مراقبة الأجهزة الكهربائية والتحكم بواسطة المقابس الذكية

أهمية مراقبة الأجهزة الكهربائية والتحكم بواسطة المقابس الذكية

نما الاتجاه العالمي لاستهلاك الطاقة الكهربائية بشكل كبير في السنوات الأخيرة بسبب التنمية الاقتصادية والزيادة السكانية، ومع ذلك يحاول منظمو المرافق تقليل استهلاك المستخدم النهائي بعدة طرق، مثل إدخال معدلات تعريفة عالية واستخدام وقت التعريفة وبرامج الاستجابة للطلب، وذلك بسبب القيود المفروضة على أنظمة إمدادات الطاقة الكهربائية.

كما يحاول منظمو الطاقة أيضاً تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري بسبب نضوب احتياطي النفط وتقلب أسعار النفط والتأثيرات البيئية السلبية  مثل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، لذلك يجب على المستخدمين النهائيين تقليل استهلاكهم للطاقة عن طريق تغيير أنماط استخدام الطاقة واستخدام المعدات والأجهزة الموفرة للطاقة.

كما تشجع الحكومات في جميع أنحاء العالم مستخدمي الطاقة على تقليل استخدام الطاقة من خلال زيادة وعيهم وتقديم حوافز للمستخدمين ذوي الاستهلاك المنخفض للطاقة وتعزيز حلول الطاقة الخضراء، لذلك قد تشمل الحلول الممكنة الأخرى الحد من استخدام الطاقة وفواتير الخدمات من خلال إدخال أنظمة كهروضوئية متكاملة وتنبيه المستهلكين بشأن استخدامهم للطاقة.

إضافة الى واستخدام الأجهزة الموفرة للطاقة (على سبيل المثال، مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)) واستبدال الأجهزة التقليدية بالأجهزة الذكية ( على سبيل المثال، مآخذ يمكن التحكم فيها عن بعد) واعتماد أنظمة إدارة الطاقة الذكية التي تتحكم في الأجهزة الذكية.

كما تشير التقارير الإحصائية إلى أن توفير المعلومات بانتظام حول عادات المستخدم النهائي تجاه استهلاك الطاقة يمكن أن يحل بفعالية هدر الطاقة الكهربائية، حيث أظهر أن توفير معلومات استخدام الطاقة يمكن أن يغير استخدام الجهاز ويقلل من استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى (20٪)، كما تم تطوير العديد من الأجهزة والتطبيقات لمراقبة استخدام الطاقة الكهربائية الشخصية وإدارة الطاقة للمنازل والمباني التجارية.

كذلك تساعد بعض هذه الطرق في تحديد مستويات استهلاك الطاقة فقط، بينما يقدم البعض الآخر معلومات إضافية حول مزايا توفير الطاقة، مثل الفوائد المالية لإيقاف تشغيل الأجهزة غير الضرورية أو تغيير وقت الاستخدام. تتضمن التقنيات الأخرى توفير خصائص تحميل مفصلة أو تمثيل مثل هذه الرموز العاطفية، مثل صورة دب قطبي على جبل جليدي ذائب، وذلك لتنبيه المستخدمين إلى أهمية تقليل استهلاك الطاقة الكهربائية.

أيضاً أصبح التحكم الآلي في الأجهزة الفردية ممكناً في السنوات الأخيرة بسبب التقدم التكنولوجي، بحيث بدأ هذا التقدم بإدخال مقابس طاقة ذكية يمكنها التعامل مع الأحمال الفردية في أي وقت من اليوم، كما تساعد المقابس الذكية المستخدمين على تقليل تكاليف الكهرباء من خلال مراقبة الأجهزة المنزلية والتحكم فيها دون التأثير على مستوى راحة المستخدم، كما وقد عملت هذه التجربة الشاملة في النهاية كأساس لمفاهيم المنزل الذكي الحديث.

التطورات الحديثة في المقابس الكهربائية الذكية

تم اقتراح نماذج أولية مختلفة للمآخذ الذكية في الدراسات لمراقبة الأجهزة المنزلية والتحكم فيها، بحيث يقترح(Guangming) منفذ طاقة لاسلكي يتحكم في الأجهزة المنزلية المتصلة به دون الحاجة إلى إضافة أسلاك تحكم أو كابلات طاقة أثناء تشييد المبنى، وفي النموذج الأولي تم استخدام بروتوكول (Zigbee) اللاسلكي مع نطاق تردد 2.4 جيجا هرتز كجهاز إرسال واستقبال (Zigbee).

وفي عمل مماثل تم تطوير مقبس ذكي مع متحكم (Zigbee) وواجهة مستخدم جديدة، بحيث يشتمل المقبس في الدراسة على جزء لاستشعار التيار ومجموعة من المقاومات مرتبة بحيث يقسم الجهد حتى يصل إلى الحد المناسب لشريحة قياس الطاقة، وباستخدام المقبس يمكن الحصول على إجمالي استهلاك الطاقة الفردي للجهاز المتصل من خلال واجهة الجهاز.

ومع ذلك؛ فإن الجهاز محدود بسبب معدل أخذ العينات المنخفض وتغطية الاتصالات المحدودة على مسافة بضع عشرات من الأمتار فقط. بعد ذلك، كما تم تطوير قابس طاقة، وذلك لتوفير بيانات في الوقت الفعلي عن استهلاك الطاقة باستخدام عقدة ومشغل تحكم. يشتمل القابس على متحكم (Arduino Duemilanove)، كما يمكنه قياس عينة التيار باستخدام محول التيار الكهربائي.

ومع ذلك، يتم استخدام قيمة الجهد الثابت في حساب القدرة الحقيقية، ولا يُفترض وجود اختلافات في جهد الجذر التربيعي (RMS) للإمداد الرئيسي، وبالإضافة إلى ذلك يتم استخدام وحدة (Ethernet) كوسيط اتصال مع خيارات إيقاف وشغيل للأجهزة الكهربائية، تم إجراء البحث على مقبس ذكي يمكنه مراقبة الأحمال المرفقة والتحكم فيها لاسلكياً من خلال وحدة تحكم رئيسية.

كما يتكون المقبس الذكي من المكونات التالية، وهي متحكم (ATmega328)، والذي يعمل كمدير لجميع مكونات القابس الأخرى كما أن هناك جهاز استشعار التيار، والذي يوفر المعلومات الحالية للميكرو كونترولر وجهاز الإرسال والاستقبال (Zigbee)، والذي يتصل بأجهزة إرسال واستقبال (Zigbee) أخرى متصلة بواجهة المستخدم ومرحل تشغيل يمكنه تشغيل الحمل أو إيقاف تشغيله.

وعلى غرار التصميمات في الأعمال السابقة، لا يعتبر ذلك أي من وحدة قياس لإشارة الجهد لأنه يتم تقدير استهلاك الطاقة باستخدام التيار المسحوب من المقبس، وبالتالي تثبيت مستوى الجهد إلى قيمة مرجعية، بحيث يتم تقديم تصميماً بديلاً للمكونات الذكية لمراقبة الأحمال السكنية، بحيث يعتمد هذا التصميم على متحكم (Zigbee PRO) ودوائر الاستشعار الداعمة لقياسات الجهد والتيار.

كما بعد أن تنقل وحدة (Zigbee) في هذا التصميم المعلومات إلى كمبيوتر رئيسي، كما يتم استخدام برنامج مطور مسبقاً مع جميع الصيغ اللازمة لحساب الطاقة والتخطيط للطاقة، ومع ذلك قد يعرض هذا التصميم أخطاء حسابية بسبب بيانات خاطئة أو غير مستلمة من عقدة قابس الطاقة، وعلى غرار ذلك ينشئ شبكة استشعار لاسلكية لمراقبة الأجهزة الكهربائية في الوحدات السكنية والتحكم فيها.

أيضاً يتم استخدام مستشعر تيار ومحول تنحي مع مقوم جسر كامل لتعيين حالة إشارة التيار والجهد المناسبة لمتحكم (Zigbee)، ومع ذلك على عكس الإعدادات السابقة؛ فإنه يعتمد هذا التصميم متحكماً دقيقاً (Raspberry Pi) يكون مرتبطاً بجهاز إرسال واستقبال (Zigbee) آخر لوحدة التحكم الرئيسية، ومع ذلك قد يؤدي استخدام محول تنازلي نموذجي لقياس الجهد إلى حساب عامل القدرة غير الصحيح بسبب تحولات الطور بين الفولتية الأولية والثانوية للمحول.

وفيما بعد تم تطوير مقبس ذكي نشط للتحكم في الطاقة النشطة للأحمال المتصلة بالمقبس من خلال التحكم في جهد النظام، كما يتم النظر في أربع وحدات رئيسية في التصميم، وهي وحدة الاستشعار، والتي تحتوي على مستشعر التيار ومستشعر الجهد لحساب الطاقة، وكذلك وحدة اتصال ترسل البيانات المقاسة إلى وحدة التحكم الرئيسية ووحدة تحكم ملحقة بالمقبس، والتي تتولى الحساب ووحدة التحكم الرئيسية، والتي تعمل بمثابة جهاز التحكم عن بعد.

لذلك عندما تتلقى وحدة التحكم الرئيسية أمراً تنظيمياً، بحيث يستخدم الجهاز وحدة معدل الجهد لتنظيم جهد المقبس؛ فإنه يتم استخدام المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) لقياس الجهد، كما ويؤثر هذا الإعداد على القيم النهائية التي تمثل تقليل الطاقة النشط لجهاز معين.