BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-----------------

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG
ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN THÔNG MINH TRONG LƯỚI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ VIỆT TIẾN

Hà Nội – Năm 2014


Luận văn cao học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
SỬ DỤNG ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN THÔNG MINH TRONG LƯỚI ĐIỆN” là
công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ luận văn nào trước đây.
Hà Nội, tháng 3 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Huy


NMNĐ

Nhà máy Nhiệt điện

EVN

Tập đoàn Điện lực Việt Nam

TCTĐL

Tổng công ty Điện lực

CTĐL

Công ty Điện lực

A0

Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốc gia

CDMA/3G/GSM

Mạng điện thoại không dây

PSTN

Mạng điện thoại có dây

WAN


tải điện

RF

Radio Frequence/Tần số sóng vô tuyến

HHU

Hand Held Unit /Thiết bị đọc chỉ số cầm tay

3


Luận văn cao học

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1

Bản chào giá lập lịch Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.2

Lệnh điều độ của Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.3

Giá điện năng thị trường ngày 08/4/2013

Bảng 4.4


khác Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.11

Khoản thanh toán sản lượng điện năng phát sai khác Nhà máy điện
Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.12

Sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện năng thị trường các
tổ máy Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.13

Sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện năng thị trường Nhà
máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.14

Khoản thanh toán sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện
năng thị trường Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

Bảng 4.15

Tổng hợp điện năng thanh toán theo giá điện năng thị trường Nhà
máy điện Nhơn Trạch 1 ngày 08/4/2013

4



Hình 1.7.

Thông tin bảo mật đồng hồ đo điện thông minh

Hình 1.8.

Ghi nhận cảnh báo lỗi trong đồng hồ đo điện thông minh

Hình 1.9.

Cấu hình kết nối thông tin của đồng hồ đo điện thông minh

Hình 1.10.

Sơ đồ đấu dây vận hành của đồng hồ đo điện trên lưới

Hình 1.11.

Sơ đồ đấu nối mạch nhị thứ của đồng hồ đo đếm tự dùng 0,4kV đo
đếm gián tiếp

Hình 2.1.

Mô hình thu thập số liệu đo đếm từ xa qua giao diện RS485

Hình 2.2.

Mô hình thu thập số liệu đo đếm từ xa qua đường dây tải điện

Hình 2.3.

5


Luận văn cao học

Hình 2.10.

Mô hình hệ thống thu thập số liệu của EVN phục vụ điều hành hệ
thống điện tại các TBA 110/35/22kV

Hình 2.11.

Mô hình hệ thống thu thập số liệu của EVN đối với khách hàng lớn

Hình 2.12.

Mô hình hệ thống thu thập số liệu của EVN đối với khách hàng
nhỏ, tập trung

Hình 2.13.

Sơ đồ kết nối thông tin của hệ thống thu thập số liệu đồng hồ đo
điển hình của TBA, nhà máy điện

Hình 4.1.

Sơ đồ kết lưới Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 1

Hình 4.2.


Luận văn cao học

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... 5
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CHUNG ............................................................................ 12
1.1. Lưới điện thông minh ............................................................................................ 12
1.1.1.

Lưới điện thông minh ..................................................................................... 12

1.1.2.

Đặc điểm chung của lưới điện thông minh ..................................................... 14

1.1.3.

Cấu trúc của lưới điện thông minh ................................................................. 16

1.2. Đồng hồ đo điện thông minh ................................................................................. 17
1.2.1.

Tổng quan ....................................................................................................... 18

1.2.2.


mạng di động ............................................................................................................... 33
2.2.5.

Giải pháp thu thập số liệu đo đếm từ xa qua giao thức mạng ......................... 35

7


Luận văn cao học

2.3. Đặc điểm của hệ thống thu thập số liệu đồng hồ đo điện thông minh hiện đang
áp dụng trong Tập đoàn Điện lực Việt Nam ............................................................... 35
2.3.1.

Hệ thống đo đếm điện năng và truyền số liệu từ xa phục vụ thị trường phát

điện cạnh tranh ............................................................................................................. 36
2.3.2.

Hệ thống đo đếm điện năng và truyền số liệu từ xa phục vụ điều hành hệ

thống điện của Tập đoàn và các đơn vị........................................................................ 37
2.3.3.

Hệ thống đo đếm điện năng và truyền số liệu phục vụ tính toán giá bán điện

theo cơ chế thị trường .................................................................................................. 39
2.4. Kết luận ................................................................................................................... 42
CHƯƠNG 3 - TÍNH TOÁN THANH TOÁN ĐIỆN NĂNG CÁC NHÀ MÁY THAM
GIA THỊ TRƯỜNG PHÁT ĐIỆN CẠNH TRANH ....................................................... 43

........................................................................................................................ 49

3.2.3.

Sản lượng điện năng phát sai khác so với sản lượng huy động theo lệnh điều

độ của nhà máy điện trong chu kỳ giao dịch ............................................................... 51
3.2.4.

Sản lượng điện năng thanh toán theo giá điện năng thị trường của nhà máy

điện trong chu kỳ giao dịch.......................................................................................... 52
3.3. Kết luận ................................................................................................................... 53

8


Luận văn cao học

CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN THÔNG MINH TRONG TÍNH
TOÁN ĐIỆN NĂNG NHÀ MÁY ĐIỆN NHƠN TRẠCH 1 THAM GIA THỊ
TRƯỜNG ĐIỆN................................................................................................................. 54
4.1. Giới thiệu Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 1 .................................................... 54
4.2. Tính toán điện năng thị trường điện Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 1 ........ 58
4.2.1.

Các số liệu đầu vào ......................................................................................... 58

4.2.1.1. Bản chào giá lập lịch ................................................................................. 58
4.2.1.2. Lệnh điều độ ............................................................................................. 59

đối với ngành Điện. Với định hướng phát triển ngành Điện theo hướng đa dạng hóa
sở hữu, hình thành thị trường điện trong nước, trong đó nhà nước giữ độc quyền ở
khâu truyền tải và chi phối khâu sản xuất và phân phối điện, chất lượng cung cấp
điện là yếu tố quyết định hàng đầu đối với các Công ty Điện lực khi tham gia vào
thị trường bán buôn điện cạnh tranh.
Với sự phát triển của khoa học công nghệ trong thời gian gần đây, đặc biệt là
các tiến bộ trong việc ứng dụng các thiết bị điện tử đã mang lại rất nhiều sự thuận
tiện trong công nghệ cũng như các lợi ích về kinh tế. Nhưng song song với các ưu
điểm đó thì các tiến bộ công nghệ trên cũng có những tác động không nhỏ đến việc
đảm bảo cung cấp điện an toàn & tin cậy, đòi hỏi phải nghiên cứu tìm hiểu và khắc
phục những ảnh hưởng đó.
Do đó việc đánh giá ảnh hưởng sử dụng đồng hồ đo điện thông minh, một
thiết bị điện tử thông minh trong vận hành hệ thống điện là vấn đề cần được quan
tâm nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về đồng hồ đo điện thông minh, lưới điện thông minh.
- Nghiên cứu cách thức kết nối giữa các đồng hồ đo điện thông minh góp phần
xây dựng hệ thống điện thông minh.
- Nghiên cứu cách thức tính toán điện năng nhà máy tham gia thị trường điện,
áp dụng đồng hồ đo điện thông minh trong tính toán.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đồng hồ đo điện thông minh, hệ thống thu thập số liệu đo đếm.
- Áp dụng đồng hồ đo điện thông minh trong tính toán, thanh toán điện năng
Nhà máy điện Nhơn Trạch 1 tham gia thị trường điện.

10


Luận văn cao học



Ứng dụng đồng hồ đo điện thông minh trong tính toán điện

năng nhà máy điện Nhơn Trạch 1 tham gia thị trường điện
 Chương 5:

Kết luận và kiến nghị

11


Luận văn cao học

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CHUNG
Như chúng ta đã biết, hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp,
các đường dây truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thành hệ thống làm
nhiệm vụ sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng. Nhà máy điện là xí
nghiệp công nghiệp có nhiệm vụ sản xuất ra điện năng để cung cấp cho các hộ tiêu
thụ điện thông qua đường dây tải điện và các trạm biến áp. Điện năng do nhà máy
điện phát ra được truyền tải theo đường dây trên không hay dây cáp của mạng điện
với những chiều dài khác nhau, điện áp khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách từ nhà
máy đến hộ tiêu thụ. Các trạm biến áp có nhiệm vụ tăng áp để tải điện đi xa và giảm
áp để cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ.
Ngày nay HTĐ phát triển không ngừng trong không gian và thời gian để đáp
ứng nhu cầu ngày càng tăng của phụ tải. Tùy theo mục đích nghiên cứu, HTĐ được
phân chia thành các phần hệ thống tương đối độc lập nhau.
1.1. Lưới điện thông minh (Smart Grid)
1.1.1. Lưới điện thông minh
Lưới điện xoay chiều đang sử dụng trên thế giới hiện nay ra đời năm 1896,
một phần dựa trên thiết kế của Nikola Tesla đã được công bố từ năm 1888. Nhiều ý

thời, quan ngại về môi trường ngày một tăng kết hợp với sự phụ thuộc chính trị xã
hội vào điện khí hóa ngày càng cao đã gây trở ngại cho việc phát triển theo qui mô.
Cuối thế kỷ 20, giá thành điện năng tại các khu vực đô thị lớn leo thang đến mức
khó chấp nhận. Các công nghệ tương tự như thời những người sáng lập ra ngành
điện cách đây một thế kỷ giờ đây không còn phù hợp với nền kinh tế dựa trên thông
tin và dịch vụ.
Trong 50 năm qua, lưới điện không còn theo kịp với các thách thức mới như:
 An ninh năng lượng, từ phía người cung cấp năng lượng hoặc do tấn công
mạng.
 Nhiều nước đưa ra các chỉ tiêu sử dụng các nguồn điện phân tán khiến cho
việc duy trì điện ổn định trở nên phức tạp hơn đáng kể.
 Để đạt mục tiêu cân bằng năng lượng, cần giảm phụ tải đỉnh ban ngày,
giảm tổn thất năng lượng, đảm bảo mức dự phòng nguồn hợp lý.
 Yêu cầu cao về nguồn điện phân tán.
 Dụng cụ điện điều khiển bằng số có thể thay đổi bản chất của phụ tải điện
(cho phép công ty điện tắt thiết bị điện trong nhà bạn nếu họ thấy phù hợp), kết quả
là nhu cầu điện không còn tương thích với hệ thống điện vốn được xây dựng để

13


Luận văn cao học

phục vụ “nền kinh tế analog”. Một ví dụ: Chương trình vô tuyến được nhiều người
ưa thích có thể gây tăng đột ngột phụ tải bởi vì các máy vô tuyến được bật lên gần
như cùng lúc. Gia tăng sử dụng những thiết bị như vậy mà không có sự điều phối
của lưới điện thông minh, sẽ dẫn đến các vấn đề về độ tin cậy cung cấp điện, giảm
chất lượng điện, mất điện, và cắt điện luân phiên.
Mặc dầu các luận điểm về lưới điện thông minh có xu hướng ngày một trở nên
quen thuộc hơn, thế nhưng tầm quan trọng của chúng cũng là vấn đề còn phải bàn.

Một lưới điện thông minh bao gồm việc hiện đại hóa truyền tải và phân phối
lưới điện. Về truyền tải, hệ thống hiện đại hóa hạ tầng, tạo môi trường cạnh tranh
thuận lợi cho các nhà cung cấp, cho phép sử dụng nhiều hơn các nguồn năng lượng
thay thế, năng lượng sạch, thiết lập khả năng tự động hóa và giám sát cần thiết cho
sự truyền dẫn trên khu vực rộng lớn và ưu tiên sử dụng các nguồn lực lượng cho
việc bảo tồn năng lượng. Về phân phối, hệ thống lưới điện thông minh tích hợp
nhiều tính năng hữu ích cho người tiêu dùng chẳng hạn như đồng hồ thông minh
phục vụ cho quản lý hiệu quả năng lượng, cho phép các nhà cung cấp tối ưu hóa
việc phân phối, đặc biệt trong thời gian cao điểm.
Lưới điện thông minh sử dụng nhiều ứng dụng công nghệ khác nhau nhưng
chủ yếu là các ứng dụng sau: Hệ thống truyền thông tích hợp cho phép thu thập
thông tin, kiểm soát và trao đổi dữ liệu theo thời gian thực để tối ưu hóa độ tin cậy
của hệ thống, sử dụng tài sản, và an ninh. Hệ thống cảm biến và đo lường là hệ
thống quan trọng tích hợp nhiều công nghệ điều khiển có nhiệm vụ giám sát và
đánh giá sự ổn định của lưới điện, phòng chống trộm cắp năng lượng bao gồm
nhiều công nghệ tiên tiến: hệ thống giám sát diện rộng, hệ thống cảm biến phân
phối thông minh kết hợp với hệ thống đánh giá nhiệt theo thời gian thực, công nghệ
đo thời gian sử dụng và tính hóa đơn tự động, các thiết bị điện và đường dây hiện
đại, công nghệ theo dõi và lập lịch biểu, kiểm soát các phụ tải như máy nạp điện
cho xe chạy điện, mạng hộ gia đình. Quan trọng nhất là đồng hồ đo điện thông minh
kết nối thông tin dữ liệu giữa các nhà máy điện và thiết bị điện thông minh và bộ
cảm biến tốc độ cao Phasor – quản lý phân phối điện, giám sát chất lượng điện, tự
động xử lý khi có sự cố xảy ra trên mạng lưới.

15


Luận văn cao học

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc lưới điện thông minh

 Tối ưu hóa vận hành HTĐ để giảm chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối
kể cả giảm chi phí đầu tư mới và nâng cấp hệ thống điện.
 Công cụ cơ bản của vận hành thị trường điện rộng rãi.
Về cơ bản, hệ thống điện thông minh bao gồm hệ thống truyền tải, cung cấp
điện năng hiện tại nhưng được áp dụng công nghệ thông tin và truyền thông, số hóa
dữ liệu và áp dụng các công nghệ hiện đại vào việc điều khiển, kiểm tra, giám sát.
Nhằm đảm bảo an toàn, ổn định và nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống điện.
Từ mô hình ta thấy rằng hệ thống điện thông minh gồm:
 Hệ thống điện có sẵn:
o Cơ sơ hạ tầng (nhà máy điện, trạm biến áp, trạm điều khiển ...)
o Hệ thống truyền tải (đường dây dẫn, cột điện, rơle bảo vệ, máy biến
áp ...)
o Các hộ tiêu thụ điện (hộ gia đình, nhà máy, cơ quan ...)
 Hệ thống điều khiển lấy công nghệ thông tin làm trung tâm: gồm cơ sở dữ
liệu được số hóa, các thành phần trong hệ thống được liên kết với nhau chặt
chẽ thành một thể thống nhất có thể vận hành ổn định, tự khắc phục khi có
sự cố xảy ra.
1.2. Đồng hồ đo điện thông minh (Smart Meter)
Công nghệ lưới điện thông minh khởi đầu khá sớm với các ý tưởng về điều
khiển, đo lường và theo dõi bằng điện tử. Trong thập niên 1980, công nghệ đọc tự
động chỉ số đồng hồ điện (AMR) được sử dụng để theo dõi phụ tải các hộ tiêu thụ
lớn. Tới những năm 1990, công nghệ này phát triển thành cơ sở hạ tầng đo chỉ số
đồng hồ tiên tiến (AMI), theo đó đồng hồ đo điện có thể lưu trữ dữ liệu về tiêu thụ
điện năng tại các thời điểm khác nhau trong ngày. Đồng hồ thông minh có thêm khả

17


Luận văn cao học



Hình 1.2. Mô hình sử dụng đồng hồ đo điện thông minh tại một hộ tiêu thụ lớn
Đồng hồ tổng và các đồng hồ con cho phép khách hàng có thể thực hiện
những thay đổi trong hoạt động của mình để giảm sự tiêu thụ năng lượng. Ví dụ,
nếu dữ liệu được cung cấp bởi một đồng hồ tổng chỉ cho biết một tải điện lớn đang
tồn tại khi một tòa nhà đang bị bỏ không thì có thể có thiết bị đang chạy và cần
được ngắt. Dữ liệu này cũng có thể chỉ cho thấy việc thay đổi các danh mục thiết bị
nào đó sẽ làm giảm chi phí từ các công ty bằng việc giảm nhu cầu sử dụng điện
trong suốt thời gian cao điểm. Các chỉ số sử dụng năng lượng (EUIs), như kWh
được sử dụng trên mỗi phút vuông (kWh/SF) có thể được so sánh giữa các tòa nhà
tương tự nhau để xác định xem nếu một toà nhà đang sử dụng nhiều năng lượng hơn
mức bình thường. EUIs cũng có thể được so sánh với dữ liệu trước đó để biết được
khi nào việc sử dụng năng lượng của một tòa nhà tăng lên. Do hiệu suất thiết bị có
xu hướng giảm dần theo thời gian nên những theo dõi về việc sử dụng năng lượng
có thể cho thấy khi nào thiết bị cần được bảo hành hay thay thế. Ứng dụng phần
mềm quản lý sẽ chuyển dữ liệu đo được thành thông tin để cung cấp dữ liệu xu

19


Luận văn cao học

hướng, các khả năng hỗ trợ tính giá xác định các nguồn phí yêu cầu cao các vấn đề
chất lượng công suất. Các doanh nghiệp như Triacta sẽ đọc các số đo từ xa và cung
cấp cho những người chủ nhà hay trang bị cho các nhà quản lý sự truy nhập trên
nền web vào những công cụ theo dõi chi phí năng lượng và dữ liệu liên quan do vậy
loại bỏ được nhu cầu bảo trì phần cứng và phần mềm.
Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có hai lớp: lớp 1 là hệ thống điện
thông thường và bên trên nó là lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường.
Tại lớp thứ 2 này đồng hồ đo điện thông minh là thành phần quan trọng nhất với


Luận văn cao học

nhà sản xuất cũng như nhu cầu thực tế tại Việt Nam đang sử dụng những chức năng
chính sau:
 Đo lường các đại lượng điện cơ bản:
o Giá trị điện áp pha, điện áp dây, điện áp trung bình;
o Dòng điện pha, dòng điện trung bình;
o Góc lệch pha; Góc lệch pha trung bình;
o Công suất tác dụng tức thời, công suất phản kháng tức thời;
o Tần số.
 Các bộ ghi điện năng tổng:
o Điện năng tác dụng tổng theo chiều giao và nhận;
o Điện năng phản kháng của các góc phần tư.
 Các bộ ghi công suất:
o Công suất tác dụng tổng theo hai chiều giao và nhận;
o Công suất phản kháng của các góc phần tư.
 Các bộ ghi điện năng theo thời gian sử dụng (bộ ghi biểu giá): Có các
thanh ghi điện năng theo thời gian sử dụng được định nghĩa theo nhu cầu
của người sử dụng.
 Các bộ ghi công suất tác dụng cực đại theo thời gian sử dụng: Có các thanh
ghi công suất tác dụng cực đại được định nghĩa theo nhu cầu của người sử
dụng.
 Biểu giá theo thời gian trong ngày: Có khả năng lập trình được biểu giá
thời gian trong ngày, theo mùa, ngày chuyển mùa, ngày đặc biệt. Thời gian
bắt đầu và kết thúc của mỗi biểu giá được ấn định bằng giờ, phút bất kỳ
trong ngày.

21


 Có khả năng lưu trữ biểu đồ phụ tải, nhu cầu phụ tải tính toán dựa theo chu
kỳ tích phân công suất theo thời gian.

23


Luận văn cao học

Hình 1.6. Biểu đồ phụ tải đọc từ đồng hồ đo điện thông minh
 Thông tin bảo mật: Đồng hồ thông minh ghi được sự kiện lập trình thay đổi
thông số, cấu hình đồng hồ, thời điểm xảy ra sự kiện: Số lần lập trình và
thời gian lập trình lần cuối, số lần thiết lập reset giá trị thanh ghi điện năng,
công suất cực đại và thời điểm reset, sự kiện về thay đổi thời gian của đồng
hồ và thời điểm thay đổi.

24