/điện trong tòa nhà dƣới dạng các báo cáo, cơ sở dữ
liệu giúp cho việc vận hành tòa nhà của các kỹ sƣ vận hành tối ƣu nhất.
- Tự động phát hiện sớm các sự cố, đƣa ra các cảnh báo nhanh
chóng, chính xác nhất đến ngƣời vận hành để nhanh chóng sửa chữa, khắc

phục, tránh các tai nạn đáng tiếc ảnh hƣởng trực tiếp đến con ngƣời trong
tòa nhà.
- Tạo ra một môi trƣờng làm việc thân thiện, thoải mái nhất cho con
ngƣời tham gia hoạt động trong tòa nhà, góp phần nâng cao hiệu quả sản
xuất, làm việc.
Chức năng, phạm vi hoạt động của các hệ thống BMS là rất rộng
lớn. Do vậy, tuỳ theo yêu cầu, chức năng hoạt động của từng toà nhà mà
hệ thống BMS cần phải đƣợc trang bị sao cho phù hợp.
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hãng, tập đoàn công nghệ đang
tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và phát triển các hệ thống quản lí
toà nhà nhƣ: Siemens - Đức, Honeywell - Mỹ, Yamatake - Nhật,
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
12
Advantech – Đài loan, Point Sys – Pháp. Các hãng trên tuỳ theo năng lực,
thế mạnh của mình để thiết kế, sản xuất từng thành phần của hệ thống
BMS. Ví dụ nhƣ hãng chuyên về hệ thống an ninh, an toàn, có hãng lại
chuyên về các phần mềm quản lí hệ thống hoặc có hãng lại chuyên về vai
trò tích hợp hệ thống…
Ở Việt Nam có khoảng 90% trong tổng số nhà cao tầng thông
thƣờng có hệ thống cơ sở hạ tầng tối thiểu nhƣ hệ thống cấp thoát nƣớc,
điện, báo cháy…Có khoảng 50% toà nhà cao tầng đƣợc trang bị hệ thống
điều hoà tập trung, hệ thống bảo vệ và báo cháy, báo động xâm nhập và
giám sát bằng camera nhƣng chƣa có hệ thống điều khiển tập trung, các
hệ thống bảo vệ, báo cháy đƣợc điều khiển riêng biệt, không thể trao đổi
thông tin với nhau, không có quản lí và giám sát chung, còn phần quản lí
điện năng thì ở mức thấp. Khoảng 30% nhà cao tầng đƣợc trang bị hệ
thống BMS. Nhƣng hiện nay tất cả các toà nhà cao tầng đều chƣa đƣợc
trang bị hệ thống quản lí toà nhà thông minh với các hệ thống điều khiển
điều hoà, báo cháy… đƣợc điều khiển tập trung, tƣơng tác bởi hệ thống
BMS.

Nhƣ vậy phần lớn các nhà cao tầng ở Việt Nam chƣa đƣợc trang bị
hệ thống BMS nên xét về mặt chất lƣợng và hiệu năng sử dụng thì chƣa
đạt yêu cầu của đô thị hiện đại. Hiện các toà nhà tối thiểu đều có hệ thống
cung cấp nƣớc nhƣng do chƣa đƣợc trang bị hệ thống BMS và tiết kiệm
điện năng nên tiền điện thƣờng phải chi nhiều hơn. Nếu xét về mặt kinh
doanh thì các nhà cao tầng không trang bị BMS sẽ không có tính cạnh
tranh, rất dễ thua lỗ. Nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ áp dụng hệ thống BMS ở
Việt Nam còn thấp là do:
 Giá thành cho việc trang bị một hệ thống BMS đồng bộ cho
một toà nhà cao tầng là rất cao. Thƣờng chi phí này chiếm từ
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
13
10% đến 15% chi phí xây dựng toà nhà (tuỳ theo mức độ
hiện đại của hệ thống BMS triển khai).
 Chi phí cho việc bảo dƣỡng, sửa chữa và duy trì hoạt động
của hệ thống khá cao.
2.3.2. Đối với phạm vi hộ gia đình
Trong phạm vi hộ gia đình chúng ta thƣờng áp dụng giải pháp gói.
Giải pháp gói hay còn đƣợc gọi là giải pháp ngôi nhà thông minh là tên
gọi cho việc gộp nhiều kĩ thuật đo riêng lẻ để cung cấp một giải pháp
thống nhất, thƣờng là với một giá thành cao hơn. Ví dụ: mặc dù ta có thể
gắn những thiết bị đo không dây vào từng thiết bị điện trong một ngôi nhà
tuy nhiên cách làm này không kinh tế. Một gia đình bình thƣờng ở Mỹ sử
dụng ít hơn 100$ tiền điện mỗi tháng, trong khi đó một thiết bị đo không
dây có giá thành vào tầm 40$, gateway để kết nối hết các thiết bị đó với
internet có giá 125$ với chi phí duy trì hàng năm là 160$. Nếu ta sử dụng
cả 12 thiết bị nhƣ vậy thì chi phí ban đầu sẽ là 600$, đó là chƣa kể đến
tiền duy trì thiết bị. Để ý rằng chi phí điện mỗi năm của một gia đình bình
thƣờng ở Mỹ là 1130$, cứ cho rằng hệ thống giúp ta giảm chi phí điện
đƣợc 15% thì số tiền tiết kiệm đƣợc chỉ đủ để trả chi phí duy trì hệ thống.

Để giảm thời gian hoàn vốn của một hệ thống nhƣ vậy xuống còn 30 cho
tới 15 năm, lƣợng điện tiết kiệm đƣợc phải đạt đến mức 30 cho tới 35%.
Trong tƣơng lai, những nhà sản xuất có thể sẽ tích hợp những thiết
bị đo không dây vào trong các thiết bị sử dụng nhiều điện, giúp ngƣời
dùng không cần phải tự mua và cài đặt các thiết bị đo thông minh nữa.
Tuy nhiên các công ty mới chỉ bắt đầu thử nghiệm các ứng dụng này, và
không biết sẽ còn bao lâu nữa chúng mới đƣợc tung ra thị trƣờng. Mặt
khác, sẽ còn nhiều năm nữa, các đồ dùng “không thông minh” mới bị loại
khỏi vòng sử dụng và có lẽ ta sẽ không bao giờ tích hợp đƣợc các hệ
thống thông minh một cách kinh tế lên các đồ dùng nhỏ. Tóm lại, có rất
CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG
14
nhiều kịch bản có thế xảy ra đối với mô hình nhà thông minh, liên quan
đến rất nhiều kĩ thuật xử lí thông tin và truyền thông [12].


CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG KHÔNG XÂM PHẠM
15
CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG KHÔNG
XÂM PHẠM
3.1. Giới thiệu
Những kĩ thuật quản lý điện năng hiện nay thƣờng hoặc là quá đắt
đỏ để sử dụng trong các hộ gia đình hoặc là không đủ độ chi tiết để phục
vụ cho quá trình kiểm soát điện năng. Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu tới
một cách tiếp cận khác dễ triển khai hơn, tiết kiệm chi phí hơn và có khả
năng đƣa ra những thông tin chi tiết về tình trạng sử dụng điện trong
phạm vi một ngôi nhà. Trong chƣơng này, tôi sẽ giới thiệu về Hệ thống
theo dõi điện năng không xâm phạm đƣợc đề xuất bởi tác giả George Hart
[5].
Hệ thống theo dõi điện năng không xâm phạm (Nonintrusive

Appliance Load Monitoring - NALM) đƣợc thiết kế để theo dõi một mạch
điện bao gồm nhiều thiết bị khác nhau trong đó. Các thiết bị này thay đổi
trạng thái, bật/tắt không phụ thuộc lẫn nhau. Bằng cách phân tích các đặc
tính của cƣờng độ dòng điện và điện áp của tải, NALM sẽ tách đƣợc tải
tổng thành từng tải riêng biệt của từng thiết bị cũng nhƣ công suất tiêu thụ
của thiết bị đó trong thời gian hệ thống thực hiện việc đo đạc. Các thao tác
này đƣợc thực hiện mà không cần phải truy cập tới từng thiết bị, không
cần cài đặt các bộ cảm biến theo dõi từng thiết bị. So với các phƣơng pháp
truyền thống muốn theo dõi thiết bị nào thì phải có bộ cảm lắp tại thiết bị
đó để thu thập kết quả thì cách tiếp cận của NALM là đơn giản hơn, dễ
triển khai hơn. Kết quả thu đƣợc từ hệ thống NALM rất hữu ích đối với
ngƣời tiêu dùng, các nhà hoạch định chính sách, các công ty sản xuất thiết
bị cũng nhƣ phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG KHÔNG XÂM PHẠM
16
Theo mô hình thiết kế, để đo đƣợc tải của toàn thiết bị điện có trong
nhà, hệ thống NALM phải đƣợc đƣợc lắp đặt ở vị trí đặt công tơ tổng, nơi
dòng điện đƣợc nối vào nhà.
Ví dụ: Một chiếc tủ lạnh có công suất 250W. Khi quan sát trên đồ
thị biến đổi công suất theo thời gian, nếu thấy 1 bƣớc tăng công suất thì
có thể chiếc tủ lạnh đó đã đƣợc bật lên. Nếu quan sát thấy 1 bƣớc giảm
công suất thì có khả năng là chiếc tủ lạnh đó đã bị tắt đi.
Các thiết bị khác nhau thì sẽ có những đặc điểm nhận dạng riêng
biệt, giúp phân biệt đƣợc chúng từ tải tổng. Sau khi xác định đƣợc chính
xác thời gian bật/tắt của từng thiết bị từ tín hiệu tổng đầu vào, chúng ta có
thể tính toán đƣợc tổng năng lƣợng tiêu thụ của từng thiết bị đó trong thời
gian thực hiện đo đạc.
Để có một cái nhìn chi tiết hơn, chúng ta theo dõi Hình 4 biểu diễn
tổng công suất thực tiêu thụ theo thời gian của một hộ gia đình. Kết quả
đo đạc đƣợc thực hiện trong 40 phút. Trong khoảng thời gian này, tổng tải

chỉ ra chi tiết trạng thái hoạt động của các thiết bị điện trong nhà, phần lớn
trong đó là các thiết bị nhà bếp. Có 4 bƣớc thay đổi rõ ràng thể hiện hoạt
động của chiếc tủ lạnh, 2 trạng thái của lò vi sóng và 1 quá trình chuyển
đổi của lò sƣởi. Bên cạnh đó việc theo dõi các giá trị công suất phản
kháng (reactive power) và dòng điện điều hòa (harmony current) sẽ cung
cấp nhiều thông tin hơn phục vụ cho việc phân loại, nhận dạng các thiết bị
có trong mạng lƣới.
CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG KHÔNG XÂM PHẠM
17

Hình 4. Biểu đồ biến đổi công suất theo thời gian, mô tả các bước nhảy công suất.

Các phƣơng pháp phân tích truyền thống sử dụng phần cứng thu
thập thông tin rất phức tạp nhƣng phần mềm xử lý thì đơn giản. Mỗi thiết
bị cần theo dõi đƣợc gắn với bộ cảm biến đóng vai trò là một điểm thu
thập thông tin. Các thiết bị này đƣợc kết nối với trung tâm xử lý. Thông
tin định kỳ sẽ truyền về trung tâm. Tại đây phần mềm chủ yếu thực hiện
việc hiển thị, thống kê lại dữ liệu sau khi đã đƣợc tổng hợp. NALM tiếp
cận theo một hƣớng khác hoàn toàn. Theo đó, trong tổng thể hệ thống,
thiết bị phần cứng chỉ đóng vai trò thu thập dữ liệu. Việc xử lý, phân tích
các tín hiệu đầu vào sẽ do phần mềm thực hiện. Thiết bị phần cứng chỉ
cần lắp đặt tại duy nhất một điểm đơn trên mạng lƣới.
3.2. Mục tiêu
Một thiết bị theo dõi điện năng không xâm phạm (Nonintrusive
Appliance Load Monitoring - NALM) đƣợc thiết kế để theo dõi một mạch
điện gồm một số các thiết bị điện đang hoạt động, thay đổi trạng thái
bật/tắt không phụ thuộc lẫn nhau.
Những nghiên cứu về NALM hay MIALMS (hệ thống theo dõi thiết
bị không xâm phạm) đã đƣợc thực hiện trong suốt 20 năm qua với ngƣời
CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG KHÔNG XÂM PHẠM

18
đi tiên phong là George Hart từ cuối những năm 80. George Hart sử dụng
những thay đổi trong tổng năng lƣợng thật (real power - P) và năng lƣợng
phản kháng (reactive power - Q) làm dấu hiệu để nhận biết sự chuyển
trạng thái của từng thiết bị. Mặc dù nghiên cứu ban đầu của Hart tập trung
vào khu vực dân cƣ và nghiên cứu dấu hiệu của các thiết bị thƣờng dùng
trong những năm cuối 80 đầu 90, một số nghiên cứu khác đã hoàn thiện kĩ
thuật này và mở rộng tầm áp dụng của nó đến những môi trƣờng khác
cũng nhƣ giúp nhận biết những thiết bị hiện đại hơn. Một số hệ thống có
sử dụng NALM ở quy mô nhỏ cũng đã đƣợc bán ra thị trƣờng và đƣợc giới
thiệu nhƣ là những công cụ giúp phân tích, nghiên cứu tải điện.
Mục tiêu chính của NALM là tự động nhận dạng các đặc trƣng của
các thiết bị điện dựa trên các thông số điện năng tổng của cả tòa nhà thông
qua việc nghiên cứu kĩ lƣỡng cƣờng độ và điện thế trên mạch điện chính.
Gần đây, một số nhà nghiên cứu còn áp dụng kĩ thuật này trong việc
nghiên cứu sự biến đổi điện áp trong các ổ cắm điện trong phạm vi một
tòa nhà hay nghiên cứu trƣờng điện từ quanh ổ điện tổng.
Để minh họa cho ý tƣởng này, Hình 5 chỉ ra tổng lƣợng điện tiêu
thụ của một nhà dân. Chỉ với một vài nghiên cứu sơ bộ về mặt hình ảnh
của tín hiệu, ta đã có thể nhận ra sự thay đổi trạng thái của nhiều thiết bị.
Ví dụ: việc bật ti-vi có đặc trƣng là các đỉnh nhọn trên đồ thị do nó cần
điện năng để làm nóng các bộ phận bên trong. Mục tiêu của NALM là tự
động hóa và cải thiện quá trình phân tích này để có thể nhận diện các thiết
bị điện và hoạt động của chúng một cách chính xác.
CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG KHÔNG XÂM PHẠM
19

Hình 5. Biểu đồ biến đổi công suất thực theo thời gian tại một tòa nhà. Thời gian đo đạc là 6 phút.
Nếu phân loại theo mức độ tác động vào hệ thống thì NALM đƣợc
chia thành 2 loại là:

 (MS) Cài đặt thủ công (Manual-Setup): Một hệ thống NALM phải
cài đặt thủ công (MS-NALM) là một hệ thống theo dõi hành vi của
các thiết bị với yêu cầu phải đƣợc cài đặt trƣớc khi sử dụng. Trong
thời gian cài đặt, hệ thống sẽ thu thập các dấu hiệu nhận biết và các
thiết bị tƣơng ứng với từng dấu hiệu đó.
 (AS) Cài đặt tự động (Automatic-Setup): Một hệ thống NALM cài
đặt tự động (AS-NALM) là một hệ thống mà khi hoạt động nó sẽ tự
động đo đạc tín hiệu, tải. Dựa trên các thông tin đặc trƣng của thiết
bị đã đƣợc lƣu trong cơ sở dữ liệu, hệ thống sẽ tự động nhận dạng
các thiết bị tƣơng ứng với các dấu hiệu đó mà không cần một thao
tác can thiệp nào từ bên ngoài.
Hoạt động của một hệ thống MS-NALM đƣợc mô tả theo quy trình
dƣới đây:
(1) Thực hiện khảo sát các thiết bị chính có trong mạng lƣới.
(2) Cài đặt MS-NALM, kết nối bàn phím vào hệ thống này và khởi
tạo ở chế độ "Cài đặt".