Дослідження стратегії енергоефективного управління господарством на основі розподілених сонячних електростанцій та систем зберігання енергії

1 Система умного дому на основі ZigBee

З постійним розвитком комп'ютерних технологій та технологій керування інформацією, інтелектуальні системи дому швидко розвиваються. Умні системи дому не лише зберігають традиційні функції житла, але й дозволяють користувачам зручно керувати домашніми пристроями. Навіть за межами дому, користувачі можуть віддалено моніторити внутрішній стан, що сприяє енергоефективному управлінню та значно підвищує якість життя.

Ця стаття проектує систему умного дому на основі ZigBee, яка складається з трьох компонентів: домашньої мережі, домашнього сервера та мобільного терміналу. Система проста, ефективна та високоскальована, її структура показана на рисунку 1.

1 Архітектура умного дому на основі ZigBee
1.1 Домашня мережа

Як ключова основа, домашня мережа з'єднує керовані навантаження як вузли для внутрішньої передачі даних та багатоенергетичного управління. Вибір бездротових (ZigBee) рішень замість проводових підвищує гнучкість, надійність та масштабованість. ZigBee, побудований на основі IEEE 802.15.4, пропонує низьку вартість, потужність та складність при високій безпеці. Його доступні чипи знижують вартість системного обладнання. Мережа включає:

• Координатор: керує мережею ZigBee (на основі CC2530, скомпільовано IAR), охоплюючи типові будинки через пряму з'єднану топологію.

• Кінцеві вузли: інтегровані з лічильниками/реле (як інтелектуальні розетки), збирають дані та виконують команди для "керування + моніторингу" замкнення.

1.2 Домашній сервер

Сервер діє як "даний-керуючий центр" системи, обробляючи:

• Центр обміну даними: обмінює інформацію між ZigBee (через серійний порт) та мобільними терміналами (через Socket).

• Операційний моніторинг: відстежує стан навантаження, керує перемикачами та зберігає електроенергетичні дані.

• Енергоефективний мозок: аналізує дані навантаження/фотоелементів для оптимізації розкладу, закриваючи цикл управління енергією.

1.3 Мобільний термінал

На основі Android (Eclipse + Java), термінал дозволяє:

• Видимість статусу: реальне відображення інформації про електроенергію, яку сервер відправляє.

• Віддалене керування: відправляє команди для косвеного керування навантаженнями.

• Гнучке планування: встановлює власні часи роботи навантажень (наприклад, для цінових періодів).

2 Проектування управління енергоефективністю дому
2.1 Архітектура та логіка системи

Інтегруючи "умний дім + фотоелементи + зберігання енергії", система вбудовує стратегії ефективності в сервер, формуючи цикл "збирання → моделювання → оптимізація":

• Шар даних: поєднує дані про навантаження та фотоелементи.

• Шар моделі: балансує використання фотоелементів, зберігання та навантажень через оптимальні схеми.

• Шар керування: координує операції фотоелементів/зберігання та розклад навантажень для досягнення цілей "економічної ефективності" (структура на рисунку 2).

2.2 Основні компоненти та співпраця

Основні компоненти (масиви фотоелементів, акумулятори, інвертори, сервер, навантаження) працюють так:

• Масиви фотоелементів: оснащені MPPT через інвертори, передають реальні дані виводу на сервер.

• Зберігання енергії: з'єднане з мережею, заряджається під час перевишку виробництва фотоелементів та розряджається під час недостачі (обліковано для взаємодії з мережею).

• Сервер: з'єднує інвертори/розетки, налаштовуючи пристрої відповідно до правил ефективності для оптимізації потоку енергії.

2.3 Класифікація та планування навантажень

Навантаження поділяються на три типи для планування, залежного від цінових періодів:

• Критичні навантаження (наприклад, освітлення): фіксований час, незмінні.

• Регульовані навантаження (наприклад, кондиціонери): змінний попит, регульовані потужності.

• Переміщувані навантаження (наприклад, пральні машини): гнучкий час, ключові для ефективності.

Сервер керує переміщуваними навантаженнями через інтелектуальні розетки, зрізуючи піки/заповнюючи долини, щоб знизити витрати та стабілізувати мережу.

3 Математична модель та стратегія керування для управління енергоефективністю дому
3.1 Математична модель управління енергоефективністю дому

Для досягнення точного управління енергоефективністю дому, необхідно створити математичну модель загальної вартості електроенергії. Ця стаття використовує "добовий" цикл керування, розподіляючи 24 години на n рівних часових інтервалів. Дискретизацією неперервних проблем (коли n достатньо велике, кожен інтервал наближається до "мікроелемента", і змінні можна вважати сталими в межах інтервалу). У t-му інтервалі, на основі динамічного балансу "потужності навантаження дому, потужності виробництва фотоелементів, потужності зарядження/розрядження акумулятора та потужності взаємодії з мережею", отримується рівняння балансу потужності системи:

У t-му часовому інтервалі, потужнісні змінні визначаються так:

• P_G^t: Потужність взаємодії з мережею (позитивна для поглинання енергії, негативна для віддачі);

• P_A^t: Загальна потужність навантаження дому;

• P_b^t: Потужність зарядження/розрядження акумулятора (позитивна для розрядження, негативна для зарядження);

• P_PV^t: Потужність виводу фотоелементів (власність сонячної радіації, температури, вологості тощо, і прогнозована за допомогою моделей прогнозування потужності фотоелементів).

Домашня система фотоелементів працює за моделлю "власне споживання + надлишок енергії, що віддається мережі", де надлишок електроенергії генерує доход від віддачі мережі, а виробництво фотоелементів кваліфікується для субсидій. враховуючи цінові періоди (вищий тариф піків, нижчий тариф поза піками), загальна вартість електроенергії розраховується як:Загальна Вартість=Вартість Покупки в Мережі−Дохід від Віддачі Мережі−Субсидії Фотоелементів

Для добового циклу, дискретизованого на n інтервалів, модель загальної вартості може бути подальше розкладена на суму вартостей окремих інтервалів, точно адаптуючись до динамічних цінових сценаріїв.

У формулі: C представляє загальну щоденну вартість електроенергії для господарства; f_PV є одиничною ціною субсидії на виробництво електроенергії фотоелементами; 24/n є тривалістю одного часовго інтервалу. Вираз для f_t у формулі (2) є
В формулі: f^t_C є ціною електроенергії для користувача під час t-го періоду, яка розділяється на пікову ціну електроенергії та поза пікову ціну електроенергії відповідно до різних періодів; f_R є ціною електроенергії для надлишку, що віддається мережі. Значення f_C^t, f_R та f_PV в будь-який момент дня відомі. Загальна потужність P_A^t навантаження дому дорівнює сумі потужностей всіх переміщуваних навантажень та інших навантажень під час t-го періоду.

У формулі: P_L,i є робочою потужністю i-го переміщуваного навантаження; T_L,i є часом запуску i-го переміщуваного навантаження; Δ t_i є тривалістю роботи i-го переміщуваного навантаження; [t_i^s, t_i^e] є діапазоном часу запуску i-го переміщуваного навантаження. P_L,i, Δ t_i, t_i^s та t_i^e є визначеними значеннями.

Електрична потужність P_else,j^t інших навантажень відома, тоді як електрична потужність переміщуваних навантажень змінюється відповідно до різних часів запуску, і T_L,i є невизначеним значенням. Коли T_L,i різні, загальна потужність P_A^t навантаження дому змінюється відповідно, таким чином змінюючи загальну вартість електроенергії дому C.

3.2 Стратегія керування

Основна мета управління енергоефективністю дому полягає в максимізації економічних переваг, конкретно, у формулюванні цільової функції для "мінімізації загальної вартості електроенергії дому C".

На основі моделі переміщуваних навантажень та в комбінації з механізмом цінових періодів, налаштування часу запуску \(T_{\text{L},i}\) переміщуваних навантажень може динамічно оптимізувати загальну криву потужності навантаження дому, знижуючи загальну вартість з точки зору часу споживання електроенергії.

Логіка координаційного керування для фотоелементів та зберігання енергії

Для виробництва електроенергії фотоелементами та акумуляторів зберігання енергії, формулюються стратегії керування для різних періодів часу:

• Піківі періоди: Приоритетне повне використання виробництва електроенергії фотоелементами. Якщо вивід фотоелементів > потужність навантаження, надлишок електроенергії віддається мережі для отримання доходу. Якщо вивід фотоелементів < потужності навантаження, акумулятор має приоритет для забезпечення електроенергією (коли ступінь зарядження акумулятора > мінімального значення). Коли акумулятор вичерпано, недостатня частина доповнюється мережею.

• Поза пікові періоди: Акумулятор заряджається максимальною потужністю для зберігання енергії. Усі навантаження електроенергії забезпечуються мережею, використовуючи низьку ціну електроенергії поза піками для "заповнення долини" та зберігання енергії для піківих періодів.

Обмеження акумулятора

Необхідно одночасно враховувати обмеження на потужність зарядження/розрядження та обмеження ємності акумулятора, щоб обмежити його поведінку зарядження та розрядження (конкретні обмеження потрібно доповнити формулами/моделями, не повністю представлені в оригінальному тексті), забезпечуючи безпеку обладнання та стабільність системи.

У формулі (6): P_b,max є максимальною потужністю зарядження/розрядження акумулятора; у формулі (7), SOC^t є ступенем зарядженості (SOC) акумулятора під час t-го періоду; SOC_min є мінімальним значенням SOC акумулятора; SOC_max