Cercetare Sem 4 [307623]

Universitatea

Politehnica București

Centrul pentru Pregatirea Resurselor Umane

Sisteme Informatice Integrate

Cercetare semestrul 4

Metode de echilibrare și control în sistemele de mari dimensiuni.

Aplicații în sistemele de distribuție a energiei electrice.

Absolvent: [anonimizat],

2016

Listă figuri

Figura 1.1 Schema de legare directa a consumatorilor

Figura 1.2 [anonimizat] a consumatorilor

Figura 1.3 Schema de legare radială a consumatorilor alimentați pe medie tensiune

Figura 1.4 Schema de distribuire cu coloane magistrale

Figura 1.5 Schema de distributie in cascadă

Figura 1.6 Schemă pentru distribuția energiei electrice

Figura 1.7 Contor electronic

Figura 1.8 Diagrama bloc a contorului electronic

Figura 1.9 Infrastructură Rețea inteligentă

Figura 2.1 Eficienta incarcarii si inversarii folosind IBC-30kW-480

Figura 2.2 Sistem de gestiune al energiei IBC-30kW-480

Figura 3.1 Schema bloc a sistemului

Figura 3.2 Circuit pentru măsurarea curentului electric alternativ

Figura 3.3 Circuitul electric pentru măsurarea curentului electric realizat fizic

Figura 3.4 Circuitul electric pentru măsurarea tensiunii electrice

Figura 3.5 Server web Arduino

Figura 3.5 Fereastra monitorizare serial atunci când arduino crează serverul web

Figura 3.6 [anonimizat] 3.7 Inregistrări în baza de date arduino

Figura 3.8 [anonimizat] a [anonimizat]. Evolutia consumului de energie electrica a [anonimizat], economice, de mediu sau de securitate.

[anonimizat]. Ea materializeaza tehnologic o conceptie de conversie. [anonimizat] a energiei:

O [anonimizat], care utilizeaza surse primare cu “concentrare energetica mare” (combustibili fosili sau nucleari). [anonimizat] a energiei electrice. [anonimizat]-o conceptie unitara constituie un sistem electroenergetic.

[anonimizat], amplasate lânga consumatori. Se bazeaza în general pe utilizarea unor surse primare “usoare”, cu concentrare energetica redusa (solara, eoliana etc.). [anonimizat]-se necesitatea de a transporta energia electrica la distanta

În prezent conceptia centralizata are înca o [anonimizat], pe de-o parte, si a restrictiilor tot mai severe impuse de protectie a mediului, pe de alta parte. Dezvoltarea unei conceptii sau alteia depinde de modul în care la nivelul unei tari sau comunitate exista o strategie globala, prioritara fata de cea de la nivel de grup, companie sau societate.

Surse de energie primara

Dezvoltarea unei industrii energetice puternice este conditionata de existenta unor surse de energie primara care sa se caracterizeze prin: diversitate, accesibilitate, siguranta, preturi stabile, asigurarea cantitatilor dorite pe o perioada de timp cât mai mare. În raport cu aceste conditii, atentia industriei energetice se îndreapta spre o gama din ce în ce mai diversificata de surse de energie primara, cu particularitati din ce în ce mai diferite. Prin conversia realizata în instalatii specializate, aceste surse acopera cererea de energie electrica si termica a societatii.

În mod conventional, sursele de energie primara sunt împartite în doua

mari categorii:

surse finite;

surse regenerabile.

Sursele finite de energie primara se considera a fi limitate atât în timp, cât si în spatiu. Ele sunt capabile sa acopere nevoile societatii umane doar pentru o perioada de timp limitata. Marimea acestei perioade de timp depinde de volumul rezervelor de energie primara la care are acces societatea umana. Cele mai

importante surse finite de energie primara sunt combustibilii fosili si nucleari. Din punct de vedere al modului în care se definesc rezervele corespunzatoare surselor finite de energie, se disting:

Rezerva certa: reprezinta cantitatea din respectivul combustibil existenta în zacamânt, care a fost certificata prin masuratori si a carui exploatare este considerata ca fiind rentabila în conditiile economice si de dezvoltare tehnologica corespunzatoare unui anumit moment dat.

Rezerva certa recuperabila: reprezinta cota din rezervele certe care poate fi recuperata (extrasa din zacamânt), în conditiile economice si de dezvoltare tehnologica corespunzatoare unui anumit moment dat.

Rezerva aditionala: reprezinta cantitatea din respectivul combustibil, aditionala în raport cu rezervele certe, care poate fi:

certificata prin masuratori, dar a carei exploatare nu este rentabila pentru conditiile tehnologice si economice curente;

rezultata în urma unor estimari care se refera atât la portiuni neexploatate ale unor zacaminte cunoscute, cât si la regiuni care ofera conditii geologice favorabile.

Rezerva aditionala recuperabila: reprezinta cota din rezervele aditionale posibil a fi recuperate în viitor.

Se subliniaza faptul ca volumul rezervelor certe, respectiv aditionale, este variabil în timp, el depinzând de dezvoltarea cunostintelor geologice, de variatia pretului combustibililor, de progresul înregistrat în domeniul tehnologiei. De exemplu, scaderea pretului la o categorie de combustibili poate muta un zacamânt din zona rezervelor certe în cea a rezervelor aditionale, exploatarea lui devenind nerentabila din punct de vedere tehnico – economic.

Sursele regenerabile se refera la acele categorii de surse primare de energie care sunt generate în mod continuu de catre sistemele naturale. Se disting urmatoarele categorii principale de surse regenerabile de energie: hidraulica, solara, eoliana, geotermala, a mareelor, a valurilor, biomasa. Ele se caracterizeaza prin:

Potentialul teoretic brut: Reprezinta energia care ar deveni disponibila prin conversia în energie utila a tuturor fluxurilor naturale de energie regenerabila, cu o eficienta de 100%.

Potential tehnic: Reprezinta cota din potentialul teoretic brut care poate fi convertita în energie utila, tinând seama de nivelul de dezvoltare tehnologic si de posibilitatea de utilizare a acesteia de catre societatea umana (geografia umana).

Potential economic: Reprezinta cota din potentialul tehnic care poate fi convertita în energie utila, în conditii de rentabilitate economica.

Toate sursele de energie mentionate mai sus participa, într-o masura mai mare sau mai mica, la satisfacerea nevoilor energetice ale societatii umane. Este foarte interesant sa se analizeze evolutia în timp a disponibilului de energie primara în lume. Se poate constata ca rezervele si productia evolueaza dependent de consum, de politica (investitiile) în domeniul prospectiunilor, de interesul marilor companii implicate si foarte mult de interesele politice si strategice ale tarilor mari consumatoare de energie.

Transportul și distributia energiei electrice

Energia electric ă produs ă în centralele electrice este transmisă spre consumatori prin consumatori prin re țele electrice ele electrice, constituite din linii electrice , constituite din linii electrice și echipamente i echipamente specifice (sta ții de transformare ridic ătoare și coborâtoare de tensiune, sta ții de conexiuni)

Transmiterea energiei electrice spre consumatori se face la diferite niveluri (trepte) de tensiune stabilite pe baza unor criterii tehnico-economice, ținând seama de pierderile de energie (direct propor ționale cu puterea vehiculat ă și cu lungimea liniei și invers propor ționale cu tensiunea, pentru aceea și solicitare termic ă a conductoarelor) și de valoarea investi țiilor (care, în domeniul tensiunilor înalte, cre ște propor țional cu p ătratul tensiunii).

Criteriile după care pot fi clasificate rețelele electrice:

Tensiune:

Rețele de foarte joasă tensiune

Rețele de joasă tensiune

Rețele de medie tensiune

Rețele de înaltă tensiune

Rețele de foarte înaltă tensiune

Functia lor:

Rețele de utilizare

Rețele de distribuție

Rețele de transport

Rețele de interconexiune

Topologie:

Rețele radiale

Rețele buclate

Rețele buclate complex

Scheme electrice de distributie a energiei electrice la consumatori

Alimentarea consumatorului se poate face din rețeaua furnizorului în derivație:

direct

sistem intrare-ieșire

radial

Figura 1.1 Schema de legare directa a consumatorilor

Figura 1.2 Schema de legare în sistem de intrare-ieșire a consumatorilor

Figura 1.3 Schema de legare radială a consumatorilor

alimentați pe medie tensiune

Schema de distributie cu coloane magistrale

Figura 1.4 Schema de distribuire cu coloane magistrale

Din tabloul general pornesc mai multe coloane (magistrale) care asigură legătura de derivație pentru două sau mai multe tablouri secundare TS1,TS2, TS3 etc. Această distribuție oferă o mai bună funcționare, elimină treapta intermediară a tablourilor principale, este ușor de executat, de întreținut și de depistat defectele.

Schema de distributie in cascada

Este asemănătoare cu schema radială, cu observația că dintr-un tablou secundar TS pleacă atât circuite de alimentare pentru receptoare, cât și o coloană pentru alt tablou secundar TS3 etc. Este utilizată în construcții mai vechi, oferind cea mai mică siguranță de funcționare.

Figura 1.5 Schema de distributie in cascadă

Elementele componente ale schemelor electrice de distributie a energiei electrice la consumatori

branșamentul electric

cofretul

contorul electric

tabloul electric

coloana electrica

circuitul electric

Figura 1.6 Schemă pentru distribuția energiei electrice

Contorizarea energiei electrice

Contoarele electronice (fig. 1.8) afisează energia măsurată pe un ecan cu cristale lichide sau cu leduri. Pe lângă faptul că măsoară energia utilizată contoarele electronice pot de asemenea să înregistreze acești parametri. Contoarele electronice pot afișa în timp real tensiunea la borne, factorul de putere și puterea reactivă utilizată. Ele pot contoriza energia electrică utilizată în timpul orelor de vârf și în afara orelor de vârf. În felul acesta scade costul facturii lunare deoare energia consumată în timpul orelor de vârf este mai scumpă decât cea consumată în afara orelor de vârf.

Figura 1.7 Contor electronic

Ca și în diagrama bloc, contorul are o sursă de alimentare, un dispozitiv de măsurare, un dispozitiv de procesare și comunicare (un microcontroler) și alte module cum ar fi ceas de timp real, ecran cu cristale lichide , porturi și module de comunicare etc.

Dispozitivul de măsurare are o tensiune de referință și îi sunt date tensiunea și curentul de intrare. Dispozitivul de eșantionare este urmat de un convertor analog-digital pentru a ceda echivalentele digitale ale tuturor intrărilor.

Aceste intrări sunt apoi procesate folosind un procesor de semnale digitale pentru a calcula diferiți parametri de măsură precum tensiune, energie, putere etc. Cea mai mare sursă de erori pe termen lung apare datorită preamplificării urmată de precizia tensiunii de referință. Ambele variază în fucție de temperatură deoarece în majoritatea cazurilor ele sunt montate în exterior. Compensarea acestora este o parte importantă în dezvoltarea configurației contorului.

Blocul de procesare și de comunicare are ca responsabilitate calcularea diferitelor cantități derivate din valorile digitale generate de dispozitul de măsurare. Acesta are de asemenea responsabilitatea de a efectua comunicarea folosind diferite protocoale și interfete cu alte module conectate ca module secundare.

Ceasul de timp real și alte module sunt atașate ca module secundare la blocul de procesare și comunicare pentru a efectua diverse funcții de intrare/ieșire. La un contor modern, cele mai multe, dacă nu toate acestea vor fi puse în aplicare in interiorul microprocesorului, cum ar fi ceasul in timp real (RTC), controler LCD, senzorul de temperatură, memoria și convertorul analog digital.

Figura 1.8 Diagrama bloc a contorului electronic

Unde pot fi folosite contoarele electronice și funcții ale contoarelor electronice:

– Contoare cu tarif multiplu

– Contoare rezidențiale

– Contoare industriale

– Contoare care transmit în timp real la un ecran din locuință consumul de energie

– Contoare cu plată în avans

– Contoare cu interval de măsurare

– Contoare pentru export de energie

– Contoare inteligente

Contoare cu tarif multiplu

Pentru a reflecta mai bine costurile de generare și transmisie a energiei electrice comercianții de energie electrică pot percepe de la clienți tarife diferite în diferite momente ale zilei. Din moment ce nu este rentabil să inmagazinezi cantități mari de energie în timpul unei perioade în care cererea de energie este mică pentru a o folosi în perioade cu cerere mare, costurile pot varia semnificativ în fucție de perioada zilei.

Punerea în fucțiune a unei centrale nucleare poate dura mai multe ore, ceea ce inseamnă un surplus de energie in perioadele cu cerere mica , în timp ce turbinele pe gaz trebuie sa fie disponibile intr-un moment cu cerere ridicată, probabil fiind folosite doar cateva minute pe zi, ceea ce este foarte scump.

Unele contoare cu tarifare multiplă folosesc diferite tarife pentru cantități diferite de cerere. Acestea sunt de obicei contoare industriale.

Contoare rezidențiale

Contoarele rezidențiale de obicei permit două planuri tarifare si anume ( de vârf, in afara orelor de vârf) și în astfel de instalații poate fi utilizat un simplu comutator de timp electromecanic. In trecut acestea au fost utilizate in combinație cu încalzitoare electrice sau sisteme de incălzire a apei.

Tarifarea multiplă este făcută mai ușor cu ajutorul contoarelor cu timp de utilizare care conțin sau sunt conectate la un comutator de timp și care au mai multe registre. Comutarea intre tarife se poate face, de preferat, cu ajutorul unui comutator radio deoarece releele de timp pot fi manipulate fraudulos pentru a obtine energie electrică ieftină.

Contoare industriale

Spațiile comerciale și industriale mari pot utiliza contoare electronice care înregistrează consumul de energie în blocuri de o jumătate de oră sau mai puțin. Acest lucru se datorează faptului că cele mai multe rețele de electricitate au valuri de cerere pe tot parcursul zilei iar companiile de electricitate oferă stimulente de pret pentru clienții mari pentru a reduce cererea în momentele de vârf.

Contoare care transmit în timp real la un ecran din locuință consumul de energie

Un mijloc puternic de a reduce consumul de energie de uz casnic este de a furniza consumul în timp real utilizatorului, astfel încăt acesta să poată să reducă consumul de energie dacă acesta este mult prea mare.

Contoare cu plata în avans

Modelul standard de vânzare a energiei electrice implică facturare pentru cantitatea de energie utilizată în luna sau trimestrul precedent. În unele țări, in cazul în care furnizorul de enegie consideră că clientul nu poate plăti factura, îi instalează acestuia un contor cu plata în avans. Acesta îi solicită clientului să facă plata in avans pentru a putea utiliza energia electică. În cazul în care creditul disponibil este epuizat, atunci furizarea de energie electrică este intreruptă de un releu.

În unele țări, contoarele mecanice cu plată în avans sunt folosite în locuițe care sunt inchiriate. Dezavantajul acestora este că necesită vizite regulate pentru a se ridica banii și mai există și riscul ca banii din contoare să fie furați.

Contoarele electronice moderne în colaborare cu cardurile inteligente, au eliminat aceste dezavantaje , iar astfel de contoare sunt utilizate pentru clienții răi platnici. În unele țări, un sistem de plata este “Punct de plată”, unde jetoane reâncarcabile pot fi incărcate cu orice sumă dorește clientul. În alte țări contoarele preplătite sunt reâncarcate folosind un cod unic de 12 cifre introdus de la tastatură. Acest lucru înlocuiește jetoanele de plastic cu o bucățică de hârtie, care este produsă foarte ieftin.

Se fac experiment în întreaga lume, mai ales în tările în curs de dezvoltare, pentru a testa sistemele de plată în avans, dar în unele cazuri aceste sisteme nu au fost acceptate de catre clienți.

Există diverse grupuri, cum ar fi asociația Specificație Standard de Transfer (STS), care promoveaza standarde comune pentru sistemele de contorizare cu plata în avans. Contoarele cu plată în avans care utilizează standardul STS sunt folosite in multe țări.

Contoare cu intervale de măsurare

Acest tip de contorizare presupune împărtirea zilei, lunii, anului în sloturi tarifare cu rate mai mari în perioadele de vârf si cu rate mai mici in perioadele in afara orelor de varf. In timp ce acest lucru poate și utilizat pentru a controla automat consumul clientului (rezultând un control automat al consumului), tot clientul trebuie să fie responsabil și să-și stăpânească consumul de energie, sau va plăti corespunzător.

Contoarele cu intervale de măsurare (TOD) împart în mod egal ratele, în mai multe segmnete, cum ar fi: în orele de vârf, în afara orelor de vârf, mijloc de vârf și vârf critic. Un aranjament tipic este un vârf care apare în timpul zilei (doar în zilele de lucratoare) cum ar fi 13:00 – 21:00 de luni până vineri în timpul verii, 6:30 -12:00 și 17:00-21:00 în timpul iernii.

Aranjamentele mai complexe includ utilizarea de vârfuri critice care apar în timpul perioadelor de cerere mare.

Contoare pentru export de energie

Mulți clienți de energie electrică își instalează propriul echipament de generare a energiei electrice, fie din motive de economie sau de mediu. Atunci când un client generează mai multă energie decât consumă, surplusul poate fi exportat în rețeaua electrică. Clienții care injectează energie în rețeaua electrică, trebuie să aibe echipamente de siguranță speciale pentru ași proteja propriul generator electric de defecțiuni provocate de rețeua electrică cum ar fi scrut circuite sau lucrări de întreținere ale rețelei electrice.

Această energie exportată poate fi măsurată de contoare pentru export de energie reducând astfel consumul de energie al clientului și totodată și factura lunară.

Contoare inteligente

Contoarele inteligente merg un pas mai departe decat contoarele simple cu citire automată (AMR). Acestea oferă funcții suplimentare cum ar fi afișarea în timp real sau aproape în timp real a consumului de energie, notifică o pană de curent, analizează calitatea energiei electrice, comunică la distanță informații furnizorilor de energie electrică. Furnizorii de energie electrică pot stabili prețuri diferite pentru consum bazate pe oră, zi sau sezon. Aceste diferențe de preț pot fi utilizate pentru a reduce vârfurile de cereri, reducând nevoia de centrale electrice adiționale și în special reducând nevoia de a utiliza centralele pe gaze naturale care sunt foarte costisitoare.

Alte tipuri de contoare inteligente folosesc un sistem de monitorizare pentru a determina în mod automat numărul și tipul de aparate dintr-o reședință, cât și când consumă cea mai multă energie aparatele casnice. Acest tip de contor este folosit de companiile de electricitate pentru a face studii de utilizare a energiei electrice. Cu ajutorul acestui contoar se elemină necesitatea de a pune contoare pe toate aparatele din casa pentru a determina cât de multa energie consumă fiecare.

Sistemele de contorizare inteligentă fac parte din infrastructura Retea Inteligenta (vezi fig. 3.3 ) și au rol în colectarea datelor și efectuează comunicațiile. Rețeua Inteligentă reprezintă, în esență, modernizarea aspectelor de trasport și distribuție în rețeaua electrică. Reteaua inteligentă este un sistem de emergie electrică automat care monitorizează și controlează activitățile din rețea, asigurând un flux biderictional eficient și fiabil de informații între centralele electrice si consumatori. O rețea inteligentă monitorizează distribuția de energie și urmarește consumul de energie cu ajutorul contoarelor inteligente care transmit informații despre energia utilizată prin reteaua de comunicare. Contoarele inteligente, de asemenea, permit clienților să urmărească propriul consum de energie pe internet sau cu un program pe calculator.

Figura 1.9 Infrastructură Rețea inteligentă

Cum să reducem consumul de energie electrică.

Aplicații actuale în sistemele de distribuție a energiei electrice, pentru reducerea consumului de energie electrică în orele de vârf

Reducerea consumului de energie electrică în orele de vârf folosind sisteme de stocare a energiei electrice.

De obicei doar consumatorii comerciali și industriali plătesc taxă pentru consumul în orele de vârf. Acești consumatori au de obicei alimentare trifazică, care este o cerință importantă pentru sistemul de stocare pe baterii eliminând constul și eficiența pierdută de un transformator extern. Sistemul trebuie să fie certificat de Nationally Recognized Testing Laboratory (NRTL) conform standardului UL1741.

Sistemul de stocare cu baterii necesită un sistem bidirectional eficient de conversie. Eficienșa conversiei este mai importantă în această aplicație decât în sistemele fotovoltaice cu inverter , deoarece sunt necesare două sisteme de conversie: redresare sau încărcare a bateriilor din rețea și inversarea sau descărcarea bateriilor în rețea. Eficiența invertorului este deosebit de importantă la niveluri de putere relativ mici. Inverterele fotovoltaice de obicei funcționează la 50-75% din totalul de putere suportat , pentru 5-6 ore/zi. Sistemul de stocare cu baterii funcționează la aproximativ 10% din puterea nominală în 24 de ore, dar acești 10% sunt cei mai importanti deoarece pot fi folosiți în orele de vârf având o eficiență maximă.

Ideal power converters (IPC) a patentat și are în continuare în curs de dezvoltare o tehnologie de conversie revoluționară , îmbunătățind în mod semnificativ greutatea, mărimea , costul, eficiența și fiabilitatea sistemului.

Sistemul produs inițial suporta o putere de 30KW trifazat care este cu 90 % mai usor decât sistemele convenționale. Greutatea redusă a sistemului de conversie reduce costul de transport și instalare cu 90% și oferă o eficientă și fiabilitate îmbunătățită.

Inversorul IPC PV este construit pe platforma Universal Power Converter care permite ca acelas hardware să fie utilizat în diferite aplicații modificând doar software-ul sistemului. Sistemul IPC (IBC-30kW-480) asigură atât încărcarea bateriilor (AC-DC) cât și înversarea curentului din baterii (DC-AC) folosind acelaș hardware.

Sistemul IPC de conversie oferă beneficii mai mari decât sistemele inverter fotovoltaice conventionale, din puctul de vedere al greutății costului si eficienței. Aceste sistem are o eficiență de 95 % la o încărcare cu sarcina de 10 %, reprezentând o îmbunătățire cu 7 % peste sistemele de conversie convenționale. De când sistemele de stocare cu baterii necesită două conversii, una pentru încărcare și una pentru inversare sistemul IBC-30kW-480 a redus consumul pe baterii cu 7 procente și comsumul pe rețea cu 14 procente.

Un sistem de stocare folosind IPC este prezentat in figura 2.1

Figura 2.1 Eficienta incarcarii si inversarii folosind IBC-30kW-480

IBC-30kW-480 poate folosi două unități de baterii în configurație bipolară, maximizând în acest mod puterea nominală și eficiența sistemului. Bateriile pot fi de mai multe feluri, incluzând unitățile de baterii de masină Li-Ion. Un controler de baterii extern este necesar să transmită comenzile TCP/IP bazate pe IEC 61850-7-420 la RS-485 Modbus pentru convertor și la procesorul central pentru sistemul de management al bateriilor. Un algoritm de nivel înalt de gestionare a energiei va controla convertorul când să încarce sau când să descarce energia din unitățile de baterii.

Figura 2.2 Sistem de gestiune al energiei IBC-30kW-480

Reducerea consumului de energie electrică pentru consumatorii casnici folosind planuri tarifare diferite în România.

Deși există mai mulți furnizori de energie electrică pe teritoriul României, planurile tarifare implementate de aceștia sunt aceleași, fiind reglementate de ANRE. Aceștia ofera consumatorilor casnici șapte planuri tarifare, fiecare dintre ele avantajând un anumit sector de clienți.

Tariful CR tip monom cu rezervare se caracterizează printr-un preț universal pentru intreaga cantitate de energie electrică pe care o consumă o gospodarie, indiferent de oră. Acest tip de tarifare implică, pe lângă prețul pe kWh, și un pret pentru rezervarea energiei electrice pe zi, perceput indiferent dacă se consumă sau nu energie electrică intr-o zi de facturare. Este cel mai raspandit plan de tarifare pentru energia electrică.

Tariful CI tip monom cu consum inclus este format din abonament, calculat in funcție de numărul de zile din perioada de facturare și care asigură o cantitate de 1kWh pe zi și din pretul energiei electrice consumate care depășește această cantitate. Energia care nu a fost consumată nu se reporteaza de la o lună la alta.

Tariful CS social a fost implementat pentru clienții care au un consum de până la 90 kWh pe lună și au un venit pe membru de familie mai mic decat salariul minim pe economie. Pentru a fracționa consumul și prețul acestui plan tarifar, distribuitorii de energie electrică au implementat trei tranșe lunare care nu se reportează: una pentru consum de pană la 2kWh pe zi, alta pentru un consum intre 2 și 3 kWh pe zi și incă una pentru consumul ce depașește 3 kWh pe zi.

Tariful CD tip monom fără rezervare implică facturarea intregii cantități de energie consumate de catre o gospodarie la un pret unic pe kWh și care nu implică rezervare. Astfel, cheltuielile fixe sunt incluse in prețul facturii indiferent de cantitatea de energie consumată.

Tariful CR2 tip monom cu rezervare diferențiat pe 2 intervale orare este avantajos pentru clienții care pot evita să consume energie electrică în timpul orelor de vârf, consumând mai multă enegie în weekend și în timpul nopții. Acesta este compus din:

Cheltuieli fixe reprezentate de prețul rezervării zilnice;

Prețul energiei consumate de luni până vineri între orele 07:00 și 22:00;

Prețul energiei consumate în timpul nopții și in weekend.

Tariful CR3 tip monom cu rezervare diferențiat pe 3 intervale orare avantajează consumatorii care economisesc energie în timpul orelor de vârf și consumă mai mult in timpul nopții sau în weekend. Acesta este compus din:

Cheltuielile fixe reprezentate de prețul rezervării zilnice;

Prețul energiei electrice consumate în timpul orelor de vârf (în timpul verii între orele 8:00 și 9:00, iar în timpul iernii în intervalele orare 08:00-10:00 și 19:00-22:00);

Prețul energiei electrice consumate în timpul orelor libere (în timpul verii în intervalele orare 00:00-08:00 și 21:00-00:00, de vineri de la ora 21:00 pana luni la ora 08:00, iar în timpul iernii în intervalele orare 00:00-08:00 și 21:00-00:00, de vineri de la ora 22:00 până luni la ora 08:00);

Prețul energiei electrice consumate în timpul orelor normale de consum (vara între orele 09:00 și 21:00, și iarna între 10:00 și 19:00).

Tariful CTP tip monom avantajează consumatorii care beneficiază de energie electrică de joasă tensiune și este fractionat în funcție de puterea contractată de consumator (până în 3 kW, între 3 și 6 kW, și peste 6 kW). Daca un client care beneficiază de acest plan tarifar depășește puterea contractatp, acesta este deconectat automat. Un client se poate reconecta singur la alimentarea cu energie electricp numai dupa descărcarea sarcinii suplimentare din instalație. Acest plan tarifar include prețul energiei consumate și prețul rezervării.

Aplicație propusă pentru reducerea consumului de energie în orele de vârf în sistemele de distribuție a energiei electrice.

Majoritatea sistemelor de reducere a consumului de energie electrică in orele de vârf se bazează pe predicție. Sistemul realizat de mine este un sistem în timp real, în care furnizorul de energie electrică poate să controleze consumul de energie electrică din rețea, transferând consumatorul mic și mijlociu pe sistemul de back-up local, în timp real. Având acest avantaj de a avea în timp real puterea totală ce poate fi transferta în modul back-up local, furnizorul de energie electrică poate reduce vârfurile de consum apărute în rețea în timpul orelor de vârf transferând pe rând câte un procent din totalul de energie disponibilă, reducând considerabil consumul total din rețea în orele de vârf.

În continuare voi prezenta o schemă de ansamblu a sistemului propus.

Figura 3.1 Schema bloc a sistemului

Sistemul de back-up local propus este format din:

server central la sediul furnizorului

sistem de comanda și comunicare cu serverul central ;

sursa neintreruptibila de curent (UPS);

instalație electrică preconfigurată.

Principiul de funcționarea:

Sistemul de comanda are încorporat un senzor de curet montat pe linia de alimentare a unitatii UPS. Cu ajutorul senzorului se măsoară energia consumata prin sistemul de back-up. Măsurăm această energie pentru a trimite datele serverului central, această energie fiind energia pe care furnizorul de energia se poate baza în timpul orelor de vârf. Adunând toate aceste date de la toate sistemele de comandă serverul central poate comuta în modul backup local atunci când este nevoie și anume în timpul orelor de vârf , dând comandă fiecarui sistem de comandă în parte. În fuctie de cât de multă energie se dorește să fie transferată pe sistemele de back-up local serverul central poate comuta numai un anumit procent din totalul de energie.

Tot cu ajutorul sistemului de comandă măsurăm tersinea la bornele acumulatorului ce alimentează unitatea UPS, iar când tensiunea la borne scade sub 11.2 volți se comandă automat releul ce cupleză rețeaua la intrarea UPS-ului. Este setată această tensiune de 11.2 volți deoarece în mod automat la tensiunea de 10.8 volți la bonele acumulatorului UPS-ul întrerupe tensiunea la ieșirea spre consumatori și se oprește pentru a nu deteriora acumulatorul. Dacă tensiunea pe acumulator scade foarte mult acesta riscă să nu mai poată fi încărcat, de aceea ne asigurăm aceste metode de protecție.

Dupa ce comută pe modul rețea unitatea UPS, sistemul de comandă anunță serverul central că această unitate este indisponibilă pana ce tensiunea pe baterie va depăsi 13.6 V, adică acumulatorul este încărcat.

Având aceste informații furnizorul de energie poate reduce semnificativ vârfurile de consum în timpul orelor de vârf, evitând apariția fluctuațiilor în rețeaua electrică.

Această metodă de echilibrare a consumului de energie împreună cu metoda planului tarifar pe perioade de timp , ajută la scădearea costului facturii de energie electrică, deoarece sistemele de back-up ar încărca bateria atunci când prețul pe KVh este mai mic.

Sistemul de comandă și comunicare este format din :

platforma de procesare open-source Arduino Ethernet Leonardo;

Senzor de curent.

Releu de putere

Fire de conexiuni

Comutator manual cu 3 cai : sistem automat, punct de 0, conectare directă la rețea

Sursă neântreruptibilă UPS:

Este configurată pentru fiecare utilizator în parte deoarece unitățile ups sunt de puteri diferite. Autonomia unității ups nu depinde de puterea acestuia, depinde de configurația unităților de baterii ce sunt conectate la UPS. Se pot conecta mai multe unități în paralel, în acest mod se extinde timpul de back-up al unității. Sursa neântreruptibilă va fi calculată să asigure o autonomie de minimum 30 de minute.

Măsurarea curentul electric ce trece prin UPS

Pentru a putea măsura curentul electric printr-un conductor avem nevoie de platforma de procesare open-source Arduino Ethernet Leonardo și de un senzor de curent non invaziv de 30 Amperi.

În figura urmatoare putem observa schema electrică de conectare a senzorului non invaziv de 30 Amperi la placuța Arduino Leonardo.

Pentru a efectua această schemă am avut nevoie de urmatoare componente electronice:

1 x Platforma Arduino leonard

1 x Breadboard

1 x Transformator de curent non invaziv 30 A

1 x Rezistență 120 ohm

2 x Rezistență 10 Kohm

1 x Condensator electrolitic 10 uF 35v

Fire de legatură

Figura 3.2 Circuit pentru măsurarea curentului electric alternativ

Figura 3.3 Circuitul electric pentru măsurarea

curentului electric realizat fizic

Pentru a putea măsura curentul electric ce trece prin conductor trebuie să calibrăm circuitul electric în fucție de modelul de transformator de curent ales. Pentru modelul ales de către mine trebuie să alegem o rezistență de sarcină pentru a putea converti curentul de la iesirea transformatorul in tensiune. Această rezistentă de sarcină trebuie calculată pentru fiecare model de transformator de current în parte.

Transformatorul de current ales poate măsura curenți între 0 si 30 A deci alegem curentul maxim ca fiind 30 A.

Calculăm curentul de vârf din înfăsurarea primara:

Curentul de vârf = 30 x 1.41 = 42.3 A

Calculăm curentul de vârf din înfăsurarea secundară:
Curentul de vârf din secundar = curentul de vârf / nr de spire = 42.3 / 2000 = 0.0211 A

Calculăm rezistența de sarcină ideala:
Rezistența de sarcină ideală = (Tensiunea de referință / 2 ) / curentul de vârf din secundar = 2.5 / 0.0211 = 118 Ohm , cum 118 ohm nu este o valoare comună am ales 120 ohm.

Pentru a putea măsura curentul cu ajutorul placutei Arduino avem nevoie de următorul cod.

#include <SPI.h>

#include <Ethernet2.h>

#include "EmonLib.h" // Include Emon Library pentru masurarea curentului

EnergyMonitor emon1; // Creaza o instanta pentru masurarea curentului

void setup() {

// Deschide comunicarea seriala si asteapta sa se deschida portul

Serial.begin(9600);

while (!Serial)

{

; // asteapta ca portul serial sa se conecteze. Folosit doar la Leonardo

}

emon1.current(1, 17.4); // pin intrare, pin calibrare pentru masurarea curentului ce trece prin ups

}

void loop() {

double Irms = emon1.calcIrms(1480); // Calculeaza curentul ce trece prin UPS

emon1.serialprint(); // afisaza in fereastra de comunicare serial valoarea curentului

}

Masurarea tensiunii de la bornele acumulatorului

Tensiunea de la bornele acumulatorului este si ea o variabila inportanta in acest proiect deoarece in functie de aceasta, starea sistemului este activa sau nu.

Pentru a masura tensiunea de la bornele acumulatorului folosim urmatoare schema electrica:

Figura 3.4 Circuitul electric pentru măsurarea tensiunii electrice

După cum putem observa în figura de mai sus avem o sursă de tensiune și anume acumulatorul de 12 V, avem un divizor de tensiune format din rezistente R0 și R1 și avem o dioda zener de 4.8 V pentru a proteja intrarea analogică a placuței arduino care nu acceptă mai mult de 5 V.

Pentru a putea efectua măsurătorile avem nevoie de următorul cod:

#include <SPI.h>

#include <Ethernet2.h>

#define NUM_SAMPLES 10

int sum = 0; // suma masuratorilor facute

unsigned char sample_count = 0; // numarul curent al esantionului

float Tensiune = 0.0; // tensiunea calculata

void setup() {

// Deschide comunicarea seriala si asteapta sa se deschida portul

Serial.begin(9600);

while (!Serial)

{

; // asteapta ca portul serial sa se conecteze. Folosit doar la Leonardo

}

}

void loop() {

// facem o medie a 10 masuratori pentru tensiune

while (sample_count < NUM_SAMPLES) {

sum += analogRead(A0);

sample_count++;

delay(10);

}

//calcul tensiune

Tensiune = (((float)sum / (float)NUM_SAMPLES * 4.7) / 1024.0)*11.16;

Serial.print(Tensiune); // afisaza tensiunea in fereastra serial

}

Arduino webserver și comanda releului

Pentru a putea comunica la distanța cu sistemul arduino trebuie să realizăm cu acesta un server web. Cu ajutorul acestui server putem vizualiza în timp real curentul ce trece prin unitatea ups, tensiunea de la bornele acumulatorului și starea unitatii ups. Tot cu ajutorul severului web putem da comandă sistemului arduino să activeze sau să dezactiveze sistemul de backup.

In continuare voi prezenta codul sursă pentru realizarea serverului web

#include <SPI.h>

#include <Ethernet2.h>

#include "EmonLib.h" // Include Emon Library pentru masurarea curentului

#define NUM_SAMPLES 10 // definim numarul de masuratori

EnergyMonitor emon1; // Creaza o instanta pentru masurarea curentului

/// Setari Eth///

byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED }; // adresa MAC

byte ip[] = { 192, 168, 1, 177 }; // adresa ip a Leonardo ETH

byte subnet[] = {255,255,255,0}; // adresa subnet mask

byte gateway[] = { 192, 168, 1, 1 }; // adresa ip a routerului

EthernetServer server(80); //portul serverului

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

String readString;

int sum = 0; // suma masuratorilor facute

unsigned char sample_count = 0; // numarul curent al esantionului

float Tensiune = 0.0; // tensiunea calculata

float Irms ;

char Tensiune1[20];

char Irms1[20];

int releu = 4; // definim iesire releu portul 4

void setup() {

// Deschide comunicarea seriala si asteapta sa se deschida portul

Serial.begin(115200);

while (!Serial)

{

; // asteapta ca portul serial sa se conecteze. Folosit doar la Leonardo

}

///porneste conexiunea eth, serverul web ///

Ethernet.begin(mac, ip, gateway, subnet);

server.begin();

Serial.print("server is at ");

Serial.println(Ethernet.localIP());

}

else

Serial.println("Connection failed.");

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

emon1.current(1, 17.4); // (pin intrare, calibrare pentru masurarea curentului ce trece prin ups

//initializam releul ca fiind cuplat

pinMode(releu, OUTPUT);

digitalWrite(releu, HIGH);

} //end setup

void loop() {

double Irms = emon1.calcIrms(1480); // Calculeaza curentul ce trece prin UPS

while (sample_count < NUM_SAMPLES) {

sum += analogRead(A0);

sample_count++;

delay(10);

}

///calcul tensiune///

Tensiune = (((float)sum / (float)NUM_SAMPLES * 4.6) / 1024.0)*11.05;

// 4.6 tensiunea de referinta, 11.05 calibrarea in

// functie de marimea rezistentelor din divizorul de tensiune

//daca tensiunea de pe acumulator este sub 11.2 V releul cupleaza automat reteaua electrica

if (digitalRead (releu) == LOW && Tensiune<11.2)

{

digitalWrite(releu, HIGH);

}

// Creaza o conexiune client pentru webserver

EthernetClient client = server.available();

if (client) {

while (client.connected()) {

if (client.available()) {

char c = client.read();

//citeste caracter cu caracter cererea HTTP

if (readString.length() < 100) {

//stocheaza caracterele intr-un sir

readString += c;

//Serial.print(c);

}

if (c == '\n') {

//Serial.println(readString); //afiseaza in serial monitor pentru depanare

client.println("HTTP/1.1 200 OK"); //trimite o pagina noua

client.println("Content-Type: text/html");

client.println();

client.println("<HTML>");

client.println("<HEAD>");

client.println("<TITLE>Comanda releu UPS</TITLE>");

client.println("</HEAD>");

client.println("<BODY>");

client.println("<H1>Comanda releu UPS</H1>");

client.println("<hr />");

client.println("<br />");

client.println("<H2>Arduino Leonardo ETH2 </H2>");

client.println("<br />");

client.println("<br />");

client.println("<a href=\"/?button1on\"\">Dezactivare Backup</a><br />");

client.println("<br />");

client.println("<br />");

client.println("<a href=\"/?button1off\"\">Activeaza Backup</a><br />");

client.println("<br />");

client.println("<br />");

client.println("<a href=\"/?192.168.1.177\"\">Refresh</a><br />");

client.println("<br />");

client.println("<br />");

client.println("<hr />");

client.println("Curent Consumat");

client.println(Irms);

client.println("Amperi");

client.println("<br />");

client.println("<hr />");

client.println("Tensiune baterie");

client.println(Tensiune);

client.println("Volti");

client.println("<hr />");

if (Tensiune <13.6){

client.println("<br />");

client.println("Unitate ups indisponibila, acumulatorul nu este incarcat");

} else {

client.println("<br />");

client.println("Unitate ups disponibila ");

}

client.println("</BODY>");

client.println("</HTML>");

delay(1);

//opreste client

client.stop();

//controleaza arduino daca apasam pe butoane

if (digitalRead (releu) == HIGH && readString.indexOf("?button1off") >0 )

{

digitalWrite(releu, LOW);

}

if ( readString.indexOf("?button1on") >0 )

{

digitalWrite(releu, HIGH);

}

//reseteaza readString pentru urmatoare citire

readString="";

}

}

}

}

sample_count = 0; // reseteaza numarul de masurator pentru tensiune

sum = 0; // reseteaza suma masuratorilo

}

Figura 3.5 Server web Arduino

Figura 3.5 Fereastra monitorizare serial atunci când

arduino crează serverul web

Transmiterea datelor de la arduino la baza de date mysql.

Pentru o gestionare mai bună a datelor am ales să transmit datele la o bază de date mysql. Folosind toate aceste date despre curentul consumat de fiecare utilizator se pot face grafice de consum pentru fiecare utilizator în parte sau pentru zone de utilizatori. Am ales să transmit datele la o bază de date mysql deoarece bazele de date asigură o mare protecție pentru integritatea datelor și partajarea acestora.

În cotinuare voi prezenta întreg codul aplicației ce ruleaza pe platforma Arduino Leonardo. Pe scurt această aplicație realizează următoarele activități:

măsoară curentul ce trece prin Ups

măsoară tensiunea la bornele acumulatorului Ups-ului

crează un server web prin care utilizatorul comandă releul și vizualizează curentul consumat și tensiunea de la bornele acumulatorului

se conectează la o bază de date mysql și inserează datele intr-un tabel din aceasta.

#include <SPI.h>

#include <Ethernet2.h>

#include "EmonLib.h" // Include Emon Library pentru masurarea curentului

#include <MySQL_Connection.h>

#include <MySQL_Cursor.h>

#define NUM_SAMPLES 10 // definim numarul de masuratori

EnergyMonitor emon1; // Creaza o instanta pentru masurarea curentului

/// Setari Eth///

byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED }; // adresa MAC

byte ip[] = { 192, 168, 1, 177 }; // adresa ip a Leonardo ETH

byte subnet[] = {255,255,255,0}; // adresa subnet mask

byte gateway[] = { 192, 168, 1, 1 }; // adresa ip a routerului

EthernetServer server(80); //portul serverului

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/// Setari Mysql///

IPAddress server_addr(192,168,1,142); // IP of the MySQL *server* here

char user[] = "mihai"; // MySQL username

char password[] = "mihai1234"; // MySQL parola

char INSERT_DATA[] = "INSERT INTO arduino.date (curent, tensiune) VALUES (%s, %s)";

char query[128];

EthernetClient client;

MySQL_Connection conn((Client *)&client);

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

String readString;

int sum = 0; // suma masuratorilor facute

unsigned char sample_count = 0; // numarul curent al esantionului

float Tensiune = 0.0; // tensiunea calculata

float Irms ;

char Tensiune1[20];

char Irms1[20];

int releu = 4; // definim iesire releu portul 4

void setup() {

// Deschide comunicarea seriala si asteapta sa se deschida portul

Serial.begin(115200);

while (!Serial)

{

; // asteapta ca portul serial sa se conecteze. Folosit doar la Leonardo

}

///porneste conexiunea eth, serverul web si conexiunea la mysql///

Ethernet.begin(mac, ip, gateway, subnet);

server.begin();

Serial.print("server is at ");

Serial.println(Ethernet.localIP());

if (conn.connect(server_addr, 3306, user, password)) {

delay(3000);

}

else

Serial.println("Connection failed.");

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

emon1.current(1, 17.4); // (pin intrare, calibrare pentru masurarea curentului ce trece prin ups

//initializam releul ca fiind cuplat

pinMode(releu, OUTPUT);

digitalWrite(releu, HIGH);

} //end setup

void loop() {

double Irms = emon1.calcIrms(1480); // Calculeaza curentul ce trece prin UPS

while (sample_count < NUM_SAMPLES) {

sum += analogRead(A0);

sample_count++;

delay(10);

}

///calcul tensiune///

Tensiune = (((float)sum / (float)NUM_SAMPLES * 4.6) / 1024.0)*11.05;

// 4.6 tensiunea de referinta, 11.05 calibrarea in

// functie de marimea rezistentelor din divizorul de tensiune

//daca tensiunea de pe acumulator este sub 11.2 V releul cupleaza automat reteaua electrica

if (digitalRead (releu) == LOW && Tensiune<11.2)

{

digitalWrite(releu, HIGH);

}

// Creaza o conexiune client pentru webserver

EthernetClient client = server.available();

if (client) {

while (client.connected()) {

if (client.available()) {

char c = client.read();

//citeste caracter cu caracter cererea HTTP

if (readString.length() < 100) {

//stocheaza caracterele intr-un sir

readString += c;

//Serial.print(c);

}

if (c == '\n') {

//Serial.println(readString); //afiseaza in serial monitor pentru depanare

client.println("HTTP/1.1 200 OK"); //trimite o pagina noua

client.println("Content-Type: text/html");

client.println();

client.println("<HTML>");

client.println("<HEAD>");

client.println("<TITLE>Comanda releu UPS</TITLE>");

client.println("</HEAD>");

client.println("<BODY>");

client.println("<H1>Comanda releu UPS</H1>");

client.println("<hr />");

client.println("<br />");

client.println("<H2>Arduino Leonardo ETH2 </H2>");

client.println("<br />");

client.println("<br />");

client.println("<a href=\"/?button1on\"\">Dezactivare Backup</a><br />");

client.println("<br />");

client.println("<br />");

client.println("<a href=\"/?button1off\"\">Activeaza Backup</a><br />");

client.println("<br />");

client.println("<br />");

client.println("<a href=\"/?192.168.1.177\"\">Refresh</a><br />");

client.println("<br />");

client.println("<br />");

client.println("<hr />");

client.println("Curent Consumat");

client.println(Irms);

client.println("Amperi");

client.println("<br />");

client.println("<hr />");

client.println("Tensiune baterie");

client.println(Tensiune);

client.println("Volti");

client.println("<hr />");

if (Tensiune <13.6){

client.println("<br />");

client.println("Unitate ups indisponibila, acumulatorul nu este incarcat");

} else {

client.println("<br />");

client.println("Unitate ups disponibila ");

}

client.println("</BODY>");

client.println("</HTML>");

delay(1);

//opreste client

client.stop();

//controleaza arduino daca apasam pe butoane

if (digitalRead (releu) == HIGH && readString.indexOf("?button1off") >0 )

{

digitalWrite(releu, LOW);

}

if ( readString.indexOf("?button1on") >0 )

{

digitalWrite(releu, HIGH);

}

//reseteaza readString pentru urmatoare citire

readString="";

}

}

}

}

sample_count = 0; // reseteaza numarul de masurator pentru tensiune

sum = 0; // reseteaza suma masuratorilor

/// insereaza in mysql valorile pentru curent consumat si tensiune////

MySQL_Cursor *cur_mem = new MySQL_Cursor(&conn);

dtostrf(Irms, 5, 2,Irms1);

dtostrf(Tensiune, 5, 2, Tensiune1);

sprintf(query, INSERT_DATA, Irms1, Tensiune1);

// executa cererea

cur_mem->execute(query);

delete cur_mem;

Serial.println("Data recorded.");

delay(1000);

} // sfarsit loop

Figura 3.6 Fereastra monitorizare serial, arduino este conectat la mysql

Figura 3.7 Inregistrări în baza de date arduino

Figura 3.8 Sistemul de comanda si control, complet

Concluzii

Sistemul de backup propus este un sistem relativ ieftin, aproximativ 1500 lei, dar cu un impact foarte mare atunci cand sunt conectate mai multe sisteme la un loc. Privind acest sistem la o scare mare se pot salva sute de megawatti în timpul orelor de vârf, rezultând foarte mulți bani economisiți și o planeta mai puțin poluată.

Sistemul are un consum de energie foarte redus, de ordinul miliamperilor, plăcuța arduino putând fi alimentată si de la o baterie de 9 volți.

Atunci când acest sistem este folosit impreună cu sistemul de plan tarifar diferit se pot alege pentru incărcarea acumulatorului intervalele de timp cănd energia electrică este mai ieftină, reducânduse în mo automat și factura lunară.

Bibliografie

Lupu, I., (2004), Rețele electrice, Editura CYD SERV, Piatra Neamț

Mira, N., Neguș, C., (1994), Instalații și echipamente electrice, Editura Didactică și Pedagogică, București

Schneider Electric – Manualul instalațiilor electrice, 2007.

Eugenia Isac , Măsuri electrice și electronice, București 1991

Smart Meters and Smart Meter Systems: A Metering Industry Perspective An EEI-AEIC-UTC White Paper

http://www.greencharge.net/

Home 2

http://www.robofun.ro/

http://www.powertosavetexas.org/Home/GridConditions

https://www.smartgrid.gov/

https://www.arduino.cc/en/Tutorial

http://www.hobbytronics.co.uk/arduino

http://www.ttonline.ro/sectiuni/eficienta-energetica/articole/911-optimizarea-consumului-de-energie-si-reducerea-costurilor-managementul-energi

https://openenergymonitor.org/emon/