TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRÊN
NỀN ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY

Lớp: CN DTTT2-K56
SHSV: 20116137
Giảng viên hướng dẫn:

ThS. NGUYỄN VIỆT ANH

Hà Nội, 5/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Giảng viên đánh giá:......................................................
Họ và tên Sinh viên:................................................ MSSV:…………………
Tên đồ án: ................................... ................................... ...................................
…………………………………………………………………………………..

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và
1 các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như 1 2 3 4 5
phạm vi ứng dụng của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1 2 3 4 5
Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
4
1 2 3 4 5
đạt được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
5 thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3 4 5

6

7

thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết
quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa
kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp
lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

1 2 3 4 5


1 2 3 4 5

tương lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương
logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được
8

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,
có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

1 2 3 4 5

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

9

trích dẫn đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

1 2 3 4 5
học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)


Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
10a

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa


5

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng
phát minh sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

10b

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

2

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest.
10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học
Điểm tổng

0
/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh
thần làm việc của sinh viên)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.............................................................................................
Ngày:

/

/201

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Giảng viên đánh giá:......................................................
Họ và tên Sinh viên:................................................ MSSV:…………………
Tên đồ án: ................................... ................................... ...................................


…………………………………………………………………………………..
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và
1 các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như 1 2 3 4 5
phạm vi ứng dụng của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1 2 3 4 5
Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
4
1 2 3 4 5
đạt được

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
5 thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3 4 5

6

7

thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết
quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa
kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp
lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

tương lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương
logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được
8

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,
có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

1 2 3 4 5


chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

9

10a

trích dẫn đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

1 2 3 4 5
học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa
học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng
phát minh sáng chế

5


Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
10b

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

2

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest.

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học
Điểm tổng

0
/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10
3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.............................................................................................
Ngày:

/

/201

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay nhu cầu về tiết kiệm năng lượng trở nên hết sức cấp thiết, trong đó
việc đo lường tiêu thụ năng lượng điện là một trong các yếu tố để kích thích việc
tiết kiệm. Theo các nghiên cứu trên thế giới, nếu người dùng biết được lượng điện
tiêu thụ trong thời gian thực và nhận được các cảnh báo đúng thời điểm thì có thể
tiết kiệm từ 5-20% tiêu thụ.
Để góp phần triển khai thành công Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và

hiệu quả, ngày 08/11/2012 Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt đề án phát triển Lưới
điện Thông minh tại Việt Nam, với mục tiêu: “Phát triển lưới điện thông minh với
công nghệ hiện đại nhằm nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện;
góp phần trong công tác quản lý nhu cầu điện, khuyến khích sử dụng năng lượng


tiết kiệm và hiệu quả; tạo điều kiện nâng cao năng suất lao động, giảm nhu cầu đầu
tư vào phát triển nguồn và lưới điện; tăng cường khai thác hợp lý các nguồn tài
nguyên năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, góp phần bảo vệ môi
trường và phát triển kinh tế - xã hội bền vững”.
Như vậy, có thể thấy Việt Nam không đứng ngoài xu thế chung của thế giới
về sử dụng năng lượng hiệu quả và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, và việc
phát triển các giải pháp cho phép quản lý, sử dụng hiệu quả năng lượng đồng thời
có khả năng tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo là nhu cầu cấp bách đối với nền
kinh tế Việt Nam trong giai đoạn hiện nay.
Ý thức được các nhu cầu của xã hội cùng với xu hướng công nghệ của thế
giới, em đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Hệ thống quản lý năng lượng trên nền điện
toán đám mây” và đã đạt được một số kết quả hứa hẹn. Tuy nhiên do thời gian và
trình độ có hạn, đồ án không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự góp ý
của các thầy cô giáo cùng các bạn .
Sinh viên

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trong đồ án này em đã trình bày và hoàn thành các nội dung sau :
-

Xây dựng hạ tầng S.M.A.C

-


Thiết kế cơ chế truyền thông để đồng bộ dữ liệu giữa các thiết bị phần cứng
và hệ QLNL

-

Bước đầu đánh giá được hiệu năng hoạt động của hệ thống

Để thiết kế và xây dựng thành công hệ thống QLNL trên nền Điện toán đám mây,
em đã sử dụng phương pháp nghiên cứu sau:
-

Khảo sát những nghiên cứu hiện có


-

Triển khai thực nghiệm dựa trên các mô hình chạy thật.

-

Giả lập môi trường với số lượng tải lớn, đo và tính toán hiệu năng, thời gian
đáp ứng của hệ thống. Từ đó đánh giá hiệu năng hệ thống.

-

Sử dụng hạ tầng Điện toán đám mây của Microsoft với khả năng mở rộng
không giới hạn kích cỡ hệ thống.

Đồ án được tổ chức thành 4 chương như sau:
Chương 1: Nghiên cứu khái quát về Quản lý năng lượng và Điện toán đám

mây. Phân tích các mô hình quản lý năng lượng hiện có và xu hướng công
nghệ của thế giới.
Chương 2: Phân tích thiết kế hệ thống phần mềm Quản lý năng lượng, phân
tích nhu cầu của người dùng từ đó đưa ra giải pháp mô hình sử dụng hạ tầng
đám mây.
Chương 3: Xây dựng giao thức kết nối các thiết bị phần cứng và hệ thống
phần mềm QLNL, tích hợp hệ thống phần mềm quản lý năng lượng trên máy
chủ ảo hóa,
Chương 4: Đưa ra các kết quả nghiên cứu, phương pháp thử nghiệm và đánh
giá hoạt động của hệ thống.


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................5
MỤC LỤC...............................................................................................................1
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT......................................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................1
DANH MỤC BẢNG...............................................................................................1
PHẦN MỞ ĐẦU.....................................................................................................1
CHƯƠNG 1.

NGHIÊN CỨU VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG VÀ ĐIỆN

TOÁN ĐÁM MÂY...................................................................................................3
1.1 Quản lý năng lượng..........................................................................................3
1.2 Tổng quan về Điện toán đám mây...................................................................8
1.3 S.M.A.C – Nền tảng phát triển công nghệ thông minh.................................15
1.4 Nền tảng dịch vụ Microsoft Azure.................................................................17
1.5 Kết luận...........................................................................................................26
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG................27

2.1 Thiết kế phần mềm.........................................................................................28
2.2 Thiết kế hạ tầng đám mây..............................................................................45
2.3 Kết luận...........................................................................................................48
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRÊN
NỀN ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY............................................................................49
3.1 Hệ thống thiết bị đầu cuối..............................................................................49
3.2 Xây dựng hệ thống dịch vụ quản lý năng lượng GEMS...............................55
3.3 Kết luận...........................................................................................................57
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ................................58
4.1 Kết quả nghiên cứu.........................................................................................58
4.2 Phương pháp thử nghiệm đánh giá hệ thống.................................................60
4.3 Một số kịch bản thử nghiệm...........................................................................63
4.4 Kết luận...........................................................................................................76


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
A
AP

Access Point

Thiết bị điểm truy cập WiFi
B

BEMS

Building Energy Management System

Hệ thống QLNL tòa nhà


E
EMS

Energy Management System

Hệ thống QLNL
G

GEMO Green Energy Management Mobile

Hệ thống QLNL xanh cho thiết
bị di động

GEMS

Green Energy Management System

Hệ thống QLNL xanh

GM

Green Meter

Thiết bị đo năng lượng xanh

GG

Green Gate

Thiết bị Gateway


GS

Green Socket

Thiết bị đo và chấp hành
H

HEMS

Home Energy Management System

HVAC

Heating,

ventilation

and

conditioning.

Hệ thống QLNL cho hộ gia đình
air Sưởi ấm, thông gió và điều hóa
không khí.

I
IaaS

Infrastructure as a Services


ICN

Information Centric Network

IoT

Internet of Things

Hạ tầng như dịch vụ

M
MOS

Mean opinion Score

Đánh giá mức độ hài lòng


PaaS

Platform as a Services

Nền tảng như dịch vụ
S

SaaS

Software as a Services


Phần mềm như dịch vụ

SM

Smart Grid

Lưới điện thông minh

SMAC

Social-Mobility-Analysis-Cloud

Nền tảng phát triển thông minh

T
TOU

Time Of Using

Thời gian sử dụng
V

VAS

Value-added Service

Dịch vụ GTGT


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Mô hình HEMS ......................................................................................4
Hình 1-2: Mô hình hệ thống HEMS kết nối tới lưới điện thông minh ................5
Hình 1-3: Hệ thống quản lý năng lượng trong tòa nhà BEMS ............................6
Hình 1-4: Các thành phần chính của BEMS ........................................................7
Hình 1-5: Các ứng dụng đám mây.........................................................................9
Hình 1-6. Mô hình kiến trúc.................................................................................10
Hình 1-7: SaaS cung cấp dịch vụ cho khách hàng...............................................11
Hình 1-8: PaaS cho phép khách hàng truy cập vào một nền tảng trên nên điện
toán đám mây.........................................................................................................12
Hình 1-9: IaaS cho phép nhà cung cấp dịch vụ thuê những tài nguyên phần
cứng........................................................................................................................14
Hình 1-10: Khái niệm S.M.A.C ............................................................................15
Hình 1-11: Azure Services Platform ....................................................................18
Hình 1-12: Windows Azure cung cấp dịch vụ tính toán và lưu trữ cho ứng
dụng đám mây .......................................................................................................19
Hình 1-13: SQL Azure cung cấp các dịch vụ định hướng dữ liệu trong đám
mây.........................................................................................................................20
Hình 1-14: Windows Azure platform AppFabric cung cấp cơ sở hạ tầng dựa
trên đám mây được sử dụng bởi ứng dụng đám mây và ứng dụng on-premise
................................................................................................................................. 21
Hình 1-15: Các thành phần của Window Azure ................................................22
Hình 1-16: Các loại thực thể của Compute Service ............................................23
Hình 1-17: Dịch vụ lưu trữ trong Window Azure ..............................................25
Hình 2-18: Kiến trúc hệ thống quản lý năng lượng ...........................................29
Hình 2-19: Biểu đồ tuần tự (Sequence Diagram) của giao thức GS-GEMS......32
Hình 2-20: Biểu đồ tuần tự (Sequence Diagram) của giao thức truyền giữa . . .34
Hình 2-21: Sơ đồ kết nối CSDL............................................................................35
Hình 2-22: Sơ đồ Usecase hệ thống......................................................................43



Hình 2-23: Sơ đồ Usecase chức năng quản lý người dùng..................................43
Hình 2-24: Sơ đồ Usecase chức năng quản lý thiết bị.........................................44
Hình 2-25: Sơ đồ Usecase chức năng quản lý giá điện........................................44
Hình 2-26: Pizza như một dịch vụ........................................................................46
Hình 2-27: Mô hình hệ thống chưa ảo hóa..........................................................47
Hình 2-28: Mô hình dịch vụ Quản lý năng lượng trên nền ảo hóa....................48
Hình 3-29: Thiết bị đo thông minh Green Meter................................................50
Hình 3-30: Sơ đồ khối của thiết bị GREEN METER.........................................50
Hình 3-31: Thiết bị Green Gate............................................................................51
Hình 3-32: Sơ đồ khối sản phẩm GREEN GATE...............................................52
Hình 3-33: Thiết bị đo và chấp hành thông minh Green Socket........................53
Hình 3-34: Sơ đồ khối của sản phẩm GREEN SOCKET ..................................54
Hình 3-35: Mô hình hạ tầng ảo hóa .....................................................................55
Hình 3-36: Cấu hình máy ảo Window Server 2012.............................................56
Hình 3-37: Cân bằng tải tự động theo CPU hệ thống.........................................57
Hình 4-38: Giao diện giám sát hệ thống...............................................................58
Hình 4-39: Giao diện điều khiển thiết bị..............................................................59
Hình 4-40: Giao diện quản trị hệ thống...............................................................59
Hình 4-41: Giao diện quản trị người dùng..........................................................59
Hình 4-42: Giao diện quản lý thiết bị...................................................................60
Hình 4-43: Giao diện quản lý giá điện..................................................................60
Hình 4-44: Mô hình kết nối hệ thống...................................................................61
Hình 4-45: Mô hình thử nghiệm thực tế..............................................................62
Hình 4-46: Thử nghiệm dữ liệu thu được với thiết bị GM và tải lập trình được
................................................................................................................................. 63
Hình 4-47: Thử nghiệm điều khiển bật tắt thiết bị qua internet........................65
Hình 4-48: Mô hình QLNL cho tòa chung cư mini.............................................72
Hình 4-49: Phần mềm giả lập mạng ....................................................................73
Hình 4-50: Kết quả hiệu năng hoạt động hệ thống với tải lớn...........................74



Hình 4-51: Cấu hình tự động điều chỉnh cân bằng tải hệ thống........................75
Hình 4-52: Máy ảo tự động được tắt khi CPU máy chủ giảm............................76
Hình 4-53: Máy ảo tự động được tắt đi................................................................76


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1: dataRT..................................................................................................35
Bảng 2-2: devices...................................................................................................36
Bảng 2-3: devicegroups.........................................................................................37
Bảng 2-4: controlling_status.................................................................................37
Bảng 2-5: controlling_type....................................................................................38
Bảng 2-6: controlling_image.................................................................................38
Bảng 2-7: electricity_prices...................................................................................38
Bảng 2-8: electricity_prices_groups.....................................................................39
Bảng 2-9: statistic..................................................................................................39
Bảng 2-10: Lớp người dùng và các thuộc tính.....................................................42
Bảng 4-11: Thử nghiệm dữ liệu thu được từ thiết bị đo GM..............................64
Bảng 4-12: Thử nghiệm dữ liệu thu được từ thiết bị đo GS...............................66
Bảng 4-13: Bảng đánh giá mức độ hài lòng của người dùng (MOS) đôi với thiết
bị GM...................................................................................................................... 67
Bảng 4-14: Bảng đánh giá mức độ hài lòng của người dùng (MOS) đôi với thiết
bị GS.......................................................................................................................68
Bảng 4-15: Thử nghiệm chức năng hệ thống phần mềm Front-end..................69
Bảng 4-16: Thử nghiệm chức năng hệ thống phần mềm Back-end...................70


PHẦN MỞ ĐẦU
Hiện nay hệ thống quản lý năng lương (EMS) đang trở lên phổ biến, phục vụ
cho không chỉ các tòa nhà mà cả các hộ gia đình, thậm chí cả các mạng điện nhỏ

(microgrid). Đối với các hệ thống quy mô nhỏ và vừa HEMS (Home Energy
Management System) hoặc BEMS (Building Management System) vẫn chỉ là
những dịch vụ nhỏ lẻ theo từng giải pháp với giá thành cao. Trong khi đó, các hệ
thống QLNL có thể dùng chung hạ tầng CNTT để giảm chi phí vận hành và chi phí
đầu tư ban đầu, thậm chí có thể dùng dưới dạng dịch vụ thay cho việc đầu tư cả hệ
thống đầy đủ. Các thiết bị phần cứng có thể sử dụng nền tảng mã nguồn mở, khi đó
giá trị thu được cho các nhà cung cấp giải pháp không phải là Hardware mà là “dịch
vụ”, khi đó các thiết bị phần cứng sẽ tự tương thích với nhau theo một chuẩn chung.
Ý tưởng này đã từng được Google và Micsoft thử nghiệm với các dự án
Google Power Meter & Microsoft Ohm vào những năm 2008-2009. Tuy nhiên các
dự án này chưa được thành công như mong muốn do nhiều nguyên nhân, ví dụ như:
công nghệ lưới điện thông minh và BigData chưa phổ biến và thị trường Quản lý
năng lượng chưa sẵn sàng cho những cải tiến công nghệ đột phá. Hiện nay, khi lưới
điện thông minh đã trở thành một trào lưu mới của thế giới thì nhiều công ty công
nghệ hàng đầu của thế giới như Cisco, IBM, Google, Microsoft đã có những chiến
lược để tiếp cận thị trường đầy tiềm năng này.
Trong một vài năm trở lại đây, ngành CNTT thế giới đang sôi động với xu
hướng công nghệ S.M.A.C được hình thành dựa trên sự hội tụ của 4 thành tố: S Social (xã hội), M - Mobility (di động), A - Analytics (phân tích dữ liệu lớn) và C Cloud (điện toán đám mây). Đó là nền tảng lý tưởng cho việc phát triển các ứng
dụng quản lý năng lượng trên nền điện toán đám mây để chuẩn bị cho trào lưu Lưới
điện thông minh - SmartGrid, được coi như cuộc cách mạng internet trong ngành
năng lượng (Internet of Energy).
Nhận thức được xu hướng đó, em đã lựa chọn đề tài “Hệ thống quản lý
năng lượng trên nền điện toán đám mây” với mục tiêu là xây dựng một hạ tầng

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

1


(S.M.A.C) để cung cấp dịch vụ QLNL hướng đến một nền tảng SmartGrid trong

tương lai. Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể là:
-

Xây dựng hạ tầng hỗ trợ BigData

-

Cung cấp nền tảng cho dịch vụ QLNL và các ứng dụng GTGT

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

2


CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG VÀ ĐIỆN
TOÁN ĐÁM MÂY
1.1 Quản lý năng lượng
1.1.1 Khái niệm Hệ thống Quản lý năng lượng
Hệ thống Quản lý năng lượng là một hệ thống máy tính được thiết kế dành
riêng cho điều khiển tự động và giám sát các thiết điện có mức tiêu thụ năng lượng
đáng kể như hệ thống điều hòa, thông gió và hệ thống đèn chiếu sáng trong một tòa
nhà. Phạm vi có thể mở rộng từ một tòa nhà đến một nhóm các tòa nhà như trường
học, văn phòng, trung tâm thương mại hoặc các nhà máy. Phần lớn các hệ thống
quản lý năng lượng còn cho phép đo lường các thông số tiêu thụ điện, nước và khí
gas. Các thông số đo được có thể được sử dụng để đưa ra các phân tích và dự đoán
về lượng điện sử dụng trong tương lai, từ đó đưa ra phương án sử dụng năng lượng
một cách tối ưu và hiệu quả.
Hệ thống Quản lý năng lượng cũng thường được sử dụng cho các tổ chức, cá
nhân, cơ quan, … để theo dõi, đo lường và kiểm soát điện năng tiêu thụ. Từ đó có
thể phát hiện sớm lãng phí điện năng và nâng cao ý thức sử dụng tiết kiệm điện.

1.1.2 Các mô hình Quản lý năng lượng
1.1.2.1 Hệ thống quản lý năng lượng trong nhà (HEMS)
Một trong những giải pháp phát triển nhanh nhất trong thời kỳ lưới điện
thông minh (Smart Grid) là quản lý năng lượng trong nhà. Một trong những yếu tố
then chốt của chiến lược kinh doanh hướng tới lưới điện thông minh là “năng lượng
hiệu quả” (Energy Efficiency) và “Đáp ứng nhu cầu” (Demand Response).
Với chi phí năng lượng ngày càng tăng cao và nhu cầu sử dụng năng lượng
của con người vượt xa khả năng cung cấp điện của ngành điện lực, người tiêu dùng
trên thế giới đang tìm cách để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của họ và muốn
thực hiện điều đó một cách dễ dàng và đơn giản nhất có thể. HEMS cung cấp cho
người dùng một con đường để theo dõi và kiểm soát chi phí năng lượng của họ.

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

3


Hình 1-1: Mô hình HEMS
HEMS là một hệ thống bao gồm các sản phẩm hoặc dịch vụ giám sát, kiểm
soát, phân tích năng lượng trong tòa nhà. Định nghĩa này bao gồm cả các chương
trình nhà ở tiện ích (residential utility demand response programs), dịch vụ nhà tự
động (home automation services), quản lý năng lượng cá nhân (personal energy
management), phân tích dữ liệu và trực quan (data analysis and visualization), kiểm
toán và các dịch vụ bảo mật liên quan.
Khi hệ thống HEMS được kết nối tới hệ thống lưới điện thông minh của điện
lực, khách hàng có thể tham gia vào chương trình Demand Respond để hạn chế lãng
phí điện trong giờ cao điểm. Khi đó hệ thống HEMS sẽ kết nối tới các thiết bị đo
thông minh (Smart Meter - SM), các thiết bị SM gửi tín hiệu cho phép nhà điện có
thể bật tắt các tải với độ ưu tiên thấp và giữ lại các tải có độ ưu tiên cao hơn. Thay
vào đó, người dùng được hưởng những ưu đãi từ nhà cung cấp điện như được sử

dụng điện với giá rẻ hơn, …

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

4


Hình 1-2: Mô hình hệ thống HEMS kết nối tới lưới điện thông minh
1.1.2.2 Hệ thống quản lý năng lượng trong tòa nhà (BEMS)
Hệ thống quản lý năng lượng trong tòa nhà (BEMS) là hệ thống tinh vi cho
phép quản lý, kiểm soát và giám sát các dịch vụ kỹ thuật trong tòa nhà (HVAC, các
thiết bị chiếu sáng, an ninh ..) và tiêu thụ năng lượng của các thiết bị sử dụng bởi
các tòa nhà. Hệ thống cũng cấp thông tin và các công cụ quản lý tòa nhà, giúp người
dùng hiểu rõ việc sử dụng năng lượng của họ trong tòa nhà, từ đó có thể kiểm soát
và cải thiện hiệu suất năng lượng của tòa nhà.

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

5


Hình 1-3: Hệ thống quản lý năng lượng trong tòa nhà BEMS
Trong một tòa nhà, các thành phần sử dụng năng lượng bao gồm hệ thống
điều hòa không khí, hệ thống chiếu sáng, hệ thống thiết bị văn phòng, hệ thống
thang máy và các thiết bị phụ trợ khác như bơm nước, thông gió... Để quản lý, vận
hành các hệ thống như thế trong một tòa nhà lớn có khi phải cần đến hàng trăm
nhân viên. Tuy nhiên, cách vận hành này không đảm bảo tối ưu trong việc TKNL
bởi người tắt mở các hệ thống thiết bị năng lượng có thể quên hoặc chưa có ý thức
tự giác và nhiều lý do khác. Hệ thống BEMS với tính năng tự động điều khiển, vận
hành, theo dõi giám sát toàn bộ hoạt động tiêu thụ năng lượng trong tòa nhà cho

phép nâng cao hiệu suất và tối ưu hóa sử dụng năng lượng của tòa nhà.
BEMS gồm 2 phần chính: phần lõi gồm các hệ thống giám sát, điều hành
chính (principal operator), phần các thiết bị kết nối hệ điều hành chính với các trạm
từ xa (các hệ thống sử dụng năng lượng trong tòa nhà như máy lạnh, quạt hút, bơm,
chiếu sáng…) và đưa tín hiệu về trung tâm được gọi là bộ điều khiển (controllers).

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

6


Hình 1-4: Các thành phần chính của BEMS
1.1.3 Đánh giá
Các hệ thống quản lý năng lượng tòa nhà là một trong các giải pháp giúp làm
giảm đáng kể lãng phí năng lượng và cho phép việc tích hợp các nguồn năng lượng
tái tạo vào để giảm tải cho lưới điện và tiến tới hòa lưới để đưa điện từ nguồn tái tạo
vào lưới điện lực.
Hiện nay, chỉ có một số các tòa nhà thương mại cao tầng mới xây dựng được
trang bị các hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) hoặc hệ

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

7


thống quản lý năng lượng (QLNL)

(Building Energy Management System -

BEMS) do các hệ thống này phải nhập ngoại 100% và có giá thành rất cao. Còn hầu

hết các tòa nhà thấp tầng nhất là các trường học, công sở, do mức đầu tư hạn chế,
nên không được trang bị các hệ thống quản lý này.
Một trở ngại lớn nữa là các hệ thống QLNL thông thường đòi hỏi phải được
triển khai đồng bộ với quá trình thiết kế xây dựng tòa nhà nên việc đưa vào ứng
dụng một hệ QLNL vào một tòa nhà đang vận hành là rất khó khăn. Việc thiếu các
hệ thống QLNL dẫn đến sự lãng phí năng lượng rất lớn và làm tăng chi phí vận
hành các cơ sở này.
Việc áp dụng các hệ thống sản xuất năng lượng tái tạo như các hệ pin mặt
trời, tua bin gió cũng gặp nhiều khó khăn nên chưa được sử dụng rộng rãi, do nhiều
nguyên nhân như giá thành cao và chưa hiệu quả do công suất còn thấp và chưa đáp
ứng được nhu cầu tải.
1.2 Tổng quan về Điện toán đám mây
1.2.1 Khái niệm
Điện toán đám mây (Thuật ngữ tiếng Anh: Cloud Computing, hay còn biết
đến với tên gọi “Điện toán máy chủ ảo”) là mô hình máy tính dựa trên nền tảng phát
triển của Internet.
Điện toán đám mây là sự nâng cấp từ mô hình máy chủ mainframe (điện toán
trên máy tính lớn) sang mô hình client-server. Khách hàng sẽ không còn lo ngại về
các kiến thức chuyên môn để điều khiển công nghệ, máy móc và cơ sở hạ tầng, mà
tại đây các chuyên gia trong “đám mây” của các nhà cung cấp sẽ giúp thực hiện
điều đó.
Thuật ngữ "đám mây" ở đây là lối nói ẩn dụ chỉ mạng Internet và liên tưởng
về độ phức tạp của các cơ sở hạ tầng ở bên trong. Ở mô hình điện toán, mọi lĩnh
vực liên quan đến công nghệ thông tin đều được cung cấp dưới dạng các "dịch vụ",
nó cho phép khác hàng truy cập vào các dịch vụ của một nhà cung cấp nào đó
"trong đám mây" mà không cần phải có các kiến thức, kinh nghiệm về công nghệ,
cũng như không cần quan tâm đến các cơ sở hạ tầng bên trong.
Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

8



Tài nguyên, dữ liệu, phần mềm và các thông tin liên quan đều được quản lý
trên các máy chủ (chính là các “đám mây”).
“Ứng dụng điện toán đám mây” là những ứng dụng trực tuyến trên Internet.
Trình duyệt là nơi ứng dụng hiện hữu và vận hành còn dữ liệu được lưu trữ và xử lý
ở máy chủ của nhà cung cấp ứng dụng đó.
Điện toán đám mây tính toán, sử dụng phần mềm, truy cập dữ liệu và dịch vụ
lưu trữ mà khách hàng không cần biết vị trí địa lý và cấu hình của hệ thống cung
cấp dịch vụ.
Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ (NIST) đã đưa ra nghĩa định nghĩa cụ thể:
“Điện toán đám mây là một mô hình cho phép ở một vị trí thuận tiện, khách
hàng có thể truy cập mạng theo yêu cầu và được chia sẻ tài nguyên máy tính (mạng,
máy chủ, lưu trữ, ứng dụng và dịch vụ) được nhanh chóng từ nhà cung cấp. Trong
trường hợp xấu nhất thì cũng phải cung cấp dịch vụ hoạt động ở mức tương tác”.

Hình 1-5: Các ứng dụng đám mây
1.2.2 Thành phần
Hai thành phần quan trọng của kiến trúc điện toán đám mây được biết đến là
Front-end và Back-end.

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

9


Front-end là phần phía khách hàng dùng máy tính. Nó bao gồm hệ thống
mạng của khách hàng (hoặc máy tính) và các ứng dụng được sử dụng để truy cập
vào đám mây thông qua giao diện người dùng có thể là một trình duyệt web.
Back-end chính là đám mây, bao gồm các máy tính khác nhau, máy chủ và

các thiết bị lưu trữ dữ liệu.
1.2.3 Mô hình kiến trúc trong điện toán đám mây
Với sự phát triển mạng Internet như hiện nay thì các tổ chức đã được lập ra
để quản lí và cùng thống nhất với nhau về các giao thức, các mô hình. Các thiết bị
hoạt động trong Internet được thiết kế sao cho phù hợp. Trong điện toán đám mây
cũng hình thành nên mô hình cho chính nó. Bao gồm các thành phần sau:

Hình 1-6. Mô hình kiến trúc
1.2.3.1 Phần mềm như dịch vụ
Ứng dụng các dịch vụ đám mây hay “Software as a service -SaaS” cung cấp
phần mềm như một dịch vụ trên Internet, không cần cài đặt hay chạy chương trình
trên máy tính phía khách hàng. Những ứng dụng cung cấp cho khách hàng được cài
đặt, cấu hình trên máy chủ từ xa. Đồng thời công việc bảo trì đơn giản và được
hướng dẫn từ nhà cung cấp.

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

10


Hình 1-7: SaaS cung cấp dịch vụ cho khách hàng.
Thuật ngữ “SaaS” và “cloud” có thể thay thế được cho nhau, nhưng thực tế
đó là hai khái niệm khác nhau. Chúng bao gồm các đặc điểm sau:
-

Dựa vào mạng khách hàng truy cập, quản lý và thương mại

-

Các hoạt động được xử lý tại trung tâm và cho phép khách hàng truy cập từ

xa thông qua trình duyệt web.

SaaS có thể được chia thành hai loại chính:
-

Cung cấp cho doanh nghiệp: Đây là những giải pháp kinh doanh được cung
cấp cho các công ty và doanh nghiệp. Chúng được cung cấp thông qua doanh
nghiệp đăng ký dịch vụ. Các ứng dụng được cung cấp thông qua hình thức
trên bao gồm các quá trình kinh doanh như quản lý dây chuyền cung cấp,
quan hệ khách hàng và các công cụ hướng kinh doanh.

-

Cung cấp cho cá nhân: Các dịch vụ này được cung cấp cho công chúng trên
cơ sở thuê bao đăng ký. Tuy nhiên, họ được cung cấp miễn phí và hỗ trợ
thông qua quảng cáo. Ví dụ trong loại hình này gồm có dịch vụ web mail,
chơi game trực tuyến, và ngân hàng của người tiêu dùng, và nhiều kiểu
khách hàng khác.
Những ưu điểm khi sử dụng SaaS mang lại cho khách hàng là chi phí sẽ thấp

hơn các phần mềm cấp phép, các dịch vụ SaaS có tính năng tiết kiệm chi phí lớn
nhất bởi khi sử dụng SaaS khách hàng sẽ loại bỏ những công việc thực sự không
cần thiết cho các doanh nghiệp như cài đặt và duy trì phần cứng, trả công cho nhân
viên, và duy trì các ứng dụng. Đồng thời các nhà cung cấp SaaS thường có kiểm tra
an ninh rất tỉ mỉ.

Đề tài: Hệ thống quản lý năng lượng trên nền Điện toán đám mây

11