Tài liệu kỹ thuật

I. Giới thiệu

Năng lượng điện là nguồn năng lượng thiết yếu không thể thiếu với sự tồn tại của con người và việc nâng cao chất lượng cuộc sống được tiến hành thông qua việc tự động hoá phân phối và quản lý năng lượng điện. Với sự phát triển cuả công nghệ, nhu cầu tự động hoá hệ thống đo đếm ngày càng cao. Công nghệ Công tơ điện tử đã phát triển nhanh chóng thành Hệ thống Đo đếm Từ xa (Automatic Meter Reading - AMR) và Hạ tâng Đo đếm Tiên tiến ( AMI). Quy trình đọc thiết bị đo truyền thống sử dụng đồng hồ đo tương tự thu thập dữ liệu điện sử dụng và hiển thị trên màn hình nổi số hoặc màn hình số. Nhân viên điện lực đi đến địa điểm đặt công tơ và ghi lại chỉ số vào ngày cuối chu kỳ. Quá trình đọc truyền thống làm lãng phí nhân lực và dễ xảy ra sai sót. Thủ tục gửi hoá đơn cho khách hàng cũng mất công và rườm rà. Quá trình này cũng tốn nhiều thời gian. Một nhược điểm khác là cách đo này không cho biết dự đoán năng lượng tiêu thụ để khách hàng có biện pháp tiết kiệm. 

Hệ thống Đo đếm Từ xa là công nghệ dùng thiết bị đo điện thu thập dữ liệu và truyền về trung tâm phục vụ xử lý lên hoá đơn thanh toán. Hệ thống đo đếm từ xa giúp khách hàng và Công ty cấp điện truy cập chính xác và cập nhập kịp thời dữ liệu từ đồng hồ đo. Hệ thống ARM có thể cập nhập dữ liệu từng giờ, từng ngày, từng tháng hoặc thập chí theo thời gian thực. Dữ liệu năng lượng sử dụng thu thập được là nguồn dữ liệu quý giá để các nhà phân tích dữ liệu dùng công cụ phân tích dữ liệu dự đoán nhu cầu sử dụng năng lượng của hộ gia đình, khu vực, thành phố và đất nước trong tương lai.

II. Các phương pháp triển khai

II.1 Đo đếm từ xa dựa trên mạng di động

Thiết bị bao gồm modun Đo đếm từ xa chính với các Modun đo điện và Modun truyền thông. Ở đây modun truyền thông sử dụng modun kết nối cho mạng di động. Mạng di động phủ sóng toàn quốc nên không cần triển khai mạng riêng cho hệ thống đo đếm từ xa. Công nghệ di động hỗ trợ giao thức  SMS (Short Message Service) và GPRS (General Packet Radio Service) cho việc gửi yêu cầu và nhận thông tin từ thiết bị đo. Mạng di động hiệu quả, ổn định và giao thức an toàn được sử dụng rộng rãi hàng chục năm nay. Chi phí thấp, lắp đặt đơn giản, khoảng cách hoạt động lớn, không cần sự can thiệp của con người là ưu điểm của hệ thống đo đếm dựa trên mạng di động. 

Bên dưới là mô hình hệ thống đo đếm từ xa sử dụng modem GSM và card P2C(Power to Communication) bên trong, kết nối với thiết bị đo qua cổng RS 232 để lấy dữ liệu. Tin nhắn SMS dùng yêu cầu và nhận dữ liệu đo điện, thậm chí sử dụng cắt điện khi hoá đơn chưa được thanh toán. Người dùng cũng có thể phản hồi, đọc công tơ tại gia đình từ bất kỳ đâu dùng tin nhắn SMS. RTC (Real Time Clock) dùng lấy mẫu đo ngay cả khi mất điện cấp và EEPROM dùng lưu dữ liệu lịch sử đo. Máy tính với bộ thu GSM tại nhà cung cấp điện dùng lên hoá đơn thanh  toán. Tập hợp lệnh chuẩn tại thiết bị đo dùng giao tiếp giữa modem và thiết bị đo. Hệ thống hỗ trợ các chức năng thương mại điện tử như lên hoá đơn, in ấn, giao diện lịch sử xem hoá đơn ... 

 Hình 1 - Mô hình Đo đếm Từ xa qua mạng di động.

II.2 Đo đếm từ xa qua Zigbee

ZigBee là giao thức truyền thông cho mạng cá nhân nhỏ dùng sóng vô tuyến số năng lượng thấp sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4 . Thiết bị ZigBee có thể kết nối trong khoảng 10-100 m và mở rộng vùng phủ sóng ra được sử dụng mô hình kết nối mesh. Do có chi phí thấp nên giao thức được sử dụng rộng rãi cho ứng dụng điều khiển và giám sát qua mạng không dây. ZigBee dùng thiết kế truyền tốc độ cao cho các ứng dụng tần số sử dụng thấp nên yêu cầu sử dụng ít năng lượng là ưu tiên hàng đầu để thời gian sử dụng lâu. Tốc độ truyền ZigBee là 250 kbit/s thích hợp cho truyền thông số cảm biến hoặc nhập dữ liệu đầu vào. Mô hình mạng đo đếm sử dụng ZigBee thể hiện trong hình 2.

Thiết bị đo điện số ZigBee được lắp đặt tại hộ gia đình tại đầu hệ thống hoá đơn e-billing công ty cung cấp năng lượng. Đồng hồ đo số ZigBee (ZigBee digital power meter) là đồng hồ đo điện số 1 pha kWh tích hợp modem ZigBee bên trong đọc chỉ số điện sử dụng và truyền về công ty điện lực. Tại đầu công ty điện lực hệ thống e-billing dùng quản lý tất cả bộ đọc công tơ, tính toán hoá đơn, cập nhập dữ liệu và gửi hoá đơn cho khách hàng qua mạng không dây. 

Một mô hình khác sử dụng ZigBee bao gồm bộ tập trung ( control terminal), modem GPRS và modun đo. ZigBee dùng cho truyền khoảng cách ngắn trong hộ gia đình, còn GRPS dùng truyền từ bộ tập trung. Thiết kế phân tách như vậy giúp giảm được dư thừa băng thông truyền dẫn. Phần mềm được thiết kế sau cho tiết kiệm năng lượng cho mỗi giao thức. Thiết bị ZigBee thì rẻ dễ dàng vận hành như bị giới hạn về khả năng xử lý, bộ nhớ và công suất. Chúng chỉ dùng cho kết nối khoảng cách ngắn.

Hình 2. Mô hình Đo đếm từ xa dùng ZigBee.

II.3 Đo đếm Điện từ xa sử dụng SCADA

SCADA mã hoá tín hiệu điều khiển trên kênh truyền thông cho phép điều khiển thiết bị từ xa. Nó bao gồm phần mềm điều khiển vận hành, thu thập dữ liệu theo thời gian thực từ điểm đầu xa đến thiết bị điều khiển. SCADA bao gồm việc thu thập dữ liệu qua thiết bị RTU, PLC (programmable logic controllers) và Thiết bị Điện thông minh (IED - intelligent electronic devices), truyền về trung tâm, đưa ra phân tích và điều khiển cần thiết sau đó hiện thông tin lên màn hình đièu hành. Thuật toán D-SCADA và theo dõi an toàn phân tán được thể hiện trên hình 3. Hệ thống SCADA cô lập và định vị chính xác vị trí sự cố giúp tiết kiệm điện năng. Hệ thống theo dõi và điều khiển giúp điều khiển từ xa nhiều cơ sở từ một điểm duy nhất. Các hệ thống sử dụng SCADA dễ bị tấn công mạng. 

Hình 3. Đo đếm từ xa dùng thuật toán D-SCADA

II.4 Đo đếm từ xa dùng giao thức PLC

PLC là giao thức truyền dẫn qua cáp điện đang sử dụng. Giao thức giúp cho việc điều khiển và thu thập dữ liệu từ xa qua phương thức bán song công. PLC như các giao thức truyền thông khác bộ truyền sẽ điều chế tín hiệu gửi đi, ghép vào cáp điện và bộ thu giải điều chế lấy ra dữ liệu. Ưu điểm chính của PLC là truyền dùng cáp điện đang có sẵn. Vì thế PLC có thể dùng để truyền dữ liệu từ công tơ đến bộ tập trung kết hợp với GSM/GRPS. Dữ liệu từ công tơ được truyền qua PLC đến bộ tập trung, và từ bộ tập trung truyền đến trung tâm dùng GSM/GRPS. Máy chủ này lại truyền dữ liệu đến máy chủ tính cước tự động và hạ tầng thanh toán cước. Các dịch vụ giá trị gia tăng sẽ gửi thông tin sử dụng đến khách hàng, cảnh báo nếu phát hiện rò rỉ khí gas và đóng van cấp khí gas, cho phép thanh toán qua thẻ tín dụng ...

Kết nối giữa bộ tập trung (concentrator) và  bộ tính cước (collector)  dùng PLC được thể hiện trên hình 4.  Bộ tính cước dùng lưu và xử lý dữ liệu từ các thiết bị đo  với sự giám sát bộ tập trung. Bộ tập trung gửi lệnh đến bộ tính cước để nhận chỉ số đo định kỳ.

Có hai yếu tố khiến việc đo qua PLC không ổn định là suy hao tín hiệu qua đường dây điện và nhiễu ngẫu nhiên. Do suy hao nên bộ đọc sóng mang không thể đọc chỉ số công tơ ổn đinh nếu không có bộ phát lặp hoặc kỹ thuật chống suy hao. Nhiễu ngẫu nhiên làm tăng suy hao mạng điện và giảm độ nhạy thu. Việc này ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống đọc công tơ. Hệ thống dùng PLC tận dụng được đường dây điện có sẵn để truyền dẫn tín hiệu và truyền khoảng cách xa hơn hệ thống đọc không dây, nhưng tín hiệu đọc công tơ không ổn định. 

Hình 4. Mô hình Đo đếm Từ xa qua PLC

II.5 Đo đếm từ xa dùng Wimax

Wimax là công nghệ truyền dẫn không dây cho phép truyền dữ liệu tốc độ 3--40 Mbps, cho cả ứng dụng di động và cố định. Wimax cho phép truyền dẫn khoảng cách xa và tốc độ lớn.

Bộ đọc đọc số vòng quay đĩa trên công tơ sau đó lưu vào bộ vi xử lý. Vì thế nên không cần phải thay thế hệ thống công tơ đang có sẵn. Modun được lắp thêm bên ngoài công tơ điện đo dòng tương tự. Bộ truyền dẫn tín hiệu Wimax truyền dữ liệu từ công tơ về máy chủ cho khoảng cách xa.  Quá trình nhận dữ liệu và xử lý dữ liệu từ thiết bị đo được điều khiển bằng bộ vi xử lý khác. Ứng dụng sẽ lấy dữ liệu đo từ bộ vi xử lý này. Việc phân tách chức năng để tránh sự giả mạo hoặc gián đoạn trong quá trình đọc thiết bị đo. Mô hình hệ thống được thể hiện trong hình 5. Hệ thống ở đây rẻ tiền, linh hoạt và truyền dẫn tốc độ cao ở khoảng cách xa. Tuy nhiên Wimax tồn tại lỗ hổng về bảo mật ở lớp vât lý (PHY) và lớp MAC, nhiều loại tấn công qua mạng không dây tận dụng được như: interception, fabrication, modification, và replay. Điều kiện thời tiết bên ngoài như mưa cũng có thể làm gián đoạn dịch vụ.

Hình 5. Mô hình đo đếm từ xa dùng Wimax

II.6 Đo đếm từ xa dùng giao thức hỗn hợp

Hệ thống tự động đọc thiết bị đo bằng cách chụp ảnh đồng hồ đo Năng lượng và chuyển ảnh về bằng công nghệ ZigBee. Hệ thống tự tạo hoá đơn và gửi chỉ số công tơ tháng này và tháng trước đó về khách hàng bằng tin nhắn SMS. Phần mềm Mathlab chuyển ảnh đồng hồ đo thành số hoá. Camera C328R serial VGA lắp trước công tơ đo chụp ảnh công tơ truyền về phần mềm nhận dạng chuyển ảnh thành dữ liệu số. Bước này nhằm tránh việc giả mạo thông số đồng hồ đo. Để nhận dạng số chỉ phần hình ảnh có chỉ số công tơ được trích xuất ra. Nó sẽ phải qua quá trình xử lý ảnh như chuyển ảnh màu RGB thành ảnh xám, ảnh trắng đen và sau đó tách phân đoạn chữ số. Mỗi chữ số được tách ra và so sánh với cơ sở dữ liệu ảnh chữ số đã lưu trước đó, nhận dạng chuyển sang dữ liệu số.  Cách đọc này cho phép sử dụng công tơ hiện tại, tuy nhiên sử dụng Mathlab sẽ làm tăng chi phí. Phương pháp đo đếm này tiêu thụ ít năng lượng và cho khoảng cách truyền ngắn.

Dưới đây là 2 mô hình đo đếm dùng kết hợp 2 công nghệ  ZigBee và GSM: 1. PIC Microcontroller đếm xung từ IC đo. 2. Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) phát hiện, xử lý và lưu trữ dữ liệu đo ra. 

Tại hệ thống thứ nhất, IC đo tạo dữ liệu đo dưới dạng xung đếm theo bộ đếm theo thời gian mặc định của  PIC microcontroller. Vi mạch TTL chuyển ngược xung cho bộ đếm. PIC microcontroller có phần mềm đọc dữ liệu từ IC đo. Dữ liệu được truyền đến tủ tập trung sơ cấp (Base station) dùng công nghệ ZigBee và chuyển đến Tủ tập trung chính (Main EB Station) dùng modem GSM.

Tại hệ thống thứ hai, mạng cảm biến bao gồm nhiều trạm phát hiện tín hiệu gọi là node cảm biến (có chứa transducer, microcomputer, transceiver), nhỏ, nhẹ và mang xách được. Transducer tạo tín hiệu điện dựa trên hiệu ứng vật lý và cảm ứng. microcomputer xử lý và lưu trữ dữ liệu đo. Transceiver nhận lệnh và truyền dữ liệu đo về máy chủ trung tâm. Cuối cùng dữ liệu được truyền về trung tâm tạo hoá đơn cho từng hộ gia đình, thời hạn thanh toán, xác nhận việc thanh toán.   

Mô hình mạng cảm biến không dây (WSN) loại bỏ hầu hết các loại dây dẫn mà mô hình PIC microcontroller sử dụng. WSN có chi phí đắt hơn so với PIC, và dễ bị tấn công. Nhưng mặt khác PIC có cấu trúc phức tạp và dễ bị tấn công hơn WSN.

Quá trình tự động đọc công tơ thực hiện sử dụng GSM và bộ điều khiển tự động đọc công tơ (ARM Controller). Hệ thống dùng bộ xử lý ARM xử lý dữ liệu đầu vào, tính toán hoá đơn và UART dữ liệu truyền lên modem GSM. Nó bao gồm bộ phận đo năng lượng chống giả mạo, bộ điều khiển relay đóng cắt từ xa, modun truyền dẫn không dây truyền dẫn dữ liệu giữa bộ truyền dữ liệu và trung tâm điều khiển năng lượng dùng thu thập dữ liệu, xử lý và nhắn tin SMS đến khách hàng. Hệ thống đọc xung đầu vào và đếm số xung được tăng bên trong bộ đếm chỉ số điện tiêu thụ tại khách hàng. ARM Controller gửi số đếm này đến UART, mà sau đó sẽ được truyền đến GSM modem. GSM modem truyền dữ liệu đến trung tâm dưới dạng tin nhắn SMS. Nhà cung cấp có thể cắt công tơ khách hàng từ xa với những hoá đơn chưa được thanh toán.

Hình 6. Mô hình đo đếm hỗn hợp

Hệ thống cuối cùng bao gồm kết hợp thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa, module GRPS và module đo đếm người dùng. Module đo đếm người dùng bao gồm ba khối: module thu thập dữ liệu người dùng thông minh (intelligent instrument data acquisition module), module lưu trữ dữ liệu và module truyền dẫn. Dữ liệu thu thập được lưu trong bộ nhớ đệm và truyền đến thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa qua mạng không dây. Cấu trúc mạng đo đếm từ xa ARMS thể hiện trong hình 6. Chức năng truyền dẫn tại module GRPS cho khoảng cách ngắn được thực hiện bằng chíp CC2430 và thiết bị điều khiển từ xa dùng chip SIM300. Cấu trúc clustering được sử dụng để tránh việc truyền dẫn lặp lại. ZigBee được sử dụng cho truyền dẫn khoảng cách ngắn và GPRS dùng truyền dẫn đến thiết bị đầu cuối từ xa. Thông số đo tại người sử dụng sẽ được tập trung lên gateway trước khi chuyển về trung tâm điều khiển hoặc truyền đi khoảng cách xa hơn. Phần mềm được thiết kế để tiết kiệm năng lượng trong các giao thức truyền dẫn. Hệ thống có giá thành rẻ, thích hợp với mô hình cung cấp dịch vụ điện, nước, ga và rất an toàn. Độ lớn của bộ đệm dữ liệu sẽ quyết định chất lượng gửi và nhận. Hệ thống này không hỗ trợ khả năng đóng cắt dịch vụ từ xa.

III. So sánh

Bảng so sánh tổng thể các hệ thống đo đếm từ xa

 IV. Kết luận

 Nhiều quốc gia đang muốn triển khai hệ thống đo đếm từ xa trên toàn quốc nhưng đây vẫn là mục tiêu khó khăn do những yếu tổ ảnh hưởng như chi phí, tính khả thi và phần lớn là việc phải thay thế hệ thống đo đếm đang sử dụng. Nhưng càng ngày chi phí sẽ ngày càng giảm do sự phát triển của công nghệ và quy mô sản xuất quy mô lớn. Các hệ thống thông minh cho phép khách hàng xem tức thời số tiêu thụ đã sử dụng, đóng cắt công tơ bằng ứng dụng điện thoại để cắt năng lượng sử dụng không cần thiết. Hơn thế nữa nếu dữ liệu năng lượng được lưu trữ tập trung và tức thời sẽ cho nhà cung cấp dịch vụ và chính phủ dự đoán đươc nhu cầu tiêu thụ để có thể khai thác nguồn cung và có biện pháp dự phòng không làm gián đoạn việc cung cấp năng lượng.