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

1 سیستم هوشمند خانگی مبتنی بر ZigBee

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

این مقاله یک سیستم خانه هوشمند مبتنی بر ZigBee را طراحی می‌کند که شامل سه بخش است: شبکه خانگی، سرور خانگی و دستگاه موبایل. این سیستم ساده، کارآمد و قابل مقیاس 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 پایه اصلی، شبکه خانگی با استفاده از بارهای قابل کنترل به عنوان گره‌ها برای انتقال داده‌های داخلی و مدیریت چند منبع انرژی متصل می‌شود. انتخاب راه‌حل‌های بی‌سیم (ZigBee) به جای راه‌حل‌های سیمی انعطاف‌پذیری، قابلیت اطمینان و مقیاس‌پذیری را افزایش می‌دهد. ZigBee که بر اساس IEEE 802.15.4 ساخته شده است، هزینه، مصرف انرژی و پیچیدگی کم و امنیت بالا ارائه می‌دهد. چیپ‌های ارزان قیمت آن هزینه سخت‌افزار سیستم را کاهش می‌دهند. شبکه شامل:

• کوئردناتور: مدیریت شبکه ZigBee (مبتنی بر CC2530 - کامپایل شده با IAR)، که با استفاده از توپولوژی مستقیم متصل، خانه‌های معمولی را پوشش می‌دهد.

• گره‌های انتهایی: یکپارچه شده با دستگاه‌های اندازه‌گیری/رله‌ها (به عنوان پریزهای هوشمند)، جمع‌آوری داده‌ها و اجرای دستورات برای "کنترل + نظارت" بسته.

1.2 سرور خانگی

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

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

• نظارت بر عملکرد: ردیابی وضعیت بارها، کنترل سوئیچ‌ها و ذخیره داده‌های برق.

• مغز کارآیی انرژی: تحلیل داده‌های بار/فتوولتائیک برای بهینه‌سازی زمان‌بندی و بستن حلقه مدیریت انرژی.

1.3 دستگاه موبایل

مبتنی بر Android (Eclipse + Java)، این دستگاه امکان می‌دهد:

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

• کنترل دوردست: ارسال دستورات برای کنترل غیرمستقیم بارها.

• زمان‌بندی انعطاف‌پذیر: تنظیم زمان‌های سفارشی برای بارها (مثلاً برای قیمت‌گذاری بر اساس زمان).

2 طراحی مدیریت کارآیی انرژی خانگی
2.1 معماری و منطق سیستم

با یکپارچه‌سازی "خانه هوشمند + PV + ذخیره‌سازی انرژی"، سیستم استراتژی‌های کارآیی 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 برنامه‌های بهینه.

• لایه کنترل: هماهنگی عملیات PV/ذخیره‌سازی و زمان‌بندی بارها برای اهداف "کارآیی هزینه" (ساختار در شکل 2).

2.2 اجزای اصلی و همکاری

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

• آرایه‌های PV: با MPPT از طریق انورترها فعال شده و خروجی زنده را به سرور منتقل می‌کنند.

• ذخیره‌سازی انرژی: متصل به شبکه، در زمان اضافه PV شارژ می‌شود و در زمان کمبود دشارژ می‌شود (متر شده برای تعامل با شبکه).

• سرور: اتصال انورترها/پریزها، تنظیم دستگاه‌ها بر اساس قوانین کارآیی برای بهینه‌سازی جریان انرژی.

2.3 طبقه‌بندی و زمان‌بندی بارها

بارها به سه نوع برای زمان‌بندی 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 قدرت.

• بارهای قابل جابجایی (مثلاً ماشین لباسشویی): زمان انعطاف‌پذیر، کلیدی برای کارآیی.

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

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

برای دستیابی به مدیریت دقیق کارآیی انرژی خانگی، باید یک مدل ریاضی برای هزینه کلی 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 درون بازه می‌توانند ثابت فرض شوند). در بازه t-ام، بر اساس تعادل پویای "قدرت بار خانگی، قدرت تولید فتوولتائیک، قدرت شارژ/دشارژ باتری و قدرت تعامل با شبکه"، معادله تعادل قدرت سیستم به دست می‌آید:

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

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

• P_A^t: قدرت کل بار خانگی؛

• P_b^t: قدرت شارژ/دشارژ باتری (مثبت برای دشارژ، منفی برای شارژ)؛

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

سیستم PV خانگی تحت مدل "استفاده خودی + تزریق اضافه قدرت به شبکه" عمل می‌کند، که اضافه برق تولید شده درآمد تزریق به شبکه را ایجاد می‌کند و تولید PV مهلکه برای تأمین می‌شود. با در نظر گرفتن قیمت‌گذاری بر اساس زمان (قیمت‌های بالاتر در ساعات پیک، قیمت‌های پایین‌تر در ساعات غیرپیک)، هزینه کلی برق به صورت زیر محاسبه می‌شود:هزینه کل=هزینه خرید از شبکه−درآمد تزریق به شبکه−مالیات PV

برای یک چرخه روزانه که به n بازه گسسته شده است، مدل هزینه کلی می‌تواند به جمع هزینه‌های خاص هر بازه تجزیه شود، که دقیقاً به سناریوهای قیمت‌گذاری پویا تطبیق می‌یابد.

در فرمول: C نشان‌دهنده هزینه کلی روزانه برق خانگی است؛ f_PV قیمت واحد 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 تفاوت زمان‌های مختلف به قیمت‌های برق در ساعات پیک و غیرپیک تقسیم می‌شود؛ f_R قیمت برق برای اضافه برق تزریق شده به شبکه است. مقادیر f_C^t, f_R و f_PV در هر لحظه از روز شناخته شده‌اند. قدرت کل P_A^t بار خانگی برابر است با مجموع قدرت تمام بارهای قابل جابجایی و سایر بارها در بازه زمانی t-ام.

در فرمول: P_L,i قدرت عملیاتی i-امین بار قابل جابجایی است؛ T_L,i زمان شروع i-امین بار قابل جابجایی است؛ Δ t_i مدت عملیات i-امین بار قابل جابجایی است؛ [t_i^s, t_i^e] دامنه زمان شروع i-امین بار قابل جابجایی است. P_L,i, Δ t_i, t_i^s و t_i^e مقادیر معین هستند.

قدرت برق P_else,j^t سایر بارها شناخته شده است، در حالی که قدرت بارهای قابل جابجایی با توجه به زمان‌های شروع مختلف تغییر می‌کند و T_L,i یک مقدار نامشخص است. وقتی T_L,i متفاوت است، قدرت کلی P_A^t بار خانگی متناسب با آن تغییر می‌کند و بنابراین هزینه کلی برق خانگی C نیز تغییر می‌کند.

3.2 استراتژی کنترل

هدف اصلی مدیریت کارآیی انرژی خانگی به حداکثر رساندن منافع اقتصادی است، به طور خاص به ساخت یک تابع هدف برای "کمینه کردن هزینه کلی برق خانگی C" تبدیل می‌شود.

با توجه به مدل بارهای قابل جابجایی و ترکیب با مکانیسم قیمت‌گذاری بر اساس زمان، تنظیم زمان شروع \(T_{\text{L},i}\) بارهای قابل جابجایی می‌تواند به طور پویا منحنی قدرت کلی بارهای خانگی را بهینه کند و از دیدگاه زمان مصرف برق هزینه کلی را کاهش دهد.

منطق کنترل هماهنگ برای PV و ذخیره‌سازی انرژی

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

• دوره‌های پیک: اولویت به مصرف کامل تولید برق PV داده می‌شود. اگر خروجی PV > قدرت بار، برق اضافه به شبکه تزریق شده و درآمد ایجاد می‌کند. اگر خروجی PV < قدرت بار، اولویت به تأمین باتری داده می‌شود (وقتی بار باتری > حداقل مقدار). وقتی باتری خالی شود، بخش کمبود توسط شبکه تأمین می‌شود.

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

محدودیت‌های باتری

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

در فرمول (6): P_b,max حداکثر قدرت شارژ/دشارژ باتری است؛ در فرمول (7)،