Kiến trúc hệ thống đo lường và điều khiển trong việc quản lý hộ tiêu thụ điện

Kiến trúc hệ thống đo lường và điều khiển trong việc quản lý hộ tiêu thụ điện

KIẾN TRÚC HỆ THỐNG ĐO

LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG

VIỆC QUẢN LÝ HỘ TIÊU THỤ

ĐIỆN

Trích dẫn: Một kiến trúc hệ thống nhiều tầng (cluster) được áp dụng cho việc thực

hiện các chiến lược điều chỉnh đồ thị phụ tải trong quản lý ‎ hộ tiêu thụ điện được

trình bày trong bài viết này Việc điểu chỉnh giá điện, cộng với giá điện theo thời gian,

được áp dụng cho các khách hàng sử dụng điện áp thấp kích thích dịch chuyển tải của

họ theo mục tiêu của các chiến lược sơ đồ phụ tải Hệ thống có một cấu trúc đa cấp

nhiều tầng (cluster) Mỗi cấp của kiến trúc phản ánh triết ly ‎ của một phương án phân

tán hoàn toàn trong đó tất cả các thiết bị có cùng năng lực xử l ‎ý giống nhau Truyền

thông trên đường dây điện (Power line carrier) được sử dụng cho việc trao đổi dữ liệu

trên mạng lưới lưới điện phân phối hạ thế Nhiều phương án điều chế được thảo luận

và kết quả chính của việc thực hiện dồn kênh điều chế tần số trực giao OFDM cũng

như điều chế dời tần FSK trong thông tin trên đường dây điện được trình bày

Các từ khóa: tự động hóa đọc công tơ, quảy ly hộ tiêu thụ, điều khiển tải, đo lường,

mobile agent, truyền thông trên đường điện, hệ thống điện, cảm biến thông minh

(web)

I Giới thiệu

Trong những năm gần đây, nhiều hoạt động xã hội quan trọng đang ngày càng trở

nên phụ thuộc vào nguồn cung cấp Vì vậy một nguồn cung cấp năng lương chất

lượng cao và tin cậy thường được yêu cầu Việc cân bằng giữa sản suất và tiêu thụ

điện là 1 điểm thiết yếu cho việc giữ ổn định hoạt động của các nhà máy điện, bởi

vì trong thời điểm hiện tại việc tích trữ năng lượng vẫn là 1 vần đề nhiều thách

thức

Việc xuất hiện của thị trường điện tự do cho phép các nhà phần phối cấp nguồn

nhiều tự do hơn trong việc ấn định các phương án giá điện, mà vẫn tuân theo một

số điều luật quy định cũng như các khoản lợi nhuận cho phép Các công ty phân

phối hiện nay đi theo xu hướng lợi nhuận và rất ưa chuộng trong việc phát triển

các chiến thuật thị trường thích hợp áp dụng cho công thức tính giá điện Điều

khiển hộ tiêu thụ được xem xét chính trên khía cạnh thực hiện các tác động của

các nhà cung cấp nguồn điện làm kích thích các người dùng điện tự làm thích hợp

yêu cầu của họ với khả năng nguồn cung cấp: còn được goi là Chiến lược điều

khiển tải phía hộ tiêu thụ

(spot pricing) xuất hiện vào khoảng năm 1980 [1] Để có thể thu thập các thông tin

cần thiết cho việc áp dụng mức giá linh động, các hộ tiêu thụ điện đã được lắp đặt

đưa vào trong 1 hệ thống đo lường và điều khiển, Bài báo này sẽ giới thiệu một

kiến trúc điều khiển đa tầng đột phá như vậy

Hệ thống này cần liên kết các người dùng với cơ sở hạ tầng thông tin tốc độ cao và

tin cậy được lựa chọn dựa theo các tiêu chuẩn về độ tin cậy, độ sẵn sàng, chi phí

và độ tương thích với các thiết bị hiện hữu Tác giả bài viết dự kiến sử dụng thông

tin qua đường dây điện Trên thực tế, trong 10 năm trở lại đây mạng lưới điên

phân phối bắt đầu được sử dụng rộng rãi không chỉ cho việc cung cấp năng lượng

mà còn được dùng cả làm môi trường truyền thông Một tín hiệu thông tin, với tần

số sóng mang cao, được đưa vào mạng lưới điện phân phối Tín hiệu thông tin và

năng lượng điện cùng chia sẻ một môi trường truyền dẫn vật lý chung, vì vậy

Bài báo này bắt đầu với việc mô tả tổng hợp chung cho yêu cầu quản l‎ hộ tiêu thụ

điều khiển nhu cầu năng lượng của tải tiêu thụ, tập trung vào việc đo thời gian sử

dụng dựa trên truyền thông trên đường dây điện Cuối cùng, một số kết quả thực

nghiệm chính của phương pháp điều chế tần số dời tần FSK và điều chế tần số trực

giao dồn kênh OFDM được sử dụng chính trong truyền thông trên đường dây điện

sẽ được thảo luận

II QUẢN LÝ HỘ TIÊU THỤ

pháp với mục tiêu cân bằng hoạt động giữa sản xuất và tiêu thụ điện, và hi vọng

không làm giảm cấp độ của các hoạt động phục vụ được yêu cầu

2 loại hoạt động DSM thường được xem xét:

1 Cấp độ tải: đo đạc , với mục tiêu dịch chuyển tải yêu cầu một giá trị yêu cầu

khác hoặc dịch chuyển tải từ 1 hệ thống nguồn sang hệ thống nguồn khác

2 Đo thị phụ tải: đo đạc, với mục tiêu làm thay đổi lại hình dạng của đồ thị phụ tải

trong khoảng thời gian ngắn (phút – giờ - ngày) hoặc dài hơn (ngày – tuần – mùa),

như được trình bày trong hình 1.[3]

Hình 1 Biểu đồ tải

Bài báo này đề cấp đến các công nghệ đo lường phổ biến hiện nay thuộc vào nhóm

mới nhất hiện nay Ba thành phần tham gia kì vọng vào việc hưởng được lợi ích từ

việc thực hiện và công nghệ DSM này là:

• Nguồn cung cấp, với vai trò của bên cung cấp năng lượng

• Người dùng cuối cùng (User/Client), với vai trò của bên yêu cầu năng lượng

• Toàn thể xã hội, là thành phần lớn hơn bao gồm cũng như bổ sung của cả hai bên

đề cập ở trên

Một chiến thuật điều khiển đồ thị phụ tải DSM tiêu biểu là việc điều biến giá điện

với mức giá điện theo thời gian Như một yêu cầu cơ bản, muốn các các hoạt động

tương tác lên tải và thực hiện các chiến lược DSM hiệu quả thường yêu cầu và

liên quan đến khả năng đáp ứng thông tin theo từng khoảng thời gian (timely) và

chi tiết ngoài các thông tin của công tơ điện, mà không làm giảm chất lượng phục

vụ Để thực hiện được mục đích này, chiến lược DSM phải được hiện thực hóa

thông qua việc sử dụng các thiết bị đo lường thích hợp và cấu trúc điều khiển và

các đánh giá, giả định về người dùng điện phải đạt được thông qua các kênh thông

tin tốc độ cao và ổn định

tuy nhiên, 2 phương án hoàn toàn thích hợp vơi với hệ thống DSM là: cấp trúc

phân cấp (hierachical) và cấu trúc liên cung (cluster) Hệ thống phù hợp nhất cho

DSM là một cấu trúc liên cung đa cấp Phương án này sẽ được mô tả kĩ hơn, nhấn

mạnh các lợi ích của nó và trình bày khả năng tương thích của nó với một hệ

thống các công tơ điện tự động phân tán hiện nay

III Cấu trúc liên cung đa cấp

cung đa cấp Đó là một cấu trúc đa cấp trong đó mỗi cấp được tạo nên bởi một

nhóm các thiết bị có đặc tính giống nhau ( xem ví dụ ơ hình 2) Cấu trúc liên cung

đa bậc tránh được trường hợp lỗi của 1 thiết bị ở 1 nút (hoặc trong 1 liên cung) gây

ảnh hưởng hư hỏng tới toàn hệ thống, thêm nữa nó cho phép phân bố các dịch vụ,

hoạt động và các tính năng dựa trên 1 cơ sở hạ tầng công nghệ và các ứng dụng

thực hiện trong việc tự động hóa hệ thống điện hiện tại

Hình 2 Ví dụ của 1 hệ thống liên cung đa cấp

A Hệ thống đa cấp

Một hệ thống phân cấp thực chất là một hệ thống phân bố trong đó các khối thiết

bị được xếp theo nhóm theo một thứ tự định trước Mỗi nhóm được gọi là một cấp

Cấp cao nhất thiết lập cấu trúc quyết định, quan trọng nhất với phần mềm cho cả

điều khiển tải và đo lường năng lượng, cấp thấp nhất điều khiển các thiết bị đo,

cảm biến và thiết bị rồi sẽ gửi tín hiệu phản hồi lên cấp cao hơn Bắt đầu từ cấp

cuối cùng và đi lên, chúng ta sẽ di từ các thiết bị đo lường và thiết bị tác động lên

Thiết lập 1 hệ thống đa cấp cho phép:

cao nhất

• quản l‎ quá trình tự động của các thiết bị ở cấp thấp hơn một cách rộng rãi

nhất

Một hệ thống đa cấp hoạt đông thực sự như một hệ thống tế bào trong đó mỗi

vẫn có được cái nhìn trên toàn hệ thống

Ưu điểm của một hệ thống đa cấp là:

hoàn toàn

* có một kiến trúc hạ tầng công nghệ cho phép phân tích 1 cách kỹ càng các thông

của các nguồn tài nguyên

* khả năng phản ứng nhanh trong trường hợp khẩn cấp bằng cách kích hoạt các

báo động cho các hoạt động phục hồi thích hợp

* khả năng cung cấp cho người dùng cuối cùng một lượng năng lượng phân bố

tính toán dùng cho các hoạt động mới và tương lai

B Kiến trúc hệ thống liên cung

Một liên cung là một nhóm các thiết bị liên kết với nhau để thực hiện một ứng

dụng, được xem như 1 hệ thống thống nhất cho cả người dùng và các ứng dụng ở

cấp cao hơn Lợi điểm của kiến trúc này là ở chỗ nó cho phép thực thi nhiều hoạt

động một cách song song, vì vậy nó làm giảm nhẹ khối lượng công việc của mỗi

node.Trong một hệ thống cluster,mỗi khối thể hiện một cluster với bao gồm cả tính

năng quyết định và tính năng tác động.Một hệ thống cluster tối ưu quá trình thu

thập, phân phối và giám sát các nguồn tài nguyên

Kiến trúc này cho phép

Giới thiệu các tính năng mới thông qua các cải tiến trong phần cứng, phần mềm,

và do đó cho phép kết nối thêm nhiều node mới và nâng cấp phiên bản phần mềm

Tăng khả năng tính toán của toàn bộ cơ sở hạ tầng bằng cách thêm node vào cùng

cấp độ (mở rộng theo phương ngang của liên cung theo từng cấp)

Một kiến trúc liên cung giông như kiến trúc đã được giới thiệu trên đây có thể

được áp dụng thích hợp cho 1 cấu trúc hệ thống điện [5]-[9]

C Tính năng của các cấp DSM

Hệ thống cluster cho lưới điện bao gồm 4 level Mỗi level có các tính năng như

sau:

* level 1 – (Trung Tâm Điều Khiển Điện Quốc Gia) Trong trường hợp khẩn cấp

nó có thể đưa ra yêu cầu giảm/tăng tải cho level 2 Quá trình tăng/giảm tải sẽ

được thực hiện để thực thi 1 chiến lược DSM hợp lý, vì vậy vẫn giữ nguyên các tải

quan trọng đang được cấp điện, nhưng cũng gửi tín hiệu “tăng/giảm” đến các máy

phát phân tán

• level 2 – (Các Trung Tâm Điều Khiển Phân Tán và các trạm HV/MV)

Nó sẽ quyết định giá điện và chiến lược DSM cho level 3 Việc này được thực

hiện dựa trên các thông tin thu thập được từ: i) ngày sắp tới và các thay đổi của thị

trường ii) kì vọng thái độ của người dùng cuối cùng về việc sử dụng năng lượng

như một hàm của giá điện ; iii) các biến thêm khác như ngày nghỉ lễ, cuối tuần,

các mùa và điều kiện thời tiết Hàng ngày, giá điện cho ngày tiếp theo sẽ được gửi

đến level 3 Level 2 kích hoạt hoác lệnh sa thải phụ tải theo lệnh của level 1 hoặc

theo một sự kiện đặc biệt ngẫu nhiên của mạng lưới phân phối Yêu cầu sa thải

phụ tải có thể được đưa ra từ hệ thống tự động của trạm biến áp HV/LV

• level 3–(MV/LV Substations) Mỗi buổi tối level 3 nhận: giá điện và chiến lược

điều khiển DSM cho ngày tiếp theo, và nó chuyển tiếp giá điện cho level 4 Level

3 hoạt động dựa trên chiến lược nhận được ngày trước đó và nó giám sát tải của

các trạm biến áp, thông số chất lượng điện năng và máy biến áp Trung áp/Hạ áp

Nó có thế gửi tín hiệu giá đến khách hàng (chẳng hạn như giá cực đỉnh) và điều

khiển trực tiếp một số tải như máy điều hòa nhiệt độ và lò sưởi, Yêu cầu về giảm

bớt tải trong trường hợp khẩn cấp có thể nhận được từ level 2 hoặc từ hệ thống tự

động Trung thế/Hạ thế của trạm biến áp Sa thải phụ tải được kích hoạt nhưng vẫn

giữ nguyên các tải quan trọng (thang máy, đèn giao thông ) Level 3 cũng có thể

thay đổi thiết lập về giới hạn công suất trong các công tơ điện

Level 4 ( Thiết bị tại nhà khách hàng) Tùy theo hợp đồng kí kết giữa khách hàng

và công ty điện lực, mỗi buổi tối một thiết bị đặc biệt sẽ nhận được giá điện cho

ngày tiếp theo Trong suất cả ngày, nó có thể nhận được tín hiệu kích hoạt giá tải

đỉnh, tín hiệu tăng/giảm công suất chuyển tiếp đến các tải được điều khiển và tổ

máy phát phân tán Trong trường hợp các tín hiệu này không đạt được hiệu quả

giảm bớt tải theo mong muốn, level 3 có thể tác động trực tiếp lên bộ giới hạn

công suất của đồng hồ đo Thông tin giữa các level là theo 2 hướng, dựa trên cả

các kênh truyền dẫn wireless (GSM, GPRS, UTMS) và/hoặc dây cáp (PLC,

Optical fiber) Cấu trúc cluster và kiến trúc logic sẽ được miêu tả trong hình 3.1

Hình 3 Các tính năng của hệ thống DSM phân tán tại các node khác nhau của hệ

thống điện

D Kiến trúc hệ thống cluster dự kiến

Đối với mỗi cấp level của hệ thống cluster đa cấp, có thể áp dụng một kiến trúc

thuật mà trong đó các thiết bị có cùng chung khả năng xử lý

Ý tưởng cơ bản là sử dụng một hệ thống đa cảm biến trên một vùng rộng lớn

(nhiều điểm của cùng hoặc khác hệ thống điện với nhau), sử dụng các thiết bị, cảm

biến Smart Web (view tín hiệu được trên web) mà có thể truyền thông liên lạc với

Môt mô hình kiến trúc cho hệ thống được trình bày ở hình 4

Hình 4 Kiến trúc hệ thống đo lường dự kiến dựa trên các bộ xử lý MA phối hợp

Kiến trúc là 1 kiến trúc không phân cấp, tất cả các thiết bị thuộc 1 cấp đều có thể

liên lạc với nhau Điều này có nghĩa là bất cứ sự mất liên kết nào giữa 2 node của

hệ thống cũng không gây mất mát thông tin Khả năng xử lý được phân bố trên

mỗi SW sensor, tạo nên hệ thống Mỗi cảm biến SW có khả năng xử lý phân tích

trên 1 tín hiệu yêu cầu và trong 1 vài trường hợp sẽ thực thi kết quả phân tích cuối

cùng hoặc 1 phần của kết quả Trước đây, các kết quả được thông tin trực tiếp qua

web đến các khách hàng Trong trường hợp hiện đại hơn, các xử lý di động MA

trong cảm biến sẽ khởi động để xử lý

E.Cơ cấu Mobile Agent

Một MA có đặc tính một phần kết quả và các phân tích yêu cầu được xử lý thành

công sẽ được tạo ra và chuyển tiếp đến sensor SW bên cạnh (xem hình 4)

Tại thời điểm sensor nhận được MA, nó đọc các thông tin cần thiết để tích hợp các

kết quả đã được phân tích và dự liệu hiện hiện tại để cho ra kết quả cuối cùng Nếu

các phân tích cần được làm lại lần nữa, thiết bị MA chuyển sang một SW sensor

kế bên và cứ tiếp tục như vậy Sau cùng 1 quá trình, nếu kết quả cuối cùng đạt

được, quá trình chuyển MA sẽ hoàn tất và nó sẽ gửi kết quả đến Sensor khởi đầu

và sẽ thông báo cho người dùng thông qua webpages Cùng với việc xử lý kết hợp

này, một cơ cấu phát hiên sự kiện cũng hoạt động Nó bao gồm trong nghiên cứu

thông tin của toàn hệ thống đo lường bằng cách gửi lại yêu cầu của người dùng

đến các sensor khác, cho dến khi thông tin được hoàn thành Cơ cấu này hoàn tòan

trong suốt với người dùng kết nối dến các SW sensor và cho phép lấy thông tin tại

bất cứ SW sensor nào trong hệ thống Tính năng cơ bản của kiến trúc này dựa trên

Lưới điện vẫn không thay đổi: từ trung tâm, thông qua các trạm biến áp (MV/LV)

đến người dùng cuối cùng Thông tin được gửi đi từ một modem và được lọc

Thông thường một bộ repeater được dùng để boost lại tín hiệu khi truyền tải đi xa

Tại nhà người sử dụng, một modem khác, lắp đặt sau bộ lọc, sẽ chuyển đổi tín

hiệu thành các thông tin và ngược lại

A Tiêu chuẩn cho PLC

Có 2 tiêu chuẩn cho PLC:

Tiêu chuẩn EEC CENELEC (Châu Âu);

Tiêu chuẩn EIA CE Bus (Bắc Mỹ);

Hệ thống bus CE truyền dẫn dùng sóng mang trong dải tần số 100-400 kHz và nó

có tốc độ Baud-rate maximum tại 6.6kbaud Nó sử dụng loại điều biến Chirp cho

PLC

Hệ thống CENELEC sử dụng loại sóng mang từ 3 đến 148.5kHz cho PLC, chia

thành 5 băng tần nhỏ

3-9 kHz dành cho các nguồn lớn;

9-95 kHz băng tần A dành cho các nhà phân phối lớn;

95-125 kHz băng tần B dành cho người dùng cuối cùng;

125-140 kHz băng tần C dành cho người dùng cuối cùng, sử dụng giao thức

CSMA (CSMA/CD là viết tắt của Carrier Sense Multiple Access with Collision

Detect- Điều chế sóng mang đa truy cập có phát hiện xung đột);

140-148.5 băng tần D cho người dùng cuối cùng;

Hình 5 Kiến trúc PLC

Hình 6 Kiến trúc CENELEC EN50065

Các đặc tính tối đa của băng tần A là:

5V ở 9 kHz cho tới 1V ở 45 kHz cho việc sử dụng băng hẹp;

5V dùng cho băng thông rộng vơi 0.75V max đến 200Hz

Biên độ tín hiệu là 0.63V đối với băng tần B,C và D

B Phương pháp điều chế:

Rất nhiều loại điều chế được sử dụng cho PLC, băng tần hẹp sử dụng các loại điều

chế ASK (biên độ), FSK (tần số), DPSK (Differential phase shift keying – Điều

chế dời pha), và các phương pháp trải phổ như DS/SS, FH/FSK và điều chế

CHIRP Các đặc điểm của phương pháp điều chế là :

• ASK: dữ liệu <120 bps; sóng mang 3 kHz; dùng trong ứng dụng AMR

• FSK: dữ liệu <1200 bps; sóng mang 9-95 kHz trong khoảng băng tần A

• DS/SS: dữ liệu <9.6 kbps; sóng mang 28.8 kHz với ngưỡng công suất 50mW và

• FH/FSK: có 2 loại ứng dụng, đầu tiên là

300bps trong dải 30-146 kHz, với 900kHz ở hopping-rate và biên độ tín hiệu

0.35V, hoặc 60bps với 300Hz ở hopping-rate

• Chirp hoặc SS/CM (CDMA): với băng tần 100-400 kHz

• OFDM: dùng để loại bỏ bộ cân bằng ở đầu nhận Trong bảng 1, đặc tính của các

phương pháp điều chế được trình bày

C.Vấn đề của các ảnh hưởng nhiễu lên PLC

Một mạng lưới hạ thế thường kết nối với nhiều người dùng Mỗi người dùng lại có

đặc tính sử dụng trong 24h khác nhau Vì vậy cần phải phát triển một mô hình cho

lưới điện, sử dụng giả thiết trong trường hợp xấu nhất Và một tín hiệu thông tin

trong trường hợp đó có thể tác động làm tăng chất lượng điện năng

Mỗi tải điện có 1 đặc tính I/V và nó sinh ra nhiễu trên mạng điện Thông thường

các tải điện thường độc lập và vì vậy sinh ra các nhiễu độc lập