S množstvím zapojených obnovitelných zdrojů a nedostatkem úložišť energie budou lidé více motivováni využívat energii v době, kdy je dostupná. V současné době probíhá tato motivace rozdílnými cenami dvou tarifních pásem, takzvaného vysokého a nízkého tarifu ceny elektrické energie, jehož řízení má na starosti systém HDO. Je možné, že dojde k rozdělení do více tarifních pásem a bude docházet k ještě větší motivaci řízení provozu spotřebičů na základě výroby elektrické energie. V takovém případě bude důležité vyvinout systém, který bude odběratelům umožňovat sledovat aktuální stav a řídit svou spotřebu, ať už manuálně úpravou svých návyků, nebo automatickým řízením spotřebičů. Příspěvek byl zároveň prezentován na mezinárodní konferenci NZEE 2012.
Úvod
Systém pro měření, predikci a úsporu energie v domácnosti (dále jen SMPSE) je koncipován tak, aby jeho nasazení vyžadovalo co nejmenší zásahy do stávajících instalací. Ruku v ruce s tím jde i nízká cena zprovoznění systému. Snahou je využít co nejvíce technologií, které jsou již součástí běžného života, a tím minimalizovat rozsah systému. SMPSE je stavěn modulárně tak, aby mohl být průběžně upravován a rozšiřován o další funkcionality. Blokové schéma základního systému lze vidět na obr. 1.
Komunikace jednotlivých bloků je řešena pomocí bezdrátové sítě Wifi. Takovouto sítí je dnes již vybavena většina domácností, u kterých lze s nasazením SMPSE počítat. Inspirací pro toto řešení můžeme označit například využití sítě Ethernet v průmyslu. Masově využívané prvky mají nižší náklady na vývoj a výrobu, proto se díky své nízké ceně stávají atraktivní i v jiných oblastech, než pro které byly prvotně určeny. Některé bloky, pro které je to polohově výhodné, mohou být spojeny do jednoho většího bloku vybaveného jediným Wifi rozhraním. Tímto dosáhneme snížení ceny a energetické náročnosti těchto bloků. Jednotlivé bloky jsou vybaveny vlastní pamětí tak, aby mohly být schopny určitý čas pracovat bez přístupu do sítě.
O shromažďování a přístup k datům se pak stará server, umístěný v síti. Kde je to vhodné, může být tento server pouze softwarem nainstalovaným na PC v síti. Nevýhodou tohoto řešení je, že tento počítač musí být zapínán minimálně v intervalu, který odpovídá periodě zaplnění pamětí jednotlivých bloků. Další nevýhodou je přístup k datům z jiných zařízení pouze v době, kdy je tento počítač v provozu. Výhodnějším řešením je využití datového serveru s využitím nízkopříkonového počítače. Na trhu je mnoho zařízení, schopných spravovat databázi a vybavených například operačním systémem Linux a Ethernetovým rozhraním. Data jsou standardně ukládána na SD kartu nebo paměť typu Flash.
Obr. 1: Blokové schéma SMPSE
Vzhledem k tomu, že by informace o spotřebě energií mohly být nápomocny pro kriminální činnost či jinak zneužity, je důležité, aby byla data dostatečně zabezpečena (nemluvě o možnosti ovládání některých spotřebičů). Zde se můžeme opřít o základní zabezpečení v síti Wifi, nebo ho ještě zdokonalit kódováním dat. Nabízí se také možnost povolit přístup pouze v rámci vnitřní sítě, bohužel za cenu komfortu sledování a ovládání spotřeby například z dovolené či zaměstnání.
SMPSE je schopen získávat data z Internetu. Tato schopnost přidává systému mnoho zajímavých funkcionalit. Například může systém sám aktualizovat ceny energií pro výpočty nákladů, příp. sledovat aktuální tarif pro danou přípojku. Může ale také reagovat na předpovědi počasí pro danou oblast a například v předstihu zasáhnout do regulace topného systému v závislosti na vývoji počasí.
Modul SM1
Základní měření spotřeby elektrické energie pro domácnost či objekt obstarává elektroměr. Moderní elektroměry jsou již vybaveny IR rozhraním, impulsním LED výstupem nebo dokonce rozhraním některé z průmyslových sběrnic. Jedním z hlavních požadavků na SMPSE je ovšem co nejsnazší instalace s co nejnižšími náklady. Z tohoto důvodu je tento základní modul navržen tak, aby mohl být zapojen na standardní přípojku za elektroměr. Tato část vedení je již v majetku odběratele, vyhneme se tedy, při dodržení všech předpisů, potřebě zásahu distributora.
Obr. 2 ukazuje blokové zapojení modulu SM1. Na pracovních vodičích jsou zapojeny senzory potřebné pro měření příkonů. Současně je z tohoto přívodu modul napájen. V rámci tohoto modulu je také nejvhodnější umístění datového a WEB serveru, který zajišťuje shromažďování a poskytování naměřených hodnot.
Obr. 2: Blokové schéma modulu SM1
Přenos dat z tohoto modulu je, jako v celém systému, prováděn Wifi sítí, ale může být s routerem spojen i kabelem. Ve vhodných případech by mohl být přenos dat provozován i po silovém vedení. Data naměřená modulem SM1 obsahují informace o kompletním odběru elektrické energie ze sítě. Podrobnou analýzou těchto dat lze identifikovat chování jednotlivých spotřebičů, aniž bychom měřili přímo daný spotřebič samostatně.
Modul SM2
Vyžadujeme-li měření konkrétního spotřebiče, je vhodné použít modul SM2. Je navržen jako průchozí zásuvkový blok.
Obr. 3: Blokové schéma modulu SM2
Jeho instalace je tedy nenáročná a nevyžaduje žádné odborné znalosti. Blokové schéma tohoto modulu lze vidět na obrázku 3. Tento modul může také sloužit pro ovládání spotřebiče.
Bohužel dnes je mnoho spotřebičů vybaveno digitálním ovládáním a pouhé připojení do sítě nestačí ke spuštění přístroje. Nové moderní přístroje budou již vybavovány rozhraním pro jejich řízení, například podle normy ČSN_EN_50523-1. Můžeme pouze doufat v dohodu mezi všemi výrobci o standardu, který bude využíván pro komunikaci se všemi spotřebiči. Data jsou mezi modulem a sítí opět přenášena Wifi sítí, ale je možné přenos navrhnout i po silovém vedení. Modul musí být vybaven pamětí, která bude schopna uchovat naměřená data použitou dobu tak, aby nedošlo ke ztrátě, například při výpadku síťové komunikace či serveru.
Další moduly
SMPSE je systém vhodný i pro měření odběrů dalších energií a surovin, jako jsou například dodávky plynu nebo vody. Vodoměry jsou standardně vybaveny optickým odečítacím zařízením, na které lze zapojit reflexní snímač. Impulsy ze senzoru udávají informaci o spotřebovaných jednotkách média. Některá měřicí zařízení jsou pak přímo vybavena impulsním výstupem.
Závěr
SMPSE je otevřený systém a může být doplněn o další moduly. Rozsah je omezen pouze rozsahem Wifi sítě. Tuto síť také rozhodně nemůžeme považovat za spolehlivou, a proto není systém vhodný k měření čí řízení v časově kritických oblastech.
Většina modulů je určena pro měření spotřeby elektrické energie, proto zde nedochází k problému získání napájení pro měření a přenos dat. Některé moduly ale nepracují s měřením elektrické energie, ale například s měřením kapalného média. V takových případech by bylo vhodné využít technologie power harvesting. Například malá turbínka by byla schopna napájet impulsní senzor vodoměru.
Poděkování
Tato publikace vznikla za podpory grantu Czech Science Foundation under the project 102/09/H081 “SYNERGY - Mobile Sensoric Systems and Network“ a European Regional Development Fund under project No. CZ.1.05/2.1.00/01.0014.
Literatura
- Energetický regulační úřad, Roční zpráva o provozu ES ČR 20011, http://www.eru.cz/user_data/files/tiskove%20zpravy/V%C3%BDsledky%20provozu%20ES%20%C4%8CR%20za%2011_2011.pdf , poslední aktualizace 9. 1. 2012
- Veselý, I.; Šembera, J. (2011). Kogenerační jednotky v síti Smart grid. In Proceedings of the 5th Annual Conference of Výsledky výzkumu, vývoje a inovací pro obnovitelné zdroje. Kouty nad Desnou ČSN_EN_50523-1 Czech Republic, April, 2011, ISBN978-80-85990-18-8, CEMC (Ed.), Praha 10
- Národní norma, ČSN EN 50523-1, 2010
- http://www.esmig.eu - European Smart Metering Industry Group, Smart Metering for Europe, Accessed on: 2011-07-16
- Švéda, M.; Beneš, P.; Vrba, R.; Zezulka, F. (2005). Industrial sensor network, In: Handbook of Sensor Networks. editors: M. Ilyas, I. Mahgoub, pp. 251 - 276, CRC Press, ISBN 0-8493-1968-4, London
Autoři
Jaroslav Šembera, Ivo Veselý, František Zezulka, Ondřej Sajdl
- Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektroniky a komunikačních technologií, Centrum výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie, Kolejní 4, 612 00 Brno, sembera@feec.vutbr.cz , xvesel43@stud.feec.vutbr.cz , zezulka@feec.vutbr.cz , sajdl@feec.vutbr.cz
Ilustrační foto: TI
