СПОСОБ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТРЕБИТЕЛЯМИ В ДОМЕ И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MONITORING AND CONTROLLING CONSUMPTION OF ELECTRIC ENERGY BY CONSUMERS IN A HOME AND A COMPLEX FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники. Изобретение относится к электроэнергетике, преимущественно, к мониторингу и управлению потреблением электрической энергии бытовыми потребителями в доме.
mах
Уровень техники. В электрических сетях наблюдается суточная неравномерность потребления электрической энергии, в связи с чем возникает дефицит мощности в часы пик. Для выравнивания суточного графика нагрузки применяются различные механизмы, в числе которых ступенчатый тариф стоимости потребленной единицы энергии (кВт-ч) в зависимости от уровня подключенного лимитированного максимума мощности Р и периода потребления энергии в течение суток.
mах
Целью управления электропотреблением потребителей в доме с учетом указанной тарифной политики является обеспечение надежности и максимально возможного объема электропотребления бытовых потребителей при установленном лимите мощности Р, предотвращение преждевременного их отключения из-за срабатывания вводных защитных устройств и экономное расходование ресурсов на энергопотребление в доме. С этой целью в настоящее время применяются различные способы мониторинга параметров потребляемого электрического тока и автоматизированного управления потреблением электрической энергии, в том числе, с применением микроконтроллеров, обеспечивающих операции отключения, ограничения и распределения нагрузки по источникам энергии, фазам сети, времени суток, выравниванию нагрузки по фазам сети (симметрирования фаз). Кроме того, находят применение возобновляемые источники энергии, установки бесперебойного питания и накопления энергии. При этом излишки электроэнергии возобновляемых источников энергии собственной микрогенерации во многих странах разрешено возвращать в общую электрическую сеть.
Задачей и техническим результатом заявляемого решения является возможность увеличения объема энергопотребления при лимитированном максимальном значении силы тока, снижение пиковой и высоко тарифной составляющих электропотребления, уменьшение стоимости электропотребления (закупаемой энергии), обеспечение бесперебойности электропитания приоритетных потребителей при одновременном ограничении менее приоритетных потребителей в доме и эффективное использование собственной возобновляемой микрогенерации, что возможно благодаря составлению почасового графика генерируемой собственной мощности исходя из прогноза погоды, доступного в Интернете, и вычисления задаваемых гибких графиков потребления низкоприоритетными и среднеприоритетными потребителями, сумма мощностей которых (согласно этим графикам) будет максимально приближена к графику мощности микрогенерации.
Известно техническое решение, реализованное в продукте OhmPilot австрийской фирмы Fronius AG, которое знает текущий баланс между потреблением в доме и микрогенерацией, и в случае, когда есть избыток мощности микрогенерации, этот избыток направляется в омическую нагрузку (как правило, в бойлер нагрева горячей воды) через устройство OhmPilot, представляющее собой ШИМ (широтно-импульсный модулятор), регулирующий потребление бойлера от 0 до 100% его номинальной мощности. В заявленном способе управления низко- и среднеприоритетными нагрузками заключена значительно большая гибкость, чем в упомянутом продукте OhmPilot, позволяющая регулировать потребление как в случае избытка производимой микрогенерацией мощности путем подключения множества нагрузкок (в том числе и через модулятор, для этого предусмотрены входы AUX1, AUX2, AUX3 для альтернативного питания низкоприоритетных нагрузок), так и в случае недостатка производимой мощности посредством отключения таких нагрузок. Точное предсказание потребления сделать невозможно из-за наличия более приоритетных нагрузок, включаемых пользователем по своему усмотрению, однако можно подстроиться под текущий график потребления, зная статистику более приоритетных нагрузок.
Известны способы и системы контроля и управления энергопотреблением потребителей в доме, близкие по уровню техники к заявляемому техническому решению, описанные ниже.
Известны способ и система управления электроснабжением и электрической нагрузкой по патенту US №20100312414, 09.12.2010 г., МПК G01R 11/00, нац. кл. US N 700/295. Данный способ заключается в интеллектуальном автоматическом сбрасывании нагрузки с использованием логических контроллеров, реагирующих на сигналы от датчиков возмущений. Интеллектуальная система, реализующая данный способ, связана с системой датчиков сигналов в реальном времени, которые она использует для распознавания возмущений и выработке предложений по выключению потребителей. Указанная система способна решать проблему с возможностью упреждения распознавания повторяющихся возмущений. Это достигается за счет самообучения по сбросу нагрузки, по графикам сброса, имеющимся в памяти системы.
При этом предлагается способ управления потоком данных и сброса нагрузки в зависимости от величины резерва мощности в системе, варьируемого в диапазоне от 0 до величины единичной мощности генератора системы. В этой связи данный способ управления энергопотреблением имеет ограничение по сфере применения. Он не пригоден для систем с централизованным электроснабжением, в то же время эффективен для применения в автономных энергосистемах (для плавучей платформы и т.п.).
Известен способ и устройство бесперебойного питания потребителей по патенту RU №2341859, МПК H02J 3/32, опубл. 20.12.2008 г., Бюл. №35. В данном решении потребители с помощью средств коммутации подключены к централизованной сети, альтернативному источнику энергии и накопителю энергии посредством инвертора, при этом мониторинг и управление переключениями осуществляются контроллером.
Указанный способ заключается в преобразовании рода тока, вначале переменного тока - в постоянный, а затем постоянного - в переменный. Необходимость двойного преобразования рода тока обуславливает дополнительные электрические потери, сложность и удорожание его осуществления, в конечном итоге - к снижению экономической эффективности.
Известен способ мониторинга и управления процессом потребления электроэнергии и устройство для его осуществления по патенту RU №2473916, МПК G01R 11/00, опубликованному 27.01.2013 г., Бюл. №3. В данном способе передача команд на подключение потребителей осуществляется через устройства коммутации нагрузки, управляемые сигналами от счетчиков энергии с присвоенным индикатором, объединенных в группы, которые измеряют мощность, потребляемую приемником (нагрузкой). Передачу информации от указанных групп осуществляют с помощью проводных каналов связи к устройствам управления группой счетчиков. Запись в блок энергонезависимой памяти значений сопротивлений и длин подводящих линий сети от трансформаторной подстанции осуществляют с целью вычисления разницы между отпущенной и потребленной энергиями.
Недостатком данного способа является высокая стоимость и значительная сложность индивидуального сбора-передачи данных, вычислений и управления.
Известно устройство, в котором осуществляется равномерное распределение электрической нагрузки по фазам сети - патент RU №2200364, МПК H02J 1/10, опубл. 10.03.2003 г., Бюл. №7. В нем содержатся датчики тока в фазах, множество средств коммутации и процессор для управления переключениями фаз по результатам попарного сопоставления токов в фазах.
Недостатком указанного устройства является то, что в нем не обеспечивается управление электропитанием потребителей с учетом приоритетности групп потребителей. По этой причине электропитание приоритетных потребителей в нем является недостаточно надежным.
Известен способ питания нагрузки системы электроснабжения по патенту RU №2442263, опубл. 10.02.2012 г. в Бюл. №4, заключающийся в извлечении отдельно реактивной и активной составляющих мощности групп симметрируемых фаз для питания потребителей. Недостатком данного способа является его ограниченность применения - для питания нагрузки постоянного тока.
Известен способ, система и устройство для управления количеством электроэнергии, потребляемой установленными в доме бытовыми электроприборами, по патенту RU №2242832, опубл. 20.12.2004 г. в Бюл. №35, автор Айса Валерио. Данный патент на способ, систему и устройство принят за прототип. Способ заключается в присоединении потребителей к сети, подключенной к источнику электроэнергии, установке максимально допустимого уровня потребления мощности, обеспечении потребителей средствами управления электропотреблением, измерении моментального суммарного уровня потребления мощности, передаче на средства управления потребителей информации о потребляемой электрической мощности с частотой, изменяющейся во времени, обеспечении возможности регулирования нагрузки для средств управления.
Система управления количеством электроэнергии по данному патенту содержит множество потребителей электроэнергии, соединенных в сеть передачи данных, измерительное устройство, расположенное вне указанных потребителей электроэнергии, подключенное к указанной сети и пригодное для измерения моментального суммарного потребления электроэнергии системой бытовых электроприборов, при этом каждый потребитель снабжен средством управления уровнем потребляемой электроэнергии, использующим информацию относительно моментального уровня потребляемой электрической мощности системой приборов так, что чем ближе моментальный суммарный уровень потребления электрической мощности к предельно допустимому уровню, тем выше частота выдачи информации.
Недостатком способа, принятого за прототип, является отсутствие разбиения потребителей электроэнергии на группы по признакам идентичности требований к надежности питания и возможным функциям средств коммутации на линиях питания указанных групп потребителей, с установлением упомянутым группам потребителей приоритетов в электропотреблении. Это не позволяет эффективно управлять электропотреблением потребителей, ограничением отдельных групп потребителей, распределением других групп потребителей по источникам энергии, фазам сети и по времени электропитания.
Сущность признаков изобретения.
Бытовые потребители электроэнергии отличаются требованиями к надежности питания и средствам коммутации их подключений к сети питания, одни из них допускают возможность регулирования собственной нагрузки, допускают пониженные режимы электропотребления, допускают кратковременные перерывы в электроснабжении, некоторые потребители не допускают даже разрыва синусоиды напряжения. В настоящем изобретении все бытовые потребители, в зависимости от требований к надежности их питания и возможностям средств коммутации на подводящих линиях, разделены на 4 группы - особоприоритетная; высокоприоритетная; среднеприоритетная; низкоприоритетная.
К группе особоприоритетных потребителей относятся потребители, не допускающие разрыва синусоиды напряжения питающего тока. К таким потребителям, в первую очередь, относятся IT-серверы, телевидение, компьютерная техника, роутеры, серверы, связь и сигнализация. Эти потребители, как правило, даже после кратковременного прерывания питания не возобновляют режим своей работы с точки, предшествовавшей прекращению питания. Они не предусматривают ни временное отключение на момент пиковой нагрузки, ни переключение на другую фазу или на резервный источник или источник энергии собственной микрогенерации. В предлагаемой системе проводится мониторинг потребления энергии и эта информация используется в дальнейшем для прогнозов.
К группе особоприоритетных потребителей также относятся бытовые электроприборы, не допускающие разрыва синусоиды питающего напряжения, т.е. не допускающие перехода с помощью средств коммутации на резервное питание. Примером таких приемников являются все приборы с электронным (цифровым) управлением - микроволновые печи, мультиварки, варочная поверхность, стиральная машина, сушилка, etc, то есть все потребители, не способные возобновлять свою работу после кратковременного прерывания электропитания.
К группе высокоприоритетных потребителей относятся электроприборы, допускающие переключение питания на альтернативную фазу или источник возобновляемой энергии. На кухне такими приборами являются тостеры и кофейные машины.
К группе среднеприоритетных потребителей относятся потребители, допускающие переключение питания и кратковременное отключение, то есть кратковременный перенос их работы на другое время. К таким потребителям относятся пылесосы, утюги, фены для сушки волос в ванных комнатах. На кухне это вторичный вход питания варочной поверхности кухонной плиты (предназначенный для распределения нагрузки между двух или более фаз, но не дающий питание самой электронике управления данного электроприбора), духовка (если она оснащена электромеханическим управлением), микроволновка с электромеханическим управлением, а также электрочайники. Схемотехнически они питаются через 2 последовательно включенных реле (одно переключающее на альтернативную фазу, а второе отключающее). Коммутация среднеприоритетных нагрузок в аппаратуре реализуется последовательным соединением двух контактных групп различных реле, предназначенных для осуществления коммутации высокоприоритетной (переключение) и низкоприоритетной (временное отключение) нагрузок, причем такое последовательное соединение двух реле реализуется перемычками на соседствующих каналах управления - одного высокоприоритетного и одного низкоприоритетного. Такая реализация позволяет гибко использовать ресурсы коммутации в аппаратуре, например, если в плате предусмотрены 12 реле - 6 для низкоприоритетных нагрузок (отключение) и 6 для высокоприоритетных (переключение фаз), то посредством перестановки перемычек можно организовать 2 канала среднеприоритетных нагрузок, при этом останутся доступными 4 высокоприоритетных канала и 4 низкоприоритетных, т.е. в рамках одной реализации платы с 12 реле возможны конфигурации 6+0+6, 5+1+5, 4+2+4, 3+3+3 (высоко приоритетных, средне приоритетных и низкоприоритетных каналов подключения нагрузок).
Эти потребители по своей значимости являются высокоприоритетными, однако допускают кратковременное отключение. Поэтому во время пика алгоритм управления, в первую очередь, определяют (исходя из доступной мощности) возможность продолжения их работы путем переключения на другую фазу, чтобы избежать перегрузки фазы при наличии доступной мощности на альтернативной для данного потребителя фазе. Если доступной мощности на альтернативной фазе нет, то этот потребитель будет временно выключен до момента появления доступной мощности либо на фазе работы потребителя по умолчанию, либо на его альтернативной фазе. Таким образом, временное отключение среднеприоритетных нагрузок осуществляется только в случае отсутствия доступной мощности. При этом рабочий цикл таких приборов может прогнозироваться в целях обеспечения необходимого энергопотребления путем подбора скважности.
К группе низкоприоритетных потребителей относятся потребители, которые допускают их временное отключение, например, при пиковых режимах на время перегрузок, при высоких почасовых тарифах стоимости кВт-ч. К данной группе относятся насосы бассейна, насосы водопада, подогреватели полов, подогреватели горячего водоснабжения, посудомоечная машина (все современные посудомоечные машины имеют энергонезависимую память и возобновляют свой рабочий цикл с момента, предшествовавшему прерыванию питания). Особое место занимают нагрузки, отвечающие за отопление и климатизацию (кондиционеры, тепловые насосы и электрические подогреваемые полы). Системы отопления обладают высокой тепловой инерцией, а поэтому для них не очень важно, в какие периоды времени они потребляют электрическую энергию, важно, чтобы они были обеспечены энергией с сохранением определенной скважности, например, в пределах 40-60%, тогда системы отопления обеспечат необходимый комфорт за счет производства необходимой тепловой энергии, сохраняя необходимую скважность в течение интервалов времени, сравнимых с постоянной времени тепловой инерции помещения, но не будут потреблять доступную мощность в моменты пика.
С системами охлаждения (климатизации) летом все сложнее. Если такая система устроена на основе чиллера, то, как правило, предусмотрен инерционный бак, который предотвращает частое включение/останов компрессоров чиллера (с целью меньшего износа), и можно пользоваться этой инерцией для временного отключения компрессора чиллера, (который является самым большим потребителем в доме), чтобы эффективно бороться с пиками потребления. Вопрос состоит только в адаптации допустимого времени отключения к реализованной инерции контура охлаждения для сохранения комфорта.
maх
Сущность изобретения как способа. Способ мониторинга и управления потреблением электрической энергии потребителями в доме, включающий подключение бытовых потребителей к электрической сети с помощью средств коммутации, установление лимитированной максимальной потребляемой мощности (Р), оснащение потребителей средствами управления электропотреблением, измерение мгновенных значений суммарной потребляемой мощности (тока), установление приоритетов для потребителей энергии по надежности и способу коммутации на линиях подключения, передачу мониторинговой информации на микроконтроллер, управление электропотреблением потребителей дома, подключенных к внешней сети и собственным источникам электрической энергии.
Группу потребителей особо приоритетного уровня, не допускающую разрыва синусоиды напряжения, подключают к опциональному узлу гарантированного напряжения с возможностью получать питание от централизованного, резервного и накопительного источников электрической энергии.
Группу потребителей высокоприоритетного уровня, допускающую кратковременные отключения на время переключений, распределяют равномерно между фазами сети и подключают к сети через средства коммутации, обеспечивающие возможность автоматического переключения на резервный источник и переключения фаз в прямой и обратной последовательности.
Потребителей группы среднеприоритетного уровня распределяют равномерно по фазам сети и подключают к сети через средства коммутации, обеспечивающие возможность сдвига времени их работы по таймеру.
Потребителей группы низкоприоритетного уровня распределяют равномерно по фазам сети, присоединяют к сети через средства коммутации, обеспечивающие их выключение с упреждением времени появления пиковых нагрузок.
В целях управления потреблением электроэнергии осуществляют мониторинг мгновенных значений напряжений и потребляемых токов в фазах фидера и подводящих линий групп потребителей, осуществляют периодически передачу указанной мониторинговой информации на микроконтроллер. Устанавливают электронный интерфейс для подключения к Интернету и доступа к мониторинговой информации с возможностью удаленного включения / управления / выключения систем отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения. Осуществляют автоматизированное прогнозирование электропотребления для отопления на основе дистанционного измерения температуры и влажности воздуха в помещениях, обнаружение открытых оконных и дверных проемов, мониторинг параметров микроклимата и управление системой кондиционирования. Определяют отсутствие обитаемости помещений для закрытия обнаруженных открытых дверных и оконных проемов, а также остановки систем кондиционирования и производства горячей воды. Осуществляют автоматизированное управление электропотреблением потребителей на основе результатов прогнозирования нагрузок потребителей. Производят сбор и обработку статистической мониторинговой информации за предыдущее время управления электропотреблением потребителей в доме. Создают электронную базу данных потребляемых мощностей / токов, параметров наружного климата и параметров микроклимата внутри дома с привязкой к годовому и суточному графикам энергопотребления, осуществляют управление одновременностью работы групп потребителей, имеющих разные приоритеты. Осуществляют управление нагрузкой рециркуляции горячей воды и системы холодного водоснабжения.
При дефиците резерва мощности в часы пик и высоких тарифах стоимости единицы электрической энергии осуществляют переключение потребителей на резервный источник питания с аккумулятором, при его наличии.
При наличии источника собственной микрогенерации вырабатываемая им энергия потребляется в первую очередь посредством составления гибких задаваемых расписаний с целью минимизировать закупку энергии у энергосбытовой компании.
Группу особоприоритетных потребителей опционально подключают к накопительному источнику электроэнергии, преимущественно, к инвертору с аккумуляторной батареей.
Группу высокоприоритетных потребителей подключают к сети через средства коммутации, обеспечивающие возможность их переключения на менее загруженные фазы сети, главным образом, путем смены фаз на один шаг вперед / назад.
Группу низкоприоритетных потребителей присоединяют к сети через средства коммутации, обеспечивающие их выключение в период высоких почасовых тарифов отпускаемой энергии и наличия пиков ее потребления.
Для предупреждения перекосов в нагрузках фаз осуществляют мониторинг значений тока в нейтральном проводе. Кроме того, осуществляют контроль искажений форм гармоник синусоиды напряжения в фазных проводах.
При запасе мощности в сети ниже установленного минимума, преимущественно, равному единичной нагрузке самого крупного приоритетного электрического приемника, кратно (в 10…20 раз) увеличивают частоту передачи мониторинговой информации о мгновенных значениях токов и напряжений на микроконтроллер.
Сущность изобретения как комплекса, обеспечивающего реализацию предлагаемого способа. Комплекс для контроля и управления потреблением электрической энергии бытовыми потребителями включает в себя электрическую сеть дома, подключенную к внешнему источнику энергии, потребителей электроэнергии, подключенных к указанной сети, средства для измерения потребляемых потребителями мощностей, средства управления электрической нагрузкой. Комплекс отличается тем, что группа особоприоритетных потребителей присоединена к узлу гарантированного напряжения, группа высокоприоритетных потребителей присоединена к сети с помощью силовых реле, обеспечивающих возможность переключения фаз сети. Среднеприоритетные потребители присоединены к сети с помощью силовых реле с возможностью отключения от сети для переноса их работы на другое время по гибкому задаваемому расписанию и/или переключения фаз сети. Низкоприоритетные потребители присоединены к сети с помощью силовых реле, автоматически срабатывающих на выключение по сигналу от микроконтроллера о появлении пиковых нагрузок в сети или смене почасового тарифа на электроэнергию, средства многофазной коммутации потребителей и потребители соединены с микроконтроллером, осуществляющим управление нагрузками и их распределением по фазам и сдвигом во времени. Микроконтроллер оснащен аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и соединен с датчиками для измерения напряжений и токов в фазных проводах потребителей и фазах фидеров, в том числе датчиками тока внешними, подключенными через коннекторы и размещенными на фазных проводах фидера и нагрузок, и датчиками тока внутренними в составе печатных плат токовых реле, а также делителями (опционально, на нулевом проводе относительно земли) для измерения напряжения относительно земли, в том числе, на линиях альтернативного источника энергии собственной микрогенерации. Комплекс оснащен электронным интерфейсом для внешнего доступа через Интернет к мониторинговой информации и удаленного управления / включения / выключения нагрузок систем отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения. Содержит внешние вспомогательные устройства с беспроводными датчиками, позволяющими обнаруживать открытые дверные и оконные проемы, чтобы устранять потери теплоты, и оптимизировать энергопотребление с учетом обитаемости помещений, осуществлять прогнозирование изменений электрических нагрузок отопления.
Комплекс содержит узел гарантированного напряжения, подключенный к централизованному и резервному источникам электроэнергии.
Высокоприоритетные потребители присоединены к сети с помощью силовых реле переключения на альтернативную фазу.
Комплекс содержит микроконтроллер, имеющий аналоговые входы для получения измеренных значений напряжений и токов, оснащен АЦП с достаточной производительностью и разрядностью (0,1…1,0 Мегаотсчет/с; 10…12 бит), имеет аппаратный интерфейс для связи с Интернетом и умным датчиком (WiFi / Bluetooth LowEnergy), а также с сетями домашней автоматизации (умный дом), например, KNX/EIB (European Installation Bus), для получения телеграмм умного дома, кроме того, содержит неинвазивные индуктивные датчики тока для внешних измерений и линейные датчики тока на эффекте Холла для измерения токов на плате реле.
Комплекс содержит контроллер, выполненный вместе с релейной платой в виде двухэтажной сборки, в которой релейная плата с датчиками Холла и преобразователями уровня индуктивных датчиков размещена в нижней части диэлектрического (пластикового) корпуса с возможностью установки на DIN-рейку, плата контроллера размещена в верхней части, при этом в релейную плату заведен силовой фидер (три фазных провода и нейтраль) таким образом, что по плате проходят линии электроснабжения, от которых через нормально замкнутые контакты реле отводятся линии питания низкоприоритетных потребителей, а линии высокоприоритетных потребителей сгруппированы по две на каждую фазу, обеспечивающие возможность переключения одной из линий на следующую фазу, а другой - на предыдущую фазу.
Кроме того, потребителям среднеприоритетной и высокоприоритетной групп присвоены индивидуальные приоритеты, позволяющие установить последовательность их отключения при управлении электропотреблением.
С помощью ограничителей мощности (силовых реле) построена иерархическая схема электропитания, в которой реле, установленные друг за другом или в параллельных линиях питания групп потребителей, настраиваются индивидуально - каждое на свой предел потребляемой мощности (тока) в зависимости от приоритетности группы питаемых потребителей. При превышении порогового уровня мощности последовательно автоматически будут отключаться менее приоритетные группы приемников. Автоматическое подключение потребителей будет осуществляться при появлении резерва мощности в соответствующей распределительной сети в доме, при этом вначале будут подключаться более приоритетные потребители.
В современных домах потребители рассредоточены в значительном пространстве дома и для сбора информации о мгновенных параметрах токов и напряжений у потребителей применяется интерфейс, ориентированный на Интернет.
В управлении электропотреблением приемников для ограничения и разуплотнения пиков нагрузки применяются следующие способы и средства: выключение приемника с помощью коммутирующего устройства на линии подключения к сети для переключения его на другие фазы сети или другой источник; средства управления уровнем электрической нагрузки, устанавливаемые на самих приемниках (собственные средства управления нагрузкой); переключение периодов работы приемников на другое время с помощью коммутирующих устройств на линии подключения к сети. Управление коммутирующими устройствами осуществляет микроконтроллер путем отключений и переключений потребителей на основе анализа результатов обработки мгновенных параметров токов, напряжений как на вводном фидере, так и по линиям групп потребителей и отдельных приемников, поступающих периодически от датчиков (формируя последовательности ограничений).
Кроме того, в микроконтроллер по линиям связи периодически поступает информация от датчиков: о параметрах микроклимата в помещениях дома (температура воздуха, влажность), о состоянии дверных и оконных проемов (открыто/закрыто), наличии обитателей в доме, температуре наружного воздуха. Мониторинговая информация от датчиков анализируется микроконтроллером, формируются списки на регулирование режимов электропотребления отдельных потребителей, выключения потребителей, переноса их работы на другое время, переключения фаз и др.
В трехфазной распределительной электрической сети в доме нагрузка распределяется между тремя фазами. В пиковые режимы электропотребления производится снижение нагрузки и осуществляется выключение отдельных приемников, при этом осуществляется мониторинг перекоса нагрузок по фазам и симметрирование фаз по нагрузкам. В то же время, осуществляется бесперебойное питание особоприоритетных потребителей. При управлении электропотреблением потребителей в доме обеспечивается не превышение лимитированного максимума потребляемой входной мощности при условии максимально возможных объемов электропотребления, соблюдения его качества и эффективности, а также приоритетности в электропотреблении групп потребителей и отдельных потребителей в группах.
В способе управления электропотреблением потребителей алгоритмы реагирования на управляемую информацию от датчиков зависят от того, каков резерв мощности имеется для нагружения потребителей.
В базовой части нагрузок осуществляют распределение и симметрирование нагрузок по фазам распределительной сети путем переключения потребителей на другие фазы, выключение низкоприоритетных потребителей.
В пиковые периоды, когда резерв мощности (тока) снижается ниже допустимого значения, осуществляется перевод бытовых потребителей на режимы с пониженными нагрузками, выключение низкоприоритетных нагрузок, переключение потребителей на другие фазы (прямое или обратное переключение фаз), подключение к резервному (альтернативному) источнику тока собственной микрогенерации, подключение к источнику накопленной энергии и узлу гарантированного напряжения.
Описание фигур и работы устройства, реализующего заявляемый способ.
На фиг. 1 изображен комплекс, реализующий способ контроля и управления электропотреблением потребителей в доме. От централизованного внешнего источника 1 подведены в дом три фазных и нейтральный провода, которые заведены через автоматический выключатель 2 и счетчик 3, установленные на вводном щите дома. Для управления потреблением электроэнергии установлен микроконтроллер 4. Распределительная трехфазная электрическая сеть выполнена в виде отдельных линий 5, 6, 7 и 8 для низкоприоритетной, среднеприоритетной, высокоприоритетной и особоприоритетной групп потребителей соответственно 9, 10, 11 и 12. На каждой линии установлены защитные отключающие устройства (УЗО) 13, 14, 15 и 16.
Группа низкоприоритетных потребителей 9 присоединена к линии 5 через автоматический выключатель 17. На линии 5 установлены датчики 18, 19 и 20 измерения и передачи мгновенных значений токов и напряжений с помощью проводных и беспроводных средств в микроконтроллер 4.
Среднеприоритетные потребители 10 присоединены к линии 6 посредством автоматического переключателя 21, обеспечивающего возможность переключения фаз и выключения с переносом их работы на другое время по заданию, например с помощью таймера. На линии 6 установлены датчики 22, 23, 24 мониторинга и передачи мгновенных значений токов и напряжений с помощью проводных и беспроводных средств в микроконтроллер 4.
Группа высокоприоритетных потребителей 11 присоединена к линии 7 посредством переключателя фаз 24, обеспечивающего возможность переключения фаз как вперед, так и назад. Линии 5, 6, 7 и 8 с помощью переключателя 25 может подключаться и к альтернативному источнику собственной микрогенерации 26. На линии 7 установлены датчики 27, 28, 29 измерения и передачи мгновенных значений токов и напряжений с помощью проводных и беспроводных средств в микроконтроллер 4.
Особоприоритетные потребители (ОПП) 12 присоединены опционально к установке гарантированного напряжения (УГН) 30. В свою очередь, УГН 30 с помощью автоматического выключателя 31 соединена с линией 8, на которой установлены датчики 32, 33, 34 измерения и передачи мгновенных значений токов и напряжений с помощью проводных и беспроводных средств в микроконтроллер 4. УГН 30 подключена к накопительному источнику -аккумуляторной батарее 35 через инвертор 36. Аккумуляторная батарея через зарядное устройство (ЗУ) соединена с линией 8. Если в доме не установлена УГН, ОПП подключают напрямую к линии 8, на которой соответственно будут установлены датчики тока 33 и датчики напряжения 34.
Микроконтроллер 4 связан с датчиками посредством радиосвязи и Интернета для получения мониторинговой информации о мгновенных значениях токов и напряжений: в фазах фидера - от электросчетчика 3, в распределительных линиях - от наружных датчиков 18, 22, 27, 32, в питающих группы потребителей линиях - от датчиков тока 19, 23, 28, 33 и датчиков напряжения 20, 24, 29, 34.
Микроконтроллер 4 оснащен аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для преобразования аналоговых сигналов в цифровую информацию. В модули микроконтроллера поступает информация от датчиков 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, осуществляющих мониторинг показателей погоды, микроклимата, открытых проемов, движения в доме, качества синусоид напряжения, состояния источника собственной микрогенерации, параметров системы кондиционирования, отопления и вентиляции и подпитки системы горячего водоснабжения.
Для приема/передачи мониторинговой информации на микроконтроллер установлен электронный интерфейс для подключения к Интернету и доступу к мониторинговой информации с возможностью удаленного включения / выключения систем отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения, осуществления автоматизированного прогнозирования тепловой нагрузки на основе дистанционного контроля температуры и влажности воздуха в помещениях, осуществляют обнаружение открытых оконных и дверных проемов, контроль микроклимата и управление системой кондиционирования, определяют обитаемость помещений для остановки систем кондиционирования, осуществляют автоматизированное управление электропотреблением потребителей на основе результатов прогнозирования нагрузок потребителей, осуществляют сбор и обработку статистической мониторинговой информации за предыдущее время управления электропотреблением потребителей в доме, создают электронную базу данных потребляемых мощностей / токов, параметров наружного климата и параметров микроклимата внутри дома с привязкой к годовому и суточному графикам энергопотребления, осуществляют управление одновременностью работы групп потребителей, имеющих разные приоритеты.
В собственной микрогенерации используются альтернативные источники возобновляемой энергии, преимущественно, солнечные панели и ветроэлектрические генераторы, возможности получения мощности на которых зависит от времени суток и метеоусловий. Так, график возможной мощности солнечных панелей, в первую очередь, зависит от сезона, времени суток и наличия облачности. Если в качестве источника собственной микрогенерации используются ветроэлектрические генераторы, их возможная доступная электрическая мощность зависит от наличия и скорости ветра. В этой связи микроконтроллер выполняет функцию заблаговременного прогнозирования графика изменения доступной мощности источника собственной генерации. Указанный заблаговременный прогноз доступной мощности выполняется микроконтроллером на основе получаемых через Интернет прогнозов погоды и параметров (характеристик) состояния источников собственной микрогенерации с учетом динамики в течение суток.
При использовании энергии, в приоритетном порядке, потребляют дешевую возобновляемую энергию от источника 26 электрической энергии собственной микрогенерации. Автоматическое управление последовательностью нагружения/обеспечения потребителей осуществляют следующим образом - вначале обеспечивают электроэнергией высокоприоритетных потребителей 11, после этого, при условии наличия доступной мощности, обеспечивают электроэнергией среднеприоритетных потребителей 10 и, в последнюю очередь, - низкоприоритетных потребителей 9. При управлении отключением потребителей применяют обратную последовательность операций: вначале производят отключение низкоприоритетных потребителей 9, после этого, при условии недостаточности доступной мощности, - отключение среднеприоритетных потребителей 10 и, в последнюю очередь, - высокоприоритетных потребителей 11.
На фиг. 2 представлена схема переключения однофазной высокоприоритетной нагрузки на одну из фаз трехфазной четырехпроводной электрической сети. Работает устройство следующим образом. Микроконтроллер автоматически производит выбор ближайшей по приоритету фазы в пределах установок, заданных пользователем, и подключает к ней однофазную нагрузку. При этом по сигналу от микроконтроллера одно из силовых реле К1, К2, К3 подключает нагрузку к менее загруженной фазе.
пик
mах
пик
1
mах
пик
1
На фиг. 3 представлен график изменения частоты передачи мониторинговой информации о мгновенных параметрах тока в зависимости от суммарной нагрузки потребителей в доме. В области пиковых нагрузок частота передачи информации выше на порядок. Представлены два возможных графика изменения частоты передачи информации в пиковом режиме - ступенчатый (сплошная линия) и наклонный (пунктирная линия). Потребляемая мощность начала пикового режима составляет Р. При этом значение максимального резерва мощности в пиковом режиме (Р - Р) принимают равным значению единичной нагрузки самого крупного приоритетного потребителя P, т.е. (Р - Р)=Р.
пик
пик
Базовая область нагружения - при нагрузках от 0 до Р. Пиковая - при суммарной потребляемой мощности выше Р.
На фиг. 4 показана схема переключений и отключений потребителей, подключенных к трехфазной электрической сети в доме. Для групп высокоприоритетных потребителей предусмотрены две схемы: схема (а) переключения фаз вперед (на следующие фазы) и схема (б) переключения фаз назад (на предыдущие фазы). Среднеприоритетные потребители-подключены по схеме (в), в соответствии с которой выключение и последующее включение их осуществляется по гибкому задаваемому графику (например по таймеру), то есть, производится перенос времени их работы на другое время. Низкоприоритетные потребители на линии подключения оснащены силовым реле с нормально замкнутой контактной группой - схема (г).
mах
пик
o
max
mах
пик
пик
-1
На фиг. 5 представлена последовательность операций мониторинга и управления электропотреблением в базовом и пиковом режимах работы бытовых потребителей. Резерв мощности в пиковых режимах лежит в диапазоне от 0 до (Р - Р). В базовом режиме частоту передачи информации от датчиков о мгновенных значениях мощности, потребляемой потребителями, сохраняют постоянной и равной F, ориентировочно принимаемую равной значению 1 с. В пиковом режиме, при котором (P-Р)≤(Р - Р), частоту передачи контролируемых параметров увеличивают ступенчато (в 10…20 раз) или пропорционально приросту нагрузки свыше Р, вычисляя ее по формуле:
где k - коэффициент реагирования.
Значение k зависит от крутизны графика пиковых нагрузок, k=10…20.
mах
пик
mах
пик
1
Максимальный резерв мощности в пиковом режиме (Р - Р) принимают равным значению единичной нагрузки самого крупного приоритетного потребителя, т.е. (Р - Р)=Р.
mах
пик
mах
mах
Величина резерва мощности в пиковом режиме (Р - Р) зависит от количества и мощности бытовых потребителей, ориентировочно она лежит в диапазоне от 0,1Р до 0,25 Р.
o
o
Изменение частоты передачи мониторинговой информации при переходе от базового режима к пиковому режиму может быть принята ступенчатой: в базовой части нагружения - F, в пиковом режиме - (10…20) F.
mах
mах
пик
При резерве потребляемой мощности ΔР=(Р-Р) выше его минимального значения (Р-Р) управление осуществляется в базовом режиме работы сети в доме, то есть
mах
пик
ΔР≥(Р-Р),
производится периодически передача информации от датчиков контроля мгновенных значений токов, напряжений, симметрии нагрузок по фазам путем попарного сравнения токов в фазах и нейтральном проводе, а также осуществляется выравнивание нагрузок по фазам методом выключений потребителей и прямого или обратного переключений фаз групп потребителей.
max
mах
пик
При резерве мощности в сети (P-Р) ниже (Р - Р) наступает пиковый режим работы потребителей в доме. В пиковом режиме осуществляется полный контроль мгновенных параметров и управление электропотреблением групп потребителей дома с учетом их приоритетности. В этом режиме частота передачи информации мониторингового контроля увеличивается и контроллер формирует решения по ограничению электропотребления и переключениям потребителей на другие, менее загруженные, фазы, а также на альтернативный возобновляемый источник электроэнергии собственной микрогенерации.
На фиг. 6 представлены функциональные элементы микроконтроллера. В составе микроконтроллера имеется 7 модулей: подключения к сети; подключения кондиционера; сигнализации режима нагрузки; связи и Интернета (TCP/IP); подключения высокоприоритетных потребителей; подключения низкоприоритетных потребителей; подключения к интерфейсу автоматизации дома (EIB/KNX). Модуль сигнализации режима нагрузки имеет панель световой сигнализации со светодиодами, цвет которых отражает состояние загрузки домовой сети. Режим загрузки, соответственно: синий цвет - нет нагрузки, зеленый - малая нагрузка, желтый - высокая нагрузка, красный - пиковая нагрузка.
На фиг. 7 показано средство коммутации однофазных низкоприоритетных и высокоприоритетных потребителей с возможностью формирования цепей управления нагрузками. Средство содержит три отдельных фазных контура R, S, Т. Оно выполнено для каждого потребителя в виде последовательного соединения контактных групп двух независимых силовых реле, одно из которых предназначено для управления низкоприоритетной нагрузкой посредством размыкания нормально-замкнутого контакта, а другое реле - для управления высокоприоритетной нагрузкой посредством переключения питания нагрузки между двух фаз, при этом вариант использования этих реле выбирается перемычками, осуществляющими либо независимое функционирование каждого из двух реле, либо последовательное соединение их контактных групп для коммутации потребителя.
Фиг. 8 представлена двумя половинками схемы: фиг. 8а и фиг. 8б. На фиг. 8а представлена схема подключения микроконтроллера к трехфазной четырехпроводной электрической сети, а также с силовыми и оперативными цепями электрических нагрузок. На плате (фиг. 8а) микроконтроллера размещены схемы измерения контактные группы ADC1, ADC2, … ADC22, ADC23, сети управления силовыми реле Оu+1, …, Оu+4, Оu+5, …, Оu+8, Оu+9, …, Оu+С, порты Com Port, OutD, Ethernet Port.
К контактами ADC1, …, ADC7 присоединены делители и согласователи уровней 3,3 V/2 фазных и нулевых проводов. К контактам ADC8, …, ADC23 подведены линии от сенсоров токов на фазных проводах и линиях потребителей. Управляющие линии силовых реле присоединены к контактам Out1, …, ОutС.
На фиг. 8б представлена схема соединения контактов микроконтроллера с сенсорами токов и с катушками силовых реле. Показаны контактные группы силовых реле, обеспечивающих соединение потребителей с фазными проводамм R, S, Т. Клеммы H1, …, Н6 предназначены для подключения высокоприоритетных потребителей. Клеммы L1, …, L3 - для подключения низкоприоритетных потребителей. Клеммы Lh4, Lh5, Lh6 - для подключения низко- или среднеприоритетных потребителей. Клеммы А4, А5, А6 - вспомогательные для среднеприоритетных потребителей. Между клеммами А4 и S, А5 и Т, А6 и R пунктирными линиями показаны перемычки.
На фиг. 9а изображены план (вид сверху) и разрезы 1-1, 2-2, 3-3 двухэтажной конструкции контроллера, состоящей из двух горизонтальных плат, между которыми размещены элементы схемы контроллера, представленной на фигурах 8а и 8б. На нижней плате установлены силовые элементы - реле К1, К12; сенсоры тока S1, …, S16; силовые клеммы для подключения потребителей установлены в один ряд (снизу на плане). Клеммы для подключения фазных проводов R, S, Т размещены на противоположной стороне силовой платы (сверху на плане), в ряду с которыми размещены клеммы Aux1, Aux2, Аuх3 (подключения альтернативного источника), клеммы Nin и Nout (соответственно, вход и выход нулевого провода фидера), клемма Gnd (земля).
На фигурах 9б и 9в (силовая плата, соответственно, на стороне компонентов и на стороне пайки) показано размещение печатных дорожек на силовой плате, а также соединительные гнезда для установки сенсоров тока.
Вход и выход нулевого провода соединены между собой проводом, пропущенным через измеритель тока (сенсор), т.е. измеряется ток, с другой стороны, измеряется и напряжение нулевого провода относительно земли. Сенсоры тока при прохождении тока величиной минус 50 А … +50 А индуцируют напряжение 0…5 В, которое измеряется и оцифровывается. Если установлен АЦП-12 бит (4096 уровней оцифровки), на 1 шаг получается 25 мА, что весьма близко к значению порога срабатывания бытовых УЗО, составляющему 30 мА.
Если разрядность АЦП составляет 16 бит, то точность измерения тока будет 50 А/ 32К кодов, то есть около 1,5 мА. Учитывая разброс в 1 младший разряд, точность измерения составит 3 мА, что в 10 раз меньше порога срабатывания стандартного УЗО для защиты бытовых цепей.
Из этого следует, что существует возможность выполнять функцию "умного" УЗО, которое сможет отличить ложные тревоги, вызванные высокочастотными наводками в сети, высоко-реактивными нагрузками на одной фазе и т.п. от реальных случаев утечки в землю, используя цифровую фильтрацию, реализованную в программном обеспечении нашего контроллера.
По умолчанию, чувствительность или порог срабатывания принимается за стандарт 30 мА, общепринятый для УЗО бытового назначения. При необходимости, порог срабатывания можно модифицировать в зависимости от сферы применения, например, в медицинских приборах необходима более тонкий порог срабатывания, а в промышленных установках - более грубый порог срабатывания.
На контроллерах NXP разрядность АЦП уже 16 бит (при все тех же 1 М отсчетах в секунду), что делает эту функцию еще более точной, и позволяет обнаружить долгосрочные малые утечки в землю, например, от импульсных блоков питания.
С помощью усреднения и корреляции напряжений и токов можно вычислить наличие малой утечки в линию заземления по неравенству нулю суммы токов линий фаз и нуля на входе контроллера. Сначала путем измерения токов и их суммирования определяется сам факт утечки. Далее функция умного УЗО, зная распределение потребителей по фазам и их моментальные значения токов потребления, вычисляет, на каком именно потребителе происходит утечка.
Следующий этап этой функции - определение возможности отключения потребителя с утечкой. Если потребитель питается от цепи низкого или среднего приоритета, то производится его отключение с генерацией сообщения пользователю.
Варианты оповещения об обнаруженной нештатной ситуации - текстовое сообщение CMC на мобильный телефон, электронная почта, сообщение через интернет-приложения, или звуковой/световой сигнал, включенный в конструктив самого контроллера.
Прежде чем принять решение об оповещении о неисправности или отключении потребителя, функция умного УЗО мониторит развитие утечки, и, при обнаружении неизбежного увеличения утечки или достижения критического значения (порог срабатывания или некая его доля - 50%, 75%) автоматически принимается решение об отключении потребителя или оповещении пользователя. После отключения через определенны интервал времени предпринимается попытка возобновить питание отключенного потребителя. В случае восстановления его штатного режима функционирования контроллер отменяет его аварийный статус и высылает пользователю об этом сообщение. В противном случае производится повторное отключение с сообщением пользователю.
Интервал между повторными включениями аварийного потребителя с каждым последующим его включением увеличивается. Если за определенным потребителем замечена хроническая, но небольшая утечка с величиной меньше порога срабатывания, то об этом информируется пользователь и потребителю присваивается статус потенциально опасного. В случае, если потенциально опасны потребитель восстанавливает безопасный режим работы, статус опасности снимается, но пользователю высылается сообщение с предупреждением, что данный потребитель перестал обнаруживать утечку, но это может быть следствием его включения в электрическую цепь без заземления, и корпус этого устройства может находиться под напряжением.
Контроллер может предупредить о том, что такой потребитель переключили на розетку без заземления, в результате чего малая утечка прекратилась, следовательно, его корпус будет находиться под напряжением.
Поскольку программное обеспечение контроллера способно идентифицировать каждый такой потребитель независимо от наблюдаемой цепи питания, в который его включили, его статус потенциальной опасности утечки будет отслеживаться с некоторой периодичностью.
Следовательно, устройство, обладая аппаратными средствами измерения токов и напряжений с достаточной точностью как на фидере, включая нулевой провод, так и на подключенных и наблюдаемых потребителях, благодаря наличию функции встроенного умного УЗО позволяет отличить ложные тревоги от реальных случаев утечки в землю, и, в случае обнаружения утечки, может определить, на каком именно потребителе произошла утечка, и в случае обнаружения утечки на низко или среднеприоритетном канале управления может выключить именно этот аварийный потребитель.
На фиг. 10 представлен фрагмент компоновочного решения силовой платы, изображенной на фиг. 9, с размещенными на ней силовыми реле К1, …, К6, датчиками тока S1, …, S5, силовых контактных групп H1, Н4, А4, S, L1, Lh4, а также слаботочных контактных вертикальных выпусков от датчиков тока и от силовых реле. Указанные выпуски обеспечивают соединение с контактными пазами верхней слаботочной платы, устанавливаемой сверху на высоте, обеспечивающей гарантию предотвращения возможного пробоя в случае попадания насекомых в пространство между платами.