Nghiên cứu tìm hiểu smart meter và mô phỏng quản lý phụ tải hộ tiêu thụ điện

Nội dung text: Nghiên cứu tìm hiểu smart meter và mô phỏng quản lý phụ tải hộ tiêu thụ điện

1. NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU SMART METER VÀ MÔ PHỎNG QUẢN LÝ PHỤ TẢI HỘ TIÊU THỤ ĐIỆN RESEARCH OF SMART METER AND SIMULATION OF ELETRIC LOADS MANAGER Dương Văn Ngọc Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Trong bài báo này, tác giả tìm hiểu về smart meter trong quản lý cung cấp điện đối với hộ tiêu thụ điện. Mục đích của việc nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả quản lý cung cấp điện là làm cho chi phí tiền điện của khách hàng giảm xuống qua việc trao đổi thông tin giữa nhà quản lý và hộ tiêu thụ điện thông qua các smart meter riêng của từng khách hàng. Xây dựng hàm chi chí năng lượng tiêu thụ trong ngày theo mức giá khác nhau trong từng thời điểm và đưa ra thuật toán phân phối trao đổi thông tin giữa hô tiêu thụ và nhà quản lý thông qua smart meter từ đó tìm ra lịch trình tiêu thụ năng lượng tối ưu cho hộ tiêu thụ để chí phí tính tiền điện của khách hàng là thấp nhất. Dựa vào lịch trình của thuật toán đưa ra khách hàng sẽ điều chỉnh lại lịch trình làm việc của các tải đến thời điểm khác trong ngày để hạn chế tải đỉnh và hạ thấp chi phí tiền điện.Từ việc mô phỏng cho ra kết quả đáng khích lệ là chi phí tiền điện sau khi thực hiện theo lịch trình của thuật toán thấp hơn so với lịch trình ngẫu nhiên ban đầu. Từ khóa: Smart meter, quản lý phụ tải ABSTRACT As an integral part of the scientific research paper, the abstract has attracted attention from the academic world in recent years. The main aim of this study is to describe the smart meter in eletricity provision for households. Via applying such a smart device which helps to transmit efficiently data between provider and customers, electricity can be considerably scaled down. Additionally, a subordinate function is built in order to calculate how much money each family uses for electric power with price list of different period then define an algorithm to exchange the information between the provider and its consumer by the mentioned tool. As a result, an optimized route of power consumption for the household should be found and it will intelligently modify the task of eletric loads at other period within the day so as to limit these loads from absorbing large amount of power as well as best minimized the cost of using this source. Conclusion from the simulation shows a surprising and encouraging result that is after the optimized route generated from the smart meter, budget for electric usage per family has been much lower than the random one. Keywords: smart meter, electric loads manager 1
2. 1. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây cùng với sự tăng trưởng về kinh tế của đất nước, và nhu cầu về sử dụng năng lượng điện cũng tăng rất đáng kể trong khi đó cách quản lý cung cấp điện nước ta và đánh giá việc sử dụng điện của hộ tiêu thụ còn hạn chế như việc đo điện ở các hộ tiêu thụ điện vẫn còn tình trạng thủ công. Do vậy, bài báo này chọn việc nghiên cứu và tìm hiểu smart meter trong quản lý hộ tiêu thụ điện. Vì smart meter là một đồng hồ Hình 1. Mạng lưới nhà thông minh đo điện thông minh nó khắc phục những hạn chế của các đồng hồ đo điện củ và tương lai 2. MÔ TẢ NHU CẦU TẢI loại đồng hồ thông minh này sẽ được sử dụng Để biết được năng lượng tiêu thụ điện của hộ rộng rãi trong việc kiểm tra và đo lượng điện gia đình người ta có thể tìm hiểu thông qua trong hộ tiêu thụ từ xa và sẽ gần như chấm năng lượng tiêu thụ của tất cả các thiết bị dứt thời của các hóa đơn ước tính. đang sử dụng trong nhà. Các thiết bị hộ tiêu Chúng ta xem xét một mạng lưới nhà ở thông thụ điện trong mang lưới thông minh mà hộ minh bao gồm năng lượng cung cấp cho các sử dụng thường được phân thành ba loại như hộ tiêu thụ bằng đường dây điện biểu diễn sau: bằng đường liền nét như hình 1 và việc quản Loại 1: Gồm các thiết bị như đèn, quạt, tivi, lý điện năng tiêu thụ của các nhà riêng bằng bếp điện từ, nồi cơm. Thường các loại tải này các smart meter riêng. Ngoài việc phân phối cố định và theo sở thích của khách hàng. cung cấp điện từ lưới tới các thiết bị dân Loại 2: Gồm các thiết bị như máy giặt, máy dụng của mỗi nhà thì trong lưới điện thông rửa chén, bàn ủi. Loại tải này có thể rời thời minh còn có hệ thống đường dây thông tin để điểm làm việc trong ngày khi có lịch trình thu thập được thông tin nhu cầu và sở thích phù hợp. sử dụng điện của mỗi khách hàng và việc thu Loại 3: Gồm các tải điều hòa không khí, tủ thập trao đổi thông tin của khách hàng và nhà lạnh Thay đổi điều chỉnh công suất tiêu thụ quản lý cung cấp điện được biểu diễn bằng theo từng thời điểm trong ngày. đường đứt khúc như hình 1, các smart meter Việc lập trình tiêu thụ điện chỉ có thể thay có khả năng thu thập lưu giữ thông tin của đổi tải loại 2 với các loại tải này trong tương các hộ tiêu thụ và khi được yêu cầu sẽ gủi lai có thể cài đặt thời gian vận hành trong đến nhà quản lý lịch trình tiêu thụ điện của ngày tùy theo người tiêu thụ. từng hộ sử dụng điện. 2
3. 3. HÀM GIÁ CẢ NĂNG LƯỢNG t t t eni, , ens, , enr, : Là năng lượng tiêu thụ ứng Trong sinh hoạt của các hộ gia đình để đánh với tải , , trong khoảng thời gian t của giá việc sử dụng điện ở từng thời điểm trong nhà thứ n. ngày thông qua các smart meter ta được đồ Năng lượng tiêu thụ của khách hàng thứ n thị phụ tải hằng ngày. Ngoài ra chúng ta có trong khoảng thời gian t thể đánh giá lịch trình tiêu thụ điện thông qua t t t Ln,,,, t  e n i e n s e n r , t T (4) năng lượng của các thiết bị sử dụng hằng i In,, s S n r R n ngày trong hộ gia đình n từ đó ta phân thành Lịch trình tiêu thụ năng lượng của khách các loại tải sử dụng như sau: hàng thứ n trong các khoảng thời gian trong Tải i : Gồm các thiết bị đèn, bếp điện từ, ngày tT 1 T tivi. In , In là tổng số thiết bị tải i LLL , , (5) n, tt 1 n ,1 n , T  Tải : Gồm máy giặt, bàn ủi, rửa chén, s Tổng năng lượng tiêu thụ của tất cả khách Sn là tổng số thiết bị tải s hàng trong khoảng thời gian t Tải r : Gồm máy lạnh, điều hòa, R là n LLt  n, t (6) nN tổng số thiết bị tải r N : Tổng số khách hàng Đặt  n ISR n n nlà tập hợp các thiết Chúng ta định nghĩa hàm chi phí RL()t là bị trong hộ gia đình và M  là số lượng n hàm biểu thị cho chi phí phát điện hoặc phân thiết bị trong hộ gia đình,  là tập hợp của tất phối điện theo nguồn năng lượng ở mỗi thời cả hộ gia đình và N là số lượng hộ gia điểm t trong ngày. Tương tự hàm chi phí có đình. thể tính theo năng lượng tải tiêu thụ ở thời Từ việc quy định các tải như trên ta có được điểm khác nhau trong ngày ta có mô hình ba véc tơ lịch trình tiêu thụ năng lượng của hàm chi phí như sau: 2 ba loại thiết bị tiệu thụ điện(tải) , , Mô hình : R() Lt a t L t b t L t c t (7) Trong đó a ,b , c 0 là hệ số chi phí năng 1 tT t t t en,,,, i [ e n i , e n i , e n i ] (1) 1 tT lượng tính bằng USD/Kwh lần lượt là chi phí en,,,, s [ e n s , e n s , e n s ] (2) nhiên liệu, chi phí lắp đặt, chi phí vận hành. e [ e1 , etT , e ] (3) n,,,, r n r n r n r Lt (Kwh) là năng lượng tiêu thụ tại thời điểm Trong đó: t. Chi phí năng lượng trong mô hình này n: Nhà thứ n tương đương với hàm bậc hai tT ,  1, , , T là tổng thời gian xét 3.1 Bài toán tối ưu giá cả năng lượng trong ngày đơn vị là giờ, 0 T 24 giờ. nhóm hộ tiêu thụ Trong bài toán này ta xây dựng hàm giá cả năng lượng dựa theo mô hình RL()t và để bài 3
4. toán đơn giản hơn ta xem các hệ số bt 0 b E. IT 1 và ct 0 ta có bài toán tối thiểu giá cả năng M: Là tổng số lượng thiết bị tiệu thụ điện lượng tiêu thụ theo các thiết bị của tổng N của mỗi hộ khách hàng 1 hộ gia đình. Hàm lagrangian: e'' Qe  Ae b 2 TT t t t 2 (10) minR ( Lt ) a t ( ( e n,,, i e n s e n r )) e       t 11 t n N i In s S n r R n  : Hệ số lagrangian. Giá trị tối thiểu của (8) (10) là: 1 Điều kiện ràng buộc: LE ; t = t1, ,T q  inf  e ' Qe ' Ae b (11) t e 2 1   1, T  ': Là vec tơ T 1 Trong đó: EL năng lượng tiêu thụ  t 1 T tT e Q A là nghiệm để (11) đạt tối trung bình mỗi giờ trong ngày nhóm hộ, Từ thiểu,thay giá trị e vào (11) ta có: 1 (8) nó là bái toán quy hoạch toàn phương q  ''' AQ 1 A   b 2 lồi theo (3.3) ta có thể viết dưới dạng sau: Đặt P AQ 1 A' thì ta có: 1 mine ' Qe 1 e 2 q  '' P  b  .(hàm lõm) do đó (9) 2 giải quyết bài toán theo dưới đây: Ae b e e, e , , e : Danh sách năng lượng 1  12 N  max  'Pb  '  (12) tiêu thụ của tất cả khách hàng( N khách 2 hàng) Trong đó: Q 1 là ma trận nghịch đảo của ma e () et e t e t t  n,,, i  n i  n i trận Q , A ' là ma trận chuyển vị của ma trận n N i In s S n r R n A . (12) là bài toán liên quan đến bài toán a1 0 . . . 0 2 (4.8) và theo nguyên lý đối ngẫu thì (12) viết 0a . . . 0 1 thành: min 'Pb  '  (13) Q  2 Bài toán (13) cũng là dạng quy hoạch bậc T 0 0 . . . a TNM TNM hai giống như bài toán (8) nhưng ràng buộc t a at I NM NM , I là ma trận đơn vị đơn giản hơn nhiều và giải quyết bài toán trên theo kỹ thuật quy hoạch lồi bậc hai ta I1 NM0 1 NM . . . 0 1 NM sẽ tìm được giá trị tối ưu của bài toán. Cả 0I . . . 0 1 NM 1 NM 1 NM hai bài toán (8) và (13) điều có lời giải tối A * ưu. Nêú  là giá trị tối ưu của bài toán đối ngẫu thì giá trị tối ưu của bài toán (8) là 01 NM 0 1 NM . . . I 1 NM T TNM * 1 * e Q A 4
5. 3.2. Phân phối lịch trình năng lượng cục cả các thiết bị i,, s r n của khách hàng bộ thứ n Trong phần trước bài toán tối thiểu chi phí I1 MMM0 1 . . . 0 1 năng lượng tiêu thụ có thể giải quyết bởi nhà 0I . . . 0 1 MMM 1 1 quản lý lịch trình theo kiểu tập trung. Trong An tối ưu toàn cục, nhà quản lý lịch trình cần phải biết năng lượng tiêu thụ của tất cả các 0 0 . . . I 1 MMM 1 1 T TM thiết bị của từng hộ do đó để đảm bảo tính riêng tư của từng hộ trong tiêu thụ điện thì bn E n. I T 1 trong phần này sẽ trình bày phương pháp Từ bài toán của (14) ta có bài toán đối ngẫu: phân phối năng lượng theo smart meter của từng hộ mà không cần tiết lộ năng lượng tiêu 1 qn  inf  e n ' Qe n ' A n e n b n (15) en 2 thụ riêng của từng hộ với nhau, thêm vào việc chỉ cần gửi tổng mức năng lượng tiêu Tương tự như bài toán toàn cục ở trên ta xác thụ của từng hộ khách hàng đến nhà quản lý 1 định en Q n A n  là nghiệm của (15) thay lịch trình mà thôi, từ đó giảm thiểu thông tin vào (15) ta có trao đổi qua lại giữa nhà quản lý lịch trình và 1 q  ''' A Q 1 A   b . smart meter. Lịch trình phân phối năng lượng n2 n n n n tối ưu có thể xác định bằng cách giải quyết 1 bài toán tối ưu cục bộ theo khách hàng thứ n Đặt PAQAn n n n ' ta có dưới đây: 1 q  '' P  b  viết lại: n2 n n 1 ' min en Q n e n en 2 (14) 1 min 'Pbnn  '   An e n b n 2 a1 0 . . . 0 1 max  'Pbnn  '  2 2 0a . . . 0 Q Q n Cả hai bài toán cục bộ (14) và (15) có lời giải tối ưu. Đặt e* là đáp án tối ưu của bài toán n T 0 0 . . . a TM TM * 1 * cục bộ (14) ta có en Q n A n là nghiệm t Trong đó a at I M M , IMM là ma trận đơn vị tối ưu của bài toán (14). Trong đó điều kiện ràng buộc của bài toán tối ưu cục bộ cũng kích thước M , en e n,,, i,, e n s e n r là véc tơ tương tự như trong bài toán tối ưu toàn cục. được định dạng bằng cách xếp chồng của các Nếu năng lượng tiêu thụ riêng của khách véc tơ lịch trình tiêu thụ năng lượng của tất hàng riêng khỏa mãn ràng buộc cục bộ thì 5
6. cũng sẽ thỏa mãn ở toàn cục. Ở đây  là một 6. Kết thúc vec tơ T 1, quá trình cập nhật giá trị của Ở phía smart meter của hộ tiêu thụ nhà quản lý lịch trình được trình bày ở thuật 7. Nếu nhận giá trị µ thì: e Q 1 A  toán dưới đây nhầm tính toán để tìm ra lịch 8. Tính n n n trình tối ưu cho từng hộ khi mà nhà quản lý 9. Nếu hộ phân bố năng lượng tiêu thụ nhận được lịch trình ngẫu nhiên của khách e lại theo n và theo giới hạn đỉnh hàng thứ n từ đó tính toán tốt nhất theo công thức (16) để tìm ra giá trị tối ưu của : 10. Tính lại gửi tới quản lý lịch trình 1 T t  t bp t  tk  k (16) 11. Kết thúc; ptt k 1 12. Kết thúc; 14. Cho đến khi không hộ nào gửi thông tin đến nhà quản lý lịch trình. 4 MÔ PHỎNG Thông số mô phỏng: Cho thời gian một ngày T=24 giờ, khoảng thời gian xét: t=1 giờ và các tải sử dụng hằng Hinh 2 ngày được cho như sau: Thuật toán trao đổi thông tin khách hàng với Tải i: Tivi 0,02kwh, bếp điện từ sử dụng nhà quản lý thường xuyên e =2kwh, chiếu sáng e Lặp đi lặp lại =0,04kw, nồi cơm 0.9kwh. Tải này khoảng Ở phía nhà quản lý lịch trình 15 thiết bị (2 tivi,10 bóng đén, 2 bếp điện 1. Cho một giá trị ngẫu nhiên từ,1 nồi cơm điện) Tải s: Máy rửa bát e =1,03kwh, máy giặt   1, T  '; e =1,35kwh, máy sấy quần áo e 2. Cung cấp giá trị  đến tất cả hộ tiêu =2,7kwh, bàn ủi e =1,2kwh. Tải loại này 5 thụ(N hộ); thiết bị( 1 máy rửa chén, 2 máy giặt, 2 máy 3. Nếu nhận được mức năng lượng tiêu sấy quần áo, 1 bàn ủi) thụ từ khách hàng n Tải r: 2 tủ lạnh e =125 xuống 120w, 3 T LLL , , n, tt 1 n ,1 n , T  máy lạnh 750w xuống 600w 4. Thì tính tổng tiền điện và P theo công at 0,3 từ 8 giờ sáng đến 10 giờ tối thức P AQ 1 A' at 0,2 từ 10 giờ tối đến 8 giờ sáng hôm 5. Cập nhật lại giá trị theo sau 1 T t  t bp t  tk  k ptt k 1 6
7. Số lượng nhà được mô phỏng xét khoảng 2 Từ chương trình mô trong biểu đồ hình 3 hộ tiêu thụ trình bày lịch trình tiêu thụ năng lượng ngẫu * Hộ 1 nhiên của khách hàng và lịch trình của thuật toán đưa ra nhưng để khách hàng phân bố lại lịch trình tiêu thụ điện theo mức e=2.5kwh. Việc phân bố lại lịch trình năng lượng tiêu thụ của khách hàng bằng cách dời các thiết bị điện đến nơi có mức tiêu thụ thấp nhất. Trong đó tổng mức năng lượng tiêu thụ điện của khách hàng trước và sau phân bố bằng Hình 3. Năng lượng tiêu thụ điện ngẫu nhiên nhau. Năng lượng phân phối càng bằng và lịch trình của thuật toán phẳng thì tiền điện càng giảm và xuống thấp Đường mức năng lượng e =2.5kwh là đường nhất khi đồ thị năng lượng tiêu thụ phẳng lịch trình năng lượng tối ưu (chí phí thấp bằng và trường hợp lý tưởng nhất là bằng nhất) do thuật toán đưa ra và gửi tới hộ tiêu đường e= 2,5kwh. Năng lượng trước và sau thụ để hộ phân bố theo mức năng lượng trên phân bố lại và mức giá cả chi phí được biểu bằng cách rời các thiết bị tiêu thụ điện trong diễn trên hình 5. gia đình tới thời điểm khác trong ngày hạn Kết luận: Tổng tiền điện mà khách hàng phải chế tải đỉnh. trả trong ngày theo lịch trình tiêu thụ điện ngẫu nhiên là 60.1993$ lớn hơn so với số tiền điện mà khách hàng phải trả sau khi phân bố lại lịch trình tiêu thụ điện là 45.2100$. Giá tiền khi mà phân bố theo lịch trình năng lượng tối ưu e=2,5kwh do thuật toán đưa là 35.8564$. Hình 4. Phân phối lại lịch trình năng lượng * Hộ 2 tiêu thụ hộ 1 Hình 5. Năng lượng ngẫu nhiên và phân bố Hình 6. Năng lương tiêu thụ ngẫu nhiên và lại ứng với chi phí tiêu thụ hộ 1 lịch trình thuật toán hộ 2 7
8. Hình 7. Năng lượng phân bố lại hộ 2 Hình 8. Năng lượng ngẫu nhiên và phân bố lại ứng với chi phí tiêu thụ hộ 2 5. KẾT LUẬN Từ kết quả mô phỏng ta thấy chi phí phải trả của hộ tiêu thụ thấp hơn khi thay đổi theo lịch trình tiêu thụ điện mới do thuật toán đưa ra so với lịch trình tiêu thụ ngẫu nhiên ban đầu. Hướng phát triển của đề tài là có thể đưa ra lịch trình tiêu thụ năng lượng tối ưu cho hộ gia đình phải có sự kết hợp theo sở thích của khách hàng trong việc sử dụng các thiết bị điện. 8
9. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1 ]Y. Zhang, R. Yu, M. Nekovee, Y. Liu, S. Xie, and S. Gjessing, “Cognitive Machine-to-Machine Communications: Visions and Potentials for the Smart Grid,” IEEE network, vol. 26, no. 3, pp. 6-13, May-June, 2012. [2] Tài liệu kỹ thuật công tơ 1 pha nhiều biểu giá trực - Vinasino.vn. Internet: vinasino.vn/ /15-tai-li-u-k-thu-t-cong-to-1-pha-nhi-u-bi-u-gia-tr-c-ti-pv 29 thg 8, 2014. [3] Công tơ điện tử 3 pha VSE3T - Vinasino.vn. Internet: vinasino.vn/index.php/s-n-ph /cong /cong-to-di-n-t-3-pha-vse3t. [4 ] Step1_LoadData.m - Free Open Source Codes - CodeForge.com. Internet: www.codeforge.com/read/ /Step1_LoadData.m__html [5] Amir-Hamed Mohsenian-Rad, Vincent W. S. Wong, Juri Jatskevich. “Autonomous Demand-Side Management Based on Game-Theoretic Energy Consumption Scheduling for the Future Smart Grid”, IEEE transactions on smart grid,vol. 1, no. 3, december 2010. [6]. S. Huang, Bri-M. S. Hodge, F. Taheripour, J. F. Pekny, G. V. Reklaitis, and W. E. Tyner. “The effects of electricity pricing on PHEV competitiveness”. Energy Policy, vol. 39, no. 3, pp. 1552-1561, March 2011. [7] S. Boyd and L. Vandenberghe. Convex Optimization. Cambridge University Press, 2004. [8] Đỗ Phương Thảo, Nhân tử Lagrange cho bài toán quy hoạch lồi, Luận văn cao học 2015. [9] Trần Vũ Thiệu, Nguyễn Thị Thu Thủy, Nhập môn tối ưu phi tuyến. Nxb Đại học Thái Nguyên, 2010. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu Giáo viên hướng dẫn trách nhiệm bài viết): Họ tên: Dương Văn Ngọc Đơn vị: Điện thoại: 0982045375 Email: ngantram1@gmail.com 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.