Smart Energy Monitoring System: 3 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

De vraag naar energie neemt met de dag toe. Momenteel wordt het elektriciteitsverbruik van gebruikers in een gebied gemonitord en berekend door frequente veldbezoeken door technici van de elektriciteitsafdeling voor de berekening van het energietarief. Dit is een tijdrovende klus omdat er duizenden huizen in een gebied komen en meerdere appartementen in dezelfde flats. Als het om een stad of dorp gaat, is dit een zeer hectisch proces. Er is geen voorziening om het individuele energieverbruik van huizen in een bepaalde periode te controleren of te analyseren, noch om een rapport te maken van de energiestroom in een bepaald gebied. Dit is gewoon het geval op veel plaatsen in de wereld.

Er zijn geen bestaande oplossingen geïmplementeerd om het bovenstaande probleem aan te pakken. Daarom ontwikkelen we een slim energiemonitoringsysteem dat de inspectie, monitoring, analyse en berekening van energietarieven zal vergemakkelijken. Het STEMS-systeem maakt het bovendien mogelijk om gebruikersspecifieke of gebiedsspecifieke grafieken en rapporten te genereren om het energieverbruik en de energiestroom te analyseren.

Stap 1: Werkstroom

De STEMS-module bestaat voornamelijk uit de Seeedstudio Wio LTE-module die een unieke gebruikerscode krijgt om de specifieke wooneenheid te identificeren waar het energieverbruik moet worden gemeten. Het stroomverbruik wordt gecontroleerd door de Wio LTE-module met behulp van een stroomsensor die is aangesloten met behulp van de analoge grove-verbinding.

De energieverbruiksgegevens, de unieke gebruikerscode en de locatie (Wio ingebouwde GPS/GNSS) van de module worden in realtime geüpload naar de STEMS-cloud (gehost bij AWS) met behulp van de Wio LTE-connectiviteit en Soracom Global SIM. De gegevens uit de cloud kunnen worden geraadpleegd en geanalyseerd om het individuele energieverbruik te berekenen, individuele en collectieve energiegrafieken te genereren, energierapporten te genereren en voor gedetailleerde energie-inspectie. Relais zijn ook gekoppeld om de aangesloten apparaten uit te schakelen als het energieverbruik de drempelwaarden overschrijdt. Een LCD-displaymodule kan worden geïntegreerd in de lokale STEMS-module om realtime energiemeetwaarden weer te geven. Het systeem werkt onafhankelijk als een draagbare stroombron zoals een droge celbatterij of Li-Po-batterij is aangesloten. Setup De hardware setup is hieronder weergegeven:

STEMS Hardware-instellingen

Binnen in het gebouw bleek het GPS-signaal zwakker te zijn. Maar zodra de modules naar buiten zijn verschoven, krijgen we een goede ontvangst. De van de module ontvangen GPS-coördinaten zijn vergeleken met de daadwerkelijke GPS-coördinaten in Google Maps. Er werd een behoorlijke mate van nauwkeurigheid verkregen.

Stroom van het lichtnet wordt afgenomen en door de stroomsensor geleid die in het huishoudelijke circuit is geïntegreerd. De wisselstroom die door de belasting gaat, wordt gedetecteerd door de grove stroomsensormodule en de uitgangsgegevens van de sensor worden naar de analoge pin van de WIO LTE-module gevoerd. Zodra de analoge ingang door de WIO-module is ontvangen, bevindt de meting van vermogen/energie zich in het programma. Het berekende vermogen en energie wordt vervolgens weergegeven op de LCD-displaymodule.

Bij AC-circuitanalyse variëren zowel spanning als stroom sinusvormig met de tijd.

Werkelijk vermogen (P): Dit is het vermogen dat door het apparaat wordt gebruikt om nuttig werk te produceren. Het wordt uitgedrukt in kW.

Werkelijk vermogen = spanning (V) x stroom (I) x cosΦ

Reactief vermogen (Q): Dit wordt vaak denkbeeldig vermogen genoemd, wat een maat is voor het vermogen dat oscilleert tussen bron en belasting, dat geen nuttig werk doet. Het wordt uitgedrukt in kVAr

Reactief vermogen = spanning (V) x stroom (I) x sinΦ

Schijnbaar vermogen (S): Het wordt gedefinieerd als het product van de RMS-spanning (Root-Mean-Square) en de RMS-stroom. Dit kan ook worden gedefinieerd als de resultante van reëel en reactief vermogen. Het wordt uitgedrukt in kVA

Schijnbaar vermogen = spanning (V) x stroom (I)

De relatie tussen reële, reactieve en schijnbare kracht:

Werkelijk vermogen = schijnbaar vermogen x cosΦ

Reactief vermogen = schijnbaar vermogen x sinΦ

We houden ons alleen bezig met de echte kracht voor de analyse.

Power Factor (pf): De verhouding van het werkelijke vermogen tot het schijnbare vermogen in een circuit wordt de arbeidsfactor genoemd.

Vermogensfactor = echt vermogen/schijnbaar vermogen

We kunnen dus alle vormen van vermogen en arbeidsfactor meten door de spanning en stroom in het circuit te meten. In de volgende sectie worden de stappen besproken die zijn genomen om de metingen te verkrijgen die nodig zijn om het energieverbruik te berekenen.

De uitvoer van de stroomsensor is een wisselspanningsgolf. De volgende berekening wordt gedaan:

• Meten van de piek-tot-piekspanning (Vpp)
• Deel de piek-tot-piekspanning (Vpp) door twee om piekspanning (Vp) te krijgen
• Vermenigvuldig Vp met 0,707 om de rms-spanning (Vrms) te krijgen
• Vermenigvuldig de gevoeligheid van de huidige sensor om de rms-stroom te krijgen.
• Vp = Vpp/2
• Vrms = Vp x 0,707
• Irms = Vrms x Gevoeligheid
• De gevoeligheid voor stroommodule is 200 mV/A.
• Werkelijk vermogen (W) = Vrms x Irms x pf
• Vrms = 230V (bekend)
• pf = 0,85 (bekend)
• Irms = Verkregen met de bovenstaande berekening

Voor het berekenen van de energiekosten wordt het vermogen in watt omgezet in energie: Wh = W * (tijd / 3600000.0)Wattuur een maat voor elektrische energie die overeenkomt met een stroomverbruik van één watt gedurende één uur. Voor kWh: kWh = Wh / 1000De totale energiekosten zijn: Kosten = Kosten per kWh * kWh. De informatie wordt vervolgens weergegeven op het LCD-scherm en tegelijkertijd naar de SD-kaart geschreven.

Stap 2: Testen

Omdat de tests dichtbij het balkon werden uitgevoerd, werd een behoorlijke hoeveelheid GNSS-ontvangst verkregen.

Stap 3: Toekomstplannen

Er zal een app worden gemaakt om toegang te krijgen tot de STEMS-cloudgegevens om het energieverbruik van de gebruiker in realtime te volgen en om energieanalyserapporten te bekijken of te genereren. Een upgrade naar de STEMS-module kan eenvoudig worden gedaan dankzij de Arduino IDE-compatibiliteit. Na succesvolle afronding kan deze module in de markt worden geproduceerd en door energiedienstverleners over de hele wereld worden gebruikt.