Науково-технічна робота за державним замовленням (договір № ДЗ/92-2019 від 08 листопада 2019 р.). Науковий керівник: Ірина ШВЕДЧИКОВА – проф., д.т.н., професор кафедри комп'ютерної інженерії та електромеханіки

1. Науково-технічна робота за державним замовленням
(договір № ДЗ/92-2019 від 08 листопада 2019 р.)
РОЗРОБЛЕННЯ ПРОГРАМНО-
ТЕХНІЧНОГО КОМПЛЕКСУ
УПРАВЛІННЯ ЕЛЕКТРОСПОЖИВАННЯМ
У СИСТЕМАХ ЕНЕРГОМЕНЕДЖМЕНТУ
ЛОКАЛЬНИХ ОБ'ЄКТІВ
Науковий керівник: Ірина ШВЕДЧИКОВА – проф., д.т.н.,
професор кафедри комп'ютерної інженерії та електромеханіки
Київський національний університет
технологій та дизайну
Розширене засідання секції “Енергетика та енергоефективність”
Науково-технічної ради МОН
25 березня 2021 р.

2. 2
Загальний обсяг фінансування НТР: 780 тис. грн.
Строк виконання НТР: листопад 2019 р. – грудень 2020 р.
Мета науково-технічної роботи (НТР): Створення програмно-
технічного комплексу ( ПТК) управління електроспоживанням
локального об’єкту на основі регулювання електроспоживання
від розподільчої мережі та джерел розподіленої генерації згідно
з тарифікацією протягом доби; математична обробка результатів
експериментів.
Об’єкт розроблення: система енергоменеджменту локального
об’єкту з комбінованою системою електроживлення, яка містить
фотоелектричну систему (ФЕС), накопичувальні акумуляторні
батареї (АКБ) та потужності споживачів електричної енергії з
підключенням до централізованої розподільчої мережі (РМ) з
багатозонною тарифікацією (диференційованими за періодами
часу доби тарифами).
Енергетика та енергоефективність

3. Енергетика та енергоефективність 3
Етапи та заплановані результати виконання НТР
Етап № 1. Розроблення
функціональної моделі
комбінованої системи електро-
споживання локального об’єкту.
Розроблення та макетування
окремих вузлів прототипу ПТК
(листопад – грудень 2019 р.)
Структурно-функціональні схеми управління і
контролю ПТК. Схеми електричні принципові
підсистем управління і контролю ПТК.
Опис підсистем ПТК - їх призначення та
основних характеристик, кількості рівнів ієрархії
та ступеню централізації системи; вимоги до
способів та засобів зв’язку для інформаційного
обміну між компонентами системи. Опис
режимів роботи обладнання, типових сценаріїв
управління електроспоживанням; вимог до
апаратної частини, до складу, структури та
способам організації даних в ПТК.
Акт про складання вузлів прототипу ПТК
(джерел розподіленої генерації; навантаження;
блоку управління).
Науково-технічний звіт за етап.

4. 4
Етап № 2. Розроблення
програмного забезпечення ПТК.
Складання дослідного зразка ПТК
та встановлення його на
визначеному локальному об’єкті
(січень – липень 2020 р.)
Результати імітаційного моделювання системи
енергоменеджменту. Опис параметрів навантаження,
розподільчої мережі, перетворювального агрегату,
сонячної батареї та акумуляторного накопичувача,
структури вхідних та вихідних даних.
Комплект документації на апаратну частину ПТК
(специфікації, які містять основні технічні
характеристики елементів ПТК, електричні схеми
підключення блоків і вузлів ПТК).
Пакет програмного забезпечення, який містить
програму для інсталяції; керівництво користувача та
інструкцію адміністратора з налаштування системи.
Акт про складання дослідного зразка ПТК та
встановлення його на визначеному локальному
об’єкті. Науково-технічний звіт за етап.
Етап № 3. Розроблення програми
та методики випробувань ПТК.
Проведення випробувань
дослідного зразка ПТК за
розробленою програмою та
методикою
(серпень – грудень 2020 р.)
Методика та програма випробувань ПТК.
Акт про проведення випробувань дослідного зразка
ПТК. Коригування комплекту документації за
результатами випробувань дослідного зразка ПТК.
Остаточний науково-технічний звіт.
Енергетика та енергоефективність

5. Кількість виконавців НТР: усього – 13,
з них: професорів - 4, доцентів - 5, аспірантів - 2, студентів - 2
5
Енергетика та енергоефективність

6. 6
Функціональна модель комбінованої системи електроспоживання
локального об’єкту з підключенням ПТК
Рис. 1
Основні модулі ПТК:
СМ – центральний
модуль;
ММ – модуль
вимірювання та
комутації;
ІМ –інтерфейсний
модуль;
wfM – модуль обробки
даних метеосайту з
підключенням до
мережі Інтернет.
Енергетика та енергоефективність

7. Схема підключення ПТК
7
Енергетика та енергоефективність

8. Основні характеристики ПТК
1. Керування генерацією і перерозподілом енергії в системі у відповідності до тарифних зон, наприклад:
ранковий піковий тариф з t1=7.00 до t2=11.00; денний з t2=11.00 до t5=20.00; вечірній піковий тариф з t5=20.00 до
t6=22.00; нічний з t6=22.00 до t1=7.00. В пікові години забезпечується живлення навантаження за рахунок
сонячної батареї та акумулятора. В денний час – максимальне використання енергії акумулятора і сонячної
батареї, створення умов для забезпечення заряду акумуляторної батареї для використання в вечірні пікові часи. З
урахуванням зниження сонячної активності у вечірній час перемиканням на байпас у певний момент часу із
заряджанням акумулятора від розподільчої мережі.
2. Можливість роботи системи енергоменеджменту локального об’єкту в режимах: нормальний автономний з
живленням навантаження локального об’єкту від сонячної батареї та акумулятора; з підключенням
навантаження до розподільчої мережі (байпас) з зарядом акумулятора; аварійний автономний в разі
відключення напруги розподільчої мережі.
3. Розрахунок рекомендованого графіку навантаження локального об’єкту. Вихідні дані для розрахунку –
метеопрогноз з контролем ступеню заряду акумулятора.
4. Періодичне (з інтервалом у півгодини) оновлення рекомендацій щодо навантаження з урахуванням змін
прогнозу, фактичного значення генерації сонячної батареї та ступеню заряду акумулятора.
5. Наявність трьох сценаріїв (графіків навантаження) в залежності від сезону року та погодних умов, що
визначаються згідно до співвідношення w=WPVt/WPVMAX (WPVt – енергія, що генерується сонячною батарею на
поточний день за прогнозом, WPVMAX – максимальне значення генерації сонячної батареї за статистичними
даними в ясний літній день).
6. Оцінка ефективності роботи системи енергоменеджменту згідно витратам за спожиту з розподільчої мережі
електроенергію з використанням відносного показника kE=B1/B2 (В1 – загальна вартість електроенергії, що
споживається навантаженням локального об’єкта; В2 – вартість електроенергії, що споживається локальним
об’єктом з розподільчої мережі). Значення kE, яке відповідає рекомендованому графіку навантаження,
розраховується і надається на початку роботи (на стадії планування режиму роботи локального об’єкта).
7. Запропоноване рішення програмно-технічного комплексу управління підключеної до мережі з тризонною
тарифікацією фотоелектричної системи з акумуляторною батареєю за першими оцінками дозволяє зменшити
витрати на оплату спожитої з мережі електроенергії в 1,7-5 разів залежно від сезону року.
8
Енергетика та енергоефективність

9. 9
ПТК управління електроспоживанням
Основні функції ПТК
Енергетика та енергоефективність

10. Наукова новизна отриманих результатів
• Розроблений метод розрахунку рекомендованих значень потужності навантаження за
умови максимального використання генерації сонячної батареї та енергії
акумуляторних накопичувачів на підставі добового метеопрогнозу, за якого має
забезпечуватися мінімальне споживання електроенергії з розподільчої мережі за
високих тарифів.
• Удосконалено метод оцінювання ефективності роботи системи з використанням
коефіцієнта зменшення витрат на оплату електроенергії, яка споживається з мережі,
що дозволило ввести в ПТК функцію надання інформації за попередню добу про
можливий (за умови реалізації рекомендованого графіка навантаження) та фактичний
коефіцієнти оцінювання ефективності роботи системи та стимулювати споживача до
раціонального використання електроенергії та планування режиму функціонування
системи енергоменеджменту локального об’єкта.
• Запропоновано метод підтримання заряду акумуляторної батареї в активній зоні з
регулюванням надходження енергії від сонячної батареї, що дає можливість
підтримувати ступінь заряду акумулятору в активній зоні заряду, коли він сприймає
заряд без обмежень, що за відсутності генерації «зайвої» енергії в мережу забезпечує
баланс енергії в системі у разі малого навантаження об’єкту;
• Запропоновано сценарії електроспоживання локального об'єкту, які визначаються у
відповідності до прогнозованих значень денної генерації сонячної батареї, з поточним
корегуванням рекомендацій щодо споживання у відповідності до фактичних значень
сонячної генерації та ступеню заряду акумуляторної батареї.
10
Енергетика та енергоефективність

11. 1. Експериментальна установка фотоелектричної системи з акумуляторним
накопичувачем і емулятором фотоелектричної батареї з програмним
керуванням генерацією та потужністю навантаження. При складанні
експериментальної установки використані макети джерел генерації та
навантаження, розроблені на першому етапі виконання НТР.
11
Науково-технічна продукція, створена в результаті виконання НТР
БК – блок програмного
керування;
ІН - cтандартний гібридний
інвертор (ІН) Axioma Energy
ISMPPT 3000 (3 кВА)
ПК – персональний
комп'ютер
GB - набір АКБ типу RITAR
RT12140H;
PV – емулятор
фотоелектричної батареї.
Енергетика та енергоефективність

12. 12
2. Дослідний зразок ПТК.
Центральний модуль ПТК:
а) зі знятою верхньою кришкою;
б) з сенсорним екраном
Модуль вимірювання та комутації
Підключення ПТК під час випробувань

13. 13
Склад та технічні характеристики модулів ПТК
Центральний модуль містить:
- плату розробника Robotdyn
MEGA+WiFi R3 ATmega2560+ESP8266;
- модуль годинників реального часу
(Real Time Clock) DS3231;
- радіомодуль nRF24L01+ 2.4 GHz;
- конвертер RS232-TTL;
- конвертер UART-TTL;
- інтерфейсний модуль вводу/виводу
інформації Nextion NX8048T070-011;
- імпульсне джерело живлення
AC/DC 5В 3А;
- імпульсний DC-DC понижуючий
перетворювач MP1584 DC 5V / DC
3.3V 3A.
Розміри, см (Ш/В/Д) – 25/15/20.
Маса, г – 900.
Модуль вимірювання та комутації
містить:
- модуль енергомоніторінгу PZEM-004T
ver. 3 – 2 од.;
- датчик змінного струму SCT-013-100 – 2
од.;
- датчик постійного струму LTS 25-NP – 2
од.
- модуль твердотільного реле типу SSR-
60DA – 2 од.
- автоматичний вимикач 16А – 2 од.
- автоматичний вимикач 25А – 1 од.
Розміри, см (Ш/В/Д) – 25/12/15.
Маса, г – 1500.
Енергетика та енергоефективність

14. Здійснювалась перевірка реалізації наступних функцій ПТК: перемикання між
режимами роботи системи в умовах проведення випробувань;
підключення до сайту та формування рекомендованого графіку навантаження;
виведення поточної інформації на екран сенсорного дисплею.
14
Випробування ПТК
Вікно № 1. Звіт про ефективність роботи
обладнання ЛО за попередній день
Введення
паролю
Вікно № 2. Інформація про поточні
характеристиками функціонування ЛО:
графік рекомендованого навантаження,
розрахований за даними метеопрогнозу
Енергетика та енергоефективність

15. Вікно № 3. Поточна інформація про роботу обладнання
15
Вікно № 4. Додаткові опції
Екран сенсорного дисплею в
режимі очікування
Енергетика та енергоефективність

16. Висновки за результатами випробувань
1. За результатами випробувань підтверджено працездатність ПТК,
навіть за мінімальної генерації фотоелектричної батареї у разі
тризонної тарифікації забезпечується зниження витрат за спожиту
електроенергію в 1,8…1,9 рази.
2. Результати випробувань не дозволяють зробити остаточний
висновок про ефективність використання ПТК за умов весінньо-літнього
періоду та достатність трьох сценаріїв функціонування системи. Тому
необхідно продовження випробувань ПТК в різних погодних умовах та
подальшого удосконалення програмного забезпечення. За цих умов
доречним є використання експериментальної установки з
програмованим емулятором сонячної батареї та навантаженням, а
також імітатором метеосайту. Це дозволить зменшити терміни
випробувань з наданням остаточних показників щодо ефективності
ПТК.
3. На підставі цього можна зробити висновок про перспективність
використання ПТК після відповідної доробки і для інших рішень,
зокрема за умови одноставкового тарифу та комбінування декількох
поновлювальних джерел – фотоелектричної батареї та
вітрогенерувальної установки.
16
Енергетика та енергоефективність

17. Відповідність результатів НТР пріоритетним державним потребам
Проблеми: забезпечення балансу енергії як в енергосистемі в цілому, так й в локальних
мікрогрід; розбіжність піків генерації та споживання. Наслідок – зменшення «зелених»
тарифів.
Про внесення змін до деяких законів України щодо удосконалення умов підтримки
виробництва електричної енергії з альтернативних джерел енергії: Закон України від 21
липня 2020 р. № 810-ІХ.
Державні потреби розвитку малої енергетики:
Виробництво енергії з відновлюваних джерел для власних потреб
з можливістю постачання в енергомережу надлишкової енергії.
Формування сегменту проз’юмерів – одночасних виробників та
споживачів електричної енергії.
Зміна поведінкових патернів споживачів, спрямованість на
прийняття рішень щодо раціонального використання обладнання
з ВДЕ для зменшення витрат на оплату електроенергії.
Концепція Держенергоефективності щодо механізму генерації «чистої» енергії для
власних потреб - Net Energy Metering.
https://www.kmu.gov.ua/news/derzhenergoefektivnosti-predstavilo-koncepciyu-mehanizmu-
generaciyi-chistoyi-energiyi-dlya-vlasnih-potreb-net-energy-metering
17
Енергетика та енергоефективність

18. Основні публікації за період виконання НТР
(листопад 2019 р. – грудень 2020 р.):
18
Кількість друкованих робіт - усього, у тому числі: 18
статті в наукових фахових журналах 7
з них, що входять до міжнародних баз даних 5
інші публікації (тези доповідей, статті в матеріалах конференцій) 8
Подано заявок на видачу охоронних документів - усього, у тому
числі:
3
в Україні 3
за кордоном
Отримано охоронних документів - усього, у тому числі: 3
в Україні 3
за кордоном
Енергетика та енергоефективність

19. Практична реалізація та впровадження результатів НТР
1. За результатами виконання НТР планується заключення ліцензійної угоди про продаж
невиключних ліцензій на використання корисних моделей за патентами.
2. В ЦЕ КНУТД вивчаються можливості застосування сонячної енергії для енергоспоживання
будівель університету. В міру збільшення вартості енергоносіїв перспективним ввважається
використання незатінених дахів для розміщення сонячних панелей з використанням
генерованої енергії на власні потреби.
3. Украдений договір про творчу співдружність зі Східноукраїнським національним
університетом імені Володимира Даля для використання ПТК в навчальному процесі в
якості демонстраційного зразка.
4. Вивчаються можливості застосування ПТК на об'єктах трансопртної інфраструктури
(наприклад, ремонтні депо). Зокрема, ведуться перемовини із залічзничної. Перемовини зі
Словаччиною міжн проєкт
Щодо мпільної участі в міжнародних проєктах з цієї тематики.
Планується пошук реальних замовників ПТК, передусім, серед підприємств, які спеціалізуються на
продажу та встановленні фотоелектричних систем. Одним з потенційних замовників ПТК є
компанія «Аванте» – партнер та один з фундаторів Центру енергоефективності КНУТД
Подальший розвиток роботи пов'язаний з розробленням принципів
предиктивного управління навантаження згідно аналізу статистичних даних архіву
метеоданих, розвиненню алгоритмів функціонування фотоелектричних систем з
керованою в часі генерацією «надлишкової» енергії в мережу і використанням
систем з декількома відновлювальними джерелами електроенергії. Тому реальне
впровадження ПТК стане можливим після всебічних досліджень та випробувань дослідного зразка ПТК за різних
умов (літо, осінь, весна) та графіків навантажень.
19
Енергетика та енергоефективність

20. Спеціальне обладнання, придбане в рамках договору
20
Акумуляторні батареї
RITAR RT12140H (8 шт.)
Гібридні багатофункціональні інвертори
AXIOMA energy ISPWM 3000 24В (2 шт.)
Цифровий багатоканальний (4 канали)
настільний осцилограф
Енергетика та енергоефективність

21. 21
Системний блок з
підключенням монітору та
клавіатури
Ноутбук ACER ASPIRE
Енергетика та енергоефективність

22. Дякую за увагу!
Thank you for your attention!
22