Nghiên cứu và đánh giá hiệu quả sử dụng đồng hồ đo điện thông minh trong lưới điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-----------------

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG
ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN THÔNG MINH TRONG LƯỚI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ VIỆT TIẾN

Hà Nội – Năm 2014


Luận văn cao học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
SỬ DỤNG ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN THƠNG MINH TRONG LƯỚI ĐIỆN” là
cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ luận văn nào trước đây.
Hà Nội, tháng 3 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Huy

1


Luận văn cao học

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới các tác giả của các cơng trình nghiên cứu,
các tác giả của các tài liệu nghiên cứu mà tơi đã trích dẫn và tham khảo để hồn
thành luận văn này. Đặc biệt tơi vơ cùng cảm ơn TS. Lê Việt Tiến, người đã tận tình
hướng dẫn tơi trong q trình thực hiện luận văn. Và tôi xin chân thành cảm ơn tất
cả các thầy cô đã giảng dạy và giúp đỡ tơi trong q trình học tập vừa qua.

2


Luận văn cao học

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
HTĐ

Hệ thống điện

TBA

Trạm biến áp

NMĐ

Nhà máy điện

NMNĐ

Nhà máy Nhiệt điện

EVN

Tập đoàn Điện lực Việt Nam

TCTĐL

Tổng công ty Điện lực

CTĐL

Công ty Điện lực

A0

Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốc gia

CDMA/3G/GSM

Mạng điện thoại khơng dây

PSTN

Mạng điện thoại có dây

WAN

Hệ thống mạng nội bộ ngành điện

Smart Grid

Lưới điện thông minh

Smart Meter

Đồng hồ đo điện thông minh

AMR

Automatic meter reading/Đọc tự động chỉ số đồng hồ điện

AMI

Advanced metering infrastructure/Cơ sở hạ tầng đo chỉ số
đồng hồ tiên tiến

DSM

Demand side management/Quản lý nhu cầu phụ tải

EUIs

Các chỉ số sử dụng năng lượng

PLC

Power Line Communication/Truyền thông sử dụng đường dây

tải điện

RF

Radio Frequence/Tần số sóng vơ tuyến

HHU

Hand Held Unit /Thiết bị đọc chỉ số cầm tay

3


Luận văn cao học

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1

Bản chào giá lập lịch Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.2

Lệnh điều độ của Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.3

Giá điện năng thị trường ngày 08/4/2013

Bảng 4.4

Số liệu đo đếm Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.5

Cơng suất tính giá SMP của các tổ máy Nhà máy điện Nhơn Trạch
1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.6

Sản lượng điện năng thanh toán theo giá chào của các tổ máy Nhà
máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.7

Sản lượng điện năng thanh toán theo giá chào Nhà máy điện Nhơn
Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.8

Khoản thanh toán sản lượng điện năng thanh toán theo giá chào
Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.9

Sản lượng và khoản thanh toán sản lượng điện năng phát tăng
thêm Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.10

Sản lượng điện năng huy động và sản lượng điện năng phát sai

khác Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.11

Khoản thanh toán sản lượng điện năng phát sai khác Nhà máy điện
Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.12

Sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện năng thị trường các
tổ máy Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.13

Sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện năng thị trường Nhà
máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.14

Khoản thanh toán sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện
năng thị trường Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.15

Tổng hợp điện năng thanh toán theo giá điện năng thị trường Nhà
máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

4

Luận văn cao học

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.

Sơ đồ cấu trúc lưới điện thơng minh

Hình 1.2.

Mơ hình sử dụng đồng hồ đo điện thơng minh tại mợt hợ tiêu thụ
lớn

Hình 1.3.

Cấu trúc biểu giá của đồng hồ đo điện thông minh

Hình 1.4.

Cài đặt đồng hồ thời gian thực và đồng bợ thời gian trong đồng hồ
đo điện thơng minh

Hình 1.5.

Chỉ số chốt đọc từ đồng hồ đo điện thơng minh

Hình 1.6.

Biểu đồ phụ tải đọc từ đồng hồ đo điện thơng minh

Hình 1.7.

Thơng tin bảo mật đồng hồ đo điện thơng minh

Hình 1.8.

Ghi nhận cảnh báo lỗi trong đồng hồ đo điện thơng minh

Hình 1.9.

Cấu hình kết nối thơng tin của đồng hồ đo điện thơng minh

Hình 1.10.

Sơ đồ đấu dây vận hành của đồng hồ đo điện trên lưới

Hình 1.11.

Sơ đồ đấu nối mạch nhị thứ của đồng hồ đo đếm tự dùng 0,4kV đo
đếm gián tiếp

Hình 2.1.

Mơ hình thu thập số liệu đo đếm từ xa qua giao diện RS485

Hình 2.2.

Mơ hình thu thập số liệu đo đếm từ xa qua đường dây tải điện

Hình 2.3.

Mơ hình thu thập số liệu đo đếm từ xa qua sóng vô tuyến

Hình 2.4.

Mơ hình thu thập số liệu đo đếm từ xa bằng các thiết bị cầm tay

Hình 2.5.

Mơ hình thu thập số liệu đo đếm từ xa qua mạng điện thoại

Hình 2.6.

Mơ hình thu thập số liệu đo đếm từ xa qua mạng điện thoại di đợng
và mạng Internet

Hình 2.7.

Mơ hình thu thập số liệu đo đếm từ xa qua giao thức mạng

Hình 2.8.

Mơ hình hệ thống thu thập số liệu của EVN phục vụ thị trường phát
điện cạnh tranh

Hình 2.9.

Mơ hình hệ thống thu thập số liệu của EVN phục vụ điều hành hệ
thống điện tại các TBA 500/220/110kV

5


Luận văn cao học

Hình 2.10.

Mơ hình hệ thống thu thập số liệu của EVN phục vụ điều hành hệ
thống điện tại các TBA 110/35/22kV

Hình 2.11.

Mơ hình hệ thống thu thập số liệu của EVN đối với khách hàng lớn

Hình 2.12.

Mơ hình hệ thống thu thập số liệu của EVN đối với khách hàng
nhỏ, tập trung

Hình 2.13.

Sơ đồ kết nối thơng tin của hệ thống thu thập số liệu đồng hồ đo
điển hình của TBA, nhà máy điện

Hình 4.1.

Sơ đồ kết lưới Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 1

Hình 4.2.

Sơ đồ kết nối hệ thống thu thập số liệu đo đếm Nhà máy Nhiệt điện
Nhơn Trạch 1

Hình 4.3.

Biểu đồ cơng suất tổ máy GT11 Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 1
ngày 08/4/2013

Hình 4.4.

Biểu đồ cơng suất tổ máy GT12 Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 1
ngày 08/4/2013

Hình 4.5.

Quá trình tính sản lượng điện năng thanh toán theo giá chào

Hình 4.6.

Quá trình tính sản lượng điện năng phát sai khác so với sản lượng
huy đợng theo lệnh điều đợ

Hình 4.7.

Quá trình tính sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện năng
thị trường

6

Luận văn cao học

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... 5
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CHUNG ............................................................................ 12
1.1. Lưới điện thông minh ............................................................................................ 12
1.1.1.

Lưới điện thông minh ..................................................................................... 12

1.1.2.

Đặc điểm chung của lưới điện thông minh ..................................................... 14

1.1.3.

Cấu trúc của lưới điện thông minh ................................................................. 16

1.2. Đồng hồ đo điện thông minh ................................................................................. 17
1.2.1.

Tổng quan ....................................................................................................... 18

1.2.2.

Đặc điểm chung của đồng hồ đo điện thông minh ......................................... 20

1.2.2.1. Cấu tạo của đồng hồ đo điện thông minh ................................................. 20
1.2.2.2. Chức năng cơ bản của đồng hồ đo điện thông minh ................................. 20
1.2.2.3. Kết nối, vận hành đồng hồ đo điện thơng minh ........................................ 27
1.2.3.

Lợi ích sử dụng đờng hờ đo điện thông minh ................................................. 29

1.3. Kết luận ................................................................................................................... 29
CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG THU THẬP SỐ LIỆU ĐỒNG HỒ .................................... 30
ĐO ĐIỆN THƠNG MINH ................................................................................................ 30
2.1. Mục đích, ý nghĩa ................................................................................................... 30
2.2. Giải pháp công nghệ thu thập số liệu đồng hồ đo điện thông minh .................. 30
2.2.1.

Giải pháp thu thập số liệu đo đếm từ xa qua giao diện RS485 ....................... 30

2.2.2.

Giải pháp thu thập số liệu đo đếm từ xa qua đường dây tải điện .................... 31

2.2.3.

Giải pháp thu thập số liệu đo đếm từ xa qua sóng vơ tuyến ........................... 32

2.2.4.

Giải pháp thu thập số liệu đo đếm từ xa qua mạng điện thoại có dây hoặc

mạng di động ............................................................................................................... 33
2.2.5.

Giải pháp thu thập số liệu đo đếm từ xa qua giao thức mạng ......................... 35

7


Luận văn cao học

2.3. Đặc điểm của hệ thống thu thập số liệu đồng hồ đo điện thông minh hiện đang
áp dụng trong Tập đoàn Điện lực Việt Nam ............................................................... 35
2.3.1.

Hệ thống đo đếm điện năng và truyền số liệu từ xa phục vụ thị trường phát

điện cạnh tranh ............................................................................................................. 36
2.3.2.

Hệ thống đo đếm điện năng và truyền số liệu từ xa phục vụ điều hành hệ

thống điện của Tập đoàn và các đơn vị........................................................................ 37
2.3.3.

Hệ thống đo đếm điện năng và truyền số liệu phục vụ tính tốn giá bán điện

theo cơ chế thị trường .................................................................................................. 39
2.4. Kết luận ................................................................................................................... 42
CHƯƠNG 3 - TÍNH TỐN THANH TỐN ĐIỆN NĂNG CÁC NHÀ MÁY THAM
GIA THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN CẠNH TRANH ....................................................... 43

3.1. Nguyên tắc tính toán các khoản thanh toán điện năng trong thị trường điện . 43
3.1.1.

Khoản thanh toán cho phần sản lượng được thanh toán theo giá điện năng thị

trường của nhà máy điện trong chu kỳ thanh toán ....................................................... 44
3.1.2.

Khoản thanh toán cho phần sản lượng được thanh toán theo giá chào đối với

nhà máy nhiệt điện có giá chào lớn hơn giá trần thị trường trong chu kỳ thanh toán . 45
3.1.3.

Khoản thanh toán cho sản lượng điện năng phát tăng thêm của nhà máy điện

trong chu kỳ giao dịch ................................................................................................. 46
3.1.4.

Khoản thanh toán cho sản lượng điện năng phát sai khác so với sản lượng huy

động theo lệnh điều độ của nhà máy điện trong chu kỳ giao dịch ............................... 47
3.2. Tính toán sản lượng điện năng phục vụ thanh toán trong thị trường điện ...... 48
3.2.1.

Sản lượng điện năng thanh toán theo giá chào đối với nhà máy nhiệt điện có

giá chào lớn hơn giá trần thị trường............................................................................. 48
3.2.2.

Sản lượng điện năng phát tăng thêm của nhà máy điện trong chu kỳ giao dịch.

........................................................................................................................ 49

3.2.3.

Sản lượng điện năng phát sai khác so với sản lượng huy động theo lệnh điều

độ của nhà máy điện trong chu kỳ giao dịch ............................................................... 51
3.2.4.

Sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện năng thị trường của nhà máy

điện trong chu kỳ giao dịch.......................................................................................... 52
3.3. Kết luận ................................................................................................................... 53

8


Luận văn cao học

CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN THƠNG MINH TRONG TÍNH
TỐN ĐIỆN NĂNG NHÀ MÁY ĐIỆN NHƠN TRẠCH 1 THAM GIA THỊ
TRƯỜNG ĐIỆN................................................................................................................. 54
4.1. Giới thiệu Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 1 .................................................... 54
4.2. Tính toán điện năng thị trường điện Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 1 ........ 58
4.2.1.

Các số liệu đầu vào ......................................................................................... 58

4.2.1.1. Bản chào giá lập lịch ................................................................................. 58
4.2.1.2. Lệnh điều độ ............................................................................................. 59

4.2.1.3. Giá điện năng thị trường ........................................................................... 59
4.2.1.4. Số liệu đo đếm, cơng suất tính tốn sau vận hành .................................... 60
4.2.2.

Tính tốn các khoản thanh tốn điện năng khi tham gia thị trường điện Nhà

máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 1 ..................................................................................... 65
4.2.2.1. Thanh toán sản lượng điện năng theo giá chào khi giá chào lớn hơn giá
trần thị trường .......................................................................................................... 65
4.2.2.2. Thanh toán sản lượng điện năng phát thêm trong chu kỳ giao dịch ......... 70
4.2.2.3. Thanh toán sản lượng điện năng phát sai khác so với sản lượng huy động
theo lệnh điều độ ...................................................................................................... 72
4.2.2.4. Thanh toán sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện năng thị trường ..
.................................................................................................................. 77
4.2.2.5. Tổng hợp sản lượng điện năng thanh toán trong thị trường điện ............. 82
4.3. Kết luận ................................................................................................................... 83
CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ ..................................................................... 84
5.1. Kết luận ................................................................................................................... 84
5.2. Kiến nghị ................................................................................................................. 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 85

9


Luận văn cao học

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Đảm bảo chất lượng điện năng để cung cấp dịch vụ điện với chất lượng ngày
càng cao, liên tục, an toàn và hiệu quả là mối quan tâm thường xuyên và cấp thiết

đối với ngành Điện. Với định hướng phát triển ngành Điện theo hướng đa dạng hóa
sở hữu, hình thành thị trường điện trong nước, trong đó nhà nước giữ độc quyền ở
khâu truyền tải và chi phối khâu sản xuất và phân phối điện, chất lượng cung cấp
điện là yếu tố quyết định hàng đầu đối với các Công ty Điện lực khi tham gia vào
thị trường bán buôn điện cạnh tranh.
Với sự phát triển của khoa học công nghệ trong thời gian gần đây, đặc biệt là
các tiến bộ trong việc ứng dụng các thiết bị điện tử đã mang lại rất nhiều sự thuận
tiện trong công nghệ cũng như các lợi ích về kinh tế. Nhưng song song với các ưu
điểm đó thì các tiến bộ cơng nghệ trên cũng có những tác động khơng nhỏ đến việc
đảm bảo cung cấp điện an toàn & tin cậy, địi hỏi phải nghiên cứu tìm hiểu và khắc
phục những ảnh hưởng đó.
Do đó việc đánh giá ảnh hưởng sử dụng đồng hồ đo điện thông minh, một
thiết bị điện tử thông minh trong vận hành hệ thống điện là vấn đề cần được quan
tâm nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về đồng hồ đo điện thông minh, lưới điện thông minh.
- Nghiên cứu cách thức kết nối giữa các đồng hồ đo điện thông minh góp phần
xây dựng hệ thống điện thơng minh.
- Nghiên cứu cách thức tính tốn điện năng nhà máy tham gia thị trường điện,
áp dụng đồng hồ đo điện thông minh trong tính tốn.
3. Đới tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đồng hồ đo điện thông minh, hệ thống thu thập số liệu đo đếm.
- Áp dụng đồng hồ đo điện thơng minh trong tính tốn, thanh tốn điện năng
Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 tham gia thị trường điện.

10


Luận văn cao học

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu tổng quan về lưới điện thơng minh, đờng hờ đo điện thơng minh,
lợi ích đem lại của việc sử dụng đồng hồ đo điện thông minh trong lưới điện.
Nghiên cứu cách thức kết nối giữa các đồng hồ đo điện thông minh để tạo nên
mạng lưới thu thập số liệu tại chỗ và từ xa góp phần xây dựng mạng lưới điện thơng
minh.
Nghiên cứu cách thức tính tốn, thanh tốn điện năng thị trường điện, ứng
dụng đờng hờ đo điện thong minh trong thanh tốn điện năng nhà máy điện tham
gia thị trường điện.
Đề xuất hướng nghiên cứu sử dụng đồng hồ đo điện thông minh trong vận
hành hệ thống điện, cải thiện chất lượng điện.
5. Tên và bớ cục đề tài
Căn cứ mục đích nghiên cứu, đề tài được đặt tên như sau:
“NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN
THÔNG MINH TRONG LƯỚI ĐIỆN”
Bố cục đề tài chia làm 5 chương như sau:
 Chương 1:

Tổng quan chung

 Chương 2:

Hệ thống thu thập số liệu đồng hồ đo điện thông minh

 Chương 3:

Tính tốn thanh tốn điện năng các nhà máy tham gia thị

trường phát điện cạnh tranh
 Chương 4:

Ứng dụng đờng hờ đo điện thơng minh trong tính tốn điện

năng nhà máy điện Nhơn Trạch 1 tham gia thị trường điện
 Chương 5:

Kết luận và kiến nghị

11


Luận văn cao học

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CHUNG
Như chúng ta đã biết, hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp,
các đường dây truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thành hệ thống làm
nhiệm vụ sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng. Nhà máy điện là xí
nghiệp cơng nghiệp có nhiệm vụ sản xuất ra điện năng để cung cấp cho các hộ tiêu
thụ điện thông qua đường dây tải điện và các trạm biến áp. Điện năng do nhà máy
điện phát ra được truyền tải theo đường dây trên không hay dây cáp của mạng điện
với những chiều dài khác nhau, điện áp khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách từ nhà
máy đến hộ tiêu thụ. Các trạm biến áp có nhiệm vụ tăng áp để tải điện đi xa và giảm
áp để cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ.
Ngày nay HTĐ phát triển không ngừng trong không gian và thời gian để đáp
ứng nhu cầu ngày càng tăng của phụ tải. Tùy theo mục đích nghiên cứu, HTĐ được
phân chia thành các phần hệ thống tương đối độc lập nhau.
1.1. Lưới điện thông minh (Smart Grid)
1.1.1. Lưới điện thông minh
Lưới điện xoay chiều đang sử dụng trên thế giới hiện nay ra đời năm 1896,
một phần dựa trên thiết kế của Nikola Tesla đã được công bố từ năm 1888. Nhiều ý

tưởng thiết kế ngày nay vẫn sử dụng dựa trên những cơng nghệ cịn giới hạn cách
đây hơn 120 năm. Nhiều giả định và đặc điểm lỡi thời của lưới điện (ví dụ như
ng̀n điện tập trung, truyền tải điện, phân phối điện theo một hướng và điều khiển
theo phụ tải) thể hiện quan điểm từ thế kỷ 19 về những gì có thể thực hiện được.
Điều này một phần là do các công ty điện lực cảm thấy ngần ngại không muốn sử
dụng các công nghệ chưa được thử thách cho một cơ sở hạ tầng tối quan trọng mà
họ có trách nhiệm phải duy trì.
Lưới điện của thế kỷ 20 ban đầu được xây dựng ở dạng lưới điện địa phương,
nhưng rồi theo thời gian, chúng được liên kết với nhau vì như vậy có lợi hơn về
kinh tế và độ tin cậy. Một trong những hệ thống điện lớn nhất từ trước tới nay đã
được xây dựng là lưới điện liên kết, đã chín m̀i của cuối những năm 1960 được
thiết kế nhằm “phân chia và phân phối” sản lượng lớn điện năng, từ một số tương

12


Luận văn cao học

đối nhỏ “nhà máy điện trung tâm” tới các trung tâm phụ tải lớn, và từ đó đến một số
lượng lớn các hộ tiêu thụ cá nhân lớn và nhỏ. Bản chất của công nghệ phát điện
trong 75 năm đầu của thế kỷ 20 là càng lớn thì hiệu suất càng cao và phụ thuộc vào
địa điểm (nhà máy thủy điện gần các đập nước lớn, các nhà máy nhiệt điện than, khí
đốt, dầu gần ng̀n nhiên liệu, nhà máy điện hạt nhân gần nơi có ng̀n nước làm
mát), và do nhiều lý do khác nhau, tất cả các nhà máy điện này phải đặt xa các trung
tâm dân cư trong điều kiện đảm bảo tính kinh tế của nhà máy. Vì ngành điện tiếp
tục sản xuất ngày càng nhiều điện năng với giá cả hợp lý cho một lượng khách hàng
ngày càng tăng nên vào cuối những năm 1960, đường dây điện đã vươn tới hầu như
mọi gia đình, mọi doanh nghiệp ở các nước phát triển. Tuy nhiên, năng lực thu thập
và xử lý dữ liệu thời đó chỉ đạt tới trình độ các số liệu thống kê, lấy bình qn nên
việc truyền các tín hiệu về giá, về cung và cầu qua hệ thống là rất hạn chế. Đồng

thời, quan ngại về môi trường ngày một tăng kết hợp với sự phụ thuộc chính trị xã
hội vào điện khí hóa ngày càng cao đã gây trở ngại cho việc phát triển theo qui mô.
Cuối thế kỷ 20, giá thành điện năng tại các khu vực đơ thị lớn leo thang đến mức
khó chấp nhận. Các công nghệ tương tự như thời những người sáng lập ra ngành
điện cách đây một thế kỷ giờ đây khơng cịn phù hợp với nền kinh tế dựa trên thông
tin và dịch vụ.
Trong 50 năm qua, lưới điện không còn theo kịp với các thách thức mới như:
 An ninh năng lượng, từ phía người cung cấp năng lượng hoặc do tấn công
mạng.
 Nhiều nước đưa ra các chỉ tiêu sử dụng các nguồn điện phân tán khiến cho
việc duy trì điện ổn định trở nên phức tạp hơn đáng kể.
 Để đạt mục tiêu cân bằng năng lượng, cần giảm phụ tải đỉnh ban ngày,
giảm tổn thất năng lượng, đảm bảo mức dự phịng ng̀n hợp lý.
 u cầu cao về nguồn điện phân tán.
 Dụng cụ điện điều khiển bằng số có thể thay đổi bản chất của phụ tải điện
(cho phép công ty điện tắt thiết bị điện trong nhà bạn nếu họ thấy phù hợp), kết quả
là nhu cầu điện khơng cịn tương thích với hệ thống điện vốn được xây dựng để

13


Luận văn cao học

phục vụ “nền kinh tế analog”. Một ví dụ: Chương trình vơ tuyến được nhiều người
ưa thích có thể gây tăng đột ngột phụ tải bởi vì các máy vô tuyến được bật lên gần
như cùng lúc. Gia tăng sử dụng những thiết bị như vậy mà khơng có sự điều phối
của lưới điện thơng minh, sẽ dẫn đến các vấn đề về độ tin cậy cung cấp điện, giảm
chất lượng điện, mất điện, và cắt điện luân phiên.
Mặc dầu các luận điểm về lưới điện thông minh có xu hướng ngày một trở nên
quen thuộc hơn, thế nhưng tầm quan trọng của chúng cũng là vấn đề cịn phải bàn.

Trong khi đó, các tiến bộ về tự động hóa, truyền dữ liệu, và ng̀n điện phân
bố bắt đầu tỏ ra phù hợp để hỗ trợ ý tưởng về lưới điện thơng minh, có thể đáp ứng
nhu cầu của người cung cấp và hộ tiêu thụ trong một rải rộng các tình huống, năng
lực lớn hơn trong việc tiên liệu và đáp ứng các điều kiện vận hành thay đổi, và hiệu
quả kinh tế cao hơn.
1.1.2. Đặc điểm chung của lưới điện thông minh
Thuật ngữ lưới điện thơng minh được sử dụng ít nhất là từ năm 2005, khi mà
bài viết “Tiến tới lưới điện thông minh” của các tác giả S. Masoud Amin và Bruce
F. Wollengerg đăng trên tạp chí IEEE P&E số tháng 9/tháng 10. Rất nhiều định
nghĩa đã được đưa ra, một số dựa vào góc độ chức năng, một số dựa vào cơng nghệ
hoặc lợi ích. Yếu tố chung cho phần lớn các định nghĩa là ứng dụng xử lý và truyền
thông số vào lưới điện, khiến cho việc quản lý dòng dữ liệu và truyền thông trở
thành trung tâm của lưới điện thơng minh. Sử dụng tích hợp sâu cơng nghệ số vào
lưới điện đem lại nhiều khả năng khác nhau và việc tích hợp các dịng thơng tin mới
về lưới điện vào qui trình xử lý và các hệ thống của lưới điện là một trong những
vấn đề then chốt trong thiết kế lưới điện thông minh.
Lưới điện thông minh là một giải pháp nhằm tối ưu hóa chất lượng, hiệu suất
truyền tải và phân phối của lưới điện hiện tại, đồng thời ưu tiên hỗ trợ khai thác các
nguồn điện thay thế. Lưới điện thông minh dựa trên các ứng dụng công nghệ thông
tin tiên tiến cho phép sử dụng 2 đường truyền tải và điều phối thông tin thời gian
thực giữa các nhà máy phát điện, nguồn phân phối và nhu cầu của các thiết bị đầu
cuối. Giải pháp này được đưa ra nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng bức thiết về

14


Luận văn cao học

việc phân phối điện năng, quản lý/giám sát điện năng tiêu thụ, cũng như mong
muốn sử dụng hiệu quả năng lượng trên tồn cầu.

Một lưới điện thơng minh bao gờm việc hiện đại hóa truyền tải và phân phối
lưới điện. Về truyền tải, hệ thống hiện đại hóa hạ tầng, tạo mơi trường cạnh tranh
thuận lợi cho các nhà cung cấp, cho phép sử dụng nhiều hơn các nguồn năng lượng
thay thế, năng lượng sạch, thiết lập khả năng tự động hóa và giám sát cần thiết cho
sự truyền dẫn trên khu vực rộng lớn và ưu tiên sử dụng các nguồn lực lượng cho
việc bảo tồn năng lượng. Về phân phối, hệ thống lưới điện thông minh tích hợp
nhiều tính năng hữu ích cho người tiêu dùng chẳng hạn như đồng hồ thông minh
phục vụ cho quản lý hiệu quả năng lượng, cho phép các nhà cung cấp tối ưu hóa
việc phân phối, đặc biệt trong thời gian cao điểm.
Lưới điện thông minh sử dụng nhiều ứng dụng công nghệ khác nhau nhưng
chủ yếu là các ứng dụng sau: Hệ thống truyền thơng tích hợp cho phép thu thập
thơng tin, kiểm sốt và trao đổi dữ liệu theo thời gian thực để tối ưu hóa độ tin cậy
của hệ thống, sử dụng tài sản, và an ninh. Hệ thống cảm biến và đo lường là hệ
thống quan trọng tích hợp nhiều cơng nghệ điều khiển có nhiệm vụ giám sát và
đánh giá sự ổn định của lưới điện, phịng chống trộm cắp năng lượng bao gờm
nhiều công nghệ tiên tiến: hệ thống giám sát diện rộng, hệ thống cảm biến phân
phối thông minh kết hợp với hệ thống đánh giá nhiệt theo thời gian thực, công nghệ
đo thời gian sử dụng và tính hóa đơn tự động, các thiết bị điện và đường dây hiện
đại, công nghệ theo dõi và lập lịch biểu, kiểm soát các phụ tải như máy nạp điện
cho xe chạy điện, mạng hộ gia đình. Quan trọng nhất là đờng hờ đo điện thông minh
kết nối thông tin dữ liệu giữa các nhà máy điện và thiết bị điện thông minh và bộ
cảm biến tốc độ cao Phasor – quản lý phân phối điện, giám sát chất lượng điện, tự
động xử lý khi có sự cố xảy ra trên mạng lưới.

15


Luận văn cao học

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc lưới điện thơng minh

[theo tạp chí IEEE P&E số tháng 10/2005]

Lưới điện thơng minh đã thể hiện được tính ưu việt của nó với rất nhiều lợi ích
như: Tạo điều kiện tốt hơn cho việc nối lưới và vận hành các nguồn điện thuộc mọi
công suất và công nghệ; cho phép hộ tiêu thụ có vai trị trong việc tối ưu hóa vận
hành lưới điện; cung cấp cho hộ tiêu thụ nhiều thông tin và nhiều phương án hơn về
lựa chọn người cung cấp điện; giảm đáng kể tác động của tồn hệ thống cung cấp
điện đối với mơi trường; duy trì hoặc thậm chí nâng cao hơn nữa độ tin cậy hiện có
của hệ thống, chất lượng và an ninh cung cấp điện; công cụ cơ bản của vận hành thị
trường điện rộng rãi.
1.1.3. Cấu trúc của lưới điện thông minh
Cho đến hiện nay, chưa một ai hoặc một tổ chức nào khẳng định chắc chắn về
các công nghệ sẽ được sử dụng trong lưới điện thông minh của tương lai. Tuy
nhiên, chúng ta có thể chỉ ra được các đặc tính chính của lưới điện thơng minh sẽ
bao gờm:
 Khả năng tự động khôi phục cung cấp điện khi có sự cố xảy ra mất điện đối
với khách hàng.
 Chống được sự tấn công cố ý đối với hệ thống cả về mặt vật lý và mạng
máy tính.

16


Luận văn cao học

 Trợ giúp sự phát triển các nguồn điện phân tán (phát điện, dự trữ năng
lượng, cắt giảm nhu cầu…)
 Trợ giúp sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo.
 Cung cấp khả năng nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp
điện.

 Tối ưu hóa vận hành HTĐ để giảm chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối
kể cả giảm chi phí đầu tư mới và nâng cấp hệ thống điện.
 Công cụ cơ bản của vận hành thị trường điện rộng rãi.
Về cơ bản, hệ thống điện thông minh bao gồm hệ thống truyền tải, cung cấp
điện năng hiện tại nhưng được áp dụng công nghệ thông tin và truyền thơng, số hóa
dữ liệu và áp dụng các cơng nghệ hiện đại vào việc điều khiển, kiểm tra, giám sát.
Nhằm đảm bảo an toàn, ổn định và nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống điện.
Từ mơ hình ta thấy rằng hệ thống điện thông minh gồm:
 Hệ thống điện có sẵn:
o Cơ sơ hạ tầng (nhà máy điện, trạm biến áp, trạm điều khiển ...)
o Hệ thống truyền tải (đường dây dẫn, cột điện, rơle bảo vệ, máy biến
áp ...)
o Các hộ tiêu thụ điện (hộ gia đình, nhà máy, cơ quan ...)
 Hệ thống điều khiển lấy công nghệ thông tin làm trung tâm: gồm cơ sở dữ
liệu được số hóa, các thành phần trong hệ thống được liên kết với nhau chặt
chẽ thành một thể thống nhất có thể vận hành ổn định, tự khắc phục khi có
sự cố xảy ra.
1.2. Đồng hồ đo điện thơng minh (Smart Meter)
Công nghệ lưới điện thông minh khởi đầu khá sớm với các ý tưởng về điều
khiển, đo lường và theo dõi bằng điện tử. Trong thập niên 1980, công nghệ đọc tự
động chỉ số đồng hồ điện (AMR) được sử dụng để theo dõi phụ tải các hộ tiêu thụ
lớn. Tới những năm 1990, công nghệ này phát triển thành cơ sở hạ tầng đo chỉ số
đồng hồ tiên tiến (AMI), theo đó đờng hờ đo điện có thể lưu trữ dữ liệu về tiêu thụ
điện năng tại các thời điểm khác nhau trong ngày. Đồng hồ thông minh có thêm khả

17


Luận văn cao học

năng truyền thơng nhờ đó cho phép theo dõi theo thời gian thực, và từ đó mở đường
tới các thiết bị nhận thức được nhu cầu và “ổ điện thơng minh” trong hộ gia đình.
Dạng ban đầu của các công nghệ quản lý phụ tải (DSM) là các thiết bị nhận thức
nhu cầu động, có khả năng cảm nhận thụ động phụ tải lưới điện bằng cách theo dõi
các thay đổi về tần số nguồn điện. Các thiết bị như máy điều hòa nhiệt độ, máy lạnh
và máy sưởi dùng trong công nghiệp và trong các hộ gia đình tự chúng điều chỉnh
chu kỳ làm việc để tránh kích hoạt vào thời điểm lưới điện ở tình trạng phụ tải đỉnh.
1.2.1. Tổng quan
Đồng hồ đo và chỉ số đo là một lĩnh vực rất phát triển đối với nhiều ngành
phục vụ công cộng nhưng hầu hết là với các hệ thống đo cũ. Các hệ thống cũ luôn
cố định ngay cả khi dữ liệu được thu thập bao nhiêu lần, bị giới hạn về số thiết bị có
thể giám sát và chỉ cung cấp sự liên lạc một chiều. Ví dụ, những chiếc đờng hờ đo
cũ có thể cung cấp thông tin về lượng điện đã được sử dụng bao nhiêu nhưng khơng
thể nói cho bạn biết khi nào nó được tiêu thụ. Những chiếc đờng hờ đo thông minh
thu thập dữ liệu trong thời gian thực hay gần thời gian thực, có thể cung cấp khơng
chỉ dữ liệu sử dụng mà cịn cung cấp cả thơng tin về sự thiếu điện, hỏng hóc và chất
lượng… Chúng cũng có thể có trí thơng minh để phản ứng với u cầu, những liên
lạc chính giữa “tịa nhà” và lưới điện giúp “tịa nhà” có thể phản ứng lại với những
mức giá tiêu thụ năng lượng khác nhau dựa vào các khoảng thời gian trong ngày và
trong mùa.
Nhìn nhận dưới góc độ một “tịa nhà” có hai loại đờng hồ đo điện: Một loại sử
dụng để giám sát và đo điện cho tồn bộ tịa nhà. Một loại là những chiếc đồng hồ
con, được sử dụng để đo mức sử dụng của những không gian cụ thể, các hộ thuê
nhà hay các mạch điện, chủ yếu được phân bổ hay hỡ trợ việc tính giá cơng suất
điện cho những ai sử dụng nó.

18


Luận văn cao học

Hình 1.2. Mơ hình sử dụng đồng hồ đo điện thông minh tại một hộ tiêu thụ lớn
Đồng hồ tổng và các đồng hồ con cho phép khách hàng có thể thực hiện
những thay đổi trong hoạt động của mình để giảm sự tiêu thụ năng lượng. Ví dụ,
nếu dữ liệu được cung cấp bởi một đờng hồ tổng chỉ cho biết một tải điện lớn đang
tồn tại khi một tịa nhà đang bị bỏ khơng thì có thể có thiết bị đang chạy và cần
được ngắt. Dữ liệu này cũng có thể chỉ cho thấy việc thay đổi các danh mục thiết bị
nào đó sẽ làm giảm chi phí từ các cơng ty bằng việc giảm nhu cầu sử dụng điện
trong suốt thời gian cao điểm. Các chỉ số sử dụng năng lượng (EUIs), như kWh
được sử dụng trên mỡi phút vng (kWh/SF) có thể được so sánh giữa các tòa nhà
tương tự nhau để xác định xem nếu một toà nhà đang sử dụng nhiều năng lượng hơn
mức bình thường. EUIs cũng có thể được so sánh với dữ liệu trước đó để biết được
khi nào việc sử dụng năng lượng của một tòa nhà tăng lên. Do hiệu suất thiết bị có
xu hướng giảm dần theo thời gian nên những theo dõi về việc sử dụng năng lượng
có thể cho thấy khi nào thiết bị cần được bảo hành hay thay thế. Ứng dụng phần
mềm quản lý sẽ chuyển dữ liệu đo được thành thông tin để cung cấp dữ liệu xu

19


Luận văn cao học

hướng, các khả năng hỡ trợ tính giá xác định các ng̀n phí u cầu cao các vấn đề
chất lượng công suất. Các doanh nghiệp như Triacta sẽ đọc các số đo từ xa và cung
cấp cho những người chủ nhà hay trang bị cho các nhà quản lý sự truy nhập trên
nền web vào những công cụ theo dõi chi phí năng lượng và dữ liệu liên quan do vậy
loại bỏ được nhu cầu bảo trì phần cứng và phần mềm.
Có thể coi hệ thống điện thơng minh gờm có hai lớp: lớp 1 là hệ thống điện
thơng thường và bên trên nó là lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường.
Tại lớp thứ 2 này đồng hồ đo điện thông minh là thành phần quan trọng nhất với

những kết nối truyền thơng góp phần tạo nên một lưới điện thông minh.
1.2.2. Đặc điểm chung của đồng hồ đo điện thông minh
1.2.2.1.

Cấu tạo của đồng hồ đo điện thơng minh

Cấu hình của đồng hồ đo điện thông minh: theo dạng module cho phép thay
đổi cũng như nâng cấp một cách dễ dàng và đơn giản.
 Đầu vào số (DI/ Digital input): được sử dụng theo dõi trạng thái hoạt động
của một công tắc điện hoặc như một bộ đếm xung.
 Đầu vào tương tự (AI/ Analog input): chuyển đổi bất kỳ tín hiệu tương tự
tiêu chuẩn thành một tín hiệu số và truyền đến trung tâm điều khiển. Các
tín hiệu khơng điện như: nhiệt độ, áp suất hoặc tốc độ dòng chảy là một vài
ví dụ ứng dụng tương thích với tính năng này.
 Nguồn cấp cho module đầu vào số (Power supply for DI)
 Rơle đầu ra (RO/ Relay output): được sử dụng để kiểm soát chuyển mạch
điện áp hoặc cảnh báo vượt quá giới hạn.
 Đầu ra số (DO/Digital output): được sử dụng để cảnh báo quá giới hạn
hoặc một cung năng lượng ở đầu ra.
1.2.2.2.

Chức năng cơ bản của đồng hồ đo điện thông minh

Đồng hồ đo điện thông minh được cấu tạo bởi các
module độc lập cho phép người sử dụng tùy theo nhu
cầu thực tế mà phát triển, cài đặt sử dụng. Tuy nhiên
đối với một đồng hồ đo điện thông minh, mặc định của

20

Luận văn cao học

nhà sản xuất cũng như nhu cầu thực tế tại Việt Nam đang sử dụng những chức năng
chính sau:
 Đo lường các đại lượng điện cơ bản:
o Giá trị điện áp pha, điện áp dây, điện áp trung bình;
o Dịng điện pha, dịng điện trung bình;
o Góc lệch pha; Góc lệch pha trung bình;
o Cơng suất tác dụng tức thời, công suất phản kháng tức thời;
o Tần số.
 Các bộ ghi điện năng tổng:
o Điện năng tác dụng tổng theo chiều giao và nhận;
o Điện năng phản kháng của các góc phần tư.
 Các bộ ghi cơng suất:
o Công suất tác dụng tổng theo hai chiều giao và nhận;
o Cơng suất phản kháng của các góc phần tư.
 Các bộ ghi điện năng theo thời gian sử dụng (bộ ghi biểu giá): Có các
thanh ghi điện năng theo thời gian sử dụng được định nghĩa theo nhu cầu
của người sử dụng.
 Các bộ ghi công suất tác dụng cực đại theo thời gian sử dụng: Có các thanh
ghi công suất tác dụng cực đại được định nghĩa theo nhu cầu của người sử
dụng.
 Biểu giá theo thời gian trong ngày: Có khả năng lập trình được biểu giá
thời gian trong ngày, theo mùa, ngày chuyển mùa, ngày đặc biệt. Thời gian
bắt đầu và kết thúc của mỗi biểu giá được ấn định bằng giờ, phút bất kỳ
trong ngày.

21

Luận văn cao học

Hình 1.3. Cấu trúc biểu giá của đồng hồ đo điện thông minh
 Biểu giá thay thế: Có khả năng thay thế biểu giá cũ bằng biểu giá mới tại
một thời điểm trong tương lai được lập trình bởi người sử dụng (trong thời
gian chờ biểu giá mới được kích hoạt, biểu giá cũ vẫn có hiệu lực).
 Khoảng thời gian tích phân: Có thể lập trình được khoảng thời gian tích
phân.
 Đờng hờ thời gian thực: Đồng hồ thời gian thực trong đồng hồ đo điện
được cấp ng̀n ni bằng pin dự phịng.

Hình 1.4. Cài đặt đồng hồ thời gian thực và đồng bộ thời gian trong đồng hồ đo
điện thông minh
22


Luận văn cao học

 Chỉ số chốt và lưu trữ số liệu hóa đơn:

Hình 1.5. Chỉ số chốt đọc từ đồng hồ đo điện thông minh
o Đồng hồ thông minh có khả năng tự động chốt chỉ số vào cuối mỡi
chu kỳ tính hóa đơn và được lập trình bởi người sử dụng;
o Lưu trữ được số liệu của các hóa đơn gần nhất;
o Hóa đơn ghi được các số liệu: Thời điểm bắt đầu và kết thúc chu kỳ
tính hóa đơn; Điện năng tác dụng theo hai chiều giao nhận; Điện năng
phản kháng của các góc phần tư; Điện năng của từng biểu giá theo hai
chiều giao nhận; Công suất tác dụng cực đại của từng biểu giá và thời
điểm xảy ra tương ứng của từng giá trị theo hai chiều giao nhận.

 Có khả năng lưu trữ biểu đờ phụ tải, nhu cầu phụ tải tính tốn dựa theo chu
kỳ tích phân cơng suất theo thời gian.

23


Luận văn cao học

Hình 1.6. Biểu đồ phụ tải đọc từ đồng hồ đo điện thông minh
 Thông tin bảo mật: Đồng hồ thông minh ghi được sự kiện lập trình thay đổi
thơng số, cấu hình đờng hờ, thời điểm xảy ra sự kiện: Số lần lập trình và
thời gian lập trình lần cuối, số lần thiết lập reset giá trị thanh ghi điện năng,
công suất cực đại và thời điểm reset, sự kiện về thay đổi thời gian của đồng
hồ và thời điểm thay đổi.

24