Echipament inteligent de monitorizare si optimizare a consumului de energie electrica la consumatori rezidențiali dotat cu semnătura energetica (Acronim: OPTSEMN) Contract de finanțare nr. 13 PTE 2016 Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PTE-2016-0107 Organizațiile partenere în proiect: Denumirea organizației participante în proiect Tip organizaţie Rolul organizației în proiect (Coordonator/partener) SC AUDIT IT&C S.R.L. S.R.L. CO UNIVERSITATEA Universitate P1 TEHNICĂ "GHEORGHE ASACHI" IAŞI RED POINT SOFTWARE SOLUTIONS SRL S.R.L. P2 Proiectul conține dezvoltarea și experimentarea de la nivel TRL4 la TRL6 a unui prototip de echipament inteligent destinat consumatorilor rezidențiali de energie electrică, pentru monitorizarea și optimizarea consumurilor acestora cu ajutorul funcției de semnătură energetică. Echipamentul inteligent se integrează direct în rețelele specifice unui oraș inteligent, asigurând dialogul automat cu distribuitorul de energie electrică și monitorizarea fiecărui consumator individual dintr-o clădire inteligentă pe baza tehnologiei proprii de folosire a semnăturii energetice. Prototipurile realizate pe baza semnăturii energetice sunt construite pentru consumatori alimentați din rețele monofazate și trifazate. S-au studiat, dezvoltat și implementat soluții hardware bazate pe contoare inteligente și soluții software pentru semnătura energetică în regim permanent, inclusiv pe baza conținutului de armonici din curba curentului absorbit de fiecare consumator individual. Au fost realizate prototipurile la scară reală și s-au efectuat testări în condiții similare cu cele din exploatare, rezultatele indicând o rafinare a controlului asupra eficienței energetice, prin implementarea soluțiilor locale de comandă și control. Obiectivele prevăzute/ realizate ale proiectului: 1. Dezvoltarea unui prototip de produs nou pentru minimizarea consumurilor energetice din zona consumatorilor rezidențiali cuprinși în structuri de tip oraș inteligent; 2. Dezvoltarea parteneriatului între întreprinderi și universitate pentru introducerea în ciclul productiv a rezultatelor relevante ale cercetării; 3. Creșterea capacității de inovare a întreprinderii și de creare a unui nou produs cu potențial de exploatare într-un domeniu important al societății, cel al clădirilor rezidențiale; 4. Protejarea dreptului de proprietate intelectuală și diseminarea rezultatelor. 1
Gradul de atingere a rezultatelor estimate Capacitatea de identificare a oportunităților de reducere a consumului este îmbunătățită considerabil atunci când echipamentul de monitorizare energetică a unei clădiri inteligente oferă și informații despre starea de funcționare a fiecărui consumator individual în parte. Cunoscând în timp real sunt principalii consumatori din cadrul rețelei electrice se poate stabili o soluție de creștere a eficienței consumului de electricitate. Caracteristicile consumului: intensitatea curentului, puteri active și reactive, factor de putere, armonici etc. alcătuiesc semnătura energetică a fiecărui consumator individual iar prototipul realizat asigură în mod optim această cunoaștere de parametrii printr-o metodă neinvazivă bazată pe folosirea unui singur contor inteligent. S-a realizat obiectivul privitor la dezvoltarea unui prototip de produs nou pentru minimizarea consumurilor energetice din zona consumatorilor rezidențiali cuprinși în structuri de tip clădire inteligentă. Ansamblului hardware/software are o primă componentă ce asigură obținerea amprentei energetice a fiecărui consumator din rețeaua respectivă (Uk, Ik, P, Q, S, factor de putere, armonici), valorile numerice fiind înmagazinate în baza de date. Aceste amprente energetice individuale se folosesc în cadrul comparațiilor, pentru detecția automată a consumatorilor individuali. Prototipul la scară reală are o structură hardware/software ce include un singur contor inteligent, un sistem de calcul industrial și o structură de comunicații ce trimite datele obținute către server, unde se realizează comparația cu amprentele consumatorilor individuali. Se asigură următoarele funcții de bază ale echipamentului: - Funcția de măsurare a mărimilor electrice; - Funcția de procesare a datelor: evaluarea consumului global de energie electrică; defalcarea consumului global pe categorii de consumatori. - Funcția de stocare a datelor: stocarea datelor referitoare la consumurile globale / individuale; stocarea bazei de date cu amprentele consumatorilor înregistrați; stocarea datelor de identificare / acces. - Funcția de comunicare a datelor între modulele / subcomponentele sistemului. - Funcția de afișare a informațiilor. 2
Schema hardware prototip Soluția software cuprinde baza de date în care se înscriu rezultatele măsurătorilor și a calculelor pentru parametrii de consum ai consumatorilor individuali din rețea (semnătura energetică a fiecăruia) și consumul total în timp real precum și algoritmul de detecție a semnăturii energetice. Ea este îmbarcată pe serverul ce asigură funcționarea prototipului. Structura generală a bazei de date pentru analiza semnăturii energetice S-a implementat o rutină de calcul originală pentru obținerea semnăturii energetice a unui consumator și detecția prezenței sale în cadrul consumului general din rețea: a) Se măsoară parametrii de consum energetic ai fiecărui consumator din rețeaua respectivă, se achiziționează datele obținute de la contorul inteligent și calculatorul industrial și se înscriu în baza de date la locația ce ține cont de regimul de lucru: - consumator rezistiv (P>0, Q=0, lipsă armonici); - consumator reactiv (Q 0), prezență armonici Acești parametrii sunt cei specifici semnăturii energetice a consumatorului respectiv, folosiți la identificarea prezenței acestuia în consumul total din rețeaua electrică. b) Se achiziționează mărimile electrice specifice consumului total din rețeaua respectivă la un anumit moment de timp și se înscriu în baza de date. 3
c) Se pornește rutina de calcul care asigură comparația parametrilor consumului total cu cel specific semnăturii energetice a fiecărui consumator individual: c1) Dacă consumul total este de tip rezistiv și curentul absorbit este sinusoidal, se compară puterile active și intensitățile curenților din semnătura energetică a consumatorilor individuali cu cei ai consumului total și se afișează care este consumatorul conectat în rețea. c2) Dacă puterea reactivă totală Q 0, se face comparația puterilor reactive din semnătura energetică a fiecărui consumator cu puterea reactivă totală. c3) Dacă sunt prezente armonici superioare în curba curentului total, se identifică rangul armonicii și ponderea sa raportată la fundamentală și se face comparația cu aceiași parametrii din semnăturile energetice individuale. Dacă ordinul Amax corespunde cu ordinul armonicii maxime a unui consumator, se afișează prezența consumatorului respectiv. 4
Aceste soluții hardware și software implementate în prototipul realizat la scară reală au corespuns experimentărilor realizate în condiții reale de funcționare în rețele electrice ale clădirilor rezidențiale. Complexitatea soluțiilor tehnice și modul de rezolvare indică un parteneriat activ între întreprinderi și Universitatea Tehnică Gh. Asachi Iași, fapt ce a permis ca rezultate relevante ale cercetărilor din domeniul eficienței energetice, optimizării consumurilor și semnăturii energetice să fie implementate în noul prototip de echipament inteligent de monitorizare si optimizare a consumului de energie electrica la consumatori rezidențiali dotat cu semnătura energetica. Se asigură astfel introducerea în ciclul productiv a rezultatelor relevante ale cercetării. Noul prototip completează portofoliul de producție al SC AUDIT IT&C în domeniul monitorizării și optimizării consumurilor energetice cu un produs cu un impact deosebit pe piața soluțiilor pentru clădiri inteligente. Este primul echipament în țară ce se realizează pe baza semnăturii energetice a consumatorilor individuali pentru optimizarea consumurilor individuale, fiind realizat cu o structură bazată doar pe un contor inteligent dar având ca fundament o metodă originală de depistare a consumurilor individuale din consumul total. Colectivul firmei s-a dezvoltat prin activități de cercetare alături de cercetători din universitate, a obținut soluții noi legate de producția prototipului și a testării reale a acestuia. Depunerea unei cereri de brevet indică capacitatea de inovare a colectivului. Lucrările publicate aduc elemente noi legate de tematica abordată, fiind realizate atât de colective din universități cât și de specialiști din întreprindere. Prezentarea si argumentarea nivelului de maturitate tehnologica (TRL) la finalul proiectului Dezvoltarea de la nivel TRL4 la TRL6 reprezintă puntea dintre cercetarea științifică și aplicația practică. TRL 4 este primul pas în care principalele componente individuale ale echipamentului de realizat sunt integrate pentru a stabili funcționalitatea ansamblului. 5
Prin analiza critică a soluțiilor tehnice specifice existente la nivelul partenerilor s-a avut în vedere parcurgerea unei etape absolut necesare pentru trecerea de la nivelul TRL4 la nivelul TRL6 și anume analiza modalităților de implementare industrială și prototipare a unei soluții de semnătură energetică realizată cu componente de uz general (placă de achiziție de date National Instruments, rutine software dezvoltate în mediul LabVIEW, sistem de calcul tip PC, surse de alimentare de uz general etc.) și testată doar în condiții de laborator. Soluția de semnătură energetică elaborată de partenerul Universitatea Tehnică Gh. Asachi Iași a fost elaborată inițial în cadrul proiectului Contor inteligent bazat pe evaluarea semnăturii energetice SigMET, 30_PCCA_2012, cu o structură de model experimental de laborator. Soluția la nivel TRL 4 pentru semnătura energetică Echipamentul care stă la baza dezvoltării prototipului este varianta 1 a sistemului ENOPT din producția coordonatorului S.C. AUDIT IT&C S.R.L. Arhitectura sa permite monitorizarea continuă a valorii puterilor active și reactive în scopul identificării apariției evenimentelor specifice conectării sau deconectării unui consumator. 6
Date procesate, catre utilizator Unitate dispecer Varianta 1 Varianta 2 Varianta 3 Modem Wi-Fi CPU ETH Sistem Calcul Industrial Comenzi Unitate digitale stocare COM Bloc Relee Cmd C1 Cmd C2 Cmd BC Cmd FA Cmd BC Baterie condensatoare cu trepte reglaj Panouri fotovoltaice Regulatoare incarcare acumulatoare Generator eolian COM COM Cmd FA Filtru armonici Baterie acumulatoare Contor Inteligent U I Contor Inteligent U I Bloc conectare surse Invertor TC TC Retea trifazata utilizator Cmd C1 C1 Consumator Cmd C2 C2 Consumator Legenda TC transformator de curent C1, C2 contactoare COM port de comunicatie seriala Soluția la nivel TRL4 pentru sistem hardware În dezvoltarea cercetărilor, pornind de la aceste componente specifice TRL4, în cadrul TRL 5, s-au asamblat componentele hardware și software proiectate conform cerințelor de obținere a semnăturii energetice pentru optimizarea consumurilor la clădirile inteligente, obținând o configurație similară aplicației finale în aproape toate aspectele. Sistemul testat a fost foarte apropiat de prototip și testele de laborator au urmărit crearea unor condiții specifice funcționării în condiții normale de operare, fapt ce a permis definitivarea soluțiilor. În etapa finală a proiectului s-au realizat prototipuri ( pentru rețele monofazate și trifazate) la scară reală ale echipamentului inteligent de monitorizare și optimizare a consumului de energie electrică la consumatori rezidențiali dotat cu semnătura energetică capabile să îndeplinească toate funcțiile cerute acestui sistem operațional. Aceste prototipuri au fost validate prin experimentări realizate în condiții reale de funcționare în rețele electrice reale din clădiri rezidențiale cu mulți consumatori individuali. Rezultatele obținute indică maturitatea tehnologiilor folosite în condiții reale de utilizare și asigură relevanța față de cerințele nivelului TRL 6. Conectarea prototipului pentru experimentare în condiții reale TRL 6 7
Realizările economice și/sau tehnologice obținute la finalul proiectului comparativ cu obiectivele propuse în planul de afaceri; S-au îndeplinit toate obiectivele științifice și tehnice asumate prin cererea de finanțare, rezultatele testărilor în mediul real al prototipului la scară reală fiind edificatoare. Cele două prototipuri realizate se adresează rețelelor electrice monofazate și trifazate. Rezultatele economice arată înscrierea în parametrii financiari din Contractul de finanțare. Impactul rezultatelor obținute Cercetările au condus la proiectarea unor noi structuri hardware/software dedicate cunoașterii și optimizării consumurilor de energie electrică, cu impact în zona clădirilor inteligente. Metoda bazată pe folosirea semnăturii electronice a consumatorilor individuali este originală, fiind implementată în premieră într-un echipament produs în țară. Simplitatea soluțiilor adoptate conduce la prețuri de cost ce vor deveni competitive pe piața instalațiilor electrice dedicate clădirilor inteligente și a altor obiective din orașul inteligent. Originalitatea soluțiilor este indicată de cererea de brevet și de apariția lucrărilor publicate în reviste de prestigiu. Modul de atribuire și exploatare de către parteneri a drepturilor de proprietate (intelectuală, de producție, difuzare, comercializare etc.) asupra rezultatelor proiectului: Partenerii au respectat modul de atribuire și exploatare a drepturilor de proprietate indicat în Acordul ferm de colaborare și în Contractul de finanțare. Coordonatorul a depus o cerere de brevet referitoare la soluția tehnică dezvoltată, înștiințând partenerii: Echipament inteligent de identificare a consumatorilor individuali conectați într-o rețea electrică pe baza semnăturii energetice. Lucrările publicate ca urmare a cercetărilor din cadrul proiectului menționează numele finanțatorului Romanian National Authority for Scientific Research and Innovation, CNCS/CCCDI UEFISCDI, conform cerințelor contractuale: - Harmonic Analysis for Linear Circuits Based on Voltage Relative Values and Standard Limits, autori: Bogdan Enache, Paul Cristian Andrei, Costin Cepisca, Horia Andrei, ECAI 2018 - International Conference 10th Edition Electronics, Computers and Artificial Intelligence 28 June -30 June, 2018, Iasi, ROMÂNIA - Iulian Ghinda, Codrin Donciu, "OFDM Benchmark for demodulation impairments evaluation" 10th International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering (EPE 2018), Iasi Prototipurile realizate și soluția tehnică dezvoltată aparține Coordonatorului. 8