Design of a smart energy management, control and monitoring experimental system

ất 
trung bình của công suất tức thời trong một khoảng 
thời gian lấy mẫu và được xác định hư sau: 
 ( ) ( ) ( )
N N
k 1 k 1
1 1P p k u k i k
N N= =
= =∑ ∑ (7) 
Công suất biểu kiến của mạch điện được xác định 
bằng tích của điện áp trị hiệu dụ g Urms và dòng 
điện trị hiệu dụng Irms của mạc điện đó. Do đó, 
sau kh đã xác định được điện áp tr hiệu dụng Urms 
theo (3) và dòng điện trị hiệu dụng Irms theo (5), thì 
công suất biểu kiến sẽ được xác định như sau: 
 rms rmsS U I= × (8) 
Hệ số công suất được xác định như sau: 
 Pcos
S
ϕ = (9) 
CSPK được xác định hư sau: 
 2 2Q S P= − (10) 
Điện năng tiêu thụ được xác định như sau: 
 A P t= × (11) 
1 
2 3 4 
5 
6 7 8 
9 
11 
12
13 
10 
14 
Chú thích: 
1: Arduino Wemos R32 
2: Cảm biến điện áp ZMPT101B 
3: Cảm biến dòng điện mạch 1 
4: Cảm biến dòng điện mạch 2 
5. Cảm biến dòng điện mạch 3 
6: Rơle đóng/cắt mạch 1 
7: Rơle đóng/cắt mạch 2 
8: Rơle đóng/cắt mạch 3 
9: LCD 
10. Mô đun wifi ESP8266 
11: Ngõ vào nguồn cấp 220VAC 
12: Ngõ ra 1 (cấp tải 1) 
13: Ngõ ra 2 (cấp tải 2) 
14: Cáp USB kết nối máy tính 
Tải 1 Tải 2 
Hệ thống 
quản lý, 
điều khiển 
và giám sát 
điện năng 
thông minh 
Nguồn 
220VAC 
( ) ( ) ( )p k u k i k=
39
QUY NHON UNIVERSITY
SCIENCEJOURNAL OF
Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 35-43
u(k) và dòng điện lấy mẫu i(k) từ cảm biến điện áp 
ZMPT101B và cảm biến dòng điện ACS712 đưa 
vào chân đầu vào tương tự của Arduino Wemos.
Bước 5: Cập nhật giá trị điện áp bình 
phương, dòng điện bình phương và công suất tức 
thời từ mẫu mới đọc được:
 (13)
Bước 6: Kiểm tra điều kiện mẫu thứ k có 
bằng số mẫu N hay không (k = N?).
Bước 7: Nếu k < N thì quay lại Bước 5, 
còn nếu k = N thì chuyển sang Bước 8.
Bước 8: Tính toán giá trị điện áp hiệu 
dụng U
rms
, dòng điện hiệu dụng I
rms
, CSTD P, 
công suất biểu kiến S, CSPK Q, hệ số công suất 
cosφ và điện năng tiêu thụ A.
(14)
Bước 9: End
3.3.	Giải	thuật	DSM	và	bảo	vệ	quá/thấp	áp
Đối với quản lý nhu cầu phụ tải, bài báo 
này nghiên cứu ứng dụng hai kỹ thuật đó là: 
Giảm đỉnh và nâng đáy để thiết kế thực nghiệm 
cho hệ thống như hình 3. Như vậy, CSTD của 
mạch điện đo được sẽ được so sánh với giá trị 
CSTD nhỏ nhất (P
min
) và CSTD lớn nhất (P
max
) 
để thực hiện kỹ thuật giảm đỉnh và nâng đáy sao 
cho hợp lý.
Hình	3. Kỹ thuật giảm đỉnh, nâng đáy
Để thực hiện hai kỹ thuật trên, hệ thống 
thực nghiệm qui ước như sau: Rơle 1: Nhánh 1 
(mạch tổng có CSTD là P1); Rơle 2: Nhánh 2 
(mạch tải 1 có CSTD là P2); Rơle 3: Nhánh 3 
(mạch tải 2 có CSTD là P3). Giải thuật thực hiện 
việc so sánh giữa CSTD của mạch tổng P1 với 
giá trị CSTD lớn nhất P
max
 và CSTD nhỏ nhất 
P
min
 để thực hiện kỹ thuật DSM đã lựa chọn: 
giảm đỉnh và nâng đáy như sau:
- NẾU P1 > Pmax THÌ sau 3 giây sẽ cắt 
mạch tải 2 để giảm đỉnh tải tổng: P1 = P2
- NẾU P1 < Pmin THÌ sau 3 giây sẽ đóng 
mạch tải 2 để nâng đáy tải tổng: P1 = P2 + P3
Tương tự như giải thuật DSM thì giải 
thuật bảo vệ quá/thấp áp sẽ so sánh giữa điện áp 
đo được từ giải thuật ở trên với các giá trị điện áp 
nhỏ nhất U
min
 và điện áp lớn nhất U
max
 để đưa tín 
hiệu đi đóng/cắt rơle mạch tổng (rơle 1) như sau:
- NẾU U > U
max
 THÌ sau 3 giây sẽ: (i) Cắt 
mạch tổng để bảo vệ tải khỏi chịu quá áp; (ii) 
Hiển thị tín hiệu Overvoltage lên giao diện; (iii) 
Gửi tin nhắn cảnh báo qua điện thoại.
- NẾU U < U
min
 THÌ sau 3 giây sẽ: (i) Cắt 
mạch tổng để bảo vệ tải khỏi chịu thấp áp; (ii) 
Hiển thị tín hiệu Undervoltage lên giao diện; (iii) 
Gửi tin nhắn cảnh báo qua điện thoại.
- NẾU U
min
 ≤ U ≤ U
max
 THÌ sau 3 giây sẽ: 
(i) Đóng mạch tổng để cấp điện cho tải làm việc 
bình thường; (ii) Reset các hiển thị trên giao diện 
giám sát.
3.4. Thiết	kế	 giao	diện	quản	 lý,	 giám	 sát	 và	
điều	khiển	từ	xa
Nhóm	1: Điều	khiển	và	giám	sát
Nhóm này thuộc Tab Control của chương 
trình phần mềm, giao diện của nhóm 1 được thể 
hiện như hình 4. Các chức năng được thực hiện 
trên giao diện của nhóm 1 bao gồm: (i) Điều 
khiển đóng/cắt các rơle của phần mạch lực; (ii) 
Bật/tắt chức năng quản lý nhu cầu phụ tải DSM; 
(iii) Thay đổi giá trị đặt Pmin và Pmax bằng slider; 
(iv) Hiển thị các giá trị điện áp, dòng điện, 
CSTD và điện năng tiêu thụ. Ngoài ra, trên giao 
diện của nhóm 1 còn có thể thực hiện chức năng 
báo cáo (Reports) để gửi thông tin thời gian và 
40
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HỌCTẠP CHÍ
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 35-43
các dữ liệu đo lường như: Điện áp, dòng điện, 
CSTD, điện năng tiêu thụ, đến địa chỉ email 
mong muốn. Điều này giúp khách hàng sử dụng 
điện có thể dễ dàng quản lý nhu cầu sử dụng điện 
của mình trong tháng. Đối với chức năng báo 
cáo này thì sau khi chạy chương trình, người sử 
dụng có thể lựa chọn 1 trong 4 phương thức báo 
cáo như sau:
- Báo cáo tháng (Monthly): Khi lựa chọn 
phương thức này, chương trình sẽ báo cáo đến 
email trong một tháng chọn trước hoặc lặp lại hàng 
tháng (thời gian lấy mẫu là 1 giờ hoặc 1 ngày).
- Báo cáo tuần (Weekly): Khi lựa chọn 
phương thức này, chương trình sẽ báo cáo đến 
email trong một tuần chọn trước hoặc lặp lại hàng 
tuần (thời gian lấy mẫu là 1 giờ hoặc 1 ngày).
- Báo cáo ngày (Daily): Khi lựa chọn 
phương thức này, chương trình sẽ gửi báo cáo 
đến email trong một ngày chọn trước hoặc lặp 
lại hàng ngày (thời gian lấy mẫu là 1 phút hoặc 
1 giờ).
- Báo cáo một lần (One-time): Khi lựa 
chọn phương thức này, chương trình sẽ gửi báo 
cáo một lần đến email ngay tại thời điểm kích 
hoạt chức năng báo cáo.
Hình	4. Giao diện nhóm 1
Hình	5. Giao diện nhóm 2
Nhóm	2: Bảo	vệ	quá/thấp	áp
Nhóm này thuộc Tab Protect của chương 
trình phần mềm, giao diện của nhóm 2 được thể 
hiện như hình 5. Các chức năng được thực hiện 
trên giao diện của nhóm 2 bao gồm: Bật/tắt chế 
độ bảo vệ quá/thấp áp; cài đặt điện áp cho phép 
nhỏ nhất và lớn nhất bằng slider; hiển thị điện 
áp, dòng điện, CSTD và CSPK dạng Gauge; 
hiển thị LED ảo báo trạng thái quá/thấp áp; 
thông báo quá/thấp áp qua tin nhắn điện thoại.
Nhóm	3: Hiển	thị	dạng	đồ	thị
Nhóm 3 thuộc Tab Graph có giao diện như 
hình 6. Bao gồm có 2 đồ thị trên giao diện này: 
đồ thị ở trên được sử dụng để hiển thị điện áp, 
dòng điện của mạch 1 (mạch tổng) theo thời gian 
thực và được cập nhật liên tục sau mỗi giây; đồ 
thị ở dưới được sử dụng để hiển thị CSTD của 
ba mạch.
41
QUY NHON UNIVERSITY
SCIENCEJOURNAL OF
Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 35-43
Hình	6. Giao diện nhóm 3
4.	KẾT	QUẢ	THỰC	NGHIỆM
Sau khi thiết kế phần cứng và phần mềm 
của hệ thống, đề tài tiếp tục đi vào thực nghiệm 
để thu thập kết quả so sánh, đánh giá và phân tích 
hiệu quả của hệ thống đã thiết kế. Với đối tượng 
là hệ thống một pha 220VAC và tính thông dụng, 
nên các tải gia dụng được tác giả sử dụng để làm 
thực nghiệm trong bài báo này bao gồm: bàn là 
220VAC 1000W và máy sấy tóc 220VAC 700W. 
Dựa vào hình 1, một số quy ước đối với phần sơ 
đồ mạch lực và các ký hiệu của các đại lượng 
đo lường như sau: Mạch 1: Mạch tổng; Mạch 2: 
Mạch tải 1; Mạch 3: Mạch tải 2; U1: Điện áp của 
mạch 1; I1, I2, I3: Dòng điện của mạch 1, 2 và 3; 
P1, P2, P3: CSTD của mạch 1, 2 và 3; Q1, Q2, Q3: 
CSPK của mạch 1, 2 và 3; A1, A2, A3: Điện năng 
tiêu thụ của mạch 1, 2 và 3. Sau khi kết nối phần 
mạch lực và cấp nguồn cho mạch điều khiển và 
đo lường thì hệ thống sẽ bắt đầu làm việc bình 
thường. Khai báo tài khoản và mật khẩu của 
mạng internet wifi tại nơi đặt hệ thống để kết 
nối hệ thống với internet wifi. Khi đó, các thông 
số đo được sẽ hiển thị trực tiếp lên màn hình 
LCD của hệ thống giúp ta có thể giám sát được 
trạng thái vận hành của hệ thống tại chỗ. Ngoài 
ra, để có thể giám sát, điều khiển từ xa thông 
qua smartphone thì smartphone cũng phải được 
kết nối với mạng internet wifi (có thể cùng mạng 
hoặc khác mạng với internet wifi kết nối với hệ 
thống), thì lúc này ta có thể mở ứng dụng Blynk 
trên smartphone để thực hiện các chức năng điều 
khiển, giám sát và quản lý hệ thống như sau.
4.1.	Chế	độ	làm	việc	bình	thường
Đối với chế độ này, tác giả tiến hành thu 
thập các kết quả thực nghiệm từ những nội dung 
như sau: Giám sát các thông số của ba mạch trên 
LCD; giám sát các thông số của ba mạch trên 
smartphone; giám sát đồ thị các thông số của 
ba mạch trên smartphone; điều khiển các mạch 
thông qua smartphone; chế độ báo cáo. Các kết 
quả chế độ này được thể hiện trực tiếp trên các 
giao diện của chương trình như trong các hình 7, 
hình 8 và hình 9 tương ứng.
Hình	7. Kết quả trên giao diện nhóm 1
Hình	8. Kết quả trên giao diện nhóm 2
42
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HỌCTẠP CHÍ
Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Quy Nhơn, 2019, 13(3), 35-43
Hình	9. Kết quả trên giao diện nhóm 3
Các kết quả hiển thị trên giao diện nhóm 
1 (Hình 7) là điện áp (V), dòng điện (A), CSTD 
(W) và điện năng tiêu thụ (Wh) của mạch tổng, 
mạch tải 1 và mạch tải 2 tương ứng. Các kết quả 
này cho thấy hệ thống đo chính xác kết quả so 
với thông số của hệ thống và tải được sử dụng để 
làm thực nghiệm trong mục này. Đối với kết quả 
trên nhóm 2 (Hình 8) là chỉ thể hiện cho thông 
số đo được đối với mạch tổng bao gồm: Điện áp 
(V), dòng điện (A), CSTD (W) và CSPK (VAr) 
dưới dạng Gauge để phục vụ việc theo dõi và 
giám sát chức năng bảo vệ quá/thấp áp của hệ 
thống. Trong khi đó, các kết quả thể hiện trong 
giao diện của nhóm 3 (Hình 9) là thể hiện dưới 
dạng đồ thị để giúp khách hàng có thể giám sát 
trực quan hình dạng thay đổi của các đại lượng 
đo được. Nghĩa là khách hàng có thể sử dụng kết 
quả này để theo dõi khi nào điện áp, công suất 
tiêu thụ tăng/giảm. Bên cạnh đó, toàn bộ dữ liệu 
của các đồ thị này có thể được xuất ra toàn bộ file 
*.csv để phục vụ công việc khác khi cần thiết. 
Cuối cùng, để có thể thực hiện chế độ báo 
cáo các thông số vận hành cũng như lượng điện 
năng tiêu thụ của phụ tải, chúng ta có thể sử dụng 
biểu tượng Reports trên giao diện nhóm 1 để lựa 
chọn 1 trong 4 phương thức báo cáo như đã trình 
bày ở trên. Sau đây là một ví dụ minh họa được 
tiến hành thực nghiệm từ chương trình, cụ thể là 
kết quả được xuất ra file *.csv như hình 10.
Hình	 10. Dạng file *.csv trong Excel của báo cáo 
phương thức One-time.
4.2.	Chế	độ	quản	lý	nhu	cầu	phụ	tải	(DSM)
Đối với chế độ này, tác giả tiến hành 
thu thập các kết quả thực nghiệm từ những nội 
dung như sau: Kích hoạt chức năng DSM; cài 
đặt giá trị CSTD nhỏ nhất (P
min
) và CSTD lớn 
nhất (P
max
); thay đổi tải để kiểm nghiệm chức 
năng DSM; giám sát sự thay đổi của đồ thị điện 
áp, dòng điện, công suất. Sau khi đã kích hoạt 
chế độ DSM và thiết lập các giá trị P
min
 và P
max
bằng cách sử dụng các slider trên giao diện của 
chương trình thì hệ thống sẽ hoạt động theo chế 
độ này. Kết quả kiểm nghiệm được thực hiện 
bằng cách thay đổi tải 1 để kiểm chứng sự hoạt 
động của chức năng này. Các kết quả cho thấy hệ 
thống làm việc tin cậy và đúng theo chức năng 
đã thiết kế.
4.3.	Chế	độ	bảo	vệ	quá/thấp	áp
 Đối với chế độ này, tác giả giả định điện 
áp nguồn thay đổi và tiến hành thu thập các kết 
quả thực nghiệm từ những nội dung như sau: 
Kích hoạt chức năng bảo vệ quá/thấp áp; cài đặt 
43
QUY NHON UNIVERSITY
SCIENCEJOURNAL OF
Journal of Science - Quy Nhon University, 2019, 13(3), 35-43
giá trị điện áp nhỏ nhất (U
min
) và điện áp lớn nhất 
(U
max
); thay đổi điện áp nguồn để kiểm nghiệm 
chức năng bảo vệ quá/thấp áp; giám sát sự thay 
đổi điện áp, dòng điện, CSTD, CSPK của mạch 
tổng. Tương tự, chức năng bảo vệ quá/thấp áp 
sẽ được kích hoạt từ giao diện của nhóm 3, sau 
đó thiết lập các giá trị điện áp nhỏ nhất U
min
 và 
điện áp lớn nhất U
max
 từ giao diện chương trình. 
Sử dụng ổn áp để giả lập điện áp nguồn thay đổi 
nhằm kiểm chứng chức năng này. Kết quả kiểm 
nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động tin cậy và 
đúng theo chức năng đã thiết kế.
5.	KẾT	LUẬN
Hệ thống quản lý và giám sát điện năng 
thông minh đã thiết kế trong bài báo này có thể 
thực hiện các chức năng như điều khiển và giám 
sát trong thời gian thực hiện các thông số: điện 
áp, dòng điện, CSTD, CSPK, điện năng tiêu 
thụ, bằng cách hiển thị thông số lên LCD và 
có thể giám sát thông số thông qua smartphone 
có kết nối với hệ thống thông qua phương thức 
truyền thông mạng internet wifi. Do đó, khách 
hàng có thể truy cập ở bất kỳ nơi nào, bất kỳ thời 
điểm nào miễn là có thể truy cập được internet, 
3G, 4G thì người vận hành có thể quản lý, điều 
khiển và giám sát hệ thống của mình. Chức năng 
của hệ thống về quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) 
cũng được nghiên cứu nhằm đáp ứng được yêu 
cầu đặt ra của bài toán DSM với mục đích san 
phẳng đồ thị phụ tải góp phần mang lại nhiều 
hiệu quả vận hành cho lưới điện. Mà trong đó, 
kỹ thuật giảm đỉnh và nâng đáy được nghiên cứu 
thiết kế cho hệ thống. Ngoài ra, chức năng bảo 
vệ quá/thấp áp cũng được nghiên cứu tích hợp 
vào trong hệ thống để bảo vệ cho các phụ tải 
không bị hư hỏng khi có quá/thấp áp xảy ra ở 
phía nguồn. Đồng thời, hệ thống sẽ đưa ra tín 
hiệu cảnh báo sự cố này bằng cách hiển thị lên 
màn hình giám sát và gửi tin nhắn qua điện thoại 
của người vận hành hệ thống. Cuối cùng, các tính 
năng thông minh khác như theo dõi lượng điện 
năng tiêu thụ của phụ tải, xuất báo cáo các thông 
số đo được hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng đến 
khách hàng sử dụng điện. Các kết quả trên màn 
hình giám sát được hiển thị dưới dạng số, đồ thị, 
dạng gauge để giúp khách hàng dễ dàng theo dõi 
tình trạng làm việc của hệ thống được cập nhật 
liên tục theo thời gian thực.
TÀI	LIỆU	THAM	KHẢO
1. Trần Đình Long, Nguyễn Sỹ Chương. Sách tra 
cứu về chất lượng điện năng, Nxb Bách khoa, 
Hà Nội, 2013.
2. Ngô Minh Khoa. Nghiên cứu nhiễu loạn điện áp 
trong lưới điện phân phối, Luận án tiến sĩ, Đại 
học Đà Nẵng, 2017.
3. Thiều Minh Đức, Nguyễn Hoàng Nam, Bùi 
Đăng Thảnh, Nguyễn Huy Phương, Trịnh Công 
Đồng. Ứng dụng kiến trúc mở Arduino trong 
thiết kế thiết bị giám sát điện năng không dây, 
Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và 
Tự động hóa - VCCA, 2015.
4. Massimo Banzi, Michael Shiloh. Getting Started 
with Arduino, Maker Media, Inc., 2015.
5. M. J. Mnati, A. Van den Bossche, and R. F. 
Chisab. Smart Voltage and Current Monitoring 
System for Three Phase Inverters Using an 
Android Smartphone Application, Sensors, 17, 
872, 2017.
6. P. Srividyadevi, D. V. Pusphalatha and P. M. 
Sharma. Measurement of Power and Energy 
Using Arduino, Research Journal of Engineering 
Sciences, 2(10), 10-15, October 2013.
7. K. N. Ramli, A. Joret and N. H. Saad. 
Development of Home Energy Management 
System Using Arduino, 2014.
8. P.P. Machado Jr, T.P. Abud, M.Z. Fortes, 
B.S.M.C. Borba. Power factor metering system 
using Arduino, 2017 IEEE Workshop on Power 
Electronics and Power Quality Applications 
(PEPQA), Bogota, Colombia, 31 May-2 June, 
2017.