Istraživanje strategije upravljanja energetskom efikasnošću kućanstava bazirano na raspodeljenim PV elektranama i ESS

1 Sistem pametne kuće baziran na ZigBee tehnologiji

Sa stalnim razvojem računarske tehnologije i tehnologije kontrole informacija, inteligentne kuće su se brzo razvijale. Pametne kuće ne samo što zadržavaju tradicionalne funkcije stanovanja, već omogućavaju korisnicima da lako upravljaju kućanskim uređajima. Čak i izvan kuće, korisnici mogu udaljeno pratiti unutrašnji status, što olakšava upravljanje energijom u domaćinstvu i značajno poboljšava kvalitet života.

Ovaj rad dizajnira sistem pametne kuće baziran na ZigBee tehnologiji, koji se sastoji od tri komponente: mreže kuće, poslužitelja kuće i mobilnog terminala. Sistem je jednostavan, efikasan i visoko skalabilan, sa strukturom prikazanom na slici 1.

1 Arhitektura pametne kuće bazirane na ZigBee tehnologiji
1.1 Mreža kuće

Kao ključna osnova, mreža kuće povezuje kontrolisane opterećenja kao čvorove za unutrašnju prenosu podataka i upravljanje više vrsta energija. Izbor bežičnih (ZigBee) nad žičanim rešenjima povećava fleksibilnost, pouzdanost i skalabilnost. ZigBee, zasnovan na IEEE 802.15.4, nudi niske troškove, potrošnju struje i kompleksnost uz visoku sigurnost. Njegove pristupačne čipove smanjuju troškove hardvera sistema. Mreža uključuje:

• Koordinator: Upravlja ZigBee mrežom (baziran na CC2530, kompajliran putem IAR), pokrivajući tipične kuće direktnom vezom topologije.

• Terminalni čvorovi: Integrirani sa merilima/reléima (kao pametni utičnici), prikuplja podatke i izvršava naloge za “kontrolu + nadzor” zatvaranja.

1.2 Poslužitelj kuće

Poslužitelj deluje kao “centralni centar za podatke i kontrolu” sistema, rukujući:

• Centralni hub za podatke: Razmenjuje informacije između ZigBee (preko serijskog porta) i mobilnih terminala (preko Socket-a).

• Nadzor operacija: Prati status opterećenja, kontrola prekidača i čuvanje podataka o potrošnji električne energije.

• Mozg za efikasnost energije: Analizira podatke o opterećenju/fotovoltaickim panelima kako bi optimizovao rasporede, zatvarajući petlju upravljanja energijom.

1.3 Mobilni terminal

Baziran na Androidu (Eclipse + Java), terminal omogućava:

• Vidljivost statusa: Stvarno vreme prikaza informacija o potrošnji električne energije koje server šalje.

• Udaljena kontrola: Šalje naloge za indirektnu kontrolu opterećenja.

• Fleksibilno planiranje: Postavlja prilagođene vremenske okvire za opterećenja (npr., za cene po vremenskom periodu).

2 Dizajn upravljanja efikasnošću energije u kući
2.1 Arhitektura i logika sistema

Integriranjem “pametne kuće + fotovoltaika + skladištenje energije”, sistem ugrađuje strategije efikasnosti u poslužitelj, formirajući “skupljanje → modeliranje → optimizacija” petlju:

• Sloj podataka: Kombinuje podatke o opterećenju i fotovoltaicama.

• Sloj modela: Balansira upotrebu fotovoltaika, skladištenje i opterećenje preko optimalnih shema.

• Sloj kontrole: Koordinira operacije fotovoltaika/skladištenja i rasporede opterećenja radi postizanja ciljeva “efikasnosti troškova” (struktura na slici 2).

2.2 Ključne komponente i saradnja

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

• Fotovoltaički nizovi: Omogućeni MPPT preko invertera, prenose stvarnu proizvodnju na poslužitelj.

• Skladištenje energije: Povezano na mrežu, puni se tokom prekomjera fotovoltaika i ispraznjava se tokom nedostatka (mereno za interakciju sa mrežom).

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

2.3 Klasifikacija i raspoređivanje opterećenja

Opterećenja su podeljena u tri vrste za raspoređivanje pokrenuto cijenama po vremenskom periodu:

• Kritična opterećenja (npr., svjetlo): Fiksno vreme, nepodnožljivo.

• Prilagodljiva opterećenja (npr., klima uređaji): Promenljiva potreba, podešivi snaga.

• Pomerljiva opterećenja (npr., perilača): Vremenski fleksibilna, ključna za efikasnost.

Poslužitelj kontrolira pomerljiva opterećenja preko pametnih utičnika, obrezujući vrhove/ispunjavajući doline kako bi smanjio troškove i stabilizovao mrežu.

3 Matematički model i strategija kontrole za upravljanje efikasnošću energije u kući
3.1 Matematički model za upravljanje efikasnošću energije u kući

Da bi se postiglo precizno upravljanje efikasnošću energije u kući, mora se uspostaviti matematički model ukupne cijene električne energije. Ovaj rad koristi “dnevni” kontrolni ciklus, dijeleći 24 sata na n jednaka vremenska intervala. Diskretizirajući kontinuirane probleme (kada je n dovoljno veliko, svaki interval prilazi “mikro-elementu,” a varijable se mogu smatrati konstantnim unutar intervala). U t-tom intervalu, na osnovu dinamičkog balansa “snage opterećenja kuće, snage proizvodnje fotovoltaika, snage punjenja/iskorijštenja baterija i snage interakcije sa mrežom,” izvedena je jednačina ravnoteže snage sistema kao:

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

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

• P_A^t: Ukupna snaga kućanstva;

• P_b^t: Snaga punjenja/iskorijštenja baterija (pozitivna za iskorijštenje, negativna za punjenje);

• P_PV^t: Snaga proizvodnje fotovoltaika (PV) (pod uticajem solarnog zračenja, temperature, vlage itd., predvidljiva putem modela prognoze snage PV).

Fotovoltaički sistem kućanstva radi pod modelom “samo-korišćenje + prekomjer proizvodnje u mrežu”, gde prekomjer proizvodnje generiše prihod od ubacivanja u mrežu i proizvodnja PV kvalifikuje za subvencije. Uzimajući u obzir cijene po vremenskom periodu (više visoke cijene u vrhunskim satima, niže cijene u nevrhunskim satima), ukupna cijena električne energije se izračunava kao:Ukupna cijena=Trošak nakupnje iz mreže−Prihod od ubacivanja u mrežu−Subvencije PV

Za dnevni ciklus diskretiziran na n intervala, model ukupne cijene može se dalje dekomponirati u zbir interval-specifičnih troškova, precizno prilagođenih dinamičkim scenarijima cijena.

U formuli: C predstavlja ukupni dnevni trošak 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_Cje cijena električne energije za korisnika tijekom t-tog vremenskog perioda, koja se dijeli na cijenu električne energije u vrhunskim satima i cijenu u nevrhunskim satima prema različitim vremenskim periodima; f_R je cijena električne energije za prekomjer ubacen u mrežu. Vrijednosti f_C^t, f_R i f_PV su poznate u bilo kojem trenutku dana. Ukupna snaga P_A^t kućanstva jednaka je zbiru snage svih pomerljivih opterećenja i drugih opterećenja tijekom t-tog vremenskog perioda.

U formuli: P_L,i je radna snaga i-tog pomerljivog opterećenja; T_L,i je vrijeme pokretanja i-tog pomerljivog opterećenja; Δ t_i je trajanje rada i-tog pomerljivog opterećenja; [t_i^s, t_i^e] je opseg vremena pokretanja i-tog pomerljivog 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 pomerljivih opterećenja mijenja prema različitim vremenima pokretanja, a T_L,i je nepoznata vrijednost. Kada je T_L,i različita, ukupna snaga P_A^t opterećenja kućanstva se mijenja, stoga se mijenja i ukupni trošak električne energije kućanstva C.

3.2 Strategija kontrole

Glavni cilj upravljanja efikasnošću energije u kući je maksimiziranje ekonomskih koristi, specifično prevedeno u konstrukciju ciljne funkcije za “minimiziranje ukupnog troška električne energije kućanstva C”.

Na osnovu modela pomerljivih opterećenja i kombinirano sa mehanizmom cijena po vremenskom periodu, prilagođavanjem vremena pokretanja \(T_{\text{L},i}\) pomerljivih opterećenja može se dinamički optimizirati ukupna krivulja snage opterećenja kućanstva, smanjujući ukupni trošak s aspekta vremena potrošnje električne energije.

Koord