Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo này trình bày giải pháp triển khai hệ thống đo điện năng trong thời gian thực vào hộ gia đình tại Việt Nam. Kết quả triển khai thử nghiệm đã cho thấy có thể phát hiện sự hoạt động của các thiết bị trong nhà thông qua việc giám sát điện năng tiêu thụ. Hơn thế, qua số liệu giám sát trong thời gian thực, người dùng có thể hiểu được số liệu tiêu thụ của họ, gắn chúng với các hoạt động cụ thể hằng ngày, phát hiện sự không hiệu quả trong sử dụng điện.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 124 (2018) 007-012 Đo cơng suất tiêu thụ hộ gia đình thời gian thực: giải pháp tiềm Real time measurement of household power consumption: solution and potential application Nguyễn Đình Luyện1,2, Nguyễn Thị Lan Hương1, Nguyễn Việt Tùng1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Trường Đại học Quy Nhơn, 170 An Dương Vương, Quy Nhơn, Bình Định Đến Tòa soạn: 03-10-2016; chấp nhận đăng: 25-01-2018 Tóm tắt Hiện việc sử dụng hiệu có ý thức điện hộ gia đình đặc biệt quan tâm giới không chiểm tỉ trọng từ 30% đến 40% lượng điện tiêu thụ mà vấn đề nghiên cứu tiềm Bài báo trình bày giải pháp triển khai hệ thống đo điện thời gian thực vào hộ gia đình Việt Nam Kết triển khai thử nghiệm cho thấy phát hoạt động thiết bị nhà thông qua việc giám sát điện tiêu thụ Hơn thế, qua số liệu giám sát thời gian thực, người dùng hiểu số liệu tiêu thụ họ, gắn chúng với hoạt động cụ thể ngày, phát không hiệu sử dụng điện, chứng minh tính khả thi việc triển khai hệ thống đo vào việc xác định thời điểm sử dụng thiết bị điện nhà phát bất hợp lí sử dụng điện từ mở triển vọng tăng hiệu sử dụng điện hộ gia đình Từ khóa: giám sát điện năng, quản lí lượng Abstract Currently the efficient use of households being interested research sujet in the world not only is occupped 30% to 40% of electricity consumption, but also that is the new and potential research topic This article present an household electricity power measurement solution in real time The experiment results are demonstrated that our solution can engage energy consumption with applicances Moreover the user can understand their consumption data, relate it to concrete activities in their life, can discover there are some waste energy and can act in a more sustainable way Keywords: energy monitoring, energy management Mở đầu * dụng gia đình cách trực quan thời gian thực, mở khả sử dụng điện hiệu Việc sử dụng hợp lí điện hộ gia đình đặc biệt quan tâm giới, khơng chiếm tỉ trọng lớn tổng điện tiêu thụ (điển hình chiếm 39% Hoa Kì, 28.8% Châu Âu [1]) mà triển vọng tiết kiệm mà mang lại (khác với sử dụng điện tiết kiệm công nghiệp quan tâm giải từ lâu) Ở Việt Nam chưa có thống kê thức, tỉ trọng lượng tiêu dùng dân cư năm 2009 chiếm 40% (Bảng 1) ý thức sử dụng tiết kiệm, hiệu điện nói chung điện sinh hoạt nói riêng chưa cao Điều xuất phát từ việc khơng hiểu biết hệ thống, thiết bị, chưa có kiến thức làm để sử dụng hiệu điện Nhằm nâng cao nhận thức, trả lời phần cho câu hỏi làm cách để sử dụng tối ưu, cần sửa chữa nâng cấp gì, báo giới thiệu giải pháp đo lượng tiêu thụ hộ dân cư giúp người dân thấy mức điện mà họ sử Bảng Tiêu thụ điện theo ngành khoảng thời gian 2005-2009 ([4]) Stt Danh mục Nông nghiệp Công nghiệp Dịch vụ (Thương mại, khách sạn nhà hàng) Quản lý tiêu dùng dân cư Khác 2005 2006 2007 2008 2009 (%) (%) (%) (%) (%) 1.3 1.1 1.0 1.0 0.9 45.8 47.4 50 50.7 50.6 4.9 4.8 4.8 4.8 4.6 43.9 42.9 40.6 40.1 40.1 4.1 3.8 3.7 3.5 3.7 Mơ hình trình bày báo triển khai thực hộ gia đình cụ thể thành phố Quy Nhơn với thiết bị điện dân dụng phổ biến như: điều hòa, tủ lạnh, quạt, nồi cơm điện, máy giặt Bài báo tổ chức sau: Phần báo trình bày sơ đồ cấu trúc thiết bị đo thông số điện; Phần trình bày khái qt máy tính mini Raspberry Pi cách thức hiển thị thông tin điện cần thiết; Phần IV trình bày đo Địa liên hệ: Tel.: (+84) 904377805 Email: viet-tung.nguyen@hust.edu.vn * Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 124 (2018) 007-012 điện tiêu thụ phụ tải dân dụng điển hình đồ thị phụ tải hộ gia đình 24 giờ; Phần V kết luận Hệ thống đo Nhằm thu thập liệu chi tiết liên quan đến phụ tải quan trọng hộ gia đình, hệ thống đo cơng suất lượng đa điểm xây dựng Để đảm bảo tính linh hoạt vận hành, lắp đặt triển khai, nút kết nối với theo mơ hình RF Mesh kết nối với trung tâm qua gateway (node 0) [2,3,4] (Hình 1) Hình Mạch hoàn thiện nút đo 2.2 Thiết bị Trung tâm Thiết bị trung tâm máy tính nhúng Raspberry Pi chạy hệ điều hành Linux Dữ liệu thu được ghi vào sở liệu phục vụ toán thống kê nhận dạng sau Việc tương tác với người dùng xây dựng qua hai giao diện: giao diện chỗ giao diện từ xa thơng qua trình duyệt web Giao diện chỗ hiển thị hình gắn trực tiếp với cổng video HDMI Raspberry Pi Giao diện giám sát từ xa xây dựng dạng trang web, cho phép người dùng sử dụng trình duyệt web để giám sát Cả hai giao diện hiển thị thời gian thực thông tin: Thứ công suất thực tức thời thiết bị sử dụng (Hình 4a); Thứ hai đồ thị công suất thiết bị khoảng thời gian đo (Hình 4b) Trong trường hợp cơng suất sử dụng vượt ngưỡng quy định có cảnh báo xuất hình Hình Mơ hình đề xuất RF Mesh (4 node) kết hợp với máy tính mini Raspberry Pi 2.1 Thiết bị đo Trong mơ hình Hình 1, nút thiết bị đo có khả thu thập giá trị dòng điện, điện áp, tần số, công suất thực phụ tải cần đo thời gian thực Các thông tin hiển thị chỗ gửi thiết bị trung tâm thông qua kết nối không dây Sơ đồ khối nút đo trình bày Hình mạch hồn thiện nút đo biểu diễn Hình Current sensing Voltage sensing Power sensing ADE 7753 MCU MSP 430F5419 Giao diện chỗ từ xa cho phép người sử dụng biết mức điện sử dụng cao hay thấp, có hợp lí chưa, nguyên nhân tiền điện tăng từ có điều chỉnh phù hợp Comm RF CC1101 Hình Sơ đồ khối nút đo mạng Một nút đo gồm phần (Hình 2): - ADE7753 [6] thiết kế chun dụng để đo dòng, áp cơng suất phụ tải (bao gồm công suất tác dụng, phản kháng biểu kiến) với độ xác cao phù hợp với chuẩn IEC 61063 IEC 1268 - MSP 430F5419 [7] đóng vai trò xử lí trung tâm nút điều khiển trình đo, nhận kết quản lí truyền thơng - RF CC1101 [8] IC truyền thơng khơng dây, có tính tiết kiệm lượng vận hành đa tần IC nối với vi điều khiển giao tiếp SPI (a) (b) Hình Trích đoạn giao diện hiển thị thông tin công suất thiết bị khảo sát: dạng tức thời (a) dạng biểu đồ (b) Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 124 (2018) 007-012 Thử nghiệm khảo sát điện hộ gia đình Nhằm đánh giá hiệu việc sử dụng điện, hệ thống đo đa nút cảm biến triển khai lắp đặt hộ gia đình gồm người (2 người lớn, trẻ em) thành phố Quy Nhơn Việc khảo sát tiến hành giai đoạn: giai đoạn một, khảo sát hoạt động phụ tải điển hình nhà (như máy giặt, tủ lạnh, nồi cơm điện, ấm đun nước) nhằm tìm hiểu đặc trưng loại phụ tải, tăng kiến thức người dùng đặc trưng loại phụ tải; giai đoạn hai, khảo sát tiêu thụ công suất tổng hộ gia đình tuần, nhằm cung cấp thông tin việc sử dụng điện theo ngày theo ngày tuần, làm sở để chủ nhà tự đánh giá hợp lí việc sử dụng điện có ý thức việc sử dụng điện tiết kiệm điện Các thông tin gửi mạch chủ Raspberry Pi để lưu trữ hiển thị lên hình TV a b c d 3.1 Giai đoạn Ở giai đoạn 1, việc khảo sát tiến hành với tần số lấy mẫu lần/giây Kết thử nghiệm giai đoạn trình bày Hình Để đơn giản việc phân tích, trình bày cơng suất tác dụng điện áp đầu vào phụ tải thử nghiệm Trục hoành thời gian thử nghiệm thực tế ngày Hình dạng giá trị điện áp ngồi việc bị chi phối công suất tải khảo sát, bị ảnh hưởng cơng suất tức thời phụ tải khác nhà, điện áp lưới (quyết định cao điểm/thấp điểm) Các loại phụ tải khảo sát bao gồm: tải trở, tải biến thiên theo chu kì máy giặt, tải hoạt động theo kiểu đóng/cắt tủ lạnh, điều hòa e Hình Thử nghiệm đặc tính tải phụ tải thơng dụng hộ gia đình a phụ tải ấm đun nước, b phụ tải nồi cơm điện, c phụ tải máy giặt, d phụ tải tủ lạnh, e phụ tải điều hòa Đề xuất: Để cải thiện hiệu sử dụng điện chuyển từ chế độ vận hành bình nóng lạnh phục vụ bếp liên tục sang chế độ vận hành cần (khi chuẩn bị nấu nướng) Mặt khác phân tích trên, bình nóng lạnh sử dụng đồng thời với ấm đun nước nồi cơm điện kéo theo sụt áp giới hạn cho phép Giải pháp tạm thời cho vấn đề bật bình nóng lạnh trước nấu khoảng thời gian, nấu tắt bình nóng lạnh tập trung điện phục vụ phụ tải nấu nướng khác nồi cơm điện, bếp điện Sau kết thúc nấu, q trình dùng cơm, bình nóng lạnh bật cần để đảm bảo có nước nóng để rửa bát kết thúc bữa ăn Thói quen hộ gia đình Việt Nam ăn xong rữa bát Tải trở với chế độ làm việc tắt/bật khoảng thời gian xác định khảo sát bao gồm: ấm đun nước, nồi cơm điện, bình nóng lạnh Ấm đun nước: phụ tải trở, có cơng suất tương đối lớn (800 W) Hình 5a biểu diễn tường minh thay đổi điện áp ấm hoạt động không hoạt động kéo theo thay đổi điện áp nhà 7V tương ứng với 3% điện áp định mức (220V) Tương tự với phụ tải Nồi cơm điện hoạt động chế độ tải nặng nhẹ Khi chuyển từ có tải 450W khơng tải, điện áp tăng từ 210 V lên 230V tương ứng 2.3% điện áp định mức (Hình 5b) Chủ yếu phụ tải nằm bếp, phục vụ việc nấu nướng hàng ngày, có xác suất sử dụng đồng thời cao, ảnh hưởng lớn đến điện áp chất lượng điện nhà Trong trường hợp có trả tiền điện theo theo cơng suất đỉnh, phối hợp việc sử dụng bình nóng lạnh ấm đun nước để hạn chế việc công suất đỉnh trả tiền điện cao vào giá điện cao Xuất phát từ thực tế ấm đun nước có cơng suất lớn thời gian sử dụng ngắn, nước bình nóng lạnh xem dạng lượng dự trữ, thay đổi thời gian bật nóng lạnh từ lúc cao điểm (giá cao) sang thấp điểm (giá thấp), tạm thời tắt bình nóng lạnh ngắn hạn (khi bật ấm đun nước) để tránh công suất đỉnh Đánh giá: Sụt áp qua khảo sát cho thấy đường dây điện nhà thiết kế chưa đúng, có khả gây sụt áp 10% đặt biệt trường hợp phụ tải sử dụng đồng thời Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 124 (2018) 007-012 Tủ lạnh: vận hành theo chế độ bật/tắt (Hình 5d) Ở chế độ vận hành bình thường, ảnh hưởng phụ tải đến lưới điện nhà khơng đáng kể cơng suất tương đối thấp (nhỏ 100W) Đặc điểm vận hành phụ tải dạng chênh lệch công suất hai chế độ bật tắt 70W Điều chứng tỏ tiêu thụ tập trung chủ yếu vào khung 18h để chuẩn bị bữa tối Vì cần sử dụng bình nóng lạnh, cần lập trình cho bình hoạt động khung 17h trước hiệu Máy giặt: phụ tải có chế độ vận hành rõ ràng (Hình 5c) Chế độ vận hành thông thường máy giặt bao gồm: đến lần Giặt, Xả, Vắt Qua phụ tải điện ta thấy rõ ràng biến động cơng suất tương ứng với pha: khởi động máy cho nước vào, Giặt, Xả Vắt với khoảng nghỉ lần ổn định tương ứng với thời gian xả nước (lượng nước không đổi) Bắt đầu pha đỉnh công suất tương ứng với trình khởi động động Pha cuối pha vắt với đặc trưng dòng khởi động nhỏ, tải liên tục phút Ảnh hưởng phụ tải đến điện áp nhà không rõ công suất máy giặt nhỏ Hình Phân bố theo điện áp trung bình ngày tuần Điều hòa: phụ tải có chế độ hoạt động bật/tắt xen kẽ Chu kì đóng cắt thường ổn định thời gian dài Chu kì hoạt động theo có tính ổn định cao ngày tuần Cơng suất trung bình điều hòa theo ngày có ảnh hưởng thời tiết Cơng suất điều hòa tương đối lớn nên ảnh hưởng tương đối đến điện áp tổng hộ gia đình Chi tiết tình hình sử dụng điện hộ gia đình tập hợp đồ thị Hình Hình a đến hình g phân bố cơng suất ngày từ chủ nhật đến thứ 7; Hình h Phân bố cơng suất trung bình theo ngày tuần Từ đồ thị ta có nhận xét sau 3.2 Giai đoạn Thứ nhất, định tính, đặc trưng thống kê phụ tải theo ngày, cụ thể giá trị trung bình cơng suất sử dụng thời điểm khác ngày, khơng có nhiều thơng tin việc xét riêng đồ thị sử dụng cụ thể Điều giải thích có khơng đồng việc sử dụng thiết bị nhà dẫn đến việc tính tốn thống kê làm mờ dấu ấn thông tin hoạt động phụ tải riêng biệt Trong đồ thị phụ tải riêng biệt theo ngày (Hình 8a đến g) ta dễ dàng xác định thời điểm sử dụng điều hòa ấm đun nước, đồ thị thống kê giá trị trung bình Hình 8h) thơng tin khơng rõ Giai đoạn khảo sát hai khía cạnh điện áp lượng tổng theo thời gian thực Về điện áp, kết khảo sát trình bày Hình 6, Hình 2323 0 0 222323230 1 2222 1 2222 21 225 21 21 21 20 220 20 20 20 215 19 19 19 210 19 18 18 205 18 18 200 17 17 17 17 16 16 16 16 15 15 15 15 14 14 14 14 1413 1010 1313 1010 131212 1212 11111111 Thứ hai, hoạt động tủ lạnh thấy rõ qua việc thay đổi cơng suất có chu kì, đặt biệt đêm số phụ tải giảm chu kì bật tắt tủ lạnh không bị ảnh hưởng yếu tố đóng/mở cửa người sử dụng Thứ ba, điều hòa sử dụng thường xuyên vào khoảng thời gian định vào ban đêm vào buổi trưa Thời điểm thời gian lần sử dụng ấm đun nước thay đổi theo nhu cầu người dùng Hình Phân bố điện áp vào hộ theo ngày tuần Ta thấy điện áp biến thiên nhiều ngày ngày tuần thời điểm ngày Nhìn chung điện áp biến thiên giới hạn cho phép, khung 18h đến 21h biến động Sau vào lúc 18h điện áp sụt nhiều Thứ tư, hoạt động ấm đun nước thấy rõ qua đỉnh nhảy vọt công suất đồ thị 10 Tạp chí Khoa học Công nghệ 124 (2018) 007-012 Thứ năm, hoạt động máy giặt phát qua dấu ấn chu kì vắt cuối Chu kì đặc trưng xung công suất phút công suất mức cao tương ứng với việc khởi động động vắt vắt phút dụng chưa tối ưu điện năng.Qua trao đổi với người dùng rà soát lại phụ tải nhà, phát lượng điện tiêu thụ hệ thống đèn cho trang thờ máy tính để bàn chạy thường trực Từ chủ nhà đồng ý thay hệ thống bóng nhót bóng led tiết kiệm điện đổi chế độ vận hành máy tính để bàn từ liên tục sang bật cần dùng để giảm tiêu hao lượng điện không cần thiết Thứ sáu, hộ tiêu thụ lượng công suất khoảng 200 w, công suất tiêu thụ hộ lớn 200w thời điểm ngày ngày tuần, dấu hiệu việc sử a Chủ nhật b Thứ hai c Thứ d Thứ e Thứ f Thứ g Thứ h Trung bình Hình Phân bố cơng suất tổng hộ gia đình theo theo ngày tuần Hình a đến hình g phân bố công suất ngày từ chủ nhật đến thứ 7; Hình h Phân bố cơng suất trung bình theo ngày tuần 11 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 124 (2018) 007-012 Kết luận bình nóng lạnh điện áp lưới đủ, tránh thời điểm điện áp thấp không dùng đồng thời với phụ tải công suất cao nhà Bài báo giới thiệu hệ thống đo điện thời gian thực toán áp dụng chúng để bước đầu giải việc nâng cao ý thức sử dụng điện hợp lí hiệu sử dụng điện hộ gia đình Bước đầu báo đạt số kết sau: Tài liệu tham khảo Thứ nhất, báo chứng minh khả phát thời điểm sử dụng phụ tải điện thông qua dấu ấn chúng mà cần dùng nút đo tổng Điều đặc biệt có ý nghĩa cho phép cần lắp thiết bị đo tổng thay lắp nhiều thiết bị đo nhánh khác nhà giảm chi phí triển khai ứng dụng Thời điểm sử dụng thiết bị sử dụng thông tin quan trọng việc sử dụng hợp lí hiệu sử dụng điện hộ gia đình Thứ hai, việc triển khai lắp đặt hệ thống giám sát lượng thời gian thực cung cấp thông tin sử dụng điện cho người dùng, nâng cao kiến thức họ việc sử dụng hợp lí, tiết kiệm, cụ thể phát phụ tải hiệu suất thấp, không hiệu tiêu thụ điện cao (như đèn thờ máy tính trường hợp đề cập báo) Trong tương lai, kiến thức báo sử dụng để xây dựng hệ thống cảnh báo giúp người dùng phát hiện tượng bất thường sử dụng điện như: tủ lạnh đóng chưa kín, qn tắt bếp, qn tắt điều hòa Khi triển khai vào thực tế với kiến thức thu từ nhu cầu thực tế thói quen sử dụng mình, người dùng tự (hoặc với giúp đỡ hệ thống trợ giúp) điều chỉnh hành vi sử dụng điện nhằm sử dụng hiệu điện hiệu (ví dụ: lập lịch sử dụng 12 [1] Bertoldi, P., and Atanasiu, B Electricity consumption and efficiency trends in the enlarged european union Tech rep., European Commission, Institute of Environment and Sustainability, 2007 [2] Erol-Kantarci, Melike, and Hussein T Mouftah "Wireless sensor networks for smart grid applications." Electronics, Communications and Photonics Conference (SIECPC), 2011 Saudi International IEEE, 2011 [3] Erol-Kantarci, M H "Pervasive Energy Management for the Smart Grid: Towards a Low Carbon Economy Pervasive Communications Handbook, Eds SIA Shah, M Ilyas, H T Mouftah." (2011) [4] Erol-Kantarci, Melike, and Hussein T Mouftah "The impact of smart grid residential energy management schemes on the carbon footprint of the household electricity consumption." Electric Power and Energy Conference (EPEC), 2010 IEEE IEEE, 2010 [5] Quyết định số 1208/QĐ/TTg ngày 21/07/2011 TTg Chính phủ Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 tầm nhìn 2030 (Tổng sơ đồ VII) [6] Analog Device, ADE7753 http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ADE7753.pdf [7] MSP430f5419 product homepage, Texas Instruments, http://www.ti.com/product/msp430f5419 [8] CC1101 product homepage, Texas Instruments, http://www.ti.com/product/cc1101 datasheet, ... hai giao diện hiển thị thời gian thực thông tin: Thứ công suất thực tức thời thiết bị sử dụng (Hình 4a); Thứ hai đồ thị cơng suất thiết bị khoảng thời gian đo (Hình 4b) Trong trường hợp cơng suất. .. từ liên tục sang bật cần dùng để giảm tiêu hao lượng điện không cần thiết Thứ sáu, hộ tiêu thụ lượng công suất khoảng 200 w, công suất tiêu thụ hộ lớn 200w thời điểm ngày ngày tuần, dấu hiệu việc... tiêu thụ phụ tải dân dụng điển hình đồ thị phụ tải hộ gia đình 24 giờ; Phần V kết luận Hệ thống đo Nhằm thu thập liệu chi tiết liên quan đến phụ tải quan trọng hộ gia đình, hệ thống đo cơng suất