Istraživanje strategije upravljanja energetskom učinkovitosti kućanstava temeljeno na distribuiranim PV postajama i ESS

1 Sustav pametnog doma temeljen na ZigBee-u

S neprekidnim razvojem računalne tehnologije i tehnologije informacijskog upravljanja, pametni domovi brzo napreduju. Pametni domovi ne samo zadržavaju tradicionalne funkcije staničnosti, već omogućuju korisnicima lako upravljanje kućanskim uređajima. Čak i izvan doma, korisnici mogu udaljeno nadgledati unutarnji status, što olakšava upravljanje energijskom učinkovitosti u domu i značajno poboljšava kvalitetu života.

Ovaj rad dizajnira sustav pametnog doma temeljen na ZigBee-u, sastavljen od tri komponente: kućanska mreža, kućanski poslužitelj i mobilni terminal. Sustav je jednostavan, učinkovit i visoko skalabilan, s njegovom strukturom prikazanom na slici 1.

1 Arhitektura pametnog doma temeljena na ZigBee-u
1.1 Kućanska mreža

Kao ključna osnova, kućanska mreža povezuje kontrolirane opterećenja kao čvorove za internu prenos podataka i višestruko upravljanje energijom. Odabir bežičnih (ZigBee) rješenja umjesto žičnih povećava fleksibilnost, pouzdanost i skalabilnost. ZigBee, temeljen na IEEE 802.15.4, nudi niske troškove, potrošnju energije i složenost uz visoku sigurnost. Njegove pristupačne čipove smanjuju troškove hardvera sustava. Mreža uključuje:

• Koordinator: Upravlja ZigBee mrežom (temeljeno na CC2530 -u, IAR -om kompajlirano), pokrivajući tipične domove putem topologije direktno povezane.

• Terminalni čvorovi: Integrirani s mjernim/relé uređajima (kao pametni utičnici), prikupljaju podatke i izvršavaju naredbe za “kontrolu + nadzor” zatvaranja.

1.2 Kućanski poslužitelj

Poslužitelj djeluje kao “jedinstveni centar za podatke i upravljanje” sustava, obrađujući:

• Centrala podataka: Razmjenjuje informacije između ZigBee-a (putem serijskog porta) i mobilnih terminala (putem Socket-a).

• Nadzor operacija: Prati status opterećenja, kontrolira prekidače i pohranjuje podatke o potrošnji struje.

• Mozgovina za učinkovitu upotrebu energije: Analizira podatke o opterećenju/fotovoltaickoj energiji kako bi optimizirao raspoređivanje, zatvarajući petlju upravljanja energijom.

1.3 Mobilni terminal

Temeljen na Androidu (Eclipse + Java), terminal omogućuje:

• Vidljivost statusa: Stvarno vremenski prikaz informacija o strujnom stanju koje se šalju sa servera.

• Udaljeno upravljanje: Šalje naredbe za kontrolu opterećenja indirektno.

• Fleksibilno raspoređivanje: Postavlja prilagođene vremena za opterećenja (npr. za cijene prema vremenu upotrebe).

2 Dizajn upravljanja učinkovitošću energije u domu
2.1 Arhitektura i logika sustava

Integrirajući “pametni dom + fotovoltaiku + pohranu energije”, sustav ugrađuje strategije učinkovitosti u poslužitelj, formirajući “kolekcija → model → optimizacija” petlju:

• Sloj podataka: Kombinira podatke o opterećenju i fotovoltaici.

• Sloj modela: Balansira upotrebu fotovoltaike, pohranu i opterećenje preko optimalnih shema.

• Sloj kontrole: Koordinira rad fotovoltaike/pohrane i raspoređivanje opterećenja s ciljem “učinkovitosti u smislu troškova” (struktura na slici 2).

2.2 Ključne komponente i suradnja

Ključne komponente (fotovoltaički polja, baterije, inverteri, poslužitelj, opterećenja) rade kao:

• Fotovoltaička polja: Omogućena MPPT putem invertera, šalju stvarno vrijeme proizvodnje na poslužitelj.

• Pohrana energije: Povezana s mrežom, puni se tijekom previsoka proizvodnje fotovoltaike i ispraznjava tijekom nedostatka (mereno za interakciju s mrežom).

• Poslužitelj: Spaja invertere/utičnice, prilagođava uređaje prema pravilima učinkovitosti kako bi optimizirao protok energije.

2.3 Klasifikacija i raspoređivanje opterećenja

Opterećenja su podijeljena u tri vrste za raspoređivanje temeljeno na cijenama prema vremenu upotrebe:

• Kritična opterećenja (npr. svjetla): Fiksno vrijeme, nepromjenjivo.

• Prilagodljiva opterećenja (npr. klima uređaji): Promjenjive potrebe, podešivi po snazi.

• Pomicna opterećenja (npr. perilači): Vremenski fleksibilna, ključna za učinkovitost.

Poslužitelj kontrolira pomicna opterećenja putem pametnih utičnika, skraćujući vrhove i popunjavajući doline kako bi smanjio troškove i stabilizirao mrežu.

3 Matematički model i strategija upravljanja za upravljanje učinkovitošću energije u domu
3.1 Matematički model za upravljanje učinkovitošću energije u domu

Da bi se postiglo precizno upravljanje učinkovitošću energije u domu, mora se izgraditi matematički model ukupnih troškova električne energije. Ovaj rad koristi “dnevni” kontrolni ciklus, dijeljenjem 24 sata na n jednakih vremenskih intervala. Diskretizirajući kontinuirane probleme (kada n dovoljno veliko, svaki interval teži “mikroelementu”, a varijable se mogu pretpostaviti konstantne unutar intervala). U t-tom intervalu, temeljeno na dinamičkoj ravnoteži “snage kućanskih opterećenja, snage generiranja fotovoltaike, snage punjenja/ispustanja baterija i snage interakcije s mrežom”, izvedena je jednadžba ravnoteže sustava kao:

Unutar t-tog vremenskog intervala, definirane su sljedeće varijable snage:

• P_G^t: Snaga interakcije s mrežom (pozitivna za apsorpciju snage, negativna za ubacivanje snage);

• P_A^t: Ukupna snaga kućanskih opterećenja;

• P_b^t: Snaga punjenja/ispustanja baterije (pozitivna za ispustanje, negativna za punjenje);

• P_PV^t: Snaga proizvodnje fotovoltaike (PV) (pod utjecajem solarnog zračenja, temperature, vlage itd., predvidiva putem modela prognoze snage PV).

Kućanski sistem fotovoltaike radi pod modelom “samopotrosnja + previsoka proizvodnja ubacivanjem u mrežu”, gdje previsoka električna energija generira prihod od ubacivanja u mrežu, a proizvodnja PV kvalificira za subvencije. Uzimajući u obzir cijene prema vremenu upotrebe (više visokih stopa, manje niskih stopa), ukupni troškovi električne energije izračunavaju se kao:Ukupni troškovi=Troškovi nakupnje iz mreže−Prihodi od ubacivanja u mrežu−Subvencije PV

Za dnevni ciklus diskretiziran na n intervala, model ukupnih troškova može se dalje dekomponirati u zbroj troškova specifičnih za interval, točno prilagođen dinamičkim scenarijima cijenama.

U formuli: C predstavlja ukupne dnevne troškove električne energije kućanstva; f_PV je jedinična cijena subvencije za proizvodnju fotovoltaičke energije; 24/n je trajanje jednog vremenskog intervala.
Izraz za f_t u Formuli (2) je

U formuli: f^t_C je cijena električne energije za korisnika tijekom t-tog vremenskog perioda, koja se dijeli na cijenu električne energije u visokim satima i niskim satima prema različitim vremenskim periodima; f_R je cijena električne energije za previsoku proizvodnju ubacenog u mrežu. Vrijednosti f_C^t, f_R i f_PV u bilo kojem trenutku dana su poznate. Ukupna snaga P_A^t kućanskih opterećenja jednaka je zbroju snage svih pomicnih opterećenja i drugih opterećenja tijekom t-tog vremenskog perioda.

U formuli: P_L,i je radna snaga i-tog pomicnog opterećenja; T_L,i je vrijeme pokretanja i-tog pomicnog opterećenja; Δ t_i  je trajanje rada i-tog pomicnog opterećenja; [t_i^s, t_i^e] je raspon vremena pokretanja i-tog pomicnog opterećenja. P_L,i, Δ t_i, t_i^s i t_i^e su sve određene vrijednosti.

Električna snaga P_else,j^t drugih opterećenja je poznata, dok se električna snaga pomicnih opterećenja mijenja prema različitim vremenima pokretanja, a T_L,i je nepoznata vrijednost. Kada T_L,i varira, ukupna snaga P_A^t kućanskih opterećenja se mijenja, stoga se mijenja i ukupni troškovi električne energije kućanstva C.

3.2 Strategija upravljanja

Glavni cilj upravljanja učinkovitošću energije u domu je maksimiziranje ekonomskih koristi, specifično prevedeno u konstrukciju ciljne funkcije za “minimalizaciju ukupnih troškova električne energije kućanstva C”.

Temeljeno na modelu pomicnih opterećenja i kombinirano s mehanizmom cijena prema vremenu upotrebe, prilagođavanjem vremena pokretanja \(T_{\text{L},i}\) pomicnih opterećenja može se dinamički optimizirati krivulja ukupne snage kućanskih opterećenja, smanjujući ukupne troškove s perspektive vremena potrošnje.

Koordinarirana logika upravljanja za fotovoltaiku i pohranu energije

Za proizvodnju fotovoltaičke (PV) energije i baterije za pohranu energije, formulirane su strategije upravljanja za različite vremenske periode:

• Visoki sati: Prioritetno potrošnja cijele proizvodnje PV energije. Ako je proizvodnja PV > snaga opterećenja, previsoka energija ubacuje se u mrežu za prihod. Ako je proizvodnja PV < snaga opterećenja, baterija se prioritetno koristi za snabdijevanje (kada je stanje nabijanja baterije > minimalna vrijednost). Kada se baterija iscrpi, nedostatak se dopunjava iz mreže.

• Niski sati: Baterija se puni maksimalnom snazom punjenja za pohranu energije. Sva snabdijevanje električnom energijom opterećenja provodi se iz mreže, koristeći niske cijene niskih sati za &ldquo;ispunjavanje doline&rdquo; i pohranu energije za visoke sati.

Ograničenja baterije

Potrebno je istodobno razmotriti ograničenja snage punjenja/ispustanja i kapaciteta baterije kako bi se ograničilo njihovo ponašanje punjenja i ispustanja (specifična ograničenja trebaju biti dopunjena formulama/modelima, nije u potpunosti prikazano u originalnom tekstu), osiguravajući sigurnost opreme i stabilnost sustava.

U Formuli (6): P_b,max  je maksimalna snaga punjenja/ispustanja baterije; u Formuli (7), SOC^t je stanje nabijanja (SOC) baterije tijekom t-tog vremenskog perioda; SOC_min je minimalna vrijednost SOC baterije; SOC_max je maksimalna vrijednost SOC baterije.

Prema strategiji upravljanja, optimizirati i kontrolirati snagu punjenja/ispustanja baterije za pohranu energije. Tijekom visokih sati t &isin;[t₁, t₂