(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và phát triển hệ thống theo dõi điện năng thông minh cho tòa nhà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VÕ TUẤN KHANG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNGTHEO DÕI ĐIỆN NĂNG THƠNG MINH CHO TỊA NHÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ  VÕ TUẤN KHANG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THEO DÕI ĐIỆN NĂNG THÔNG MINH CHO TỒ NHÀ Ngành: Cơng Nghệ Thơng Tin Chun ngành: Công Nghệ Phần Mềm Mã số: 68 40 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS BÙI THẾ DUY Hà Nội – 2011 Mục lục Mục lục Danh mục hình vẽ i Thuật ngữ tiếng Anh ii CHƢƠNG MỞ ĐẦU CHƢƠNG GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG 2.1 Giải pháp sử dụng đồng hồ đo điện toàn nhà 2.1.1 The Energy Detective (TED) 2.2 Thiết bị đo plug-load 2.3 Giải pháp gói – Nhà thơng minh 10 2.3.1 Đối với phạm vi tòa nhà 10 2.3.2 Đối với phạm vi hộ gia đình 13 CHƢƠNG GIẢI PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG KHÔNG XÂM PHẠM 15 3.1 Giới thiệu 15 3.2 Mục tiêu 17 3.3 Thuật toán 20 3.3.1 Đo cơng suất dịng 21 3.3.2 Chuẩn hóa cơng suất 21 3.3.3 Phát biên 21 3.3.4 Phân cụm 22 3.3.5 Xây dựng mơ hình trạng thái thiết bị 23 3.3.6 Theo dõi thời gian thay đổi trạng thái thiết bị 23 3.3.7 Gán nhãn thiết bị đƣợc nhận dạng 23 3.4 Ứng dụng học máy theo dõi lƣợng không xâm phạm 23 CHƢƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THEO DÕI ĐIỆN NĂNG THÔNG MINH 25 4.1 Giới thiệu 25 4.2 Phát biểu toán 25 4.3 Các khái niệm 26 4.3.1 Chu kỳ điện áp T 27 4.3.2 Cơng suất trung bình thời gian T 27 4.3.3 Độ lệch công suất tiêu thụ hai khoảng thời gian 28 4.3.4 Độ lệch cƣờng độ dịng điện hai tín hiệu 28 4.3.5 Độ lệch tín hiệu điện hai khoảng thời gian 28 4.3.6 Phép trừ hai tín hiệu 29 4.4 Thuật toán 29 4.5 Thiết kế hệ thống 30 4.5.1 Tổng quan hệ thống theo dõi điện thông minh 30 4.5.2 Thiết bị số đo dòng áp, giao tiếp đƣợc với máy tính 31 4.6 Hệ thống phần mềm theo dõi điện thông minh 33 4.6.1 Thiết kế chức 33 4.6.2 Thiết kế mô-đun 34 4.6.3 Mô-đun Tiền xử lý 35 4.6.4 Mô-đun Xử lý tín hiệu đầu vào 35 4.6.4.1 Chức 35 4.6.4.2 Thuật tốn giải mã tín hiệu tƣơng tự 36 4.6.5 Mô-đun Nhận dạng thiết bị 37 4.6.5.1 Chức 37 4.6.5.2 Thuật toán tìm chu kỳ điện áp T 39 4.6.5.3 Tính cơng suất tiêu thụ thiết bị 40 4.6.5.4 Thuật toán nhận dạng thiết bị 41 4.6.5.5 Thuật tốn đệ quy tìm thiết bị trạng thái bật 42 4.6.5.6 Thuật tốn tính độ lệch hai tín hiệu 43 4.6.5.7 Thuật tốn tính tổng tín hiệu 44 4.6.6 Mô-đun Giám sát lƣợng tiêu thụ 45 4.6.7 Mô-đun Xử lý kết 45 4.6.8 Một số chức khác 46 4.6.8.1 Trích chọn mẫu tín hiệu thiết bị 46 4.6.8.2 Đọc liệu tín hiệu từ tệp tin văn 46 4.6.9 Thiết kế sở liệu 46 4.6.10 Thiết kế lớp 47 4.7 Một số kết nhận dạng 48 4.7.1 Mơ tả thí nghiệm 48 4.7.2 Lấy mẫu thiết bị 49 4.7.2.1 Máy sấy 49 4.7.2.2 Adapter 50 4.7.2.3 Bóng đèn 50 4.7.2.4 Cơ sở liệu nhận dạng 51 4.7.3 Thử nghiệm nhận dạng 51 4.7.3.1 Trƣờng hợp khơng có thiết bị đƣợc sử dụng 51 4.7.3.2 Trƣờng hợp có thiết bị đƣợc sử dụng 51 4.7.3.3 Trƣờng hợp có thiết bị đƣợc sử dụng 52 4.7.4 Đánh giá 52 CHƢƠNG KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Tiếng Việt 56 Tiếng Anh 56 Danh mục hình vẽ Hình 12 thiết bị tiêu tốn điện nhiều Mỹ, xếp theo thứ tự tiêu thụ kWh trung bình hàng năm Các cột dọc tỉ lệ phần trăm hộ gia đình sử dụng thiết bị Phần màu xám biểu đồ lũy kế tỷ lệ điện thiết bị tiêu thụ Hình Thiết bị theo dõi điện toàn nhà TED Hình Kill-A-Watt - thiết bị plug-load điển hình 10 Hình Biểu đồ biến đổi cơng suất theo thời gian, mô tả bƣớc nhảy công suất 17 Hình Biểu đồ biến đổi cơng suất thực theo thời gian tịa nhà Thời gian đo đạc phút 19 Hình Đồ thị biến đổi công suất theo thời gian, biểu thị bƣớc nhảy cơng suất xảy 22 Hình Mơ hình thiết kế Hệ thống theo dõi điện thông minh 31 Hình 10 Các mơ-đun Hệ thống theo dõi điện thơng minh 34 Hình 10 Cấu trúc lớp Hệ thống theo dõi điện thông minh 48 i Thuật ngữ tiếng Anh Nonintrusive load monitoring Plug-load Smart house Whole-house meter Smart meter NALM Nonintrusive Appliance Load Monitoring ApplianceMonitoring Adapter INPUT OUTPUT ADC Theo dõi điện không xâm phạm Thiết bị cắm Nhà thông minh Thiết bị đo điện tồn Thiết bị đo thơng minh Hệ thống theo dõi điện không xâm phạm Phần mềm theo dõi điện thông minh tác giả xây dựng Bộ sạc điện máy tính xách tay Đầu vào toán Đầu toán Bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số ii CHƢƠNG 1:MỞ ĐẦU CHƢƠNG MỞ ĐẦU Tình trạng lãng phí điện vấn đề nóng bỏng đƣợc khắp quốc gia giới quan tâm Ở nƣớc ta, Chính phủ có sách, văn luật sử dụng điện tiết kiệm, tuyên truyền nâng cao ý thức sử dụng điện ngƣời dân Cƣờng độ lƣợng công nghiệp Việt Nam cao Thái Lan Malaysia khoảng 1,5-1,7 lần (tức để làm giá trị sản phẩm nhƣ nhau, nƣớc ta phải tiêu tốn lƣợng gấp 1,5-1,7 lần) Tỷ lệ tăng trƣởng nhu cầu lƣợng so với tăng trƣởng GDP Việt Nam lên đến lần, nƣớc phát triển tỷ lệ dƣới Chi phí bỏ để tiết kiệm kWh điện nhiều so với chi phí đầu tƣ để sản xuất kWh nhà máy điện Ngoài việc sử dụng lƣợng tạo khoảng 25% lƣợng phát thải CO2 khoảng 15% tổng lƣợng khí nhà kính Nếu tiết kiệm sử dụng lƣợng có nghĩa giảm thiểu tác động xấu đến môi trƣờng Để tiết kiệm lƣợng cách chủ động, ngƣời sử dụng mua sắm, lắp đặt hệ thống, thiết bị tiết kiệm lƣợng Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống, thiếtbị nhƣ để đạt đƣợc hiệu mong muốn phụ thuộc vào cách mà điều khiển, kiểm sốt hệ thống Khía cạnh điều khiển đóng vai trị quan trọng việc sử dụng điện với hiệu suất cao Ta lấy ví dụ, điều hịa tiết kiệm điện nhƣng đƣợc bật phòng khách lúc khơng có ngƣời Kết phung phí điện so với sử dụng điều hịa thơng thƣờng cách Việc quản lý mức độ sử dụng lƣợng cách đo đạc, giám sát, theo dõi, điều khiển hành động mà định đƣợc CHƢƠNG 1:MỞ ĐẦU Để thực việc quản lý điện tiêu thụ, vấn đề đặt để theo dõi đƣợc tình trạng hoạt động thiết bị điện nhà nhƣ công suất tiêu thụ tƣơng ứng Ngƣời sử dụng cần có nhìn tổng quan tình trạng thiết bị điện sử dụng từ phân loại đƣợc thiết bị tiêu tốn nhiều điện năng, thiết bị đƣợc sử dụng khơng cách dẫn tới lãng phí ngồi mong muốn Trong luận văn tơi trình bày nghiên cứu để xây dựng hệ thống theo dõi điện thông minh sử dụng phƣơng pháp theo dõi điện không xâm phạm (Nonintrusive load monitoring) Hệ thống bao gồm thiết bị đo dòng áp, giao tiếp đƣợc với máy tính phần mềm nhận dạng thiết bị điện hoạt động Ngồi việc nhận dạng đƣợc trạng thái thiết bị điện, hệ thống cho phép xác định đƣợc tổng công suất mà thiết bị tiêu thụ thời điểm Luận văn đƣợc tổ chức nhƣ sau, Chương giới giới thiệu vấn đề, nhu cầu mục đích luận văn Trong chƣơng này, thấy đƣợc phƣơng hƣớng nghiên cứu bố cục tổ chức luận văn Chương giới thiệu tổng quan phƣơng pháp giám sát điện đƣợc sử dụng thực tế Trong chƣơng có nhìn bao quát kỹ thuật theo dõi, giám sát hệ thống điện ngơi nhà tịa nhà công sở lớn Chương giới thiệu phƣơng pháp theo dõi điện không xâm phạm (Nonintrusive load monitoring – NALM) Trong chƣơng tìm hiểu theo dõi điện không xâm phạm Phân tích số ƣu điểm phƣơng pháp phân tích tính khả thi triển khai giải pháp thực tế Chương trình bày hệ thống theo dõi điện thử nghiệm Trong chƣơng đƣa hệ thống điện đơn giản ngơi nhà phân tích cách thức thu thập, phân loại liệu từ đƣa kết cần quan tâm nhƣ lƣợng điện tiêu thụ thiết bị, trạng thái thiết bị thời điểm Chương giới thiệu hệ CHƢƠNG 1:MỞ ĐẦU thống phần mềm đƣợc xây dựng số kết thu đƣợc ban đầu Cuối hƣớng nghiên cứu cải tiến tƣơng lai cho nghiên cứu CHƢƠNG 2:GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG CHƢƠNG GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THEO DÕI ĐIỆN NĂNG Mặc dù hệ thống đo đạc điện dành cho khu công nghiệp khu nhà lớn đƣợc lắp đặt sử dụng rộng rãi từ nhiều năm nhờ tiết kiệm đƣợc chi phí từ việc cắt giảm điện lãng phí quy mơ lớn.Tuy nhiên hệ thống đo đạc quy mô nhỏ xuất gần đây, chúng thƣờng đƣợc giới thiệu nhƣ phƣơng pháp tiết kiệm điện nhằm bảo vệ mơi trƣờng nhƣ giảm gánh nặng tài cho ngƣời sử dụng Phần lớn chúng thiết bị cắm (plug load) đo đạc phạm vi toàn nhà Cả hai phƣơng pháp đƣa ƣớc lƣợng xác cho thiết bị riêng lẻ nhƣ ghi lại thay đổi lƣợng điện sử dụng theo thời gian Chúng ta xem xét vài chức thiết bị cách phân chúng thành ba loại: đồng hồ đo toàn nhà (wholehouse meter), thiết bị cắm (plug load) giải pháp gói (packaged solution, smart home) Mục tiêu cung cấp nghiên cứu chi tiết tất cơng nghệ có mà nhằm đƣa số ví dụ để so sánh với kĩ thuật NALM 2.1 Giải pháp sử dụng đồng hồ đo điện toàn nhà Đồng hồ đo điện toàn nhà thƣờng đƣợc lắp đặt gần tủ điện tổng tòa nhà, từ hệ thống dây điện đƣợc chia đến thiết bị khác Các đo có khả thu thập liệu thông qua cảm biến quang học thơng qua việc giải mã tín hiệu điện từ hiển thị lại hình chuyên dụng Thơng thƣờng, nhiều đầu dị đƣợc lắp vào mạch điện để đo cƣờng độ dịng điện Trong vài trƣờng hợp, điện đƣợc đo đạc để nâng cao độ xác tính tốn Các thơng tin nhƣ watts hay watts đƣợc hiển thị CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THEO DÕI ĐIỆN NĂNG THÔNG MINH Hãy xác định xem thời gian n = chu kỳ tín hiệu B, có thiết bị thay đổi trạng thái Tính cơng suất tiêu thụ thiết bị n =3 chu kỳ Thuật tốn Gọi Pthreshold ngƣỡng độ lệch cơng suất  Nếu |powerA-powerB| Pthreshold có thiết bị mạng lƣới thay đổi trạng thái Hệ thống phân tích xem thiết bị  Theo cơng thức 4.2.6 ta có mảng độ lệch dịng điện tín hiệu signalA, signalB là: Idiff = bI[j] - aI[j] với < j < k  Tín hiệu C đƣợc xác định Ic = Idiff UC = UA = UB Ta cần xác định xem tín hiệu C đƣợc tạo thành thiết bị tập hợp {D1, , Dn}  Lần lƣợt duyệt tất tập phần tử tập hợp {D1, , Dn}