Nghiên cứu chế tạo thiết bị quản lý phụ tải điện thông minh (smart meter) (NCKH)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN
THÔNG MINH (SMART METER)
Mã số: ĐH2016-TN02-02

Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Minh Ý

Thái Nguyên, 05/2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN
THÔNG MINH (SMART METER)

Mã số: ĐH2016-TN02-02

Xác nhận của tổ chức chủ trì
KT. HIỆU TRƯỞNG
PHÓ HIỆU TRƯỞNG

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên)

PGS.TS. Vũ Ngọc Pi

TS. Nguyễn Minh Ý

Thái Nguyên, 05/2017


i

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI
TT

Họ và tên

1

Nguyễn Minh Ý

Đơn vị công tác và

Nội dung nghiên cứu cụ thể

Ghi

lĩnh vực chuyên môn

được giao

chú

Khoa

Quốc

tế, Chủ nhiệm đề tài:

Trường Đại học Kỹ - Tổng quan tài liệu
thuật Công nghiệp
- Điều tra, phân loại phụ tải
điện và thiết bị tiêu thụ điện
năng.
- Xây dựng mô hình toán học.
- Xây dựng thuật toán cho bài
toán tối ưu
- Bài báo, báo cáo
2

Trần Quế Sơn

Khoa

Quốc

tế, Thành viên tham gia chính:

Trường Đại học Kỹ - Chế tạo, thử nghiệm thiết bị
thuật Công nghiệp

3

Trần Mạnh Tuấn Khoa

Quốc

tế, Thành viên tham gia:

Trường Đại học Kỹ - Chế tạo, thử nghiệm thiết bị
thuật Công nghiệp


ii

ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
TT

1

Tên đơn vị

Nội dung phối

Họ và tên người

trong và ngoài nước

hợp nghiên cứu

đại diện đơn vị

Bộ môn Kỹ thuật điện và máy tính
giảng dạy bằng tiếng Anh, khoa Quốc
tế

2

cứu ThS. Vũ Ngọc

chuyên đề

Trung tâm Sáng tạo sản phẩm, khoa Chế
Quốc tế

3

Nghiên

tạo,

Huy
thử ThS. Vũ Quốc

nghiệm thiết bị

Power System Lab. Đại học Quốc gia Nghiên cứu, thu
Chonnam, Hàn Quốc

thập số liệu

Việt
GS. Ahn Sun Joo


iii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................x
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU................................................................. xi
1. Thông tin chung: ................................................................................................... xi
2. Mục tiêu: ............................................................................................................... xi
3. Tính mới và sáng tạo: ............................................................................................ xi
4. Kết quả nghiên cứu: ............................................................................................. xii
5. Sản phẩm: ............................................................................................................. xii
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết
quả nghiên cứu: ....................................................................................................... xiv
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS ........................................................xv
1. General information: .............................................................................................xv
2. Objective(s): ..........................................................................................................xv
3. Creativeness and innovativeness: ..........................................................................xv
4. Research results: .................................................................................................. xvi
5. Products: .............................................................................................................. xvi
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research
results: .................................................................................................................... xvii
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
1. TÍNH CẤP THIẾT ..................................................................................................1
2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................................................................2
2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................................................2

iv

2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .........................................................................4
3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI................................................................................................4
3.1. Mục tiêu chung .....................................................................................................4
3.2. Mục tiêu cụ thể .....................................................................................................5
4. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU..............................................................5
4.1. Đối tượng nghiên cứu...........................................................................................5
4.2. Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................5
5. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................................5
5.1. Cách tiếp cận ........................................................................................................5
5.2. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................5
6. BỐ CỤC BÁO CÁO ...............................................................................................6
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................8
CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ PHỤ TẢI...................................................................8
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG .........................................................................................8
1.2. CHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG PHỤ TẢI .........................................................9
1.3. BIỂU GIÁ ĐIỆN ................................................................................................11
CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................17
BÀI TOÁN QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN THÔNG MINH .......................................17
2.1. BÀI TOÁN TỐI ƯU TỔNG QUÁT ..................................................................17
2.2. PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH ĐỘNG ..........................................................20
2.3. MÔ PHỎNG TOÁN HỌC BÀI TOÁN .............................................................23
2.3.1. Hệ thống điều hòa trung tâm ...........................................................................23
2.3.2. Xe điện ............................................................................................................25
2.3.3. Hệ thống bơm nước .........................................................................................27

v

2.3.4. Hệ thống chiếu sáng ........................................................................................28
2.3.5. Hệ thống phát điện mặt trời.............................................................................30
CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................33
THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN THÔNG MINH...................33
3.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM .....................................................................33
3.1.1. Máy tính nhúng Raspberry Pi 3 ......................................................................34
3.1.2. Bo mạch Arduino Mega 2560 .........................................................................37
3.1.3 Mô-đun truyền thông Wifi Xbee S2 ................................................................40
3.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN TẠI CHỖ .............................................................................42
3.2.1. Bo mạch Arduino Nano ..................................................................................43
3.2.2. Hiển thị tại chỗ LCD .......................................................................................44
3.3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .....................................................................46
3.3.1. Mạch điều khiển điều hòa trung tâm ...............................................................46
3.3.2. Mạch điều khiển điều nạp xe điện ..................................................................46
3.3.3. Mạch điều khiển hệ thống chiếu sáng .............................................................47
3.3.4. Mạch điều khiển hệ thống bơm .......................................................................48
3.3.5. Mạch điều khiển hệ thống pin mặt trời ...........................................................49
CHƯƠNG 4 ..............................................................................................................51
KẾT QUẢ, SẢN PHẨM ...........................................................................................51
4.1. KẾT QUẢ ..........................................................................................................51
4.1.1. Kết quả mô phỏng ...........................................................................................51
4.1.2. Kết quả thiết bị thực ........................................................................................58
4.2 SẢN PHẨM ........................................................................................................62
4.2.1 Sản phẩm khoa học ..........................................................................................62


vi

4.2.2 Sản phẩm đào tạo .............................................................................................63
4.2.3 Sản phẩm ứng dụng ..........................................................................................64
CHƯƠNG 5 ..............................................................................................................71
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ........................................................................................71
5.1. KẾT LUẬN ........................................................................................................71
5.2. KIẾN NGHỊ .......................................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................73


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các chương trình quản lý phụ tải đề xuất. ..................................................9
Hình 1.2. Giá điện bán lẻ cho hộ gia đình thành thị và nông thôn. ..........................13
Hình 1.3. Giá điện thời gian sử dụng cho hộ sản xuất nhỏ dưới 6 kV. .....................14
Hình 1.4. Số liệu giá điện thời gian thực trong một tuần (Thị trường điện PJM, Hoa
Kỳ). ............................................................................................................................14
Hình 1.5. Số liệu giá điện trong một tháng (Thị trường điện JMP, Hoa Kỳ). ..........15
Hình 2.1. Sơ đồ khối bài toán tối ưu quá trình theo chuỗi thời gian. ........................20
Hình 2.2. Quy hoạch động: Thuật toán quy hoạch ngược. .......................................22
Hình 2.3. Bài toán quản lý phụ tải điện tối ưu trong hộ tiêu thụ. .............................23
Hình 2.4. Hệ thống HVAC thông minh. ...................................................................24
Hình 2.5. Hệ thống nạp xe điện thông minh .............................................................26
Hình 2.6. Hệ thống bơm nước thông minh. ..............................................................27
Hình 2.7. Hệ thống chiếu sáng thông minh...............................................................29
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống phát điện mặt trời. ............................................................30
Hình 2.9. Sơ đồ thay thế và đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời. ...........................31
Hình 2.10. Thuật toán P&O tìm điểm phát công suất cực đại (MPPT). ...................32
Hình 3.1. Sơ đồ bộ điều khiển trung tâm. .................................................................33
Hình 3.2. Máy tính nhúng Raspberry Pi 3. ...............................................................34

Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc Raspberry Pi 3, Model B. ..................................................35
Hình 3.4. Mành hình cảm ứng LCD Touch Capacitive 7 inch. ................................37
Hình 3.5. Bo mạch Arduino Mega 2560. ..................................................................38
Hình 3.6. Linh kiện Arduino Mega 2560. .................................................................39
Hinh 3.7. Mô-đun truyền thông Wifi Xbee S2. ........................................................40


viii

Hình 3.8. Sơ đồ bộ điều khiển tại chỗ. ......................................................................42
Hình 3.9. Bo mạch Arduino Nano. ...........................................................................43
Hình 3.10. Chi tiết linh kiện Arduino Nano. .............................................................43
Hình 3.11. Màn hình hiển thị LCD HD44780. .........................................................44
Hình 3.12. Chi tiết cấu hình LCD HD44780. ...........................................................45
Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống điều hòa trung tâm. ............46
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nạp xe điện........................................47
Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống chiếu sáng. .........................48
Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống bơm. ...................................49
Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống pin mặt trời. .......................50
Hình 4.1. Biểu giá điện Thị trường năng lượng JPM: Giá điện theo giờ định trước,
Giá điện thời gian thực..............................................................................................51
Hình 4.2. Mô phỏng vận hành hệ thống điều hòa trung tâm: (1) Nhiệt độ môi trường
trong ngày, (2) Điện năng tiêu thụ và (3) Nhiệt độ trong phòng: Bài toán đề xuất,
Vận hành truyền thống. .............................................................................................53
Hình 4.3. Mô phỏng vận hành hệ thống nạp xe điện: (1) Điện năng tiêu thụ, (2) Độ
nạp ắc-quy và (3) Chi phí tiêu thụ điện năng: Bài toán đề xuất, Vận hành truyền
thống. .........................................................................................................................55
Hình 4.4. Mô phỏng vận hành hệ thống bơm nước: (1) Nhu cầu tiêu thụ nước, (2)
Điện năng tiêu thụ và (3) Lượng nước trong bể chứa: Bài toán đề xuất, Vận hành
truyền thống. .............................................................................................................57

Hình 4.5. Giao diện tổng quát thiết bị quản lý phụ tải. .............................................58
Hình 4.6. Giao diện quản lý hệ thống điều hòa trung tâm và cửa sổ nhập thông số.59
Hình 4.7. Giao diện quản lý hệ thống nạp xe điện và cửa sổ nhập thông số. ...........60
Hình 4.8. Giao diện quản lý hệ thống chiếu sáng và cửa sổ nhập thông số..............61
Hình 4.9. Giao diện quản lý hệ thống bơm nước và cửa sổ nhập thông số. .............62


ix

Hình 4.10. Mặt trước mạch điều khiển điều hòa trung tâm. .....................................65
Hình 4.11. Mặt sau mạch điều khiển điều hòa trung tâm. ........................................65
Hình 4.12. Mặt trước mạch điều khiển nạp xe điện. .................................................66
Hình 4.13. Mặt sau mạch điều khiển nạp xe điện. ....................................................66
Hình 4.14. Mặt trước mạch điều khiển hệ thống chiếu sáng. ...................................67
Hình 4.15. Mặt sau mạch điều khiển hệ thống chiếu sáng........................................67
Hình 4.16. Mặt trước mạch điều khiển hệ thống bơm. .............................................68
Hình 4.17. Mặt sau mạch điều khiển hệ thống bơm. ................................................68
Hình 4.18. Mặt trước mạch điều khiển hệ thống pin mặt trời...................................69
Hình 4.19. Mặt sau mạch điều khiển hệ thống pin mặt trời. .....................................70


x

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các chương trình phản ứng phụ tải. .........................................................10
Bảng 3.1. Thông số kỹ của Arduino Mega 2560. .....................................................39
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của mô-đun Wifi Xbee S2. .........................................40
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật Arduino Nano. ............................................................44

xi

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị quản lý phụ tải điện thông minh
(smart meter)
- Mã số: ĐH2016-TN02-02
- Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Minh Ý
- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái
Nguyên
- Thời gian thực hiện: 1/2016 – 12/2017
2. Mục tiêu:
Thiết kế, chế tạo thiết bị quản lý phụ tải thông minh ứng dụng trong quản lý
việc sử dụng điện năng ở các hộ tiêu thụ điện. Thiết bị tính toán kế hoạch vận hành
và điều khiển các thiết bị điện làm việc trong giờ thấp điểm (thời điểm giá điện rẻ),
hạn chế làm việc khi giá điện cao. Với thiết bị này, các hộ tiệu thụ điện (hay thiết bị
điện) có thể tiết kiệm từ 10-30% chi phí dùng điện (tùy loại phụ tải), mà vẫn đáp
ứng được nhu cầu của người sử dụng.
- Xây dựng mô hình toán học các chế độ làm việc của thiết bị điện trong các hộ
phụ tải thông thường.
- Xây dựng bài toán tối ưu hóa quá trình làm việc (tối giảm hóa chi phí tiêu thụ
điện năng) cho các thiết bị điện; đảm bảo yêu cầu của người sử dụng.
- Xây dựng thuật toán tối ưu cho bài toán trên; thuật toán phù hợp cho việc ứng
dụng trên vi điều khiển thông thường và làm việc theo thời gian thực.
- Chế thử thiết bị quản lý phụ tải thông minh tại Trung tâm Sáng tạo sản phẩm,
khoa Quốc tế.
- Thử nghiệm thiết bị với một số loại biểu giá điện cụ thể.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Sử dụng mô hình toán học của các thiết bị điện và nhu cầu của người dùng
trong bài toàn lên kế hoạch vận hành, do đó không ảnh hưởng đến chất lượng cuộc

sống của người dùng.


xii

- Ứng dụng công nghệ tự động hóa, tin học và truyền thông trong thiết bị quản
lý phụ tải điện, do đó tất cả các quá trình được thực hiện tự động; cho phép người
dùng có thể giám sát, đánh giá mà không cần có những kiến thức chuyên sâu về hệ
thống.
- Thiết bị đề xuất có khả năng tiết kiệm chi phí dùng điện từ 10 – 30% cho
người sử dụng với các biểu giá điện tương ứng. Thêm vào đó, thiết bị cũng cho
phép tận dụng các nguồn năng lượng tại chỗ như năng lượng mặt trời để cùng cấp 1
phần nhu cầu điện năng. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng các vấn đề năng lượng,
môi trường mà xã hội đang quan tâm.
- Bài toán lên kế hoạch vận hành có khả năng xử lý các đại lượng ngẫu nhiên
trong dự báo như dự báo giá điện, dự báo nhu cầu tiêu thụ, v.v.
- Thiết bị được nghiên cứu và thiết kế với tính mở, cho phép người dùng cập
nhật hay bổ sung các thiết bị điện mới trong hệ thống có sẵn mà không phải thay đổi
nhiều về phần cứng.
4. Kết quả nghiên cứu:
Trong đề tài này, chúng tôi đã thử nghiệm bài toán quả lý phụ tải với nhiều loại
thiết bị điện khác nhau như hệ thống điều hòa trung tâm, hệ thống nạp xe điện, hệ
thống chiếu sáng và hệ thống bơm nước. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, chi phí
dùng điện có thể được tiết kiệm từ 10 – 30% tùy theo các loại thiết bị điện, biểu giá
điện khác nhau mà vẫn đáp ứng được nhu cầu cho người sử dụng.
5. Sản phẩm:
Sản phẩm đề tài bao gồm sản phẩm khoa học, sản phẩm đào tạo và sản phẩm
ứng dụng như đăng ký trong thuyết minh.
5.1. Sản phẩm khoa học:
(1) Nguyen Minh Y (2016), “Three-wire network: A new power supply for smart

buildings with demand management systems”, American Journal of Electrical
Research, 5(10), tr. 152-157.


xiii

(2) Tran Que Son, Tran Manh Tuan, Le Van Hoan, Phung Thanh Hai, Nguyen Minh
Y (2017), “Design on controllers for electrical appliances in smart home”,
International Journal of Smart Grid and Clean Energy, 6(2), tr. 90–95.
(3) Tran Que Son, Tran Manh Tuan, Le Van Hoan, Phung Thanh Hai, Nguyen Minh
Y (2017), “Design on controllers for electrical appliances in smart home”, 3rd
International Conference on Environment and Renewable Energy (ICERE
2017), 25-27 tháng 2, 2017, Hà Nội, Việt Nam.
5.2. Sản phẩm đào tạo:
Sản phẩm đào tạo của đề tài gồm 03 đề tài khoa học sinh viên. Cụ thể như sau:
(1) Tên đề tài 1: Thiết kế bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời hiệu suất cao.
Mã số đề tài: SV2016-96. Thành viên: Phùng Thanh Hài, K48 API, Lê Văn
Hoàn, K50 API.
(2) Tên đề tài 2: Thiết kế mô hình thang máy cho nhà cao tầng. Mã số đề tài:
SV2016-97. Thành viên: Dương Văn Tình, K49 API, Nguyễn Thị Thanh Hòa,
K49 API, Nguyễn Thị Thanh Ngân, K49 API, Vương Ngọc Quang, K49 API,
Nguyễn Viết Hưng, K49 API.
(3) Tên đề tài 3: Thiết kế bộ điều khiển xe lăn điện dành cho người khuyến tật.
Mã số đề tài: SV2016-98. Thành viên: Vũ Minh Hoàng, K48 API, Nguyễn Hữu
Huy, K48 API, Nguyễn Văn Nam, K48 API.
5.3. Sản phẩm ứng dụng:
Sản phẩm ứng dụng của đề tài là thiết bị quản lý phụ tải điện thông minh bao
gồm bộ điều khiển trung tâm và các bộ điều khiển tại chỗ. Bộ điều khiển trung tâm
có nhiệm vụ chính là lên kế hoạch vận hành cho các thiết bị với giá điện cập nhật từ
các công ty điện. Bộ điều khiển được xây dựng trên máy tính nhúng Raspberry Pi 2,

giao tiếp I/O, hiển thị thông tin qua màn hình cảm ứng LCD 7 inch. Bộ điều khiển
tại chỗ có vai trò nhận kế hoạch từ bộ điều khiển trung tâm và gửi tín hiệu điều
khiển đến cơ cấu chấp hành của từng thiết bị. Bộ điều khiển tại chỗ được chế tạo
dựa trên vi điều khiển ATmega 286 tích hợp trong bo mạch Arduino Nano. Truyền


xiv

thông giữa bộ điều khiển trung tâm và các bộ điều khiển tại chỗ được thực hiện qua
giao thức Zigbee sử dụng mô-đun Wifi Xbee UART S2.
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của
kết quả nghiên cứu:
Đề tài nghiên cứu là một phần trong bài toán quản lý phụ tải của toàn bộ hệ
thống điện, có hiệu quả kinh tế cho cả người sử dụng và hệ thống điện. Với hệ
thống điện, thiết bị quản lý phụ tải giúp kiểm soát nhu cầu sử dụng điện trong giờ
cao điểm, giảm lượng công suất tiêu thụ của hệ thống, do đó, giảm chi phí huy động
các nguồn điện giá cao. Đối với người dùng điện, thiết bị quản lý quản lý phụ tải
giúp giảm chi phí tiêu thụ điện năng bằng cách chuyển hoạt động của thiết bị điện
từ giờ cao điểm sang thấp điểm với giá điện rẻ hơn; tuy nhiên việc này cần tính toán
để không ảnh hưởng đến các yêu cầu của người sử dụng. Kết quả của để tài nếu
được áp dụng rộng rãi có thể đảm bảo an ninh, quốc phòng, đặc biệt là vấn đề tự
chủ năng lượng.
Ngày 06 tháng 5 năm 2017
Tổ chức chủ trì
KT. HIỆU TRƯỞNG
PHÓ HIỆU TRƯỞNG

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

PGS.TS. Vũ Ngọc Pi

TS. Nguyễn Minh Ý


xv

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:
Project title: Research and manufacture smart-metering infrastructure device
for demand management systems
Code number: ĐH2016-TN02-02
Coordinator: Division of Electrical and Computer Engineering taught in
English, Centre of Discoveries, Power System Laboratory, Chonnam National
University, Korea.
Implementing institution: Thai Nguyen University of Technology
Duration: from January 2016 to December 2017
2. Objective(s):
The project is to design and manufacture the smart-metering infrastructure
device for the demand management system of household customers. The proposed
scheme is able to schedule and control the operation of electrical appliances to
intentionally shift to off-peak hour (i.e., the electricity price is low), avoiding the
use of electricity at peak-hours. With this device, the household customer can save
electric bill as much as 10 - 30% depending on the type of electrical appliances at
the same time satisfy the user’s requirement. The detail objective is as follows.
- Derive the mathematical model of electrical appliances in households with the
user’s preference.
- Formulate the optimization problem for electrical appliances which minimizes
the energy cost subject to the constraint of physical systems and user’s preference.

- Derive the solution and algorithm for the formulated optimization problem
which is suitable for the normal micro-processor in real-time operation.
- Manufacture the sample product: Smart-metering device at the Center of
Discoveries, Faculty of International Training.
- Testify the product with different electricity price and show the effectiveness
of the research.
3. Creativeness and innovativeness:


xvi

- Utilize the mathematic model of electrical appliances and the requirement of
users in the scheduling problem so thus the resulting operation dose not effect the
comfort level of users.
- Apply automation, information and communication technologies in the
demand management system so thus the entire scheduling, operation and control are
performed automatically; the users do not need to have good background and time
to manage their consumption.
- The proposed smart-metering infrastrure device is expected to save the
electricity bill from 10 to 30% for the user given a proper form of electricity price.
In addition, this allows the user to integrate the on-site renewable source to provide
a part of the energy consumption. It contributes to deal with the energy and
environment issues nowadays.
- The scheduling and operation scheme are able to deal with the uncertainty of
the problem such as electricity price, weather forcasting and the user’s demand, etc.
- The proposed device is designed with sufficient flexibility so thus the users
can add more electrical appliances in the existing demand management system.
4. Research results:
In this project, we have tested the proposed scheme for different electrical
appliances assuming the real-time electricity price is applied including heat

ventilation and air conditioning, electric vehicle charger, lighting and water
pumping system. The simulation result showed that the electricity cost can be saved
as much as 10 – 30% with different loads while ensuring the user requirement.
5. Products:
Products of the project includes the scientific, academic and applied products as
registerd in the proposal.
5.1. Scientific product:


xvii

(1) Nguyen Minh Y (2016), “Three-wire network: A new power supply for smart
buildings with demand management systems”, American Journal of Electrical
Research, 5(10), pp. 152-157.
(2) Tran Que Son, Tran Manh Tuan, Le Van Hoan, Phung Thanh Hai, Nguyen Minh
Y (2017), “Design on controllers for electrical appliances in smart home”,
International Journal of Smart Grid and Clean Energy, 6(2), pp. 90–95.
(3) Tran Que Son, Tran Manh Tuan, Le Van Hoan, Phung Thanh Hai, Nguyen Minh
Y (2017), “Design on controllers for electrical appliances in smart home”, 3rd
International Conference on Environment and Renewable Energy (ICERE
2017), 25-27 February 2017, Hanoi, Vietnam.
5.2. Academic product:
The academic product includes 03 student-level project as follows.
(1) Project 1: Design a high-efficiency charger for photovoltaic Systems. Code
number: SV2016-96. Participants: Phung Thanh Hai, K48 API, Le Van Hoan,
K50 API.
(2) Project 2: Design an elevator model for high buildings. Code number: SV201697. Participants: Duong Van Tinh, K49 API, Nguyen Thi Thanh Hoa, K49 API,
Nguyen Thi Thanh Ngan, K49 API, Vuong Ngoc Quang, K49 API, Nguyen Viet
Hung, K49 API.
(3) Project 3: Design a comprehensive controller of wheel chairs for disables. Code

number: SV2016-98. Participants: Vu Minh Hoang, K48 API, Nguyen Huu
Huy, K48 API, Nguyen Van Nam, K48 API.
5.3. Applied product:
The applied product of the project is a smart-meter device which includes a
central controller and on-site controllers. The central controller is to schedule the
operation of electrical appliances with the embedded micro-computer Raspberry Pi
2 and 7-inch LCD for display. The on-site controller is designed with Arduino Nano
board based on micro-processor ATMega 286 to send the control signal directly to


xviii

the actuator of each appliance. The communication between the central and on-site
controllers is based on Zigbee protocol with module Wifi Xbee UART S2.
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of
research results:
The project is a part of the energy management system in the electric power
industry. This would provide benefits for both the electric users and the power
system as a whole. For the system, the proposed smart-metering infrastruture device
can help to reduce the electric demand in peak hours, consequently avoid the use of
expensive power sources in the system. For electric users, the proposed device can
help to save electricity bill by intentionally shifting the operation of electrical
appliances to off-peak hours with low electricity price. Especially, this can be done
without affecting the confort level of users by taking into account the methamatical
modeling of loads. In a broader view, this also help to improve the energy
independence and security of the country.


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, nhu cầu
tiêu thụ điện ở nước ta đang ngày một tăng cao. Theo số liệu thống kê của Trung
tâm điều độ Quốc gia, mức tăng trưởng phụ tải điện trong 10 năm, từ 2001 đến
2011, là 13,22%. Tính đến năm 2012, tổng sản lượng điện toàn quốc là 120,257 tỉ
kWh, trong đó, lượng điện tiêu thụ trong nước là 119,033 tỉ kWh; sản lượng ngày
cao nhất đạt 376,68 triệu kWh, công suất cực đại đạt 18.603 MW, tăng 12,81% so
với năm 2011. Hiện nay, sản lượng điện trong ngày khoảng 446,98 triệu kWh (số
liệu ngày 16/4/2015).
Ngoài ra, một đặc điểm đặc thù quan trọng trong hệ thống điện là nhu cầu tiêu
thụ điện năng không đồng đều vào các mùa trong năm, các ngày trong tuần cũng
như các giờ trong ngày, dẫn đến chi phí sản xuất điện năng thay đổi. Trong các giờ
thấp điểm (22:00 đến 04:00 ngày hôm sau), nhu cầu điện năng không cao, hệ thống
chỉ cần huy động các nguồn điện giá rẻ (nhiệt điện than, thủy điện), do đó chi phí
bình quân trên kWh toàn hệ thống thấp. Ngược lại, vào giờ cao điểm (09:30 đến
11:30 và 17:00 đến 20:00), nhu cầu điện năng tăng cao, hệ thống cần huy động các
nguồn điện đắt (nhiệt điện dầu), dẫn đến chi phí sản xuất điện tăng cao. Giá điện thị
trường ngày 16/4/2015 dao động từ 769 VNĐ/kWh vào giờ thấp điểm cho đến
1.543 VNĐ/kWh vào giờ cao điểm.
Xuất phát từ thực tế trên, người sử dụng điện ở các hộ gia đình, thương mại và
công nghiệp có thể tiết kiệm chi phí điện năng bằng cách chuyển đổi việc sử dụng
điện từ giờ cao điểm sang thấp điểm (Demand response). Tùy vào từng loại biểu giá
điện cụ thể: giá điện thời gia sử dụng (Time-of-use), giá điện thời gian thực
(Realtime price), giá điện đỉnh tới hạn (Critical peak pricing), v.v, người dùng điện
có thể có những cách điều chỉnh thiết bị điện một cách phù hợp, tối giảm hóa chi
phí tiêu thụ điện. Tuy nhiên, việc điều chỉnh này phần lớn không thể thực hiện bằng
tay được vì các lý do sau: Thứ nhất, người dùng điện không thể thường xuyên kiểm
tra giá điện và tập trung sử dụng các thiết bị khi giá thấp, đặc biệt vào ban đêm, từ

2

23:00 đêm đến 4:00 sáng; Thứ hai, việc điều chỉnh cần đảm bảo yêu cầu của người
sử dụng đối với các thiết bị điện, ví dụ điều hòa nhiệt độ cần đảm bảo giữ nhiệt độ
phòng trong một khoảng nhất định mà người sử dụng thấy thoải mái (24 - 280C),
v.v.
Những luận giải ở trên cho thấy, cần phải có một thiết bị có khả năng cập nhật
thông tin về giá điện, thiết bị tiêu thụ điện và những yêu cầu của người dùng điện,
từ đó lên kế hoạch và điều khiển các thiết bị tiêu thụ điện một cách tối ưu. Từ yêu
cầu cấp thiết của thực tiễn sử dụng điện, chúng tôi đề xuất đề tài: “Nghiên cứu chế
tạo thiết bị quản lý phụ tải điện thông minh (Smartmeter)”.
2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Hiện nay, chương trình quản lý phụ tải điện (Demand-side management) và phụ
tải phản ứng (Demand reponse) trong hệ thống điện đang được chú trọng đặc biệt ở
Việt Nam và trên thế giới. Mục tiêu cơ bản của quản lý phụ tải là nhằm thay đổi
dạng đồ thị phụ tải bằng phẳng hơn (san phẳng đồ thị phụ tải), hạn chế việc phải
huy động các nguồn điện giá cao trong hệ thống. Trên thế giới, quản lý phụ tải được
thực hiện theo 2 cách: Chính sách ưu đãi (Incentive-based program) và Chính sách
giá (Price-based program). Với chính sách ưu đãi, người sử dụng điện được các ưu
đãi về giá mua điện, tuy nhiên, trong những trường hợp đặc biệt, công ty điện lực có
quyền được ngừng cung cấp điện. Về chính sách giá, công ty điện lực có thể đưa ra
biểu giá điện thay đổi theo thời gian trong ngày, theo đó khuyến khích người tiêu
thụ dùng điện vào giờ thấp điểm. Các chương trình quản lý phụ tải trên thế giới có
thể phân loại như sau:
* Chính sách ưu đãi (Incentive-based program):
- Điều chỉnh tải trực tiếp (Direct load control)
- Định giá cắt điện (Interruptible/Curtailable rated)

- Đấu giá mua lại điện (Demand bidding/Buy-back program)
- Điều chỉnh tải khẩn cấp (Emergency demand response program)
- Thị trường dịch vụ phụ trợ (Ancillary services markets)
* Chính sách giá (Price-based program)


3

- Biểu giá thời gian sử dụng (Time-of-use)
- Giá điện đỉnh tới hạn (Critical peak pricing)
- Giá điện thời gian thực (Real-time pricing)
Ứng dụng kỹ thuật tự động hóa và truyền thông trong lưới điện thông minh
(Smartgrid), người sử dụng điện có khả năng cập nhật thông tin trước về sự biến đổi
của giá điện (một vài giờ trước) trong tương lai. Điều này đã mở ra cơ hội cho
người dùng trong việc giảm chi phí điện năng bằng cách chủ động sử dụng thiết bị
điện vào thời điểm giá điện thấp; hạn chế dùng điện vào giờ cao điểm. Tuy nhiên,
không phải thiết bị điện nào cũng có thể điều chỉnh tùy ý theo sự biến đổi của giá
điện; việc điều chỉnh còn phụ thuộc vào một yếu tố rất quan trọng là yêu cầu, mục
đích của người sử dụng. Các nghiên cứu về quản lý phụ tải phân loại thiết bị điện ra
làm 03 nhóm:
(1) Phụ tải có thể đóng cắt (Sheddable load): Các thiết bị mà khi đóng/cắt
không ảnh hưởng đến người sử dụng, người sử dụng có thể không nhận ra việc
đóng/cắt này. Ví dụ, đóng/cắt thiết bị đun nước nóng vào thời điểm không sử dụng,
v.v.
(2) Phụ tải có thể thay đổi thời gian làm việc (Shiftable load): Thiết bị cho phép
thời gian bắt đầu làm việc có thể được lưa chọn trong một khoảng thời gian nào đó;
người sử dụng chỉ yêu cầu hoạt động của thiết bị (công việc) hoàn thành tại một
thời điểm cho trước. Ví dụ, xe điện có thể sạc bất kỳ thời điểm nào đó kể từ khi kết
nối, yêu cầu ăc-qui được sạc đầy khi sử dụng (như thời gian đi làm).
(3) Phụ tải quan trọng (Critical load): Thiết bị mà khi bị ngưng làm việc có thể

gây tổn thấy kinh tế hoặc gây khó chịu cho người sử dụng. Ví dụ, thiết bị chiếu
sáng, tivi, máy tính, v.v.
Thiết bị điện trong 2 nhóm đầu được nghiên cứu phổ biến trong các chương
trình quản lý phụ tải truyền thống, trong đó, các công ty điện hợp đồng với người sử
dụng về việc đóng/cắt thiết bị điện trong những thời điểm, điều kiện nhất định.
Ngược lại, người dùng điện sẽ được ưu đãi về giá mua điện hoặc trả chi phí từ
những lần ngừng cấp điện đó. Tần số, thời lượng và chi phí ngừng cấp điện được
chi tiết trong hợp đồng giữa hai bên. Một số nghiên cứu tập trung vào lên kế hoạch


4

đóng/cắt cho các thiết bị thuộc loại phụ tải này (bao gồm thời lượng và khối lượng
ngừng cấp điện). Mục tiêu của việc lên kế hoạch là tối giảm chi phí điện năng, tần
số đóng/cắt, trong khi đó vẫn đảm bảo các yêu cầu của hệ thống [1-2]. Một nghiên
cứu khác đề xuất quản lý phụ tải nhiệt của các hộ tiêu thụ trong một khu vực giống
như một nhà máy điện ảo (Virtual power plant) và vận hành trong thị trường bán lẻ
điện năng [3]. Nghiên cứu trong [4] tập trung vào thiết bị sạc thông minh cho xe
điện (Electric vehicle), cân nhắc giữa thời gian và chi phí sạc điện cho ăc-qui.
Thiết bị thuộc nhóm thứ 3 là đối tượng chính của những chương trình quản lý
phụ tải hiện đại, kết hợp mô phỏng toán học hoạt động của từng thiết bị và yêu cầu
của người sử dụng. Trong nghiên cứu [5], bài toán quản lý hệ thống điều hòa thông gió (Heat ventilation and air conditioning) được xây dựng; nhiệt độ trong
phòng được mô hình là hàm toán học của điện năng tiêu thụ, nhiệt độ ngoài trời, và
các yếu tố liên quan đến sự truyền nhiệt giữa trong và ngoài. Nghiên cứu trong [6]
đề xuất thiết bị quản lý thiết bị điện trong hộ tiêu thụ gia đình theo giá điện thời
gian thực; trong đó, hàm điều khiển kết hợp giữa kế hoạch vận hành được xây dựng
trước, chế độ làm việc và điều kiện làm việc thực tế. Nghiên cứu khác đề xuất quản
lý phụ tải thời gian thực dựa trên mô hình điều khiển phân tán để xác định thời gian
vận hành tối ưu của thiết bị điện, cân nhắc giữa chi phí tiết kiệm được và thời gian
đợi (trễ).

2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, việc triển khai biểu giá điện theo thời gian sử dụng và công tơ 3
giá là một ví dụ về chính sách giá trong quản lý phụ tải. Ví dụ, giá bán điện cho hộ
kinh doanh dưới 6 kV tương ứng các giờ thấp điểm là 1.412 VNĐ/kWh, bình
thường là 2.320 VNĐ/kWh, và cao điểm là 3.991 VNĐ/kWh.
3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
3.1. Mục tiêu chung
Thiết kế, chế tạo thiết bị quản lý phụ tải thông minh ứng dụng trong quản lý
việc sử dụng điện năng ở các hộ tiêu thụ điện. Thiết bị tính toán tối ưu và điều khiển
các thiết bị điện làm việc trong giờ thấp điểm (thời điểm giá điện rẻ), hạn chế làm
việc khi giá điện cao. Ứng dụng thiết bị này, các hộ tiệu thụ điện (hay thiết bị điện)


5

có thể tiết kiệm từ 10-30% hóa đơn điện (chi phí dùng điện) tùy loại phụ tải, mà vẫn
đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng.
3.2. Mục tiêu cụ thể
- Xây dụng mô hình toán học các chế độ làm việc của thiết bị tiêu thụ điện
trong các hộ phụ tải thông thường.
- Xây dụng bài toán tối ưu hóa quá trình làm việc (tối giảm hóa chi phí tiêu thụ
điện năng) cho các thiết bị điện; đảm bảo yêu cầu của người sử dụng.
- Xây dựng thuật toán tối ưu cho bài toán trên; thuật toán phù hợp cho việc ứng
dụng trên vi điều khiển thông thường làm việc theo thời gian thực.
- Chế thử sản phẩm: thiết bị quản lý phụ tải thông minh, tại Trung tâm Sáng tạo
sản phẩm khoa Quốc tế.
- Thử nghiệm thiết bị với từng loại biểu giá điện cụ thể.
4. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
4.1. Đối tượng nghiên cứu
- Phụ tải điện, thiết bị điện trong hộ tiêu thụ điện.

- Biểu giá điện khác nhau ứng dụng cho từng loại hộ tiêu thụ điện.
- Bộ điều khiển sử dụng trong thiết bị tiêu thụ điện.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu mô hình toán học, thuật toán có khả năng áp dụng trong
nhiều loại thiết bị tiêu thụ điện và ứng với nhiều loại biểu giá điện đa dạng trong
nước và thế giới.
5. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
5.1. Cách tiếp cận
Tiếp cận hệ thống; tiếp cận theo vùng lãnh thổ; tiếp cận thể chế - chính sách;
tiếp cận hai khu vực công – tư; tiếp cận liên ngành.
5.2. Phương pháp nghiên cứu
- Bài toán xuất pháp từ yêu cầu thực tiễn – Mô hình toán học thành bài toán tối
ưu – Xây dựng thuật toán tối ưu – Điều chỉnh thuật toán theo yêu cầu kỹ thuật –