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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TÓM TẮT
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 TÓM TẮT
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
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................iv
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU...................................................................v
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
CHƯƠNG 1 CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ PHỤ TẢI .............................................3
CHƯƠNG 2 BÀI TOÁN QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN THÔNG MINH ...................4
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN THÔNG MINH
.....................................................................................................................................7
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................9
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ...................................................................16


iv

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Quy hoạch động: Thuật toán quy hoạch ngược. .........................................5
Hình 2.2. Bài toán quản lý phụ tải điện tối ưu trong hộ tiêu thụ. ...............................6
Hình 3.1. Sơ đồ bộ điều khiển trung tâm. ...................................................................7
Hình 3.2. Sơ đồ bộ điều khiển tại chỗ. ........................................................................8
Hình 4.1. Biểu giá điện Thị trường năng lượng JPM: Giá điện theo giờ định trước,
Giá điện thời gian thực................................................................................................9
Hình 4.2. Mô phỏng vận hành hệ thống điều hóa 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. .............................................................................................10

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. .........................................................................................................................11
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. .............................................................................................................12
Hình 4.5. Giao diện tổng quát thiết bị quản lý phụ tải. .............................................13
Hình 4.6. Giao diện quản lý hệ thống điều hòa trung tâm và cửa sổ nhập thông số.13
Hình 4.7. Giao diện quản lý hệ thống nạp xe điện và cửa sổ nhập thông số. ...........14
Hình 4.8. Giao diện quản lý hệ thống chiếu sáng và cửa sổ nhập thông số..............14
Hình 4.9. Giao diện quản lý hệ thống bơm nước và cửa sổ nhập thông số. .............15

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Các chương trình phản ứng phụ tải. ..............................................................3


v

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.


vi

- 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.


vii

(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


viii

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


ix

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:


x

- 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:


xi

(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 control 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


xii

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. Bên cạnh đó, 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 tiêu thụ 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 gian
sử dụng (Time-of-use), giá điện thời gian thực (Real-time price), giá điện đỉnh tới
hạn (Critical peak pricing), v.v, người dùng điện có thể có những cách điều chỉnh
thiệt 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 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. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
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 toàn 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)


2

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.
- 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 tạo 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.
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Hệ thống quản lý điện năng nghiên cứu trong đề tài có khả năng ứng dụng cao
tại hầu hết các hộ tiêu thụ điện hiên nay như hộ tiêu thụ gia đình, thương mại, các
cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, cơ quan hành chính sự nghiệp, bệnh viện, v.v. đặc biệt
những hộ tiêu thụ đa dạng về chủng loại và số lượng thiết bị điện. Ý nghĩa khoa học
và thực tiễn của đề tài thể hiện qua các điểm nổi bật sau:
- 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.
- 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.

3

CHƯƠNG 1
CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ PHỤ TẢI
Quản lý phụ tải (Demand-side management) hay quản lý nhu cầu điện năng
(Energy demand management) là sự điều chỉnh nhu cầu điện năng tiêu thụ của
người sử dụng thông qua một số chính sách như chính sách ưu đãi [7] (Incentivebased program) hay chính sách giá điện [8] (Price-based program) hay thông qua
các chương trình tập huấn kỹ năng sử dụng điện. Về cơ bản, mục tiêu của chương
trình quản lý phụ tải là khuyến khích người dùng hạn chế sử dụng điện trong giờ
cao điểm hoặc chuyển sang giờ thấp điểm như đêm hoặc cuối tuần [9].
Bảng 1. Các chương trình phản ứng phụ tải.
Chính sách giá
(Price-based program)
 Giá điện thời gian sử dụng
(Time of Use)
 Giá điện đỉnh tới hạn
(Critical peak price)
 Giá điện thời gian thực
(Real-time price)







Chính sách ưu đãi
(Intensive-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)


4

CHƯƠNG 2
BÀI TOÁN QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN THÔNG MINH
2.1. BÀI TOÁN TỐI ƯU TỔNG QUÁT
Bài toán tối ưu tổng quát được mô hình hóa toán học như sau:

min

E

uk
wk
k 0,1... N 1 k 0,1... N 1

g

 xN    k 0 gk  xk , uk , wk 
N 1

N

(1)

Rằng buộc:

xk 1  f k  xk , uk , wk  , k  0,1...N  1

(2)

u min  uk  u max , k  0,1...N  1

(3)

xmin  xk  xmax , k  1,2...N

(4)

hi  xk , uk , wk k 1,2... N  0, i  1,2...n

(5)

Trong đó:
- k là chỉ số thời gian (giai đoạn), tương ứng thời gian cơ sở.
- N là (tổng) thời gian quá trình tối ưu.
- uk là biến điều khiển trong giai đoạn k.
- xk là biến trang thái tại đầu thời điểm giai đoạn k.
- wk là biến ngẫu nhiên trong giai đoạn k.
- E{∙} là kỳ vọng toán học ứng với đại lượng ngẫu nhiên.

- gk(∙) là hàm chi phí của hệ thống trong giai đoạn k, hàm của biến trạng thái,
biện điều khiển trong giai đoạn k.
- hi(∙) là hàm rằng buộc bất đẳng thức.
2.2. PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH ĐỘNG
Xuất phát từ bài tối ưu tổng quát mô phỏng trong công thức (1) – (5), thuật toán
quy hoạch động đi tính toán, xây dựng chiến lược điều khiển tối ưu (control policy)
là một hợp các hàm của biến trạng thái bằng cách tính từ cuối quá trình (giai đoạn k
= N – 1) ngược về thời điểm đầu (giai đoạn k = 0). Thuật toán được trình bày trong
hình sau:


5

Hình 2.1. Quy hoạch động: Thuật toán quy hoạch ngược.
2.3. ĐẶT BÀI TOÁN


6

Hình 2.2. Bài toán quản lý phụ tải điện tối ưu trong hộ tiêu thụ.
Trong Hình 2.2, thiết bị quản lý phụ tải (AMI) cập nhật giá điện thời gian thực
(ρk) từ công ty điện, nhu cầu của người sử dụng (xk) để gửi tín hiệu điều khiển đến
các thiết bị tiêu thụ điện: Hệ thống HVAC, xe điện (EV), máy giặt (WS), v.v. Mục
tiêu chung của bài toán là tối giảm hóa chi phí tiêu thụ điện năng trong khi vẫn đáp
ứng được nhu cầu của người sử dụng theo một mức độ cho phép. Bài toán gồm hai
giai đoạn sau:
- Lên kế hoạch vận hành tối ưu trong khoảng thời gian nhất định dựa trên thông
tin dự báo về giá điện, nhu cầu tiêu thụ và các điều kiện tự nhiên khác như nhiệt độ,
độ ẩm, v.v.
- Điều khiển chế độ làm việc của thiết bị theo kế hoạch đã xây dựng từ trước và

các giá trị đo lường thực.


7

CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN THÔNG MINH
3.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

Hình 3.1. Sơ đồ bộ điều khiển trung tâm.
Bộ điều khiển trung tâm của thiết bị quản lý phụ tải nhằm thực hiện các chức
năng sau:
 Cập nhật thông tin về giá điện thời gian thực từ công ty điện.
 Thu thập thông tin về các trạng thái của các thiết bị điện.
 Thu thập thông tin về nhu cầu của người sử dụng.
 Tính toán kế hoạch vận hành tối ưu cho các thiết bị điện.
 Gửi kế hoạch vận hoành tới bộ điều khiển tại chỗ của các thiết bị điện.
 Hiển thi thông tin cho người sử dụng.
 Lưu trữ dữ liệu cần thiết.
Các mô-đun chính của bộ điều khiển trung tâm gồm: Máy tính Raspberry Pi 3,
bo mạch Arduino Mega, màn hình cảm ứng LCD Graphic và bộ nguồn.
3.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN TẠI CHỖ


8

Hình 3.2. Sơ đồ bộ điều khiển tại chỗ.
Bộ điều khiển tại chố của các thiết bị tiêu thụ điện nhằm thực hiện các chức
năng sau:
 Thu thập thông tin về các trạng thái của các thiết bị điện.

 Thu thập thông tin về nhu cầu của người sử dụng.
 Nhận kế hoạch vận hoành từ bộ điều khiển trung tâm.
 Gửi tín hiệu điều khiển cho cơ cấu chấp hành
 Hiển thi thông tin tại chỗ cho người sử dụng.
Bộ điều khiển tại chố gồm các linh kiện chính sau: Arduino Nano, mô-đun Wifi
Xbee S2, LCD hiển thị tại chỗ và cơ cấu chấp hành, v.v.


9

CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Trong phần này, bài toán quản lý phụ tải thông minh trình bày trong Chương 2
được mô phỏng trên máy tính sử dụng phần mềm MATLAB, ứng dụng cho các phụ
tải điện như hệ thống điều hòa trung tâm, thiết bị nạp xe điện và hệ thống bơm
nước.

Hình 4.1. Biểu giá điện Thị trường năng lượng JPM:
Giá điện theo giờ
định trước,
Giá điện thời gian thực.
Kết quả mô phỏng vận hành hệ thống điều hòa trung tâm được trình bày trong
Hình 5. Kết quả được so sánh với chế độ vận hành truyền thống trong đó, hệ thống
điều hòa được điều khiển bởi 1 cảm biến nhiệt độ để bật/tắt thiết bị khi nhiệt độ
phòng đạt đến ngưỡng cao hoặc thấp.


10

Hình 4.2. Mô phỏng vận hành hệ thống điều hóa 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.
So sánh chi phí tổng, kết quả mô phỏng chỉ ra rằng bài toán đề xuất có thể tiết
kiệm 14% chi phí so với phương pháp vận hành truyền thống.
Kết quả mô phỏng vận hành hệ thống nạp xe điện được trình bày trong Hình 7.


11

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.
Kết quả mô phỏng hệ thống bơm nước được trình bày trong Hình 8.