Мениджмънт на електроенергията в интелигентния дом

Интелигентните домове притежават потенциал за увеличаване на енергийната ефективност, намаляване на разходите за енергопотребление и редуциране на въглеродния отпечатък чрез включване на възобновяеми енергийни източници в енергийния микс и трансформиране на ролята на потребителите. Ключови за умните домове са системите за управление на електроенергията, базирани на иновативни технологии в областта на електроенергийните мрежи и потребителската електроника.

Съвременният дом е добре проектиран център за пренос на енергия между електроенергийната мрежа и различна комбинация от уреди и системи. При интелигентните жилищни сгради е налице двупосочна комуникация от и към комуналната мрежа, която се осъществява посредством умни измервателни уреди, които взаимодействат динамично с мрежовата система, получават сигнали от доставчика на услуги и отговарят с информация за потреблението и диагностиката. Този двупосочен обмен на информация става възможен чрез т. нар. усъвършенствана измервателна инфраструктура (Аdvanced Metering Infrastructure - AMI), която разполага с интелигентни функции за проследяване на енергопотреблението, съчетани със съответните комуникационни инструменти за надежден обмен на данни с останалите заинтересовани страни в мрежата.

Т. нар. мрежи за автоматизирано управление на енергопотреблението в дома (Automated Home Energy Management, AHEM) самостоятелно управляват системите за крайно потребление въз основа на информацията от обитателите и интелигентните измервателни уреди. Предимствата от използването на такава мрежа са, че тя съгласува енергийната консумация на свързаните системи в дома с целите на потребителя за комфорт и цена, както и с информацията, получена от доставчика на услуги. Сензорите и средствата за управление при едно такова решение работят заедно в безжична домашна мрежа (HAN), за да събират съответните данни, да обработват информацията чрез необходимите алгоритми и да прилагат управляващи стратегии, които целят: подобрен комфорт при минимални разходи за обитателите, ефективно потребление и своевременен отговор на изискванията на доставчиците на услуги.

Технологични тенденции
Няколко пазарни и технологични тенденции се очаква да ускорят разработката на икономически ефективни мрежи за автоматизиран мениджмънт на енергийното потребление в интелигентните домове. Сред тях са:
• разширяването на приложенията на интелигентните електроенергийни мрежи;
• нарастването на уеб-базираните изчислителни приложения в облака, което ще позволи икономически ефективно съхранение на данни за енергопотреблението в дома, визуализация на данни и анализ за тенденциите в AHEM мрежите;
• напредъкът при технологиите за смартфони, включително при батериите, потребителските интерфейси и материалите;
• допълнителните сензори и технологии за мениджмънт на енергията, които производителите на жилищно оборудване и на електроуреди интегрират в новите интелигентни домашни уреди, които са готови за работа в интернет и предлагат инструменти за циклично и многорежимно управление или променливи скорости, средства за диагностика на повреди и еко-режими;
• интегрирането на електроенергийни услуги в други мрежови технологии като системите за сигурност, телевизионните и телефонните услуги.

Ключова стратегия за ангажиране на всички заинтересовани страни с ефективен мениджмънт на електроенергията може да бъде промяната на ценовите схеми за крайния потребител - от фиксирани тарифи до динамични цени, които варират многократно в рамките на деня, отразявайки използването на мрежовите ресурси в различни моменти. Финансовите стимули са един от основните мотивиращи фактори за проектирането на интелигентни домове.
Все повече доставчици на комунални услуги предоставят данни за потреблението на енергия в почти реално време на собствениците на жилища заедно с различните видове ценови схеми и препоръки за редуциране консумацията на електрическите товари. Много компании въведоха и уеб-базирани или базирани на мобилни приложения потребителски интерфейси, чрез които собствениците на умни домове могат да настройват параметрите на стайните си термостати или да управляват осветлението си дистанционно с помощта на смартфон или браузър. Усъвършенствано измерване на мрежовите параметри чрез използване на съответната AMI инфраструктура също се предлагат от все повече доставчици на енергия.

Активи и средства за управление
В интелигентните домове множеството енергийни консуматори могат да се разглеждат като отделни активи, които участват в ефективното потребление на електроенергия. Такива са например готварските печки, пералните, хладилниците и другите интелигентни електроуреди. Производството на топлинна енергия при климатизация, електрическо отопление и подгряване на вода може да се управлява посредством т. нар. смарт термостати. Те могат да спомогнат за намаляване на енергопотреблението, особено когато конвенционалните и програмируемите термостати не са достатъчно добре конфигурирани и не позволяват отдалечено и автоматизирано управление. Умният контролер може да “научи” предпочитаните и актуалните стойности на параметрите на микроклимата в дома, включително чрез прогноза за времето, проследяване на денонощните и сезонни криви на изменение на температурите и нивата на натоварване на електроуредите.

Все по-голям брой битови консуматори, включително електрическото и електронно оборудване, светодиодното осветление и задвижванията с променлива скорост, използват вътрешно DC захранване. Повечето малки разпределени възобновяеми източници на енергия генерират постоянен ток, който трябва да се преобразува в променлив при свързване с мрежата. Подходящо решение за интелигентни домове са разпределените системи за локално съхранение на резервна електроенергия и предоставяне на допълнителни услуги, които намират все по-широко приложение в малки обекти, захранвани с постоянен ток.
Един умен дом може да включва и DC шина ниско напрежение. Възобновяемите ресурси, батерийните захранвания и дори зарядните станции за електромобили биха могли да се свържат заедно на една такава DC шина. Тя би могла да бъде интегрирана в една точка с множество инвертори, които функционират като DC-DC преобразуватели. Такава конфигурация може да намали разходите в условия на пиково натоварване и да подобри ефективността на електрическите товари от възобновяемите системи, LED осветлението и електрониката. Свързаната с нея промяна на парадигмата обаче поставя своеобразни предизвикателства в областта на електрическата защита, окабеляването и стандартизацията.

Интелигентно енергопотребление
Електроуредите в един умен дом притежават сериозен потенциал за интелигентно потребление и управление на енергията. Работата на хладилниците, съдомиялните машини, пералните и сушилните за дрехи може да бъде предварително планирана по график и не е необходимо да бъде пряко контролирана от потребителя. Времето за включване може да бъде отложено с няколко часа например, без това да окаже кой знае какво влияние върху дневния режим на потребителя, стига цикълът да е приключил до желания от него момент. Подобна стратегия може да се използва за изместване и нагаждане на работния цикъл на хладилници и фризери, така че да се намали пиковото натоварване.

Сред другите консуматори, които могат да осигурят ресурси за интелигентно потребление на енергия и да повишат комфорта в умния дом, са автоматичните щори, които се настройват спрямо дневната светлина, адаптивното осветление и автономните роботи прахосмукачки например. Тези устройства предлагат разнообразни възможности по отношение на мениджмънта на консумацията, опосредствани от различни сензори, безжични сензорни мрежи и задвижващи механизми, управлявани от интелигентни, адаптивни и самообучаващи се алгоритми.

Днес почти всички товари в интелигентния дом могат да бъдат оборудвани с интелигентни контролери, чиито функции варират от просто включване/ изключване на осветителни тела до комплексно управление на фотоволтаични системи, зарядни станции за електромобили и големи консуматори като климатици и ОВК системи. При подходяща стандартизация и достатъчно потребителско търсене практични комуникационни системи на достъпна цена биха могли да свържат повечето консуматори с централен домашен контролер, който да осигури детайлни възможности за мониторинг и управление на електроенергията. С подходящ интерфейс и интегриране с умната измервателна инфраструктура един интелигентен дом би могъл да предоставя допълнително и различни данни за системното потребление, поискани от доставчика. Контролерите биха могли да наблюдават консуматорите и да идентифицират системни проблеми като неочаквани пикове в потреблението, токовите хармоници или вибрациите.

Машинното самообучение и софтуерните инструменти за вземане на решения са сред най-модерните средства за управление на потреблението на електроенергия в интелигентния дом. Интелигентните електроуреди, дистанционно управляваното осветление и умните термостати могат да бъдат използвани като база за изграждане на автоматизирана, координирана и самообучаваща се система за взаимодействие с мрежата. Така платформа за мениджмънт може да служи като своеобразен “мозък” на умния дом, която автоматизира домакинските задачи и осигурява обратна връзка и комуникация между мрежовите елементи.

Технологични иновации
Перспективните технологии в областта на интелигентните домове могат да бъдат подразделени в две широки категории според точката им на приложение: такива от страна на доставчика на комунални услуги или такива от страна на клиента. Един от най-належащите проблеми за комуналните компании е управлението на пиковото натоварване. От електропроизводството до доставката, електроенергийната мрежа поначало е проектирана да обслужва потребителите по време на пиково натоварване. Въпреки това през по-голямата част от времето системата не се използва при пълен капацитет, така че значителна част от системния капацитет е неактивен. Това се оказва икономически неефективно, тъй като изисква големи капиталови инвестиции в електроцентралите за обезпечаване на моментите на пиково натоварване, които обаче на практика са редки и в някои случаи са с общо продължение само няколко десетки часа годишно. В областта на преноса и разпределението подобни предизвикателства са налице при инсталирането и поддръжката на преносни линии, подстанции, трансформатори, разпределителни захранващи устройства и кабели, проектирани за рядко срещани пикови условия. Интелигентните домове могат значително да подпомогнат доставчиците на електроенергия с възможностите динамично да променят потреблението в отговор на моментните условия в мрежата, което да позволи значително намаляване на отдаваните мощности и на преносния капацитет.

Съществуват два основни метода за модифициране на енергопотреблението в дома: цялостно редуциране чрез подобряване на енергийната ефективност и освобождаване от пиковото натоварване или изместването му чрез различни стратегии. В резултат на първия метод се редуцира количеството гориво, изразходвано в електроцентралите при производство на електричество, затова той е от по-голям интерес за комуналните компании, тъй като намалява изискванията за инвестиции в инфраструктура.

Консумация в отговор на моментите потребности
Комуналните компании използват различни стратегии за смекчаване на пиковите натоварвания. Такава стратегия е консумацията в отговор на търсенето (Demand Response - DR). Тя обхваща група технологии и механизми, които позволяват ограничаване или отлагане на потреблението в зависимост от моментното натоварване на мрежата. Тази стратегия постига временно намаляване на натоварването, но е високоефективна. Като допълнение към тарифното ценообразуване, собствениците на интелигентни домове могат да приложат подобна стратегия чрез различни средства за мониторинг и управление. Директното управление на натоварването обикновено цели да мобилизира наличния капацитет за намаляване на пиковото потребление или да осигури спомагателни услуги, например резерви от електричество.

Работата на електрическите товари в умните домове може да бъде планирана чрез средства за директно управление на консумацията. Използването на интелигентни електроуреди може да бъде отложено във времето, например пералната машина може да бъде програмирана да работи само когато цената на електроенергията е под определен праг. За производство на топлинна енергия при климатизация или за подгряване на вода температурните настройки могат временно да се променят, така че електрическото натоварване да се намали или енергията да не се използва в условия на пикова консумация. Зареждането на електромобил може също да бъде пренасрочено, като се отложи началото на зарядния цикъл, като се намали степента на зареждане или пък като не се зарежда напълно батерията (в случай на plug-in хибрид).

Интелигентни електромери
Всички технологии, описани по-горе, разчитат на все по-масовото възприемане и внедряване на интелигентни измервателни уреди. Интелигентните електромери осигуряват информационната и комуникационната инфраструктура за двупосочен обмен на данни в реално време между крайния потребител и доставчика на услуги, съдържащ оперативна и ценова информация. Умните измервателни уреди все по-често включват и възможности за комуникация с домашни електроуреди, програмируеми комуникационни термостати и други консуматори. Интелигентните електромери могат да записват данни за потреблението на кратки интервали (например на всяка минута) и автоматично да прехвърлят информацията към доставчика чрез защитена мрежа.

Разработват се различни комуникационни архитектури, включително от точка до множество точки, както и т. нар. mesh мрежи. Тези мрежи осигуряват двупосочната връзка между оператора и измервателния уред. Мрежата също така поддържа и изпращане на сигнали към електромера “по заявка”, за да се потвърди възстановяването на електричеството след прекъсване или да се съобщи за предстоящо събитие като свръхтовар. Когато електромерът бъде уведомен за подобно събитие, информацията се изпраща към умните електроуреди в интелигентния дом с помощта на интегриран в измервателния уред чип или друго комуникационно средство. Въз основа на предварително дефинирани предпочитания или графици различните уреди могат да работят така, че да намалят или отложат консумацията преди или по време на събития като свръхнатоварване.

Иновативните технологии за управление на енергопотреблението, внедрявани от страна на потребителите, могат трудно да функционират без връзка със системата на доставчика на електроенергия. Един интелигентен електроуред ще бъде много по-малко полезен без информация за динамичните тарифи в цената на електроенергията или без интелигентен електромер, който да отчита потреблението им.

Чрез използването на т. нар. програмируеми комуникационни термостати би могъл да се намали лимитът на потребление преди свръхтовар, за да се охлади например домът и след това да се използва топлинната инерция на конструкцията по време на пиково потребление, без това да повлияе комфорта. За такива сценарии са необходими усъвършенствани анализи, включително познаване на реалния топлообмен на сградата. От голяма помощ в тази посока са самообучаващите се контролни уреди, които могат ефективно да разучат топлинните характеристики на дома и да управляват отоплението и охлаждането спрямо тях.

Значителната инвестиция, необходима за реализирането на един интелигентен дом и оборудването му с умни електроуреди, може да се облекчи донякъде чрез преоборудване на традиционни уреди с интелигентни комутатори. В тази област все още няма стандартизиран комуникационен протокол, но на пазара са налични различни устройства, използващи ZigBee, безжична локална мрежа по стандарта 802.11, Bluetooth или друг протокол за комуникация по електрозахранващата мрежа.