Inteligentny system monitorowania energii: 3 kroki

2025 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2025-01-13 06:58

Zapotrzebowanie na energię rośnie z dnia na dzień. Obecnie zużycie energii elektrycznej przez użytkowników na danym obszarze jest monitorowane i obliczane poprzez częste wizyty terenowe wykonywane przez techników z wydziału elektrycznego w celu obliczenia taryfy energetycznej. To czasochłonne zadanie, bo w okolicy będą tysiące domów, a w tych samych mieszkaniach liczne mieszkania. Jeśli chodzi o miasto lub miasteczko, jest to bardzo gorączkowy proces. Nie ma możliwości sprawdzania lub analizowania indywidualnego zużycia energii przez domy w czasie ani tworzenia raportu przepływu energii na określonym obszarze. Tak jest w wielu miejscach na świecie.

Brak jest istniejących rozwiązań pozwalających na rozwiązanie powyższego problemu. Dlatego opracowujemy inteligentny system monitorowania energii, który ułatwi kontrolę, monitorowanie, analizę i obliczanie taryfy energetycznej. System STEMS dodatkowo umożliwi generowanie wykresów i raportów specyficznych dla użytkownika lub obszaru w celu analizy zużycia energii i przepływu energii.

Krok 1: Przepływ pracy

Moduł STEMS składa się głównie z modułu Seeedstudio Wio LTE, któremu nadawany jest unikalny kod użytkownika, aby zidentyfikować konkretną jednostkę mieszkaniową, w której należy zmierzyć zużycie energii. Pobór mocy będzie monitorowany przez moduł Wio LTE za pomocą czujnika prądu połączonego za pomocą analogowego połączenia Grove.

Dane dotyczące zużycia energii, unikalny kod użytkownika i lokalizacja (wbudowany GPS/GNSS Wio) modułu będą przesyłane do chmury STEMS (hostowanej w AWS) w czasie rzeczywistym przy użyciu łączności Wio LTE i Soracom Global SIM. Dane z chmury mogą być dostępne i analizowane w celu obliczenia indywidualnego zużycia energii, generowania indywidualnych i zbiorczych wykresów energetycznych, generowania raportów energetycznych oraz szczegółowej kontroli energetycznej. Przekaźniki są również połączone w celu odcięcia podłączonych urządzeń w przypadku, gdy zużycie energii przekroczy limity progowe. Moduł wyświetlacza LCD można zintegrować z lokalnym modułem STEMS w celu wyświetlania wartości pomiaru energii w czasie rzeczywistym. System będzie działał niezależnie, jeśli podłączone jest przenośne źródło zasilania, takie jak suchy akumulator lub akumulator Li-Po. Konfiguracja Konfiguracja sprzętu jest przedstawiona poniżej:

STEMS Konfiguracja sprzętu

Stwierdzono, że wewnątrz budynku sygnał GPS jest słabszy. Ale kiedy moduły zostaną przesunięte na zewnątrz, zaczniemy mieć dobry odbiór. Współrzędne GPS otrzymane z modułu zostały porównane z rzeczywistymi współrzędnymi GPS w Google Maps. Uzyskano sporą dokładność.

Energia z sieci AC jest pobierana i przepuszczana przez czujnik prądu, który jest zintegrowany z obwodem domowym. Prąd przemienny przechodzący przez obciążenie jest wykrywany przez moduł czujnika prądu grove, a dane wyjściowe z czujnika są podawane na pin analogowy modułu WIO LTE. Po odebraniu wejścia analogowego przez moduł WIO, pomiar mocy/energii znajduje się w programie. Obliczona moc i energia są następnie wyświetlane na wyświetlaczu LCD.

W analizie obwodów prądu przemiennego zarówno napięcie, jak i prąd zmieniają się sinusoidalnie w czasie.

Moc rzeczywista (P): Jest to moc wykorzystywana przez urządzenie do wykonywania użytecznej pracy. Jest wyrażony w kW.

Moc rzeczywista = napięcie (V) x prąd (I) x cosΦ

Moc bierna (Q): Jest to często nazywana mocą urojoną, która jest miarą mocy oscylującej między źródłem a obciążeniem, która nie wykonuje użytecznej pracy. Jest wyrażona w kVAr

Moc bierna = napięcie (V) x prąd (I) x sinΦ

Moc pozorna (S): Jest definiowana jako iloczyn napięcia średniej kwadratowej (RMS) i prądu RMS. Można to również określić jako wypadkową mocy czynnej i biernej. Jest wyrażony w kVA

Moc pozorna = napięcie (V) x prąd (I)

Relacja między mocą rzeczywistą, bierną i pozorną:

Moc rzeczywista = moc pozorna x cosΦ

Moc bierna = moc pozorna x sinΦ

Interesuje nas tylko Rzeczywista moc do analizy.

Współczynnik mocy (pf): Stosunek mocy rzeczywistej do mocy pozornej w obwodzie nazywany jest współczynnikiem mocy.

Współczynnik mocy = moc rzeczywista/moc pozorna

W ten sposób możemy zmierzyć wszystkie formy mocy, a także współczynnik mocy, mierząc napięcie i prąd w obwodzie. W dalszej części omówiono kroki podjęte w celu uzyskania pomiarów, które są wymagane do obliczenia zużycia energii.

Sygnał wyjściowy z czujnika prądu to fala napięcia przemiennego. Wykonuje się następujące obliczenia:

• Pomiar napięcia międzyszczytowego (Vpp)
• Podziel napięcie szczytowe (Vpp) przez dwa, aby uzyskać napięcie szczytowe (Vp)
• Pomnóż Vp przez 0,707, aby uzyskać napięcie skuteczne (Vrms)
• Pomnóż czułość czujnika prądu, aby uzyskać prąd skuteczny.
• Vp = Vpp/2
• Vrms = Vp x 0,707
• Irms = Vrms x Czułość
• Czułość modułu prądowego wynosi 200 mV/A.
• Moc rzeczywista (W) = Vrms x Irms x pf
• Vrms = 230V (znane)
• pf = 0,85 (znane)
• Irms = Uzyskane przy użyciu powyższego obliczenia

Aby obliczyć koszt energii, moc w watach jest przeliczana na energię: Wh = W * (czas / 3600000.0)Watogodzina miara energii elektrycznej odpowiadająca zużyciu energii w wysokości jednego wata przez jedną godzinę. Dla kWh: kWh = Wh / 1000 Całkowity koszt energii wynosi: Koszt = Koszt na kWh * kWh. Informacje są następnie wyświetlane na wyświetlaczu LCD i jednocześnie zapisywane na karcie SD.

Krok 2: Testowanie

Ponieważ testowanie odbywało się w pobliżu balkonu, uzyskano spory odbiór GNSS.

Krok 3: Plany na przyszłość

Zostanie utworzona aplikacja umożliwiająca dostęp do danych chmury STEMS w celu monitorowania zużycia energii przez użytkowników w czasie rzeczywistym oraz przeglądania lub generowania raportów analizy energetycznej. Aktualizację do modułu STEMS można łatwo wykonać dzięki kompatybilności z Arduino IDE. Po pomyślnym ukończeniu moduł ten może być produkowany na rynku i może być używany przez dostawców usług energetycznych na całym świecie.