Вычислительное устройство для системы электроснабжения сельского домовладения

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при исследовании целесообразности применения источников возобновляемой энергии для электроснабжения сельских поселений.
Известно вводно-учетно-распределительное устройство (патент РФ №2740076, МПК G01R 11/00, опубл. 11.01.2021), содержащее счетчик электроэнергии, контроллер, предназначенное для контроля за потреблением электроэнергии, контроля качества электроэнергии, контроля тока и напряжения во вводной силовой сети, передачи данных о потреблении электроэнергии, значении тока и напряжения во вводной силовой сети в контроллер устройства.
Недостатками данного технического решения является отсутствие возможности измерения параметров скорости и направления ветра, мощности на солнечном модуле и прочих, получаемых от датчиков иного типа, чем счетчики электроэнергии, а также невозможность записи и хранения результатов измерений в памяти устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является вычислительное устройство (патент США №US8150641, МПК G01R 21/00, опубл. 03.04.2012 «Система, устройство и метод оценки возможной мощности ветрогенераторов»), содержащее анемометр, флюгер, микроконтроллер и позволяющее обрабатывать измеряемые величины.
Недостатком данного технического решения является отсутствие измерения тока, напряжения, мощности солнечного модуля и графика нагрузки потребителя производимой электроэнергии.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение сбора, обработки и синхронной записи одновременно величин активной и реактивной мощности и энергии, скорости ветра, электроэнергии, вырабатываемой солнечным модулем, температуры солнечного модуля.
Технический результат заключается в повышении энергоэффективности системы электроснабжения домовладения за счет замещения энергии органических видов топлива, используемых на электростанциях.
Это достигается тем, что в вычислительном устройстве для системы электроснабжения сельского домовладения, содержащем микроконтроллер, установленный на чердаке дома, согласно полезной модели его аналоговые входы выполнены с возможностью подключения к аналоговым выходам анемометра и флюгера, расположенных на измерительной мачте во дворе домовладения, и термодатчика, расположенного на солнечном модуле, при этом цифровой вход микроконтроллера выполнен с возможностью подключения кабелем UTP с цифровым интерфейсом к цифровым выходам амперметра и вольтметра, расположенных на чердаке дома, и гальванически связанных с солнечным модулем, расположенным на козырьке фронтона южной стороны дома, а также к цифровым выходам первого и второго интеллектуальных счетчиков электроэнергии, расположенных во вводных щитах домовладения, причем микроконтроллер выполнен с возможностью фиксации и хранения в табличном виде, величин поступающих на его цифровые и аналоговые входы от измерительных приборов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема вычислительного устройства для системы электроснабжения сельского домовладения, на фиг.2 приведен среднесуточный график нагрузки домовладения, на фиг.3 показан график потребления электрической энергии по месяцам года, на фиг.4 приведен график повторяемости скоростей ветра, на фиг.5 - график среднесуточной скорости ветра, на фиг.6 - график среднесуточной мощности солнечного модуля, а на фиг.7 - баланс активной мощности системы электроснабжения домовладения.
Вычислительное устройство содержит микроконтроллер 1, цифровой вход которого выполнен с возможностью подключения кабелем «UTP» 2 с цифровым интерфейсом обмена данными к цифровым выходам амперметра 3, вольтметра 4, первого интеллектуального счетчика электроэнергии 5 и второго интеллектуального счетчика электроэнергии 6. Аналоговые входы микроконтроллера 1 выполнены с возможностью подключения к аналоговым выходам анемометра 7, флюгера 8, термодатчика 9. Амперметр 3 и вольтметр 4 гальванически связаны с солнечным модулем 10, включенным на балластную нагрузку (резистор) 11. Микроконтроллер 1 расположен на чердаке домовладения. Выход микроконтроллера 1 выполнен с возможностью сохранения файла на карту памяти SD с результатами измерения в формате данных CSV.
Анемометр 7 и флюгер 8 установлены на отдельно стоящей во дворе измерительной мачте, первый и второй интеллектуальные счетчики электроэнергии 5 и 6 расположены во вводных электрических щитах домовладения 12 и 13. Амперметр 3, выполненный в виде цифрового вольтметра с измерительным шунтом 14, вольтметр 4, балластный резистор 11 расположены на чердаке дома. Термодатчик 9, солнечный модуль 10 расположены на козырьке фронтона южной стены дома. Анемометр 7, флюгер 8, термодатчик 9 выполнены с возможностью подсоединения к микроконтроллеру 1 посредством проводников 15.
Вычислительное устройство работает следующим образом.
На аналоговые входы микроконтроллера 1 приходят сигналы с аналоговых выходов анемометра 7, флюгера 8, термодатчика 9, которые в процессе своей работы генерируют аналоговые сигналы: напряжение 0-5 В, токовую петлю 4-20 мА. Микроконтроллер 1 фиксирует измеренные датчиками величины. Первый и второй интеллектуальные счетчики электроэнергии 5 и 6, амперметр 3, вольтметр 4 передают данные об измеряемых величинах по протоколу Modbus RTU на цифровой вход микроконтроллера 1, и он фиксирует измеренные ими величины. Микроконтроллер 1 осуществляет считывание показателей электрической энергии и мощности, скорости и направления ветра, напряжения и тока в балластной нагрузке солнечного модуля 10 и его температуры, обработку, запоминание и хранение всех вышеупомянутых измеряемых показателей. Данные, получаемые от всех измерительных устройств, записываются в память микроконтроллера 1 один раз каждые 10 секунд в течение суток. Каждые сутки микроконтроллер 1 сохраняет файл с результатами измерения за 24 часа, в формате данных CSV. Один суточный файл имеет размерность в 19 столбцов и 8760 строк. Каждые 10 секунд синхронно осуществляется запись в файл 19 измеряемых параметров. Каждые 00:00:00 часов суток, микроконтроллер 1 сохраняет на карту памяти SD суточную таблицу в формате имени «ДД:ММ:ГГ».csv и начинает запись новой суточной таблицы. Пример выполнения записи данных представлен в таблице 1.
Микроконтроллер 1 может быть реализован на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) «Segnetics SMH2G», первый и второй интеллектуальные счетчики электроэнергии 5 и 6 могут быть реализованы на базе счетчиков «Eastron SDM-220M». Измерение вырабатываемой активной мощности солнечного модуля 10, выполненного на базе модуля «RZMP-160», подключенного на балластную нагрузку 11, выполненную на базе силового резистора «AX300WR-2.2R» сопротивлением 2,2 Ома, с радиатором для отвода тепла, может быть реализовано на базе цифрового амперметра, выполненного на базе вольтметра 3 «ΡΑ195Ι-5Κ1» с измерительным шунтом 14 «75ШИП1-20-0.5», и цифрового вольтметра 4 «PZ195U-5K1». Измерение температуры солнечного модуля 10 осуществляется термодатчиком 9 и может быть реализовано на базе терморезистивного датчика «РТ-100». Анемометр 7 может быть реализован на базе аналогового датчика скорости ветра «WSS 0-5V», флюгер 8 может быть реализован на базе аналогового датчика направления ветра «WDS 4-20mA».
Полученные в ходе расчета параметры приведены на фиг.2-6.
Вычислительное устройство позволяет измерять и запоминать одновременно величину активной и реактивной мощности и энергии (фиг.2-3), скорости ветра (фиг.4-5), мощности и энергии, вырабатываемой солнечным модулем (фиг.6), что позволяет определить баланс активной мощности в системе электроснабжения домовладения, и соответственно, оценить возможность покрытия графика нагрузки за счет энергии ветра и солнца при той или иной конфигурации системы микрогенерации (фиг.7). Кроме того, полезная модель позволяет определить требования к производству реактивной мощности и энергии автономным потребителем, что не учитывается в современных требованиях к электроснабжению таких объектов, в устройстве установлено измерение, фиксация и хранение всех величин за десятисекундный интервал времени за год, что позволяет выявить их максимальные значения в минутном, часовом, суточном и прочих интервалах времени. Максимальные значения потребляемой активной и реактивной мощности и их длительность необходимо учитывать при выборе инверторов и аккумуляторов в системах автономного электроснабжения (системах микрогенерации). Получаемые данные позволяют производить расчет удельных показателей потребления электрической энергии домовладением (на 1 проживающего, на 1 м жилой площади и т.д.), показателей валового и технического потенциала ресурсов ветровой и солнечной энергии, с привязкой к географической точке, что делает возможным масштабирование модели системы микрогрид для различных регионов страны, оперируя вышеуказанными статистическими показателями из открытых источников (отчеты Росстат, БД «NASA», БД «Расписание Погоды», и т.д.).
Использование полезной модели позволяет повысить энергоэффективность системы электроснабжения домовладения или сельского поселения за счет замещения потребления органического топлива, необходимого для производства электроэнергии на электростанции. Благодаря возможности с 10-секундной периодичностью исследовать график нагрузки домовладения, определять технический потенциал возобновляемых источников энергии на базе солнца и ветра, становится возможным осуществлять корректный подбор оборудования системы микрогенерации, осуществлять разработку схемы и конфигурации системы электроснабжения за счет высокой репрезентативности получаемых данных, применительно к объекту исследования.