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

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

Trang 1

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

Trang 2

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 Chủ nhiệm đề tài

KT HIỆU TRƯỞNG (ký, họ tên)

PHÓ HIỆU TRƯỞNG

PGS.TS Vũ Ngọc Pi TS Nguyễn Minh Ý

Thái Nguyên, 05/2017

Trang 3

i

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI

TT Họ và tên Đơn vị công tác và

lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu cụ thể

được giao

Ghi chú

1 Nguyễn Minh Ý Khoa Quốc tế,

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Chủ nhiệm đề tài:

- Tổng quan tài liệu

- 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:

- Chế tạo, thử nghiệm thiết bị

3 Trần Mạnh Tuấn Khoa Quốc tế,

Thành viên tham gia:

- Chế tạo, thử nghiệm thiết bị

Trang 4

ii

ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

trong và ngoài nước

Nội dung phối hợp nghiên cứu

Họ và tên người đại diện đơn vị

1 Bộ môn Kỹ thuật điện và máy tính

giảng dạy bằng tiếng Anh, khoa Quốc

tế

Nghiên cứu chuyên đề

ThS Vũ Ngọc Huy

2 Trung tâm Sáng tạo sản phẩm, khoa

Quốc tế

Chế tạo, thử nghiệm thiết bị

ThS Vũ Quốc Việt

3 Power System Lab Đại học Quốc gia

Chonnam, Hàn Quốc

Nghiên cứu, thu thập số liệu GS Ahn Sun Joo

Trang 5

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 2BÀI TOÁN QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN THÔNG MINH 4

CHƯƠNG 3THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ PHỤ TẢI ĐIỆN THÔNG MINH 7

CHƯƠNG 4KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 9

CHƯƠNG 5KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 16

Trang 6

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

Trang 7

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

- 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

Trang 8

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

Trang 9

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

3rd International Conference on Environment and Renewable Energy (ICERE 2017), 25-27 tháng 2, 2017, Hà Nội, Việt Nam

(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

Trang 10

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

Trang 11

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:

Trang 12

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:

Trang 13

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

International Journal of Smart Grid and Clean Energy, 6(2), pp 90–95

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:

SV2016-97 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

Trang 15

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)

Trang 16

- 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: