Исследование стратегии управления энергоэффективностью домохозяйств на основе распределенных солнечных электростанций и систем хранения энергии

1 Система умного дома на основе ZigBee

С постоянным развитием компьютерных технологий и технологий управления информацией интеллектуальные дома быстро эволюционируют. Умные дома не только сохраняют традиционные функции жилищ, но и позволяют пользователям удобно управлять домашними устройствами. Даже находясь вне дома, пользователи могут удаленно контролировать внутреннее состояние, что способствует эффективному управлению энергией в доме и значительно повышает качество жизни.

В данной работе проектируется система умного дома на основе ZigBee, состоящая из трех компонентов: домашней сети, домашнего сервера и мобильного терминала. Система проста, эффективна и обладает высокой масштабируемостью, ее структура показана на рисунке 1.

1 Архитектура умного дома на основе ZigBee
1.1 Домашняя сеть

Как основа, домашняя сеть соединяет управляемые нагрузки как узлы для внутренней передачи данных и многоэнергетического управления. Выбор беспроводных (ZigBee) решений вместо проводных повышает гибкость, надежность и масштабируемость. ZigBee, построенный на IEEE 802.15.4, предлагает низкую стоимость, потребление энергии и сложность при высокой безопасности. Его доступные чипы снижают затраты на аппаратное обеспечение системы. Сеть включает:

• Координатор: управляет сетью ZigBee (на основе CC2530, скомпилирован с помощью IAR), охватывая типичные дома через прямое подключение топологии.

• Терминальные узлы: интегрированы с измерительными приборами/реле (как умные розетки), собирают данные и выполняют команды для "управления + мониторинга" замкнутого цикла.

1.2 Домашний сервер

Сервер действует как "данный-контрольный центр" системы, обрабатывая:

• Центр данных: обменивается информацией между ZigBee (через последовательный порт) и мобильными терминалами (через Socket).

• Мониторинг операций: отслеживает состояние нагрузки, управляет переключателями и хранит данные по электричеству.

• Интеллектуальный центр энергоэффективности: анализирует данные по нагрузке и фотоэлектрической системе для оптимизации планирования, закрывая цикл управления энергией.

1.3 Мобильный терминал

На основе Android (Eclipse + Java), терминал позволяет:

• Видимость состояния: реальное время отображения информации об электричестве, отправленной сервером.

• Удаленное управление: отправка команд для косвенного управления нагрузками.

• Гибкое планирование: установка пользовательских временных интервалов для нагрузок (например, для тарифов по времени использования).

2 Проектирование управления энергоэффективностью дома
2.1 Архитектура и логика системы

Интегрируя "умный дом + фотоэлектрические панели + аккумуляторы", система внедряет стратегии эффективности в сервер, формируя цикл "собирать → моделировать → оптимизировать":

• Данный уровень: объединяет данные по нагрузке и фотоэлектрическим панелям.

• Уровень модели: балансирует использование фотоэлектрических панелей, аккумуляторов и нагрузки через оптимальные схемы.

• Уровень управления: координирует операции фотоэлектрических панелей и аккумуляторов, а также планирование нагрузки для целей "стоимостной эффективности" (структура на рисунке 2).

2.2 Основные компоненты и сотрудничество

Основные компоненты (фотоэлектрические массивы, аккумуляторы, инверторы, сервер, нагрузки) работают следующим образом:

• Фотоэлектрические массивы: оснащены MPPT через инверторы, передают реальное время выхода на сервер.

• Аккумуляторы: подключены к сети, заряжаются во время избытка фотоэлектрической энергии и разряжаются во время дефицита (измеряются для взаимодействия с сетью).

• Сервер: связывает инверторы и розетки, регулирует устройства в соответствии с правилами эффективности для оптимизации потока энергии.

2.3 Классификация и планирование нагрузок

Нагрузки делятся на три типа для планирования, основанного на тарифах по времени использования:

• Критические нагрузки (например, освещение): фиксированное время, не регулируемые.

• Регулируемые нагрузки (например, кондиционеры): переменный спрос, регулируемая мощность.

• Перемещаемые нагрузки (например, стиральные машины): гибкое время, ключевые для эффективности.

Сервер управляет перемещаемыми нагрузками через умные розетки, срезая пики и заполняя впадины, чтобы снизить затраты и стабилизировать сеть.

3 Математическая модель и стратегия управления энергоэффективностью дома
3.1 Математическая модель управления энергоэффективностью дома

Для достижения точного управления энергоэффективностью дома необходимо создать математическую модель общей стоимости электроэнергии. В данной работе используется цикл управления "за день", 24 часа делятся на n равных временных интервалов. Дискретизируя непрерывные задачи (когда n достаточно велико, каждый интервал приближается к "микроэлементу", и переменные можно считать постоянными в пределах интервала). В t-м интервале, на основе динамического баланса "мощности домашних нагрузок, мощности генерации фотоэлектрических панелей, мощности зарядки/разрядки аккумулятора и мощности взаимодействия с сетью", выводится уравнение баланса мощности системы:

В t-м временном интервале переменные мощности определяются следующим образом:

• P_G^t: мощность взаимодействия с сетью (положительная при поглощении мощности, отрицательная при вводе мощности);

• P_A^t: общая мощность домашних нагрузок;

• P_b^t: мощность зарядки/разрядки аккумулятора (положительная при разрядке, отрицательная при зарядке);

• P_PV^t: мощность генерации фотоэлектрических панелей (зависит от солнечной радиации, температуры, влажности и т.д., и предсказуема с помощью моделей прогнозирования мощности фотоэлектрических панелей).

Домашняя система фотоэлектрических панелей работает по модели "потребление + продажа избыточной мощности в сеть", где избыточная электроэнергия генерирует доход от продажи в сеть, а генерация фотоэлектрической энергии получает субсидии. Учитывая тарифы по времени использования (более высокие пиковые тарифы, более низкие непиковские тарифы), общая стоимость электроэнергии рассчитывается как:Общая стоимость=Стоимость покупки электроэнергии−Доход от продажи в сеть−Субсидии на фотоэлектрическую энергию

Для ежедневного цикла, дискретизированного на n интервалов, модель общей стоимости может быть дополнительно разложена на сумму стоимостей конкретных интервалов, точно адаптируясь к динамическим ценовым сценариям.

В формуле: C представляет собой общую ежедневную стоимость электроэнергии для домохозяйства; f_PV — это единичная цена субсидии на генерацию фотоэлектрической энергии; 24/n — это продолжительность одного временного интервала.
Выражение для f_t в формуле (2) является

В формуле: f^t_C — это цена электроэнергии для пользователя в t-м временном интервале, которая делится на пиковую цену электроэнергии и непиковую цену электроэнергии в зависимости от различных периодов времени; f_R — это цена электроэнергии, подаваемой в сеть. Значения f_C^t, f_R и f_PV в любой момент дня известны. Общая мощность P_A^t домашних нагрузок равна сумме мощности всех перемещаемых нагрузок и других нагрузок в t-м временном интервале.

В формуле: P_L,i — это рабочая мощность i-й перемещаемой нагрузки; T_L,i — это время запуска i-й перемещаемой нагрузки; Δ t_i  — это продолжительность работы i-й перемещаемой нагрузки; [t_i^s, t_i^e] — это диапазон времени запуска i-й перемещаемой нагрузки. P_L,i, Δ t_i, t_i^s и t_i^e являются определенными значениями.

Электрическая мощность P_else,j^t других нагрузок известна, тогда как электрическая мощность перемещаемых нагрузок изменяется в зависимости от различных времен запуска, и T_L,i является неопределенным значением. Когда T_L,i различается, общая мощность P_A^t домашних нагрузок изменяется соответственно, что приводит к изменению общей стоимости электроэнергии домохозяйства C.

3.2 Стратегия управления

Основная цель управления энергоэффективностью дома — максимизация экономической выгоды, что конкретно выражается в построении целевой функции для "минимизации общей стоимости электроэнергии домохозяйства C".

На основе модели перемещаемых нагрузок и в сочетании с механизмом тарифов по времени использования, корректировка времени запуска \(T_{\text{L},i}\) перемещаемых нагрузок может динамически оптимизировать кривую общей мощности домашних нагрузок, снижая общую стоимость с точки зрения времени потребления электроэнергии.

Логика согласованного управления фотоэлектрическими панелями и аккумуляторами

Для фотоэлектрических панелей и аккумуляторов разрабатываются стратегии управления для различных периодов времени:

• Пиковые периоды: приоритетное полное потребление генерации фотоэлектрических панелей. Если выход фотоэлектрических панелей > мощность нагрузки, избыточная электроэнергия подается в сеть для получения дохода. Если выход фотоэлектрических панелей < мощности нагрузки, приоритет отдается питанию от аккумулятора (когда заряд аккумулятора > минимального значения). Когда аккумулятор разряжен, недостающая часть дополняется из сети.

• Непиковые периоды: аккумулятор заряжается максимальной мощностью для накопления энергии. Все потребление электроэнергии обеспечивается сетью, используя дешевую непиковую электроэнергию для "заполнения впадин" и накопления энергии для пиковых периодов.

Ограничения аккумулятора

Необходимо одновременно учитывать ограничения по мощности зарядки/разрядки и емкости аккумулятора, чтобы ограничивать его зарядку и разрядку (конкретные ограничения нужно дополнить формулами/моделями, которые не полностью представлены в исходном тексте), обеспечивая безопасность оборудования и стабильность системы.

В формуле (6): P_b,max  — это максимальная мощность зарядки/разрядки аккумулятора; в формуле (7), SOC^t — это степень заряда (SOC) аккумулятора в t-м временном интервале; SOC_min — это минимальное значение SOC аккумулятора; SOC_max — это максимальное значение SOC аккумулятора.

Согласно стратегии управления, оптимизируется и контролируется мощность зарядки/разрядки аккумулятора. В пиковый период t ∈[t₁, t₂, где t₁ — это время начала пикового периода, а t₂ — это время окончания пикового периода, мощность разрядки аккумулятора устанавливается как

В непиковый период t ∈ [1, t₁], мощность разрядки аккумулятора устанавливается как

Необходимо вычислить степень заряда (SOC) аккумулятора. Отношение степени заряда в процессе зарядки и разрядки аккумулятора к мощности зарядки/разрядки следующее: