Bƣớc cuối cùng của quy trình là gán nhãn thiết bị khi phát hiện có bƣớc nhảy công suất xảy ra. Ở bƣớc cuối cùng trong quy trình này sẽ trả về danh sách các thiết bị điện hiện đang đƣợc sử dụng trong mạng lƣới. Hệ thống cũng đồng thời thực hiện việc tính toán công suất tiêu thụ của các thiết bị đó trong thời gian thực hiện đo đạc và hiển thị kết quả.
3.4. Ứng dụng học máy trong theo dõi năng lượng không xâm phạm
Một trong những yêu cầu để hệ thống NALM có thể hoạt động hiệu quả đó là quá trình học máy của nó phải đƣợc thực hiện đúng, các dấu hiệu của các tiến trình khác nhau phải đƣợc “học”. Phần lớn các nghiên cứu cho tới thời điểm này đều sử dụng phƣơng pháp học ngoại tuyến trong đó hệ thống đƣợc học trƣớc khi cài đặt hoặc trong một khoảng thời gian ngắn sau khi cài đặt. Bây giờ chúng ta sẽ tập trung vào một quá trình có tính tƣơng tác và liên tục cao hơn, trong đó ngƣời dùng liên tục tƣơng tác với hệ thống kể cả khi quá trình cài đặt đã hoàn tất.
Yêu cầu đầu tiên của quá trình học đó là phải có một tập hợp tất cả các thiết bị trong nhà và các trạng thái tƣơng ứng của các thiết bị đó (tắt, bật, chạy ở mức cao, chờ…). Sau đó ngƣời dùng sẽ thực hiện việc bật tắt, thay đổi từng thiết bị, qua đó kích hoạt bộ phận cảm ứng sự kiện của hệ thống. Cuối cùng hệ thống cho phép ngƣời dùng gán nhãn phù hợp cho đặc trƣng vừa đƣợc tách ra. Mỗi đặc trƣng bao gồm: tên thiết bị, công suất tiêu thụ, một dãy bao gồm các mẫu tín hiệu dòng (i) nhận diện đƣợc.
Cả quá trình này sẽ thu thập thông tin về tất cả các thiết bị trong tòa nhà, bao gồm cả lƣợng năng lƣợng chúng tiêu thụ trong từng trạng thái khác nhau. Một quá trình kiểm soát năng lƣợng thông thƣờng sẽ sử dụng những thông tin này cùng với những dự đoán về thời gian hoạt động của từng tải để làm cơ sở cho quá trình phân tích lƣợng điện năng tiêu thụ của tòa nhà. Nhƣ đã nói ở trên, việc dự đoán thời gian sử dụng của từng thiết bị là rất khó khăn và giá trị trung bình thực tế có thể không trùng với giá trị đƣợc dùng khi kiểm soát. Tuy nhiên ngay cả khi sau khi hệ thống
NALM đã kết thúc quá trình học, ta vẫn có thể thay đổi giá trị thời gian sử dụng của thiết bị.
Từ đó ta có thể thấy rằng quá trình học có thể đƣợc coi nhƣ là một quá trình kiểm soát đƣợc thực hiện bằng tay nhƣng không cần thực hiện đo từng thiết bị riêng biệt. Hơn nữa, do hệ thống NALM cho phép thực hiện giám sát liên tục nên những thay đổi của thiết bị do thay đổi trong hành vi của ngƣời dùng cũng sẽ đƣợc phản ánh một cách chính xác [2].
CHƢƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THEO DÕI ĐIỆN NĂNG THÔNG MINH
4.1. Giới thiệu
Để kiểm tra tính khả thi của ý tƣởng theo dõi điện năng không xâm phạm, tác giả đã xây dựng một hệ thống NALM thử nghiệm sử dụng những phần cứng làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và xây dựng thuật toán nhận dạng dựa trên thuật toán của George Hart đã đề xuất. Mục đích của việc thử nghiệm không phải nhằm cải thiện mô hình NALM hiện thời mà để kiểm tra hiệu quả của nó trong việc hỗ trợ kiểm soát tiêu thụ năng lƣợng trong hộ gia đình.
Hệ thống đƣợc xây dựng để kiểm chứng việc phân biệt một số thiết bị khác nhau đƣợc cắm vào cùng một ổ điện. Hệ thống sử dụng phần cứng chuyên dụng cho phép tính toán trong suốt đối với những thông số của hệ thống nhƣ năng lƣợng thực P, độ lệch dòng điện, đồng thời có tần số lấy mẫu cao.
4.2. Phát biểu bài toán
Cho một tập hợp n thiết bị điện D1, D2,..., Dn . Thông số của mỗi thiết bị bao gồm: tên thiết bị, một danh sách các mẫu tín hiệu cƣờng độ dòng điện và công suất tiêu thụ của thiết bị trong thời gian lấy mẫu đó . Số lƣợng mẫu của các thiết bị là giống nhau và bằng sampleSize. Tần số lấy mẫu Ts của các thiết bị là nhƣ nhau.
Với mỗi thiết bị ta có: Tên thiết bị: Di
Mẫu tín hiệu cƣờng độ dòng điện của Di: I[1..sampleSize] = {I1, I2, ..., IsampleSize}
Một tín hiệu đầu vào đƣợc lấy k mẫu hiệu điện thế tức thời U và cƣờng độ dòng điện tức thời I theo tần số lấy mẫu Ts. Biểu diễn tín hiệu bằng danh sách cƣờng độ dòng điện tức thời I[1..k] = {I1, I2,…,Ik} và hiệu điện thế tức thời U[1..k] = {U1, U2, …, Uk} của tín hiệu đó tại từng thời điểm (k là kích thƣớc của tín hiệu). Hãy xác định xem những thiết bị nào trong n thiết bị trên đang đƣợc bật.
4.3. Các khái niệm
Cho 2 tín hiệu điện signalA đƣợc đo trong khoảng thời gian TA và signalB đƣợc đo trong khoảng thời gian TB. Mỗi tín hiệu có thông số nhƣ sau:
Tín hiệu A, kí hiệu: signalA
Danh sách k mẫu tín hiệu cƣờng độ dòng điện tức thời đo đƣợc trong khoảng thời gian TA:
aI[0,k-1] = {aI[0],...., aI[k-1]}
Danh sách k mẫu hiệu điện thế tức thời đo đƣợc trong khoảng thời gian TA:
aU[0,k-1] = {aU[0],..., aU[k-1]}
Tín hiệu B, kí hiệu: signalB
Danh sách k mẫu tín hiệu cƣờng độ dòng điện tức thời đo đƣợc trong khoảng thời gian TB:
bI[0,k-1] = {bI[0],...., bI[k-1]}
bU[0,k-1] = {bU[0],..., bU[k-1]}
Vì các thiết bị đƣợc mắc song song với nhau nên:
aU[0] = aU[1] = ... = aU[k-1] = bU[0] = bU[1] = ... = bU[k-1]
Chúng ta có một số khái niệm nhƣ sau:
4.3.1. Chu kỳ điện áp T
Sóng hình sin có trị số và chiều thay đổi theo quy luật hình sin đối với thời gian t, do đó cực tính của dòng điện hình sin luôn thay đổi. Trị số lớn nhất của giá trị tức thời là biên độ của sóng tức là khoảng cách từ 0 tới đỉnh sóng. Khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng liên tiếp (tính bằng giây s) gọi là chu kỳ T. Số chu kỳ trong một đơn vị thời gian gọi là tần số.
Chu kỳ của sóng hình sin: T = 1/f (s).
4.3.2. Công suất trung bình trong thời gian T
Công suất hiệu dụng, công suất thực P, là phần công suất điện có thể biến đổi thành các dạng công suất khác (cơ, nhiệt, hay hóa). Đơn vị của công suất hiệu dụng P là Watt(W).
Khi hiệu điện thế u(t) và cƣờng độ dòng điện i(t) không đổi thìP = U · I.
Nếu u(t) và i(t) là những giá trị biến đổi thìPlà giá trị trung bình của công suất tức thời p.
4.3.3. Độ lệch công suất tiêu thụ trong hai khoảng thời gian
Giả sử công suất các thiết bị tiêu thụ trong thời gian t1 là P1, công suất tiêu thụ trong thời gian t2 là P2. Khi đó giá trị độ lệch công suất trong hai khoảng thời gian t1, t2 là:
Pdiff = |P1-P2| (2)
Khi một thiết bị thay đổi trạng thái thì công suất tiêu thụ trên mạch sẽ thay đổi. Khi đó trong mạch đã xảy ra bƣớc nhảy công suất, làm tín hiệu thay đổi trạng thái ổn định trƣớc đó (steady state).
Trong bài toán nhận dạng thiết bị, trong quá trình theo dõi tín hiệu, nếu quan sát thấy công suất tiêu thụ thay đổi (tăng hoặc giảm) vƣợt quá một ngƣỡng nào đó thì chúng ta có thể coi là có một hoặc nhiều thiết bị đã thay đổi trạng thái. Việc xác định ngƣỡng công suất này phụ thuộc vào từng bài toán cụ thể, phụ thuộc vào các thiết bị điện đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp đó.
4.3.4. Độ lệch cƣờng độ dòng điện của hai tín hiệu
Độ lệch dòng điện của hai tín hiệu SignalA và SignalB đo đƣợc trong hai khoảng thời gian t1, t2 đƣợc ký hiệu là: Idiff (t1,t2).
Idiff(t1, t2) đƣợc tính theo công thức sau:
1 2 diff 1 2 0 I t , t ( [ ] [ ]) k i aI i bI i (3)
4.3.5. Độ lệch tín hiệu điện trong hai khoảng thời gian
Độ lệch tín hiệu điện trong hai khoảng thời gian t1, t2 đƣợc ký hiệu là: DiffSignal(t1, t2) bằng tổng độ lệch công suất tiêu thụ và độ lệch cƣờng
DiffSignal(t1, t2) = Pdiff (t1,t2)+Idiff(t1,t2)
4.3.6. Phép trừ hai tín hiệu
Ta gọi tín hiệu C bằng tín hiệu A trừ đi tín hiệu B, với các thông số của tín hiệu C nhƣ sau:
Hiệu điện thế tức thời của tín hiệu C gồm k mẫu trong đó: cU[j] = aU[j] = bU[j] với 0 <= j <= k-1
Cƣờng độ dòng điện tức thời của tín hiệu C gồm k mẫu trong đó: cI[j] = aI[j] - bI[j] nếu Pa < Pb, cI[j] = bI[j] - aI[j] nếu Pa >= Pb với 0 <= j <= k-1
4.4. Thuật toán
Với bài toán ở Mục 4.1, ta có giải thuật thực hiện nhƣ sau:
Lấy mẫu hiệu điện thế tức thời u và cƣờng độ dòng điện tức thời
i từ mạch đo.
Khi số lƣợng mẫu đủ lớn vƣợt ngƣỡng threshold thì bắt đầu xử lý.
Nếu là lần xử lý đầu tiên thì tính toán chu kỳ điện áp T bằng cách tìm 2 điểm cực tiểu kế tiếp trên đƣờng cong biến thiên của cƣờng độ dòng điện (Đơn vị của chu kỳ điện áp T là số lƣợng mẫu, nếu muốn đổi ra thời gian thì nhân với chu kỳ lấy mẫu). Đây chính là 2 điểm bắt đầu và kết thúc của một chu kỳ. Thay vì tìm 2 điểm cực tiểu kế tiếp ta có thể đổi thành tìm 2 cực đại hoặc 2 điểm xấp xỉ 0 kế tiếp. Với những mẫu thu thập đƣợc tiếp theo sẽ không cần tính lại chu kỳ điện áp nữa, chúng ta xem nhƣ chu kỳ T là không thay đổi.
Tính công suất tiêu thụ trong n chu kỳ hiện tại rồi so sánh với công suất trong n chu kỳ liền kề trƣớc đó. Nếu công suất có chênh lệch đủ lớn, vƣợt quá ngƣỡng biến đổi công suất thì có khả năng là đã có thiết bị thay đổi trạng thái tắt/bật. Bƣớc tiếp theo, chúng ta cần tìm những thiết bị nào có trong danh sách D1, D2,..., Dn đang đƣợc bật. Cách thức nhận dạng:
o Duyệt hết tất cả các tổ hợp của các thiết bị D1, D2,..., Dn đã đƣợc nhận dạng trong cơ sở dữ liệu.
o Với mỗi tổ hợp thì tính tổng dòng điện tại từng thời điểm lấy mẫu, tổng công suất, tính sai số cƣờng độ dòng điện và công suất thực so với cƣờng độ dòng điện giữa tín hiệu cần nhận dạng với tín hiệu của tổ hợp thiết bị.
o Tổ hợp nào có sai số nhỏ nhất thì các thiết bị trong đó vừa thay đổi trạng thái, đƣợc bật lên (nếu công suất tăng) hoặc tắt đi (nếu công suất giảm)
Sau đó lại dịch đi n chu kỳ và lặp lại quá trình nhƣ thế cho đến khi không còn nhận đƣợc tín hiệu.
4.5. Thiết kế hệ thống
4.5.1. Tổng quan về hệ thống theo dõi điện năng thông minh
Mô hình một hệ thống theo dõi điện năng thông minh ứng dụng
NALM đƣợc xây dựng trong luận văn này bao gồm các thành phần chính sau đây:
Các thiết bị điện trong mạng lƣới. Ví dụ: máy sấy tóc, bóng đèn, máy tính để bàn ...
Thiết bị số đo dòng và áp, giao tiếp đƣợc với máy tính (Analog to digital converter - ADC) - bộ chuyển đổi từ tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số.
Một máy tính trên đó có cài đặt Hệ thống phần mềm điện năng thông minh ApplianceMonitoring. Hệ thống này chịu trách nhiệm xử lý các tín hiệu đầu vào và đƣa ra kết quả là đồ thị biến thiên hiệu điện thế tức thời u, cƣờng độ dòng điện tức thời i và nhận dạng thiết bị nào hiện đang hoạt động, tính toán công suất tiêu thụ của các thiết bị trong thời gian thực hiện việc đo đạc. Chi tiết thiết kế mô hình hệ thống nhƣ hình dƣới đây:
Hình 7 Mô hình thiết kế Hệ thống theo dõi điện năng thông minh.
4.5.2. Thiết bị số đo dòng và áp, giao tiếp đƣợc với máy tính
Thiết bị đo dòng và áp ADC giao tiếp với máy tính thông qua cổng COM. Các thiết bị điện cần theo dõi sẽ đƣợc cắm vào ADC.
Mạch có các thông số nhƣ sau: Điện áp lối vào: 90 250 VAC Dòng lối ra tối đa: 10 A
10 bit data cho mỗi mẫu dòng và áp
Dữ liệu đƣợc truyền từ mạch ADC sang cổng COM của máy tính theo từng khung (frame). Mỗi khung gồm 5 byte có cấu trúc nhƣ sau:
Byte đầu tiên: Dùng để đánh dấu bắt đầu khung truyền 4 byte tiếp theo:
o 2 byte chứa giá trị hiệu điện thế tức thời
o 2 byte chứa giá trị cƣờng độ dòng điện tức thời.
0xCA High Byte Low Byte High Byte Low Byte
Input
Outpu t
UART
115200 bps UART 8 bít dữ liệu, 1 bit start, 1 bit stop, No parity,
Trong đó, 0xCA (202) là byte đánh dấu bắt đầu khung truyền. Tốc độ truyền của mạch: 1460 fps (khung/giây)
Công thức giải mã khung truyền:
Hiệu điện thế: Voltage = (High Byte Voltage – 64)*64 + Low Byte Voltage
Cƣờng độ dòng điện: Current = (High Byte Current – 64)*64 + Low Byte Current
Giá trị ban đầu khi không có dòng và không có áp:
Hiệu điện thế: Voltage0 = 420
Cƣờng độ dòng điện: Current0 = 420
4.6. Hệ thống phần mềm theo dõi điện năng thông minh
4.6.1. Thiết kế chức năng
Hệ thống bao gồm các chức năng chính sau đây:
• Theo dõi tín hiệu dòng điện, các tín hiệu điện đƣợc lấy trực tiếp tử cổng COM của máy tính. Giải mã các giá trị cƣờng độ dòng điện, hiệu điện thế tức thời từ đó tính đƣợc công suất tiêu thụ.
• Nhận dạng đƣợc trạng thái bật/tắt của các thiết bị điện đƣợc cắm vào bộ chuyển đổi tín hiệu ADC.
• Tính đƣợc công suất tiêu thụ của các thiết bị trong thời gian đo đạc, nhận dạng.
• Thêm các thiết bị đã đƣợc nhận dạng vào cơ sở dữ liệu.
• Vẽ đồ thị biến đổi của cƣờng độ dòng điện & hiệu điện thế của tín hiệu điện vào.
• Trích chọn, lƣu trữ tín hiệu dòng điện dƣới dạng tệp tin văn bản với các thông số cƣờng độ & hiệu điện thế tức thời.
4.6.2. Thiết kế mô-đun
Hệ thống bao gồm các mô-đun chính sau: Mô-đun Tiền xử lý, Mô- đun Xử lý tín hiệu, Mô-đun Nhận dạng thiết bị, Mô-đun Biểu diễn kết quả
4.6.3. Mô-đun Tiền xử lý
Nhiệm vụ của mô-đun Tiền xử lý là lấy danh sách các thiết bị và thông tin của chúng từ cơ sở dữ liệu. Các thông tin bao gồm:
Lấy số lƣợng các thiết bị đã đƣợc nhận dạng trong cơ sở dữ liệu. Danh sách tên các thiết bị.
Danh sách mẫu nhận dạng từng thiết bị.
Công suất tiêu thụ của từng thiết bị trong thời gian lấy mẫu. Các bƣớc thực hiện trong mô-đun Tiền xử lý đƣợc mô tả nhƣ dƣới đây:
Truy cập tới cơ sở dữ liệu các mẫu thiết bị đã đƣợc nhận dạng
Lấy kích thƣớc mẫu tín hiệu
Lấy số lƣợng thiết bị có trong cơ sở dữ liệu
Với mỗi 3 dòng đọc đƣợc từ cơ sở dữ liệu, lần lƣợt lấy các thông tin: Tên thiết bị, Công suất tiêu thụ của thiết bị trong thời gian lấy mẫu, Mảng lƣu mẫu tín hiệu của thiết bị đó. Đóng kết nối tới cơ sở dữ liệu.
4.6.4. Mô-đun Xử lý tín hiệu đầu vào
4.6.4.1. Chức năng chính
Nhiệm vụ của mô-đun Xử lý tín hiệu đầu vào bao gồm:
Kiểm tra kết nối với các cổng COM trên máy tính, đọc dữ liệu từ cổng COM có kết nối với bộ chuyển đổi ADC.
Các tín hiệu điện đƣợc truyền tải từ bộ chuyển đổi ADC sang cổm COM của máy tính. Mô-đun Xử lý tín hiệu đầu vào thực
hiện thao tác đọc dữ liệu liên tục từ cổng COM của máy tính chuyển tới bộ giải mã.
Bộ giải mã sẽ thực hiện giải mã tín hiệu đầu vào, chuyển đổi từ tín hiệu tƣơng tự (analog) sang tín hiệu số (digital). Kết quả sau khi giải mã là các giá trị cƣờng độ dòng điện tức thời và hiệu