家庭エネルギー効率管理戦略に関する研究 - 分散型PV発電所とESSを基に

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フィールド: 変圧器解析

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1 ZigBeeに基づくスマートホームシステム

コンピュータ技術と情報制御技術の継続的な発展により、スマートホームは急速に進化しています。スマートホームは伝統的な住宅機能を保持しながら、ユーザーが家庭内のデバイスを便利に管理できるようになっています。家外でもユーザーは内部状態を遠隔監視でき、エネルギー効率管理を容易にし、生活の質を大幅に向上させることができます。

本論文では、家庭ネットワーク、家庭サーバー、モバイル端末の3つの構成要素からなるZigBeeに基づくスマートホームシステムを設計しました。このシステムは単純で効率的かつ拡張性が高く、その構造は図1に示されています。

1 ZigBeeに基づくスマートホームアーキテクチャ
1.1 家庭ネットワーク

家庭ネットワークはコアとなる基盤であり、制御可能な負荷をノードとして内部データ伝送と多エネルギー管理に接続します。有線ソリューションよりも無線（ZigBee）を選択することで、柔軟性、信頼性、および拡張性が向上します。IEEE 802.15.4に基づくZigBeeは、低コスト、低消費電力、低複雑さ、高セキュリティを提供します。手頃な価格のチップを使用することで、システムのハードウェアコストを削減できます。ネットワークには以下のものが含まれます：

コーディネーター：ZigBeeネットワークを管理（CC2530ベース、IARコンパイル）、直接接続トポロジーによる一般的な家庭のカバー。
末端ノード：メータリング/リレー（スマートソケットとして）との統合、データ収集と「制御+監視」クロージャのためのコマンド実行。

1.2 家庭サーバー

サーバーはシステムの「データ-制御コア」として以下を処理します：

データハブ：ZigBee（シリアルポート経由）とモバイル端末（Socket経由）間の情報交換。
操作監視：負荷状態の追跡、スイッチの制御、電力データの保存。
エネルギー効率ブレイン：負荷/太陽光発電データの分析によりスケジューリングを最適化し、エネルギーマネジメントのループを閉じる。

1.3 モバイル端末

Androidベース（Eclipse + Java）の端末は以下を可能にします：

ステータス可視化：サーバーからプッシュされた電力情報のリアルタイム表示。
リモート制御：負荷を間接的に制御するためのコマンドの送信。
柔軟なスケジューリング：カスタム負荷タイミングの設定（例：時間帯料金対応）。

2 家庭エネルギー効率管理設計
2.1 システムアーキテクチャと論理

「スマートホーム + 太陽光発電 + エネルギー貯蔵」を統合し、効率戦略をサーバーに組み込むことで、「収集→モデル化→最適化」のループを形成します：

データ層：負荷データと太陽光発電データの結合。
モデル層：最適なスキームによる太陽光発電の使用、貯蔵、負荷のバランス。
制御層：「コスト効率」目標のための太陽光発電/貯蔵動作と負荷スケジューリングの調整（図2参照）。

2.2 核心部品と協調

主要部品（太陽光発電アレイ、バッテリー、インバータ、サーバー、負荷）は以下のとおり動作します：

太陽光発電アレイ：インバータによるMPPT機能付き、リアルタイム出力をサーバーに送信。
エネルギー貯蔵：グリッド接続、太陽光発電過剰時に充電、不足時に放電（グリッド相互作用用メーター付き）。
サーバー：インバータ/ソケットをリンクし、効率ルールに基づいてデバイスを調整してエネルギー流れを最適化。

2.3 負荷分類とスケジューリング

時間帯料金駆動のスケジューリングのために、負荷は以下の3種類に分けられます：

重要負荷（例：照明）：固定時間、調整不可。
調整可能な負荷（例：エアコン）：変動需要、電力調整可能。
シフト可能な負荷（例：洗濯機）：時間柔軟、効率の核心。

サーバーはスマートソケットを通じてシフト可能な負荷を制御し、ピークシェービング/バレー充填によりコストを削減し、グリッドを安定させます。

3 家庭エネルギー効率管理の数理モデルと制御戦略
3.1 家庭エネルギー効率管理の数理モデル

正確な家庭エネルギー効率管理を達成するためには、電力総コストの数理モデルを確立する必要があります。本論文では「日単位」の制御サイクルを使用し、24時間を $n$ 等分の時間間隔に分割します。連続問題を離散化することで（ $n$ が十分に大きいとき、各間隔は「微小要素」に近づき、変数は間隔内で一定と仮定できます）。 $t$ 番目の間隔では、「家庭負荷電力、太陽光発電電力、バッテリー充電/放電電力、グリッド相互作用電力」の動的平衡に基づいて、システムの電力平衡方程式が導かれます。

$t$ 番目の時間間隔内では、電力変数は以下の通り定義されます：

$P_{G t}$ : グリッド相互作用電力（正値は電力吸収、負値は電力注入）；
$P A t$ : 家庭負荷電力の総和；
$P b t$ : バッテリー充電/放電電力（正値は放電、負値は充電）；
$P PV t$ : 太陽光発電（PV）出力電力（太陽照度、温度、湿度などによって影響を受け、PV発電予測モデルで予測可能）。

家庭PVシステムは「自己消費 + 過剰電力のグリッド供給」モデルで動作し、過剰電力はグリッド供給収益を生み出し、PV発電は補助金対象となります。時間帯料金（ピーク時の高料金、オフピーク時の低料金）を考慮すると、電力総コストは以下の式で計算されます：総コスト=グリッド購入コスト−グリッド供給収益−PV補助金

一日のサイクルを $n$ 間隔に離散化した場合、総コストモデルは間隔ごとのコストの合計にさらに分解され、動的な料金シナリオに正確に対応することができます。

式において： $C$ は家庭の一日あたりの電力総コストを表します；f_PVは太陽光発電補助金の単価です； $24/n$ は一つの時間間隔の長さです。
式（2）における $f t$ の表現は

式において： $f t$ _Cは $t$ 番目の時間帯におけるユーザーの電力料金で、異なる時間帯に応じてピーク時電力料金とオフピーク時電力料金に分かれます； $f R$ はグリッドへの過剰電力供給の電力料金です。 $f C t$ , $f R$ および $f PV$ の値は、一日中の任意の時間帯で既知です。家庭負荷の総電力 $P A t$ は $t$ 番目の時間帯におけるすべてのシフト可能な負荷と他の負荷の電力の合計に等しいです。

式において： $P L,i$ は $i$ 番目のシフト可能な負荷の運転電力です； $T L,i$ は $i$ 番目のシフト可能な負荷の起動時間です；Δ $t i$ は $i$ 番目のシフト可能な負荷の運転期間です； $[t i s, t i e]$ は $i$ 番目のシフト可能な負荷の起動時間範囲です。 $P L,i$ , Δ $t i$ , $t i s$ および $t i e$ はすべて確定値です。

他の負荷の電力 $P else,j t$ は既知ですが、シフト可能な負荷の電力は異なる起動時間に応じて変化し、 $T L,i$ は未定値です。 $T L,i$ が異なる場合、家庭負荷の総電力 $P A t$ もそれに応じて変化し、家庭の電力総コスト $C$ も変化します。

3.2 制御戦略

家庭エネルギー効率管理の中心的な目標は経済的利益の最大化であり、具体的には「家庭の電力総コスト $C$ を最小化する」目的関数を構築することに翻訳されます。

シフト可能な負荷モデルに基づき、時間帯料金メカニズムと組み合わせて、シフト可能な負荷の起動時間 $T_{\text{L},i}$ を調整することで、家庭負荷電力曲線を動的に最適化し、電力消費タイミングの観点から総コストを削減することができます。

PVおよびエネルギー貯蔵の協調制御論理

太陽光発電（PV）およびエネルギー貯蔵バッテリーについては、異なる時間帯に対して制御戦略を策定します：

ピーク期間：PV発電の完全消費を優先します。PV出力 > 負荷電力の場合、過剰電力はグリッドに供給され収益を得ます。PV出力 < 負荷電力の場合、バッテリーが優先的に電力供給します（バッテリーの充電状態 > 最小値）。バッテリーが枯渇した場合、不足部分はグリッドから補充されます。
オフピーク期間：バッテリーは最大充電電力でエネルギー貯蔵を行います。すべての負荷電力はグリッドから供給され、低価格のオフピーク電力を活用して「谷の充填」を行い、ピーク期間のためのエネルギーを貯蔵します。

バッテリーの制約条件

同時にバッテリーの充電/放電電力制限と容量制限を考慮し、その充電・放電行動を制約する必要があります（具体的な制約条件は公式やモデルで補完する必要があり、原文では完全に提示されていません）。これにより、設備の安全性とシステムの安定性を確保します。

式（6）において： $P b,max$ はバッテリーの最大充電/放電電力です；式（7）において： $SOC t$ は $t$ 番目の時間帯におけるバッテリーの充電状態（SOC）です； $SOC min$ はバッテリーのSOCの最小値です； $SOC max$ はバッテリーのSOCの最大値です。

制御戦略に基づいて、エネルギー貯蔵バッテリーの充電/放電電力を最適化し制御します。ピーク期間 $t ∈[t 1, t 2$ において、 $t 1$ は電力ピーク期間の開始時間、 $t 2$ は電力ピーク期間の終了時間であり、バッテリーの放電電力は以下の通り設定されます：

オフピーク期間 $t ∈ [1, t 1]$ において、蓄電池の放電電力は以下の通り設定されます：

蓄電池の充電状態（SOC）を計算する必要があります。蓄電池の充電および放電過程における充電状態と充電/放電電力の関係は以下の通りです：

式（10）は、充電過程における蓄電池のSOCと充電電力の関係を記述しています（ここでは $P b t ＜ 0$ ）；式（11）は、放電過程における蓄電池のSOCと放電電力の関係を記述しています（ここでは $P b t ＞ 0$ ）。 $SOC t + 1$ は $t + 1$ 番目の期間のSOCです；σ（セルフディスチャージ率、短い時間間隔ではほぼ0%）、η_ch（充電効率）、η_$dis$（放電効率）、および $E b,max$ （最大容量）はバッテリーのパラメータです。要するに、家庭エネルギー効率の最適化は、各瞬間でのシフト可能な負荷の起動時間とエネルギー貯蔵の充電/放電電力を決定することで、総電力コストを最小化することを目指しています：