پژوهش درباره استراتژی مدیریت کارایی انرژی خانگی بر اساس گیاهان فتوولتائیک توزیع شده و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی

1 ZigBee - Based Smart Home System

با توجه به توسعه مداوم فناوری کامپیوتر و کنترل اطلاعات، خانه‌های هوشمند به سرعت پیشرفت کرده‌اند. خانه‌های هوشمند نه تنها عملکرد سنتی مسکن را حفظ می‌کنند بلکه به کاربران اجازه می‌دهند تا دستگاه‌های خانگی را به صورت آسان مدیریت کنند. حتی در خارج از خانه، کاربران می‌توانند وضعیت داخلی را به صورت دوردست نظارت کنند که مدیریت کارآمد انرژی خانه و بهبود قابل توجه کیفیت زندگی را تسهیل می‌کند.

این مقاله یک سیستم خانه هوشمند مبتنی بر ZigBee طراحی کرده است که شامل سه جزء است: شبکه خانگی، سرور خانگی و دستگاه موبایل. این سیستم ساده، کارآمد و قابل گسترش بسیار بالا است و ساختار آن در شکل 1 نشان داده شده است.

1 معماری خانه هوشمند مبتنی بر ZigBee
1.1 شبکه خانگی

به عنوان بنیاد اصلی، شبکه خانگی گره‌های قابل کنترل را به عنوان گره‌ها برای انتقال داده‌های داخلی و مدیریت چند منبع انرژی متصل می‌کند. انتخاب راه‌حل‌های بی‌سیم (ZigBee) نسبت به راه‌حل‌های سیمی انعطاف‌پذیری، قابلیت اطمینان و قابلیت گسترش را افزایش می‌دهد. ZigBee که بر پایه IEEE 802.15.4 ساخته شده است، هزینه، مصرف انرژی و پیچیدگی کم و امنیت بالا را ارائه می‌دهد. تراشه‌های ارزان قیمت آن هزینه سخت‌افزار سیستم را کاهش می‌دهند. شبکه شامل:

• Coordinator: مدیریت شبکه ZigBee (بر اساس CC2530 - ترکیب شده با IAR)، که با توپولوژی مستقیم متصل شده، خانه‌های معمولی را پوشش می‌دهد.

• گره‌های پایانی: یکپارچه با متری/رله‌ها (به عنوان جک‌های هوشمند)، داده‌ها را جمع‌آوری و دستورالعمل‌ها را برای بستن "کنترل + نظارت" اجرا می‌کند.

1.2 سرور خانگی

سرور به عنوان "هسته کنترل داده" سیستم عمل می‌کند و شامل:

• مرکز داده: اطلاعات بین ZigBee (از طریق پورت سریال) و دستگاه‌های موبایل (از طریق Socket) را مبادله می‌کند.

• نظارت عملیاتی: وضعیت بار را ردیابی، کلیدها را کنترل و داده‌های برق را ذخیره می‌کند.

• مخزن کارآمدی انرژی: داده‌های بار/فتوولتائیک را تجزیه و تحلیل کرده و برنامه‌ریزی را بهینه می‌کند و حلقه مدیریت انرژی را می‌بندد.

1.3 دستگاه موبایل

بر اساس Android (Eclipse + Java)، دستگاه موبایل امکانات زیر را فراهم می‌کند:

• قابلیت مشاهده وضعیت: نمایش زنده اطلاعات برق که توسط سرور ارسال می‌شود.

• کنترل دوردست: ارسال دستورالعمل‌ها برای کنترل غیرمستقیم بارها.

• برنامه‌ریزی انعطاف‌پذیر: تنظیم زمان‌های سفارشی بار (مثلاً برای قیمت‌گذاری بر اساس زمان).

2 طراحی مدیریت کارآمدی انرژی خانگی
2.1 معماری و منطق سیستم

با ادغام "خانه هوشمند + PV + ذخیره‌سازی انرژی"، سیستم استراتژی‌های کارآمدی را در سرور تعبیه می‌کند و یک حلقه "جمع‌آوری → مدل‌سازی → بهینه‌سازی" را تشکیل می‌دهد:

• لایه داده: ترکیب داده‌های بار و PV.

• لایه مدل: تعادل استفاده از PV، ذخیره‌سازی و بار با استفاده از طرح‌های بهینه.

• لایه کنترل: هماهنگی عملیات PV/ذخیره‌سازی و برنامه‌ریزی بار برای اهداف "کارآمدی هزینه" (ساختار در شکل 2).

2.2 اجزای اصلی و همکاری

اجزای کلیدی (آرایه‌های PV، باتری‌ها، وارتورها، سرور، بارها) به صورت زیر عمل می‌کنند:

• آرایه‌های PV: با MPPT فعال شده توسط وارتورها، خروجی زنده را به سرور ارسال می‌کنند.

• ذخیره‌سازی انرژی: متصل به شبکه، در زمان فراوانی PV شارژ می‌شود و در زمان کمبود تخلیه می‌کند (برای تعامل با شبکه اندازه‌گیری شده).

• سرور: وارتورها/جک‌ها را به هم متصل می‌کند و دستگاه‌ها را بر اساس قوانین کارآمدی تنظیم می‌کند تا جریان انرژی را بهینه کند.

2.3 طبقه‌بندی و برنامه‌ریزی بار

بارها به سه نوع برای برنامه‌ریزی مبتنی بر قیمت‌گذاری بر اساس زمان تقسیم می‌شوند:

• بارهای حیاتی (مثلاً روشنایی): زمان ثابت، غیرقابل تنظیم.

• بارهای قابل تنظیم (مثلاً AC): تقاضای متغیر، قابل تنظیم توان.

• بارهای قابل انتقال (مثلاً ماشین لباسشویی): زمان‌پذیر، مرکز کارآمدی.

سرور بارهای قابل انتقال را از طریق جک‌های هوشمند کنترل می‌کند، با کاهش قله‌ها و پر کردن دره‌ها هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و شبکه را پایدار می‌کند.

3 مدل ریاضی و استراتژی کنترل برای مدیریت کارآمدی انرژی خانگی
3.1 مدل ریاضی برای مدیریت کارآمدی انرژی خانگی

برای دستیابی به مدیریت دقیق کارآمدی انرژی خانگی، باید یک مدل ریاضی برای هزینه کل برق ایجاد شود. این مقاله از یک چرخه کنترل "روزانه" استفاده می‌کند و 24 ساعت را به n بازه زمانی مساوی تقسیم می‌کند. با گسسته‌سازی مسائل پیوسته (وقتی n به اندازه کافی بزرگ است، هر بازه به یک "میکرو-عنصر" نزدیک می‌شود و متغیرها می‌توانند در بازه ثابت فرض شوند). در بازه t-ام، بر اساس تعادل پویای "توان بار خانگی، توان تولید فتوولتائیک، توان شارژ/تخلیه باتری و توان تعامل با شبکه"، معادله تعادل توان سیستم به دست می‌آید:

در بازه زمانی t-ام، متغیرهای توان به صورت زیر تعریف می‌شوند:

• P_G^t: توان تعامل با شبکه (مثبت برای جذب توان، منفی برای تزریق توان)؛

• P_A^t: توان کل بار خانگی؛

• P_b^t: توان شارژ/تخلیه باتری (مثبت برای تخلیه، منفی برای شارژ)؛

• P_PV^t: توان خروجی فتوولتائیک (PV) (تحت تأثیر تابش خورشید، دما، رطوبت و غیره، و قابل پیش‌بینی با استفاده از مدل‌های پیش‌بینی توان PV).

سیستم فتوولتائیک خانگی تحت مدل ""مصرف خودی + تزریق بقیه توان به شبکه" عمل می‌کند، جایی که توان اضافی درآمد تزریق به شبکه را ایجاد می‌کند و تولید PV برای کمک‌های مالی مؤهل است. با در نظر گرفتن قیمت‌گذاری بر اساس زمان (قیمت‌های بالاتر در ساعات پیک، قیمت‌های پایین‌تر در ساعات غیرپیک)، هزینه کل برق به صورت زیر محاسبه می‌شود:هزینه کل=هزینه خرید از شبکه−درآمد تزریق به شبکه−کمک‌های PV

برای یک چرخه روزانه گسسته‌سازی شده به n بازه، مدل هزینه کل می‌تواند به جمع هزینه‌های خاص هر بازه تجزیه شود، به طور دقیق به سناریوهای قیمت‌گذاری پویا تطبیق می‌یابد.

در فرمول: C نمایانگر هزینه کل روزانه برق خانگی است؛ f_PV قیمت واحد کمک‌های تولید برق فتوولتائیک است; 24/n مدت یک بازه زمانی است.
عبارت f_t در فرمول (2) به صورت زیر است

در فرمول: f^t_Cقیمت برق برای کاربر در بازه زمانی t-ام است، که به تفکیک ساعات پیک و غیرپیک تقسیم می‌شود؛ f_R قیمت برق برای توان اضافی تزریق شده به شبکه است. مقادیر f_C^t, f_R و f_PV در هر لحظه از روز شناخته شده‌اند. توان کل P_A^t بار خانگی برابر است با مجموع توان تمام بارهای قابل انتقال و بارهای دیگر در بازه زمانی t-ام.

در فرمول: P_L,i توان عملیاتی بار i-ام قابل انتقال است؛ T_L,i زمان شروع بار i-ام قابل انتقال است؛ Δ t_i مدت عملیات بار i-ام قابل انتقال است؛ [t_i^s, t_i^e] محدوده زمان شروع بار i-ام قابل انتقال است. P_L,i, Δ t_i, t_i^s و t_i^e مقادیر معین هستند.

توان الکتریکی P_else,j^t بارهای دیگر شناخته شده است، در حالی که توان بارهای قابل انتقال با توجه به زمان‌های شروع مختلف تغییر می‌کند و T_L,i یک مقدار نامشخص است. وقتی T_L,i متفاوت است، توان کل P_A^t بار خانگی به ترتیب تغییر می‌کند و در نتیجه هزینه کل برق خانگی C تغییر می‌کند.

3.2 استراتژی کنترل

هدف اصلی مدیریت کارآمدی انرژی خانگی به حداکثر رساندن مزایای اقتصادی است، به طور خاص تبدیل به ساخت یک تابع هدف برای "حداقل کردن هزینه کل برق خانگی C".

بر اساس مدل بار قابل انتقال و با ترکیب با مکانیسم قیمت‌گذاری بر اساس زمان، تنظیم زمان شروع \(T_{\text{L},i}\) بارهای قابل انتقال می‌تواند به طور پویا منحنی توان کل بار خانگی را بهینه کند، هزینه کل را از نظر زمان مصرف برق کاهش می‌دهد.

منطق کنترل هماهنگ برای PV و ذخیره‌سازی انرژی

برای تولید برق فتوولتائیک (PV) و باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی، استراتژی‌های کنترل برای دوره‌های مختلف زمانی تدوین شده‌اند:

• دوره‌های پیک: اولویت به مصرف کامل تولید برق PV داده می‌شود. اگر توان خروجی PV > توان بار، توان اضافی به شبکه تزریق می‌شود تا درآمد ایجاد شود. اگر توان خروجی PV < توان بار، ابتدا باتری برای تأمین توان اولویت دارد (وقتی بار باتری > حداقل مقدار). وقتی باتری خالی شود، بخش کمبود از شبکه تأمین می‌شود.

• دوره‌های غیرپیک: باتری با بیشترین توان شارژ شده تا انرژی ذخیره شود. تمام برق بار توسط شبکه تأمین می‌شود، با استفاده از برق کم‌قیمت غیرپیک برای "پر کردن دره" و ذخیره انرژی برای دوره‌های پیک.

محدودیت‌های باتری

لازم است محدودیت‌های توان شارژ/تخلیه و ظرفیت باتری را همزمان در نظر بگیریم تا رفتار شارژ و تخلیه آن را محدود کنیم (محدودیت‌های خاص نیاز به تکمیل با فرمول‌ها/مدل‌ها دارد، که در متن اصلی به طور کامل ارائه نشده‌اند)، تضمین ایمنی تجهیزات و پایداری سیستم.

در فرمول (6): P_b,max توان شارژ/تخلیه حداکثر باتری است؛ در فرمول (7)، SOC^t بار باتری در بازه زمانی t-