Запобігаємо перевантаженню в мережі: як втілити проєкт з розумним розподілом електроенергії

Привіт! Мене звати Євгеній Черніков, зараз я займаю позицію Team Lead of Engineering у компанії GlobalLogic. Я маю понад 16 років досвіду в розробці програмного забезпечення, зокрема в роботі з Linux та Embedded.

Ця стаття присвячена поточному PoC-проєкту нашої команди — E-Kit (Energy Kit) Accelerator для розумних будинків, бізнесу та підприємств. Потенційно розробка зможе об’єднати всі джерела енергії та побутові пристрої в одну систему, яка вимірює, аналізує та контролює розподіл електроенергії. Мета програмного комплексу — оптимізація споживання та запобігання перевантаженню.

Ідея розробки з’явилась минулої зими, коли агресор спричинив енергетичну кризу в країні. Тоді в домівках українців побільшало джерел електроенергії, кожне з яких живило мережу під час блекаутів. Проте зазвичай їхня сукупна потужність не дозволяла підтримувати всі побутові пристрої, отож в оселях частішали перевантаження мережі. Проєкт E-Kit зародився, аби їм запобігти, а також подовжити термін роботи повсякденних пристроїв.

Проблематика

Як підготуватися до вимкнення світла. Відеоогляд сетапів айтівців

Уявіть електричну мережу приватного будинку або невеликого бізнесу. Серед вхідних джерел енергії можуть бути: постачальник (обласне або міське енергетичне підприємство), джерело безперервного живлення, генератор та сонячні батареї. Зазвичай будинки й бізнес живляться від мережі з найвищим рівнем потужності — від компанії-постачальника електроенергії. А в разі потреби перемикаються на додаткові джерела.

Проте в такому випадку підтримувати роботу всіх девайсів впродовж довгого часу досить важко. Оскільки найбільш потужні пристрої необхідно вимикати, відключаються бойлери, електроплити тощо. Деякі зарядні станції також обладнані запобіжниками: у разі перевантаження вони вимикаються, що призводить до повного знеструмлення будівлі.

За межами України можуть виникати проблеми, пов’язані з лімітуванням використання електроенергії. Підприємства-постачальники встановлюють певні обмеження в споживанні енергії та штрафують споживачів за перевищення цих граничних значень. Наприклад, у Великобританії деякі види бізнесу обладнані спеціальними системами моніторингу споживання електроенергії. Завдяки даним, що передаються кожні 15 хвилин, енергетичні компанії можуть в режимі реального часу контролювати витрати та стимулювати клієнтів дотримуватися лімітів.

Для вирішення кожної з цих проблем і слугує Energy Kit. Система потенційно дозволить уникнути перевантаження мережі, а також розподілить споживання енергії: низькопріоритетні пристрої відімкнуться від мережі під час недостатньої потужності альтернативних джерел енергії.

За нашим задумом, не всі низькопріоритетні пристрої будуть вимикатися миттєво. Для деяких з них, наприклад, газових котлів, постійне живлення необхідно для проведення своїх «життєвих циклів». У таких випадках вимкнення відбудеться не одразу, а з урахуванням нюансів роботи пристрою.

Бізнес та E-Kit

Відповідно до нашої концепції, переваги інтеграції E-Kit більш очевидні під час великих обсягах споживання, а саме в бізнесі та на виробництві. Наприклад, умовний готель зі 100 номерів, які обладнані кондиціонерами, прасками, пральними машинками, споживає 4 кВт/номер. Тобто букінг усіх кімнат потребуватиме від електромережі постачання 400 кВт, що може бути проблематичним.

У такому випадку E-Kit зможе лімітувати роботу деяких пристроїв, наприклад, бойлерів — 30 хвилин щогодини. Це дозволить підтримувати рівень гарячої води на достатньому рівні та не вплине на комфорт проживання мешканців. Проте обмеження E-Kit досить суттєво знизить одномоментне споживання електроенергії. Така економія буде не тільки запобігати перевантаженню мережі, а й зменшить рахунок за комунальні послуги.

Конструкція системи

У Energy Kit «під капотом» перебуває сервер, на який надходить уся інформація від постачальників електроенергії та девайсів. Цей вузол являє собою емульований електричний лічильник, що працює на Raspberry Pi. Він зберігає інформацію щодо кожного постачальника (джерела) енергії та лімітів її використання.

Також до сервера підмикаються всі електричні пристрої. Усім пристроям і джерелам енергії надається рівень пріоритетності, який може бути вручну відкоригований користувачем.

Звісно, існує кілька варіантів технічної реалізації такої системи. Наша поточна робоча модель працює на базі MQTT. Тобто на сервері запущений MQTT-брокер, до якого під’єднуються всі пристрої. Він обмінюється даними з пристроями та доєднує їх до системи. Водночас сервер комунікує на планшеті користувача, що дозволяє керувати всіма пристроями.

Пошук пристроїв відбувається через протокол mDNS та його програмних імплементацій Bonjour (для Apple-девайсів) і Avahi (Windows, Linux), дозволяючи виявляти пристрої в мережі швидко і безпроблемно. А далі справа техніки: наш сервер автоматом знаходить пристрої, які реєструються через mDNS, та отримує до них доступ.

E-Kit та інші види мереж

Система також працює з індустріальними мережами, в яких дані не передаються на точку доступу напряму. Однією з таких є Zigbee, в межах якої кожен з девайсів мережі може не тільки надавати можливість під’єднатися до себе як до access point, а й сам конектиться до інших як station. У таких мережах дані передаються ланцюгом від пристрою до пристрою, поки не досягнуть точки доступу.

E-Kit може працювати з Zigbee, Wi-Fi та дротовими девайсами в рамках однієї мережі. Водночас система не потребує додаткового налаштування.

Особливості розробки та взаємодія з іншими системами менеджменту енергії

E-Kit належить до PоC (Proof of Concept)-проєктів. Тобто це експериментальна розробка, яку команда мала перевірити на життєздатність. Для цього ми навмисно підібрали інженерів, які вже мали певну експертизу в відповідних технологіях. Для створення робочого прототипу команді знадобилося приблизно шість місяців.

Пріоритетним завданням стала реалізація взаємодії та інтеграції E-Kit з різними технологічними рішеннями. І наші фахівці з ним впоралися: потенційно система може бути розгорнута самостійно або на додаток до інших систем, — софту та «заліза» сторонніх програм з енергозабезпечення будинку. Наприклад, E-Kit можна використовувати разом із MPPT-контролерами, за допомогою яких перевага надається використанню електроенергії з відновлювальних джерел.

Як це працює? Приміром, у приватному будинку з кількома джерелами енергії найвищий пріоритет надається сонячним панелям. Якщо цієї напруги недостатньо для забезпечення потреб, система на MPPT-контролер підмикає батареї з накопиченою енергією. Нарешті, найнижчий пріоритет в програмі в компанії-постачальника. Це джерело енергії долучається до забезпечення потреб будинку, коли інших двох недостатньо.

Наведений приклад — лише один зі зразків налаштування такої системи. Альтернативний варіант роботи передбачає зарядку батарей вночі, коли це дешевше. Натомість вдень, коли споживання енергії зростає, накопичені потужності використовуються нарівні з енергією сонця.

Проте системи на MPPT-контролерах призначені для задоволення попиту в енергії з використанням максимально вигідних для користувача джерел. Окрім балансування між різними електропостачальниками, такі програмні комплекси не виконують інших задач. Саме тоді на допомогу може прийти E-Kit, який попередить блекаути та перенавантаження мережі.

Перспективи розвитку системи

E-Kit розробляється не як окремий комерційний продукт. Натомість він буде позиціонуватися на ринку як сервіс або складова частина софту. Наразі у нас є кілька ідей щодо його подальшого просування.

Наприклад, ми плануємо доєднатися до технологій, які перетворюють звичайні побутові прилади в розумні. Серед популярних шляхів такого апгрейду — встановлення спеціальних чипів з прошивкою від Microsoft. Такі чипи дають можливість дистанційно керувати пральною машинкою та кавоваркою.

Наша ідея в розробці плагін-технології, встановлення якої дозволить користуватися функціями Energy Kit. Тобто користувачу не потрібно купувати додаткове «залізо», — достатньо лише скачати та інсталювати наш софт на вже встановлений чип.

Також розглядаємо інший шлях розвитку E-Kit, а саме створення API для інтеграції системи в бізнес. Це знизить вартість впровадження програмного комплексу та зробить його більш привабливим для потенційних клієнтів.

Третій варіант розповсюдження системи — орієнтація на клієнтів зі смарт-будинками. У такому разі Energy Kit буде встановлюватися не в вигляді окремої програми, а стане частиною повноцінної системи управління розумним домом.

Як підсумок

Метою розробки E-Kit стала потреба створення рішень у сфері управління та оптимізації енергоспоживання. Використовуючи принципи інтеграції з різними девайсами, взаємодію через Zigbee, Wi-Fi і дротові підімкнення, E-Kit може забезпечити максимально ефективне використання ресурсів у різних умовах. Незалежно від того, чи є це розумний будинок, промисловий об’єкт чи інша інфраструктура, система пропонує гнучкість та адаптивність до потреб конкретного користувача.

Завдяки безлічі можливостей розвитку, таких як інтеграція з чипами в побутовій техніці, створення API для бізнес-клієнтів або додавання до комплексних систем управління, E-Kit може стати універсальним рішенням для різних сегментів ринку.

E-Kit не просто адаптується до вимог сучасного світу, а й може сформувати нові стандарти в області енергоефективності та автоматизації.