Автоматично управление на електрозахранването в сгради

Голяма част от консумацията на електроенергия в жилищните и обществени сгради се дължи на неправилно използване на електроуредите. Ето защо една автоматизирана система за управление на електрозахранването, която да може да намалява загубите на електроенергия и същевременно да поддържа необходимото ниво на удобство и комфорт за потребителите, би била отлично решение за собствениците и ползвателите. За постигането на тази цел е необходимо внедряването на интелигентна инсталация, базирана на сензори.

Тя трябва да може да следи консумацията на електроенергия и автоматично да управлява работата на електроуредите, които се използват в сградата. Така на практика е възможно да се реализират значителни икономии на електрическа енергия.

Предпоставки за внедряване на технология за автоматично управление
На жилищните и обществените сгради се пада около 20% от консумацията на електроенергия в световен мащаб, с тенденция за увеличаване на този дял с времето. Основни предпоставки за високото енергопотребление в сградите са дейности като отопление и климатизация на помещенията, затопляне на вода, осветление и използване на компютри и други електронни устройства.

Значителна част от повишената консумация на електроенергия се дължи на неправилното използване на такива устройства и уреди. Само с намаляване на загубите на електроенергия, без да се намалява нивото на комфорта за жителите, общата консумация на електрическа енергия в сградата би могла да намалее с около 30%.

Един от основните източници на загуби на електроенергия са електроуредите, които постоянно се намират в т. нар. „режим на изчакване” (standby mode). На тях се дължат около 10% от общата консумация в сградите. По данни от актуални проучвания в областта осигуряването на адекватна информация за жителите на сградите по отношение на работата на електроуредите в режим на изчакване може значително да намали консумацията на електроенергия - с около 5-20%.

Да се разчита обаче единствено на осведомеността и поведението на хората невинаги е най-ефективният подход. Проведено наскоро експериментално изследване показва, че над 30% от икономията на електроенергия се постига веднага след инсталирането на система за мониторинг на енергопотреблението в жилищна сграда, но впоследствие процентът на намаление на енергозагубите е по-малък от 4% на месец.

Една автоматизирана система за управление на електрозахранването в сградата, при активно сътрудничество от страна на потребителите, определено би била по-ефективно решение.

Системата за мониторинг и управление на консумацията на електроенергия от всеки електроуред в сградата типично се състои от мрежа от безжични сензори и изпълнителни устройства (актуатори), с които се постигат две основни цели: информираност на потребителя за финансовото отражение (и влиянието върху околната среда) на неправилното използване на електроуредите; осигуряване на автоматизирани решения за енергийна ефективност чрез подходящо управление на електроуредите.

Загубите на електроенергия могат да бъдат елиминирани (или намалени значително) чрез съблюдаването на прости правила за пестене на електроенергия за всеки отделен електроуред, устройство или клас устройства.

Автоматизирани системи за управление на електрозахранването, базирани на сензори
Напоследък безжичните сензорни мрежи все по-често се използват за мониторинг в детайли и в реално време на консумацията на електроенергия в сгради. Една разпределена система за мониторинг, базирана на електромери за променлив ток, би позволила на потребителите с помощта на уеб-интерфейс да следят точно колко електроенергия потребяват.

Целта е данните за консумираната електроенергия да бъдат представени подробно и в пълнота, т. е. да е ясно как, къде и за какво е употребена електрическата енергия. Тъй като е твърде скъпо и практически неосъществимо към всеки електроуред да бъде монтиран отделен електромер, съществуват няколко метода за отчитане на консумацията на електроенергия от отделните електроуреди на базата на общ, сборен отчет.

Един от тях предлага да се използват алгоритми за разпределяне на данните на ниво мрежа по отделни електроуреди; другият представлява система, която може да разпознава в детайли отделните устройства и електроуреди в реално време с помощта на сензор за консумация на електроенергия, свързан с основния консуматор.

В жилищните сгради автоматизираната, базирана на сензори система за оптимизация на разходите на електроенергия, свързани с инсталацията за отопление, вентилация и климатизация (ОВиК) например, обикновено работи с датчици за присъствие. Тя изключва отоплението, вентилацията или климатизацията, когато обитателите на дома спят или са извън него. Съществуват и по-съвременни решения с по-общ подход.

Те не са проектирани за определен клас електроуреди или електрически устройства. Някои от тях са свързани с използването на разпределени безжични системи за управление на енергийната ефективност на сгради и прилагането на ефективни подходи за споделяне на информация между устройствата.

Архитектура и дизайн на системата
Общата архитектура на системата за автоматично управление на електрозахранването се дели на две подсистеми - за мониторинг и за управление. Първата през определено време извършва измервания на консумацията на електроенергия от всеки един от електроуредите, които са обект на анализ.

Тя измерва и някои фактори от околната среда (например температурата в помещението, интензитета на осветлението, наличието на хора). Втората управлява поведението на всеки един от електроуредите на базата на данните, събрани от подсистемата за мониторинг, прилагайки определена стратегия за пестене на енергия.

Подсистемата за мониторинг използва известен брой сензори за следене на параметрите на електрозахранването и на околната среда. Тя измерва консумацията на електроенергия от всеки един електроуред в сградата и следи определени параметри на околната среда.

Данните, събрани от двата вида сензори, се предават чрез безжична връзка към базова станция, намираща се на същия етаж (трябва да има поне по една базова станция на всеки етаж), след което се прехвърлят към централен сървър.

Комуникацията между базовите станции и сървъра обикновено се извършва чрез кабелна локална мрежа. Сървърът обработва данните и предоставя на потребителите отчети (в реално време и/или през определен период от време) за количеството консумирана електроенергия и разходите за нея.

Сървърът изпраща и алармени съобщения за определени събития (например когато даден електроуред работи в момент, когато се предполага, че трябва да е изключен). След това системата предлага на потребителя да предприеме определени действия за пестене на електроенергия.

Подсистема за управление - тази подсистема управлява поведението на всеки отделен електроуред или устройство според правилата за пестене на електроенергия, определени от потребителя, за да се сведат до минимум загубите на електрическа енергия в сградата. Подсистемата поддържа по едно изпълнително устройство за всеки управляван електроуред, както и комплект контролери, които управляват и координират действието на изпълнителните устройства/актуаторите.

Контролерите са свързани с централен сървър чрез кабелна локална мрежа (например Ethernet). Сървърът генерира команди като „включи” или „изключи” за всеки един управляван електроуред в сградата, а командите се изпращат към съответното изпълнително устройство чрез съответния контролер.

На практика, функциите на сензора и на изпълнителното устройство могат да бъдат обединени в едно общо физическо устройство; т. е. сензорът за електрическа енергия може да работи и като изпълнително устройство за електроуреда, към който е свързан. От друга страна, на пазара вече се предлагат готови интегрирани платформи с безжични сензори и изпълнителни устройства.

Монтирането на сензор за мониторинг на електропотреблението на всеки електроуред е твърде скъпо и често пъти ненужно сложно решение. Един общ сензор може да е достатъчен за мониторинг на група устройства и вземане на решение за работата на всяко от тях. Очевидно, за да можем да управляваме всички електроуреди автономно, трябва да имаме изпълнителни устройства за всеки отделен уред.

Ако внедрим интегрирана безжична платформа от сензори/изпълнителни устройства, ще сме задължени да внедрим сензори за всеки електроуред поотделно. Алтернативният вариант е да използваме две различни инфраструктури: едната за мониторинг, а другата - за управление.

Главното предимство на този подход е, че хардуерът е надежден и евтин. Контролерът изпраща команди на изпълнителните устройства, управляващи електроуредите чрез комуникация по линия за пренос на електрически ток (Power-Line Communication, PLC)

Стратегии за пестене на електроенергия
Архитектурата на системата за автоматично управление на електрозахранването е проектирана така, че да позволява гъвкаво и ефективно управление на всеки отделен електроуред, за да могат да се приложат съответните стратегии за запазване (пестене) на електроенергия от всяко устройство (или устройства). Ето някои възможни стратегии:

Осведоменост на потребителя. Ако потребителите са осведомени за консумацията на електроенергия от всеки отделен електроуред, те ще могат да използват електрическата енергия по по-ефективен и удобен начин. За тази цел автоматизираната система за управление на електрозахранването подава на потребителите подробна информация в реално време (дори дистанционно) за моментната консумация на електроенергия от всеки електроуред и за състоянието му (включен/в режим на изчакване/изключен).

Нещо повече, тя може да изпраща периодично отчети за потреблението на електроенергия (например по електронната поща). Системата може да известява потребителите и чрез изпращане на съобщение до смартфон или таблет при възникване на определени събития (например когато даден електроуред работи, а би следвало да е изключен) и дори да предлага възможни действия с цел пестене на електроенергия.

Намаляване на консумацията на електроенергия в режим на изчакване. За всеки отделен електроуред или устройство системата за управление на електрозахранването дава възможност на потребителя да зададе съответната стратегия за управление с цел намаляване (и дори елиминиране) на загубите на електроенергия по време на режимите на изчакване.

Системата може да разпознае кога даден електроуред или устройство е в такъв режим и да предприеме съответните действия за изпълнение на стратегията, определена от потребителя. Например тя може да изключи напълно даден електроуред след изтичане на определено време от влизането му в режим на изчакване.

Изпълнение по график на задачи, които позволяват отлагане. Стойността на електроенергията е различна през различни периоди на денонощието - най-често тя е по-евтина през нощта. Поради това някои задачи, които са свързани с разход на електроенергия и не изискват участие на потребителя, могат да бъдат насрочени за изпълнение по време, когато цената на електроенергията е по-ниска.

Системата за автоматично управление на електрозахранването позволява на потребителя да зададе точния момент или период от време (най-често през нощта, когато е в действие нощната тарифа за електроенергията) за изпълнение на определена задача от определен електроуред (например автоматичната пералня).

Съчетаването на стратегии за изпълнение по подходящ график на задачи, които търпят отлагане, и намаляването на консумацията на електроенергия по време на режим на изчакване може значително да намали общата консумация на електроенергия. Например пералнята може да бъде включвана от системата само през предварително програмирани периоди от време.

След като задачата бъде завършена, електроуредът влиза в режим на изчакване. Това веднага се установява от системата и пералнята бива незабавно изключена.

Адаптивно управление на електроуреди. Значително количество електроенергия се пропилява заради електроуреди, които стоят ненужно включени - например лампи, включвани при силна дневна светлина; системи за климатизация, понижаващи твърде много температурата в къщата и т. н.

За да се избегнат този вид загуби, системата използва сензори за мониторинг на средата, които могат да следят какви са условията (например температурата, интензитета на осветлението, влажността, присъствието на хора и т. н.).

Данните, събрани от сензорите, се прехвърлят към централен сървър чрез базови станции, намиращи се на всеки етаж. Системата използва тези данни за адаптиране поведението на всеки отделен електроуред въз основа на правилата, зададени от потребителя (например желания интензитет на осветлението).

Предимства на автоматичното управление
Описаната по-горе системна архитектура има някои интересни характеристики. Преди всичко, тя е модулна и мащабируема, което я прави подходяща за големи сгради.

В допълнение, системата позволява лесна, бърза и щадяща интериора инсталация благодарение на използването на сензори с безжична връзка (а в някои случаи - и на устройства с връзка чрез линия за пренос на електрически ток, които използват за комуникация съществуващата електрическа мрежа). Не на последно място, собствената консумация на електроенергия на самата система е пренебрежимо малка спрямо общото енергийно потребление на сградата.

В големи сгради централният сървър може да е преносим или настолен компютър с консумирана мощност от порядъка на 30-100 W. В малки къщи сървърът типично е още по-икономично в енергийно отношение устройство, например домашен маршрутизатор с връзка към интернет, чиято консумирана мощност в най-общия случай е по-малка от 10 W.

Нещо повече, домашният маршрутизатор обикновено е активен през повечето време и поддържа постоянна връзка с интернет. Консумацията на електроенергия от сензорите и актуаторите зависи от конкретната платформа.

Дефиниране на правилата за пестене на енергия от различни класове електроуреди
Автоматизираната система за управление на електрозахранването предлага набор от опции за въвеждане на параметри на конфигуриране и дефиниране на правила за пестене на електроенергия за отделни електроуреди или класове.

След като бъде избран отделен електроуред, потребителят може да зададе едно или повече правила за (а) елиминиране на консумацията на електроенергия по време на режим на изчакване, (б) изпълнение по график на задачи, които търпят отлагане, през предварително програмирани периоди, или (в) изпълнение на действия, специфични за конкретния електроуред (например адаптивно управление на захранването на електрически лампи в зависимост на интензивността на осветлението на околната среда).

Що се отнася до загубите на електроенергия в режим на готовност, по отношение на тях най-често се прилагат следните стратегии:
• СА: прекъсни връзката след влизане в режим на изчакване;
• СБ: прекъсни връзката след определен интервал от време;
• СВ: прекъсни връзката след влизане в режим на изчакване, ако часът понастоящем е след определен пределен час.

Стратегия СА се оказва най-ефективна по отношение на пестенето на електроенергия. Но при нея някои електроуреди може да работят не според желанието на потребителя. Стратегия СБ би могла да осигури по-добър компромис между енергийната ефективност и удовлетворението на потребителя. Стратегия СВ типично е подходяща за електроуреди, за които се очаква да са изключени през определено време на деня - например телевизорите през нощта.

В допълнение към графичен интерфейс, системата предлага и опростен интерфейс за портативни устройства, например мобилни телефони или таблети. Той позволява на потребителя да преглежда информация в реално време (или хронологична) за консумацията на електроенергия, за промените на параметрите на конфигуриране и да определя или променя правилата за всеки отделен електроуред (или клас електроуреди).

В частност, потребителят може да проверява състоянието на всеки електроуред и да го включва или изключва, дори дистанционно. Ето защо едно мобилно устройство с възможности за контрол на системата може да се използва като традиционно дистанционно управление. В допълнение, опростеният интерфейс дава възможност на потребителя да получава аларми, известия и съобщения на своите портативни устройства в случай на неочаквано събитие.

Елиминиране на загубите на електроенергия от режим на изчакване
Загубите на електроенергия при различните електроуреди в режим на изчакване могат да бъдат намалени значително чрез задаване на подходящо правило за управление на всяко устройство. Ще приемем, че за пълно елиминиране на загубите се използва стратегия СА за всички разглеждани устройства, като се допуска, че всички те се изключват незабавно, след като влязат в режим на изчакване.

При този вариант може да се изчисли максималната икономия на електроенергия, която би могла да се постигне чрез пълно елиминиране на загубите от режим на изчакване. На практика обаче, стратегии СБ или СВ може да бъдат по-рентабилни.

В разглеждания сценарий елиминирането на режима на изчакване може да допринесе за значително намаляване на консумацията на електроенергия, средно до 26%. Очевидно загубите на електроенергия от режим на изчакване са различни за отделните електроуреди (те са високи за компютърните и медийните устройства и са почти нулеви за хладилниците и електрическите лампи).

Но дори и да приемем по-нисък процент на загуби от режим на престой (например 10%), е ясно, че използването на автоматизиран инструмент за намаляване на загубите от режим на изчакване е удобство.

Адаптивно управление на електроуреди
Една автоматизирана система за управление на електрозахранването може да пести енергия и чрез адаптивен контрол на електроуредите. По-специално, това се отнася до интензитета на осветлението в помещението и неговото поддържане на постоянна стойност - чрез промяна на мощността, подавана към лампата, в зависимост от интензитета на естественото осветление, с цел да се сведе до минимум консумацията на електроенергия.

Интензитетът на светлината се измерва чрез известен брой сензори за осветление, разположени на стратегически места в стаята. Тези сензори измерват интензитета на светлината в проценти, които варират от 0% (без осветление) до 100% (много висок интензитет).

Както може да се очаква, консумацията на електроенергия расте в рамките на денонощието, тъй като интензитетът на естествената светлина намалява. Така консумацията нараства постепенно от около 11 W, когато слънчевата светлина допринася значително за осветеността на стаята, до приблизително 26 W (средни стойности) след залез.

Без адаптивен контрол потребителят най-вероятно би използвал лампата на пълна мощност през цялото време, в резултат на което консумацията на електроенергия би била висока. Използването на автоматизирана система за управление на електрозахранването позволява да се реализират икономии в размер на около 80% от електроенергията, консумирана от лампата, без да се намалява осветеността на помещението и да се нарушава комфортът за потребителите.

Предимства на автоматизираното управление на електрозахранването
Системите за ефективно управление на електрозахранването в жилищни и обществени сгради дават възможност на потребителя да разбере по-добре консумацията на електроенергия на всеки отделен електроуред. Това му помага да прави по-информиран интелигентен избор по отношение на енергопотреблението и неговото управление.

В допълнение, така се подобрява енергийната ефективност чрез подходящо управление на всеки отделен електроуред в зависимост от установените от потребителя правила.

Такава система може да осигури значителни икономии на електроенергия чрез елиминиране на загубите в режим на изчакване на електроуредите и/или адаптиране на поведението на същите според реалните условия в околната среда. Важно е разходите за първоначално внедряване и експлоатация на системата да бъдат съпоставени с потенциалните икономии на енергия в дългосрочен план, до които може да доведе инсталирането й.

Понастоящем цените на сензорите за електрическа енергия все още са сравнително високи, но се очаква те да намаляват постепенно, паралелно с нарастване на пазарното им търсене. В допълнение, все повече съвременни електроуреди се проектират и лансират на пазара с вградени сензори и изпълнителни устройства за мониторинг и управление на енергопотреблението.