• Thứ Sáu, 23/04/2010 10:00 (GMT+7)

    Wi-Fi trong Smart Grid

    Song Minh
    Để sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng, các chuẩn Wi-Fi thế hệ mới sẽ là công nghệ thích hợp cho việc quản lý và điều phối lượng điện năng tiêu thụ trong lưới điện thông minh (Smart Grid).

    Bài viết sẽ giới thiệu một giải pháp mới: ứng dụng Wi-Fi trong mô hình Smart Grid. Đây là giải pháp kết hợp giữa công nghệ mạng máy tính và mạng lưới điện nhằm phát huy tối đa hiệu suất phân phối điện, cho phép nhà cung cấp điện và khách hàng có thể trao đổi thông tin 2 chiều theo thời gian thực.

    Smart Grid là gì? 

    Smart Grid là một giải pháp về lưới điện thông minh đang được thử nghiệm ở nhiều nơi trên thế giới. Lưới điện thông minh được thực hiện trong cả phần truyền tải và phân phối điện nhằm nâng cao chất lượng, hiệu suất sử dụng lưới điện và khai thác các nguồn điện thay thế.  

    Ý tưởng lưới điện thông minh bao gồm: Quản lý thiết bị tiêu thụ điện để giảm tải trong giờ cao điểm, kết nối các nguồn điện gia đình (điện mặt trời, điện gió, trạm thủy điện nhỏ) vào lưới, điều khiển các hệ thống lưu điện (lưu điện khi máy phát dư công suất và phát điện khi máy phát thiếu công suất) (hinh1).


    Hình 1: Mạng Smart Grid

    Để quản lý và điều phối các nguồn năng lượng trong hệ thống Smart Grid, công nghệ không dây (Wi-Fi) sẽ là một công nghệ có nhiều triển vọng. Wi-Fi khá hiệu quả về mặt chi phí, có phạm vi bao phủ lớn và có rất nhiều thiết bị đầu cuối, đặc biệt là không cần phải thêm cáp vào trong nhà.  

    Tính đến thời điểm này, Wi-Fi được coi là công nghệ khá hoàn thiện cho việc phát triển ứng dụng Smart Grid. Các mạng Wi-Fi có thể đáp ứng được yêu cầu triển khai Smart Grid: tốc độ cao, tính linh hoạt, hiệu quả và bảo mật. Hơn nữa, công nghệ Wi-Fi có một lộ trình liên tục đổi mới (thông qua Wi-Fi Alliance và IEEE) nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của các ứng dụng lưới điện thông minh trong tương lai. 

    Giải pháp Smart Grid được đưa ra nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng bức thiết về việc phân phối điện năng, quản lý/giám sát điện năng tiêu thụ, cũng như mong muốn sử dụng năng lượng hiệu quả trên toàn cầu. Smart Grid áp dụng các tiến bộ công nghệ kỹ thuật số vào lưới điện, cho phép sử dụng 2 đường truyền và điều phối thông tin thời gian thực giữa các nhà máy phát điện/nguồn phân phối và nhu cầu của các thiết bị đầu cuối (phía khách hàng). 

    Tại Mỹ, Bộ Năng lượng đang tiến hành phát triển một hệ thống lưới điện thông minh nhắm vào mục tiêu tiết kiệm dài hạn cho người tiêu dùng bằng cách nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động của lưới điện. Tiêu chí ưu tiên phát triển trên các chuẩn quyết định độ tin cậy cho Smart Grid.  

    Theo quy định của Bộ Năng lượng, Smart Grid chuẩn phải đáp ứng các yêu cầu sau:  

    • Cung cấp giao tiếp hai chiều giữa người sử dụng điện lưới, chẳng hạn nhà điều hành, tiện ích, các nhà cung cấp dịch vụ và người tiêu dùng.  

    • Cho phép các nhà điều hành hệ thống điện giám sát các hệ thống riêng của họ, cũng như các hệ thống lân cận có liên quan. 

    • Hợp nhất thành một hệ thống điện với các công nghệ mới nhằm tái tạo nguồn điện, đáp ứng nhu cầu về năng lượng, lưu trữ điện.  

    • Đảm bảo an ninh trên lưới điện.

    Mạng Smart Grid và Wi-Fi 

    Mạng Smart Grid tiêu biểu được chia ra thành 3 phần: Home Area Network (HAN – Mạng trong nhà), Neighborhood Area Network (NAN – Mạng ngoài trời) và Wide Area Network (WAN/Backhaul

    – Mạng diện rộng). Công nghệ Wi-Fi sẽ có mặt trong cả 3 phần này (hinh2).  

    Wi-Fi trong HAN: HAN dùng để tập hợp thông tin cảm biến từ nhiều thiết bị khác nhau trong nhà và tùy từng trường hợp sẽ gửi thông tin điều khiển tới các thiết bị để điều khiển lượng điện năng tiên thụ tốt hơn. Đồng hồ điện sẽ là nơi tổng hợp các thông tin ở mỗi nơi (nhà/xưởng/văn phòng...) và có thể hoạt động như cầu nối đến NAN, do đó Wi-Fi phù hợp cho mô hình HAN trong Smart Grid. Wi-Fi là công nghệ khá hoàn thiện và được cài đặt rộng khắp trong mạng gia đình (hơn 100 nghìn hộ gia đình trên toàn cầu). Thêm vào đó, thế hệ Wi-Fi mới nhất, chuẩn 802.11n, với tốc độ lên đến 600Mbps có khả năng phân phối video độ nét cao cho cả nhà, đồng thời Wi-Fi cũng có khả năng hỗ trợ các ứng dụng truyền dữ liệu tốc độ thấp/ít tiêu hao năng lượng. Wi-Fi được ứng dụng trong phạm vi rất rộng, từ thiết bị xách tay, di động cho đến các thiết bị điện tử trong nhà... (hinh 3). 

    Wi-Fi trong NAN: NAN sẽ làm nhiệm vụ thu thập thông tin từ nhiều hộ gia đình và kết nối chúng tới mạng diện rộng WAN. Các thiết bị đầu cuối NAN sẽ làm nhiệm vụ tương tự như các đồng hồ điện lắp bên ngoài từng ngôi nhà. Phạm vi truyền dẫn ít nhất là 500m và có khả năng kết hợp với nhiều điểm ở gần. Hạ tầng mạng Wi-Fi đã được phát triển trên công nghệ 802.11n, có phạm vi phủ sóng lên đến 500m hoặc hơn, có thể liên kết điểm - điểm giữa các thiết bị Wi-Fi cùng chuẩn 802.11. Đặc biệt, thiết bị chuẩn mới 802.11n có thêm kỹ thuật "beam forming" (dùng một dãy anten thông minh để hướng búp sóng về một phía nhất định nhằm tăng tốc độ và giảm nhiễu) giúp sử dụng sóng Wi-Fi ngoài trời hiệu quả hơn. Các cải tiến bổ sung cho Smart Grid NAN có thể được đưa vào chuẩn IEEE 802.11s (hinh4).

    Wi-Fi trong WAN: WAN sẽ làm nhiệm vụ tổng hợp dữ liệu từ nhiều NAN và sẽ chuyển tải thông tin vào mạng riêng. Như vậy backhaul (mạng đường trục/mạng trung tâm) có thể được thực hiện thông qua điểm-điểm và/hoặc các liên kết giữa nhiều điểm truy cập Wi-Fi. Các WAN trong Smart Grid có thể trải dài trên diện rộng, từ dưới 1km đến hàng km.  

    Với mạng Wi-Fi ngày càng được triển khai rộng khắp, cho thấy khả năng triển khai Wi-Fi trong Smart Grid WAN là hoàn toàn khả thi. Minneapolis là một ví dụ về việc ứng dụng Wi-Fi không chỉ cho khu phố mà còn phân chia cho hệ thống backhaul WAN. Thực tế, hiện nay, đã có các khu vực đô thị kết hợp chuẩn Wi-Fi 802.11 với mô hình điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm bằng một loạt phương pháp quản lý mạng. 

    Lợi thế chính của việc sử dụng Wi-Fi là hoàn toàn miễn phí (WiMAX và di động có thể cung cấp các dịch vụ tương tự nhưng thường phải tốn phí). Điều này khá thực tế cho một thành phố, gia đình bạn và cho cá nhân sử dụng Wi-Fi trong Smart Grid.  

    Bên cạnh 802.11n, trong bộ chuẩn IEEE 802.11 có thêm chuẩn 802.11k cung cấp tính năng đo lường giao thức mạng (quản lý tài nguyên sóng vô tuyến) và chuẩn 802.11v để quản lý mạng (xem hiệu năng mạng chi tiết). Hai chuẩn này cho phép các thiết bị Wi-Fi có thể đo đạc và báo cáo kết quả phản hồi thông qua kết nối vô tuyến. Đây là cách mang lại hiệu năng và độ tin cậy tối ưu cho mạng Wi-Fi: điều khiển công suất phát/thay đổi kênh phát của AP hay client; quản lý tập trung việc mở rộng mạng.

    Ứng dụng  

    Wi-Fi được coi là khá thuận lợi cho các ứng dụng trong Smart Grid, sau đây là một vài ví dụ điển hình. 

    Hình 2: Ba thành phần mạng Smart Grid

    Điều nhiệt tự động: Ứng dụng chủ yếu của Smart Grid trong HAN là điều chỉnh nhiệt độ tự động. Có từ 35%-60% điện năng tiêu thụ trong nhà có thể đo và điều khiển thông qua bộ điều nhiệt nối mạng, điều khiển máy thông gió (Heating Ventilating) và máy điều hòa không khí (Air Conditioning). Bằng cách thêm các thiết bị cảm biến Wi-Fi công suất thấp và kết nối mạng đến thiết bị gia dụng, hệ thống sưởi ấm, máy lạnh, máy nước nóng… các hộ gia đình và nhà cung cấp điện có thể giảm một lượng điện đáng kể, và có thể đưa lượng điện thừa vào lưới. Với cách này, bạn có thể giám sát và kiểm soát điện năng tiêu thụ ở mức tối thiểu; hưởng lợi từ nguồn năng lượng còn dư.  

    AMI: AMI (Advanced Metering Infrastructure) cung cấp giao tiếp giữa người dùng cuối trong mạng lưới điện với mạng trung tâm. Trong mô hình NAN bắt buộc phải hỗ trợ AMI. Wi-Fi có khả năng cung cấp nền tảng IP cho NAN từ đồng hồ đến thiết bị tập hợp dữ liệu, do đó có thể hỗ trợ cho AMI. Do tận dụng anten có độ lợi cao và một số công nghệ anten khác, sóng Wi-Fi có thể bao phủ trong phạm vi hơn một km. 

    Lưới điện thông minh: Với việc sử dụng Wi-Fi, người dùng có thể trao đổi thông tin trực tiếp 2 chiều trên nền tảng IP với độ tin cậy và tốc độ cao. Điều này giúp các nhà cung cấp có thể điều phối lượng điện phù hợp tùy thời điểm cũng như đưa ra mức giá hợp lý hơn cho người dùng. Đồng thời, mạng lưới điện mới cũng có lợi cho người tiêu dùng nhờ thiết bị quản lý điện, chẳng hạn, người dùng có thể lắp đặt thiết bị để máy giặt, máy bơm nước chỉ hoạt động vào ban đêm hoặc lúc tối khi giá điện giảm xuống... 

    Đo ga và nước: Bên cạnh quản lý, giám sát mạng lưới điện, Smart Grid có thể được tận dụng để thu thập thông tin sử dụng ga và nước của khách hàng. Điều này giúp giảm chi phí đầu tư thiết bị quản lý việc phân phối ga và nước cho người dùng. Tuy nhiên, các đồng hồ ga và nước thường không được sử dụng chung với nguồn điện. Do đó, thiết bị đầu cuối hoạt động với công suất thấp rất quan trọng trong việc truyền không dây giữa các đồng hồ đo. Thời gian gần đây, các thiết bị tích hợp Wi-Fi không thể đáp ứng yêu cầu về thời gian dùng pin, từ 15-20 năm. Tuy nhiên, một số chipset Wi-Fi mới có dòng rò ở mức thấp hơn 1mA giúp kéo dài tuổi thọ pin. Khi bộ vi điều khiển máy chủ công suất thấp duy trì ứng dụng trong đồng hồ, sóng vô tuyến Wi-Fi có thể được tắt tạm thời. Thông tin có thể được lưu trong bộ nhớ và bật lên thông qua NAN theo định kỳ. Bằng việc sử dụng công nghệ năng lượng thấp mới nhất từ các nhà cung cấp giải pháp Wi-Fi, tuổi thọ pin có thể duy trì từ 10 năm trở lên.  

    Tính di động: Tiện ích cần có tốc độ cao, đáng tin cậy thông qua dịch vụ truyền thông Smart Grid. Tiện ích Wi-Fi NAN riêng sử dụng AMI cũng có thể truyền cả thoại và dữ liệu nhằm hỗ trợ cho các ứng dụng di động phục vụ cá nhân và kỹ thuật viên, bổ sung vào các mạng thoại và dữ liệu di động sẵn có. Wi-Fi là một lựa chọn hiển nhiên cho mạng không dây, do chi phí thấp và hỗ trợ các thiết bị tích hợp Wi-Fi như điện thoại di động, máy tính xách tay, máy tính để bàn, máy tính sổ tay...  

    Mạng lưới điện thông minh Smart Grid sẽ là mạng không đồng nhất vì được phát triển trên nhiều chuẩn khác nhau. Tuy nhiên, công nghệ Wi-Fi chắc chắn sẽ là một phần của bất kỳ mạng Smart Grid nào trong tương lai. Wi-Fi giúp giảm chi phí triển khai, khả năng phủ sóng rộng và có nhiều thiết bị đầu cuối.

    Song Minh
    Tham khảo: wi-fi.org, cisco.com 

    Từ khóa: Song Minh
    ID: A1003_74