Onderzoek naar een Strategie voor Huishoudelijke Energie-efficiëntie Beheer Gebaseerd op Gedistribueerde PV-installaties en ESS

1 ZigBee-gebaseerd slim huis systeem

Met de continue ontwikkeling van computertechnologie en informatiecontroletechnologie hebben slimme huizen zich snel ontwikkeld. Slimme huizen behouden niet alleen traditionele woonfuncties, maar stellen gebruikers ook in staat om huishoudelijke apparaten gemakkelijk te beheren. Zelfs buiten het huis kunnen gebruikers de interne status op afstand bewaken, waardoor energie-efficiënt beheer van het huis mogelijk wordt en de levenskwaliteit aanzienlijk verbetert.

In dit artikel wordt een ZigBee-gebaseerd slim huis systeem ontworpen, bestaande uit drie componenten: thuisnetwerk, thuishub en mobiel eindpunt. Het systeem is eenvoudig, efficiënt en zeer schaalbaar, met een structuur zoals weergegeven in Figuur 1.

1 ZigBee-gebaseerde slim huis architectuur
1.1 Thuisnetwerk

Als de kernbasis verbindt het thuisnetwerk controleerbare belastingen als knooppunten voor interne datatransmissie en multi-energiebeheer. Het kiezen van draadloze (ZigBee) oplossingen boven bedrade oplossingen verhoogt flexibiliteit, betrouwbaarheid en schaalbaarheid. ZigBee, gebaseerd op IEEE 802.15.4, biedt lage kosten, energieverbruik en complexiteit met hoge veiligheid. De betaalbare chips verlagen de hardwarekosten van het systeem. Het netwerk omvat:

• Coordinator: Beheert het ZigBee-netwerk (CC2530-gebaseerd, IAR-gecompileerd), bedekt typische huizen via direct-verbonden topologie.

• Eindpunten: Geïntegreerd met metering/relays (als slimme stopcontacten), verzamelt gegevens en voert commando's uit voor “controle + bewaking” sluiting.

1.2 Thuishub

De hub fungeert als het “data-controlecentrum” van het systeem, verantwoordelijk voor:

• Datahub: Verwisselt informatie tussen ZigBee (via seriële poort) en mobiele eindpunten (via Socket).

• Bedrijfsbewaking: Volgt de status van de belasting, bedient schakelaars en slaat elektriciteitsgegevens op.

• Efficiëntiebrein: Analyseert belastings/fotovoltaïsche gegevens om planning te optimaliseren, sluit de energiebeheerslus.

1.3 Mobiel eindpunt

Gebaseerd op Android (Eclipse + Java), stelt het eindpunt in staat:

• Statuszichtbaarheid: Real-time weergave van door de server gepushte elektriciteitsinformatie.

• Afstandsbediening: stuurt commando's om belastingen indirect te bedienen.

• Flexibele planning: Stelt aangepaste belastingtijden in (bijvoorbeeld voor tijdgebonden tarieven).

2 Thuisenergie-efficiëntiebeheerontwerp
2.1 Systeemarchitectuur & logica

Door “slim huis + PV + energieopslag” te integreren, worden efficiëntiestrategieën in de hub ingebed, vormend een “verzamelen → modelleren → optimaliseren” lus:

• Datalaag: Combineert belastings- en PV-gegevens.

• Modellaag: Balanceren van PV-gebruik, opslag en belasting via optimale schema's.

• Controllaag: Coördineert PV/opslagoperaties en belastingschema's voor “kostenefficiëntie” doelen (structuur in Figuur 2).

2.2 Kerncomponenten & samenwerking

Kerncomponenten (PV-arrays, batterijen, omvormers, hub, belastingen) werken als:

• PV-Arrays: MPPT-ingeschakeld via omvormers, zenden real-time output naar de hub.

• Energieopslag: Aangesloten op het net, opladen tijdens PV-overmaat en ontladen tijdens tekorten (gemeten voor netwerkinteractie).

• Hub: Verbindt omvormers/stopcontacten, past apparatuur aan volgens efficiëntieregels om energiestroom te optimaliseren.

2.3 Belastingsclassificatie & planning

Belastingen worden verdeeld in drie types voor tijdgebonden tariefgedreven planning:

• Kritieke belastingen (bijvoorbeeld verlichting): Vaste tijd, niet-aanpasbaar.

• Aanpasbare belastingen (bijvoorbeeld airconditioning): Variabele vraag, vermogen aanpasbaar.

• Verschuifbare belastingen (bijvoorbeeld wasmachines): Tijd-flexibel, kern voor efficiëntie.

De hub bedient verschuifbare belastingen via slimme stopcontacten, pieken afscheren/dalen vullen om kosten te verlagen en het netwerk te stabiliseren.

3 Wiskundig model en controlestrategie voor thuisenergie-efficiëntiebeheer
3.1 Wiskundig model voor thuisenergie-efficiëntiebeheer

Om precies thuisenergie-efficiëntiebeheer te bereiken, moet een wiskundig model voor totale elektriciteitskosten worden opgesteld. Dit artikel gebruikt een “dagelijks” controlecyclus, waarbij 24 uur worden verdeeld in n gelijke tijdsintervallen. Door continue problemen te discretiseren (wanneer n voldoende groot is, benadert elk interval een “micro-element”, en variabelen kunnen binnen het interval constant worden aangenomen). In het t-de interval, op basis van de dynamische balans van “thuisbelastingsvermogen, fotovoltaïsch opwekvermogen, batterijoplading/ontladingvermogen, en netwerkinteractievermogen”, wordt de systeemvermogensbalansvergelijking afgeleid als:

Binnen het t-de tijdsinterval worden de vermogensvariabelen als volgt gedefinieerd:

• P_G^t: Netwerkinteractievermogen (positief voor vermogensabsorptie, negatief voor vermogensinjectie);

• P_A^t: Totale huishoudelijke belastingsvermogen;

• P_b^t: Batterijoplading/ontladingvermogen (positief voor ontlading, negatief voor oplading);

• P_PV^t: Fotovoltaïsch (PV) opwekvermogen (beïnvloed door zonnestraling, temperatuur, vochtigheid, etc., en voorspelbaar via PV-vermogensvoorspellingsmodellen).

Het huishoudelijke PV-systeem werkt onder het “zelfconsumptie + overmaatsenergie terugleveren aan het net” model, waarbij overmaatsenergie inkomsten genereert en PV-opwekking recht geeft op subsidies. Met inachtneming van tijdgebonden tarieven (hogere piekstarieven, lagere dalstarieven), wordt de totale elektriciteitskosten berekend als:Totale Kosten=Net-aankoopkosten−Terugleverinkomsten−PV-subsidies

Voor een dagelijkse cyclus gediscretiseerd in n intervallen, kan het totale kostenmodel verder worden opgesplitst in de som van interval-specifieke kosten, nauwkeurig aangepast aan dynamische prijsscenarios.

In de formule: C vertegenwoordigt de totale dagelijkse elektriciteitskosten van het huishouden; f_PV is de eenheidsprijs van de fotovoltaïsche opweksubsidie; 24/n is de duur van één tijdsinterval.
De uitdrukking voor f_t in Formule (2) is

In de formule: f^t_C is de elektriciteitsprijs voor de gebruiker tijdens het t-de tijdsperiode, die wordt verdeeld in piekstarieven en dalstarieven volgens verschillende tijdsperioden; f_R is de elektriciteitsprijs voor overmaatsenergie die wordt teruggeleverd aan het net. De waarden van f_C^t, f_R en f_PV op elk moment van de dag zijn bekend. Het totale vermogen P_A^t van de huishoudelijke belasting is gelijk aan de som van het vermogen van alle verschuifbare belastingen en andere belastingen tijdens het t-de tijdsinterval.

In de formule: P_L,i is het werkvermogen van de i-de verschuifbare belasting; T_L,i is het starttijdstip van de i-de verschuifbare belasting; Δ t_i  is de bedrijfstijd van de i-de verschuifbare belasting; [t_i^s, t_i^e] is het bereik van het starttijdstip van de i-de verschuifbare belasting. P_L,i, Δ t_i, t_i^s en t_i^e zijn allemaal bepaalde waarden.

Het elektrisch vermogen P_else,j^t van andere belastingen is bekend, terwijl het elektrisch vermogen van verschuifbare belastingen varieert volgens verschillende starttijdstippen, en T_L,i is een onbepaalde waarde. Wanneer T_L,i verschillend is, verandert het totale vermogen P_A^t van de huishoudelijke belasting dienovereenkomstig, waardoor de totale huishoudelijke elektriciteitskosten C veranderen.

3.2 Controlestrategie

Het kerndoel van thuisenergie-efficiëntiebeheer is het maximaliseren van economische voordelen, specifiek vertaald in het construeren van een doelfunctie voor "minimaliseren van de totale huishoudelijke elektriciteitskosten C".

Op basis van het model voor verschuifbare belastingen en in combinatie met het mechanisme voor tijdgebonden tarieven, kan het starttijdstip \(T_{\text{L},i}\) van verschuifbare belastingen worden aangepast om de totale huishoudelijke belastingsvermogencurve dynamisch te optimaliseren, waardoor de totale kosten vanuit het perspectief van elektriciteitsverbruikstijding worden verlaagd.

Gecoördineerde controlelogica voor PV en energieopslag

Voor fotovoltaïsche (PV) opwekking en energieopslagaccu's worden controlestrategieën opgesteld voor verschillende tijdsperioden:

• Piektijden: Prioriteren van volledige consumptie van PV-opwekking. Als PV-opwekking > belastingsvermogen, wordt overmaatsenergie teruggeleverd aan het net voor inkomsten. Als PV-opwekking < belastingsvermogen, wordt de accu prioriterend voor energievoorziening (wanneer de laadgraad van de accu > minimumwaarde). Wanneer de accu is leeggelopen, wordt het ontoereikende deel aangevuld door het net.

• Daltijden: De accu wordt opgeladen met maximale laadvermogen voor energieopslag. Alle belastingsvermogen wordt geleverd door het net, gebruikmakend van goedkope dalarieven om "dalenergie" op te slaan voor piektijden.

Batterijbeperkingen

Het is nodig om tegelijkertijd rekening te houden met de oplaad/ontlaadvermogenslimieten en capaciteitsbeperkingen van de accu om het oplaad- en ontlaadgeh