Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Vývoj SMART systému řízení energeticky soběstačného domu

SP2013/68

Mišák Stanislav prof. Ing., Ph.D.

prof. Ing. Zdeněk Hradílek, DrSc.

01. 01. 2013 - 31. 12. 2013

Energetická nezávislost, spolehlivost a bezpečnost provozu energetických systémů při současném využití obnovitelných zdrojů patří mezi klíčové oblasti výzkumu a vývoje v posledních letech. Tento směr vede k návrhu a vývoji autonomních energetických jednotek, na které jsou kladeny specifické požadavky, tzv. SMART GRID systémů, přičemž mezi specifické požadavky patří nezávislost na dodávce energie z vnějších energetických soustav, maximální míra využití energie z obnovitelných zdrojů, provoz s vyrovnanou bilancí výroby a spotřeby elektrické energie, možnost akumulace elektrické energie. V rámci celosvětového výzkumu byla vyvinuta řada konceptů energetických jednotek, nicméně v konečném důsledku byla vytvořena pouze jejich fyzikální platforma, bez naplnění specifických požadavků a tedy bez nároku na přívlastek SMART. Aby bylo možné dosáhnout všech zmíněných specifických požadavků je nezbytné využití sofistikovaného systému řízení toku energií uvnitř SMART GRID systému, který bude tok energií řídit na základě disponibilního výkonu z obnovitelných zdrojů, stavu akumulační jednotky a priorit připojení zátěže. Cílem projektu je vývoj systému řízení pro autonomní energetické celky, přičemž jako pilotní byla zvolena aplikace na výkonovou hladinu odpovídající spotřebě rodinného domu zejména z důvodu jednoznačnosti a srozumitelnosti navrhovaného řešení. Projekt navazuje na výsledky výzkumu dosažené v rámci řešení předchozích projektů, např. projektu SGS SP2012/53, v rámci kterého byla v areálu VŠB-TUO dobudována fyzikální platforma autonomní energetické jednotky. Energetická jednotka vyvinutá v areálu VŠB-TUO se sestává z větrné elektrárny a dvou fotovoltaických elektráren, které pracují do energetické soustavy nízkého napětí, přičemž přebytek elektrické energie je akumulován pomocí akumulačního zařízení.

prof. Ing. Stanislav Mišák, Ph.D.
doc. Ing. Lukáš Prokop, Ph.D.
doc. Ing. Petr Kačor, Ph.D.
Ing. Aleš Folvarčný
Ing. Regina Holčáková
Ing. Viktor Pokorný, Ph.D.
Ing. Ladislav Slíva, Ph.D.
Ing. Michal Prílepok, Ph.D.
Ing. Marián Uher, Ph.D.
Ing. Petr Berek
Ing. Jakub Vramba
Ing. Jindřich Stuchlý, Ph.D.
Ing. Pavel Dohnálek, Ph.D.
prof. Ing. Zdeněk Hradílek, DrSc.

Hlavním cílem projektu je vývoj sofistikovaného automatizovaného dispečerského systému pro řízení toku energií v energetické jednotce energeticky soběstačného rodinného domu. Splnění cíle bude realizováno ve třech základních etapách.
V první etapě řešení projektu budou klasifikovány toky elektrické energie v typizovaných domácnostech obytných jednotek, bytových a rodinných domů (dále jen objektů) s využitím databáze, která bude pro tento účel vytvořena, přičemž databáze bude kromě hodnot elektrických veličin obsahovat taktéž hodnoty vybraných meteorologických a geomorfologických veličin popisujících dispozici vybraného objektu. Na základě takto vytvořené databáze budou sestaveny fyzikální modely typických spotřebičů pro jednotlivé analyzované objekty, které budou demonstrovat chování reálných spotřebičů. První etapa řešení projektu bude završena implementací modelů zátěže do vytvořené energetické koncepce soběstačného rodinného domu, která byla vytvořena v rámci řešení předchozího projektu s označením SP2012/53.
V průběhu řešení druhé etapy budou řešitelským týmem vytvářeny scénáře chování (toky energií) vybraných objektů, přičemž jako zdroje elektrické energie budou využívány pouze obnovitelné zdroje elektrické energie s možností akumulace energie s využitím akumulačního zařízení, které jsou taktéž součástí energetické koncepce již vytvořené v rámci předchozích řešených projektů. Řešitelský tým bude následně jako supervizor optimalizovat toky energie mezi jednotlivými komponenty energetické koncepce při současném respektování specifických požadavků na SMART GRID systém, které budou přeneseny na energetickou koncepci rodinného domu. Mezi vybrané specifické požadavky patří: autonomní provoz, využití obnovitelných zdrojů elektrické energie, vyrovnaná bilance mezi výrobou a spotřebou elektrické energie při současném zachování bezpečnosti a spolehlivosti provozu energetické koncepce. Jako podpůrnou informaci pro optimalizaci toku výkonu v energetické jednotce bude supervizor využívat informace z predikčních modelů výroby elektrické energie z použitých obnovitelných zdrojů elektrické energie. Algoritmy výpočtů predikčních modelů jsou již vytvořeny v rámci předchozí spolupráce řešitelského týmu a budou optimalizovány pro konkrétní využití energetické jednotky energeticky soběstačného domu. S využitím již vybudovaného detailního monitorovacího systému bude sledován každý operátorský zásah supervizora s podrobnou specifikací ve formě zápisu všech relevantních hodnot charakteristických veličin (elektrické, meteorologické a mechanické) do databáze.
V průběhu třetí, závěrečné etapy řešení projektu, budou hledány vazby mezi jednotlivými charakteristickými veličinami databáze. Takto vytvořená databáze bude následně normalizována a bude využita pro testování vybraných metod umělé inteligence. Cílem využití metod umělé inteligence je aplikace pro řízení toku energie pro respektování specifických požadavků energetické jednotky. Samotné aplikaci metod umělé inteligence pro systém řízení toku energie bude předcházet testovací provoz. V průběhu testovacího provozu budou aplikovány metody umělé inteligence pro řízení provozu na základě vytvořené normalizované databáze, přičemž „poslední slovo“ pro řízení bude mít supervizor, který bude mít možnost realizace dílčích zásahů prostřednictvím vzdálené správy. Systém řízení s podporou metod umělé inteligence bude realizovat dílčí kroky, přičemž supervizorem bude vyhodnocována odchylka reakčního zásahu systému řízení od požadované hodnoty, následně bude systémem proveden další zásah až do okamžiku rovnosti reakční a požadované veličiny. Po výběru a ověření metod umělé inteligence bude v závěru třetí etapy odzkoušen autonomní provoz energetické jednotky řízený SMART systémem řízení.