Về ứng dụng Internet kết nối vạn vật và trí tuệ nhân tạo trong Hệ thống Năng lượng 4.0

Về ứng dụng Internet kết nối vạn vật
và trí tuệ nhân tạo trong
Hệ thống Năng lượng 4.0
Viện Năng lượng – Bộ Công Thương

Hà Nội, 11/2017


Cách mạng Công nghiệp 4.0
và Năng lượng 4.0


Các khám phá khoa học và sáng tạo công nghệ dẫn đến các
cuộc cách mạng công nghiệp - ở mức độ nhất định - đều
xuất phát và có tác động đến ngành năng lượng.



Cách mạng công nghiệp 4.0


sự tích hợp cao độ của hệ thống siêu
kết nối số-vật lý với sự đột phá của
Internet vạn vật (IoT) và trí tuệ nhân
tạo (AI), cùng với sự phát triển vượt
bậc của hàng loạt công nghệ như
robot, xe tự hành, in 3D, công nghệ
nano, công nghệ sinh học,vật liệu
mới, máy tính lượng tử, thiết bị lưu
trữ năng lượng, năng lượng tái tạo,
v.v

Cách mạng công nghiệp 4.0 và
Năng lượng 4.0




Năng lượng 4.0:


số hóa ngành năng lượng, hướng đến sản
xuất và tiêu thụ năng lượng thông minh.



sử dụng các thiết bị và hệ thống kết nối
thông minh để sản xuất và tiêu thụ năng
lượng hiệu quả.



có thể được đặc trưng bởi “năng lượng
thông minh” hay là “năng lượng được số
hóa”.

Các thành phần của Cách mạng Năng
lượng 4.0:


Năng lượng mới và năng lượng tái tạo;



Sử dụng năng lượng thông minh hướng tới
hiệu quả và tiết kiệm;



Năng lượng thông minh (IoT, AI, vật liệu
mới, robot,… ), trong đó: Hệ thống
điện/năng lượng thông minh (smart grid);
Hệ thống điện/năng lượng phân tán.


Internet vạn vật (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI)
trong Năng lượng 4.0




IoT:


Internet vạn vật (IoT) “là mạng internet kết nối các phần tử, mỗi phần tử
được trang bị/nhúng các cảm biến”. [Tổ chức Phát triển Tiêu chuẩn SDOs]



Vì hệ thống điện bao gồm số lượng khổng lồ các thiết bị điện tử thông minh

(Intelligent Electronic Devices - IEDs) nên là đối tượng quan tâm đầu tiên
và tự nhiên nhất của Internet vạn vật.

AI:


Trí tuệ mô phỏng trí tuệ con người và được thực hiện bằng hệ phần cứng &
phần mềm.


IoT trong Năng lượng 4.0 –
Mạng và truyền dữ liệu


Vấn đề gán địa chỉ cho các thiết bị:


Nguyên tắc vận hành cơ bản của IoT là
mạng các cảm biến cung cấp dữ liệu cho
các ứng dụng nhằm mang lại các giá trị
mới cho cả hệ thống hoặc cá nhân.



Mỗi cảm biến sẽ được gán cho một địa
chỉ riêng và dữ liệu sẽ được truyền qua
hạ tầng mạng Internet đến các ứng dụng
dựa trên công nghệ đám mây.



Tuy nhiên, nếu có 50 tỉ thiết bị kết nối
trực tiếp đến Internet thì sẽ cần thay
đổi lớn trong cách thức và tiêu chuẩn
gán địa chỉ cho các thiết bị.



Liên quan đến kết nối các thiết bị,
thông qua các dự án lưới điện thông
minh và tự động hóa trạm biến áp trên
thế giới cũng như ở Việt Nam, ngành
năng lượng đã tích lũy nhiều kinh
nghiệm trong công nghệ và giao thức
kết nối.


IoT trong Năng lượng 4.0 –
Mạng và truyền dữ liệu


Các tiêu chuẩn kết nối:


Giao thức Internet (IP):


Hiện nay Ipv4 dựa trên 32 bit, không thể sử dụng cho IoT vì
hầu như không gian địa chỉ của nó đã được sử dụng hết.



Giao thức Internet mới là Ipv6 dựa trên 128 bit, về lý
thuyết có thể đáp ứng nhu cầu kết nối của IoT trong tương
lai gần. Vấn đề nằm ở chỗ các thiết bị điện tử thông minh
IEDs sử dụng cho các hệ điều khiển quá trình, tự động hóa
và bảo vệ,… hầu như không hỗ trợ Ipv6. (không hỗ trợ kết
nối internet, vấn đề an ninh mạng).



Kết nối thiết bị - thiết bị: Tiêu chuẩn IEC 61850 dựa trên mạng
Ethernet được áp dụng rộng rãi cho kết nối thiết bị - thiết bị
trong hệ thống điện. Tiêu chuẩn này đáp ứng cơ bản các yêu cầu
về độ tin cậy và tốc độ truyền tin. Tuy nhiên, thực tế không
tương thích với tất cả các thiết bị của IEC 61850 đặt ra nhiều
thách thức hiện nay cũng như trong tương lai.



Kết nối thiết bị - server:


Cho các ứng dụng SCADA/RTU là các giao thức DNP3, IEC 61870-5-101/104, IEC
61859 và LAN và WAN. Những tiêu chuẩn này không đòi hỏi tốc độ truyền tin
cao như đối với kết nối thiết bị-thiết bị.



Cho các ứng dụng đo lường tự động (AMI) với yêu cầu tốc độ còn thấp hơn thì

nhiều công nghệ kết nối với băng thông thấp hơn như Power Line Carrier (PLC)
hoặc các phương pháp không dây khác nhau


IoT trong Năng lượng 4.0 –
Mạng và truyền dữ liệu


Tiêu chuẩn dữ liệu chuẩn cho các ứng dụng quản
lý:


Chưa được quan tâm xây dựng.



Các ứng dụng lưới điện thông minh mặc dù dùng nền tảng
CIM và IEC 61850 nhưng chủ yếu vẫn dựa trên các chuẩn
tùy ý của các nhà sản xuất.


IoT trong Năng lượng 4.0 –
Vấn đề ngữ nghĩa


Một trong những thách thức lớn của Internet vạn vật IoT là
giải quyết khối lượng dữ liệu lớn cung cấp từ các cảm biến.



Vấn đề ý nghĩa của dữ liệu đặt ra cho các ứng dụng IoT vấn
đề lớn. Ví dụ, dữ liệu đưa lên mạng cần xác định là điện áp
hay nhiệt độ? Nếu là nhiệt độ thì đơn vị là Fahrenheit hay
Celsius?



Ngữ nghĩa của dữ liệu hiện nay đang làm cho một số chuẩn
khá thông dụng như IEC 61850 và CIM không hiệu quả, chủ
yếu là mỗi hãng cấp hàng lý giải dữ liệu theo cách quy định
của riêng mình.


IoT trong Năng lượng 4.0 –
Tính toán đám mây


Lợi ích từ IoT đạt được chủ yếu thông qua các phần mềm
ứng dụng xử lý số liệu từ đó cung cấp các thông tin hữu
ích cho người dùng.



Các phần mềm ứng dụng thường khá đắt và là thách thức
lớn cho các cơ quan và doanh nghiệp khi mua sắm và duy
trì chúng. Tính toán đám mây - một trong những trụ cột
của Internet vạn vật IoT – là công nghệ hứa hẹn giải quyết
thách thức nói trên.



Tính toán đám mây –là mô hình sử dụng để truy cập theo
yêu cầu các tài nguyên tính toán (mạng, các servers, kho
dữ liệu, các phần mềm ứng dụng và các dịch vụ) được chia
sẻ thông qua mạng một cách thuận tiện, sẵn có khắp mọi
nơi [NIST].



Tính toán đám mây cung cấp hai lợi ích: dịch vụ hạ tầng
và nền tảng phần mềm, làm cơ sở đơn giản hóa quá trình
phát triển các hệ thống ứng dụng quy mô lớn.



Nói cách khác, tính toán đám mây dựa trên năng lực các
hệ thống máy tính hiện đại để cung cấp cho các tổ chức
các dịch vụ tinh toán và kho dữ liệu theo yêu cầu. Thông
qua các hệ thống ít hỏng hóc và các trung tâm dữ liệu
phân tán về địa lý, tính toán đám mây đạt được độ tin cậy
cao. Tính toán đám mây cung cấp các mô hình dịch vụ cụ
thể sau: Dịch vụ phần mềm (Software as a Service - SaaS),
Dịch vụ nền tảng (Platform as a Service - PaaS), và Dịch vụ


IoT trong Năng lượng 4.0 –
An ninh mạng


Vấn đề lớn nhất của việc áp dụng Internet vạn vật IoT đối với ngành năng lượng là an ninh mạng.



Các hệ thống ứng dụng như SCADA, DMS, EMS,… của ngành điện chủ yếu vận hành từ xa các thiết bị
truyền tải và phân phối điện nên cần độ tin cậy và an ninh cao.



Mặc dù các nhà cung cấp dịch vụ tính toán đám mây quả quyết rằng họ đảm bảo mức an ninh mạng
đáp ứng các yêu cầu ứng dụng nhưng khi vận hành các phần mềm trên đám mây, các đội IT và an ninh
mạng của ngành điện trở nên phụ thuộc vào bên thứ ba và mất một phần kiểm soát hệ thống của
mình.



Có thể nói, ngành năng lượng có được các lợi ích to lớn từ việc sử dụng tính toán đám mây nhưng
đồng thời tăng rủi ro về đảm bảo an toàn hệ thống. Đó cũng là vấn đề mà Cách mạng công nghiệp 4.0
nói chung và Internet vạn vật IoT nói riêng cần nghiên cứu hoàn thiện trong tương lai.



An ninh mạng (cybersecurity) là vấn đề cơ bản của Internet vạn vật IoT. Theo các chuyên gia về an
ninh mạng, Internet vạn vật IoT có khả năng trở thành thảm họa an ninh, vì tầm nhìn kết nối 50 tỉ
thiết bị vào mạng Internet có thể dẫn đến lo ngại về lan truyền nhanh chóng, quy mô lớn của các cuộc
tấn công virus máy tính hoặc từ chối dịch vụ DDOS (Distributed Denial of Service).



Đối với ngành năng lượng, an ninh mạng ngay từ đầu đã là vấn đề cơ bản của lưới điện thông minh và
nhiều nỗ lực nghiên cứu để xác định yêu cầu an ninh, đặc biệt đưa ra trong Hướng dẫn NIST 7628 về

An ninh mạng cho lưới điện thông minh. Cùng với tiêu chuẩn an ninh mạng NERC CIP, Hướng dẫn này
là những bước đi đầu tiên giải quyết vấn đề an ninh cho Internet vạn vật trong ngành năng lượng.



Tuy nhiên, để đạt được 4 trụ cột an ninh trong Hướng dẫn NIST 7628 – Bảo vệ, An ninh, Riêng tư và An
toàn – đòi hỏi sử dụng mã hóa chất lượng cao. Hiện nay, với các tài nguyên tính toán theo yêu cầu
được phân tán theo địa lý, rủi ro mã hóa bị bẻ gãy vẫn còn khá cao. Đây thực sự là vấn đề lớn của việc
ứng dụng IoT trong ngành năng lượng.


IoT trong Năng lượng 4.0 –
An ninh mạng


Trí tuệ nhân tạo (AI) trong Năng lượng 4.0 –
Khái niệm




AI:


“Trí tuệ nhân tạo là khoa học về các hành vi tương tự con người dùng trí tuệ tự động
hóa”.



Trí tuệ mô phỏng trí tuệ con người và được thực hiện bằng hệ phần cứng & phần mềm.

Các thành phần chính của AI:


Hệ chuyên gia (ES)



Mạng neuron nhân tạo (ANN)



Hệ logic mờ (FLS)



Robotics.


Trí tuệ nhân tạo (AI) trong Năng lượng 4.0 –
Sự cần thiết


Hệ thống điện/năng lượng:


Hệ thống lớn, phức tạp



Khối lượng thông tin lớn phục vụ tính toán, dự báo, huấn luyện



Nhiều công tác vận hành nguy hiểm cho con người



Nhà máy điện và trạm biến áp có tuổi thọ chỉ 30-40 năm, sự cố gây thiệt hại lớn.



Xu thế macrogrid được thay thế bởi microgrid.


Trí tuệ nhân tạo (AI) trong Năng lượng 4.0 –
Hệ chuyên gia


Hệ chuyên gia: Tiếp nhận kiến thức của chuyên gia

trong một lĩnh vực hẹp và chuyển đổi thành cơ sở dữ
liệu thông tin máy tính và xây dựng các luật suy diễn
phục vụ cho người sử dụng sau này.


Trí tuệ nhân tạo (AI) trong Năng lượng 4.0 –
Mạng neuron nhân tạo


ANN:


Mô phỏng chức năng hệ thần kinh người,
chuyển đổi tập dữ liệu đầu vào thành tập đầu
ra nhờ mạng neuron.



Mỗi neuron thực hiện chức năng đơn vị
chuyển đổi.

– Ưu điểm:
• Tính nhanh và ổn định
• Không cần cơ sở dữ liệu
lưu trữ
• Khả năng xử lý tình
huống thiếu dữ liệu và
thông tin

– Nhược điểm:
• Kích thước lớn
• Luôn có kết quả kể cả khi
dữ liệu không phù hợp
• Khó mở rộng (chỉ tập
trung vào một bài toan
cụ thể)


Trí tuệ nhân tạo (AI) trong Năng lượng 4.0 –

Hệ logic mờ (FLS)


FLS:


Lôgic mờ được phát triển từ lý thuyết tập mờ
để thực hiện lập luận một cách xấp xỉ thay vì
lập luận chính xác theo lôgic vị từ cổ điển.
Lôgic mờ có thể được coi là mặt ứng dụng
của lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong
thế giới thực cho các bài toán phức tạp (Klir
1997).



Làm việc tương tự não người.


Trí tuệ nhân tạo (AI) trong Năng lượng 4.0 –
Robot


Trí tuệ nhân tạo (AI) trong Năng lượng 4.0 –
Các ứng dụng


Thay thế nhân công trong các công đoạn nguy hiểm vận hành bảo dưỡng công
trịnh điện



Sửa chữa nóng (đường dây mang điện).


Trí tuệ nhân tạo (AI) trong Năng lượng 4.0 –
Các ứng dụng


Vận hành trong các môi trường độc hại như nhà máy điện
nguyên tử, các phân xưởng chế biến của nhà máy nhiệt
điện, thủy điện.



Tiếp cận đến những vị trí chật hẹp, khắc nghiệt (buồng cáp,
hầm cáp,…)



Hệ chuyên gia, Mạng neuron nhân tạo và Hệ logic mờ giải
quyết các bài toán khó cần chuyên gia kinh nghiệm,…như:


Dự báo nhu cầu điện năng, dự báo thủy văn



Tính toan điều độ và vận hành hệ thống điện



Lên kế hoạch sử dụng năng lượng và hiệu quả



Đánh giá ổn định và tin cậy hệ thống điện,…


Trí tuệ nhân tạo (AI) trong Năng lượng 4.0 –
Thực tiễn Việt Nam




Một số thành phần đã và đang được đưa vào ứng dụng,
như:


Dự báo nhu cầu điện năng (ANN, XPS)



Thiết kế và vận hành hệ thống điện (ANN, FZS)



Sửa chữa nóng (Robot)

Giải pháp:



Tiếp cận ứng dụng rộng rãi, tránh manh mún



Đào tạo nhân lực làm chủ vận hành các hệ thống AI



Tham gia công đoạn hoặc toàn bộ dây chuyền chế tạo các hệ
thống AI sử dụng trong năng lượng.


Thank you!