ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΜΕ ΣΚΟΠΟ ΤΗΝ ΕΥΡΕΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΥΜΒΑΝΤΩΝ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΗ ΠΑΡΕΜΑΒΑΡΙΚΗΣ ΕΠΙΤΗΡΗΣΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓ ΑΣΙΑ Χουρτσίδης Ι. Παρασκευάς Επιβλέπων Καθηγητής: Ανδρέου Γ. Θεσσαλονίκη 2011
Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Η έγκρισις της παρούσης διπλωματικής εργασίας υπό του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλοί αποδοχήν των γνωμών του συγγραφέως. (N. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2) Επικοινωνία: chourtsidis@ee.auth.gr 2
You can t connect the dots looking forward; you can only connect them looking backwards. So you have to trust that the dots will somehow connect in your future. You have to trust in something your gut, destiny, life, karma, whatever. This approach has never let me down, and it has made all the difference in my life. Steve Jobs 3
Ευχαριστίες Κλείνοντας ένα αρκετά σημαντικό και μεγάλο κύκλο και πριν την κρίσιμη ώρα του απολογισμού, αισθάνομαι την ανάγκη να ευχαριστήσω όλους εκείνους που μου στάθηκαν τόσο από το οικογενειακό όσο και από το φιλικό περιβάλλον, στην πορεία των έξι αυτών χρόνων. Ιδιαίτερα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Ανδρέου για την πολύτιμη και συνεχή στήριξη καθώς και τη βοήθειά του σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας αλλά και για τη μεγάλη υπομονή που έδειξε στις επιθέσεις ιδεών που κατά καιρούς του έκανα. Τέλος, ένα ξεχωριστό ευχαριστώ οφείλω στην παρέα του ΣΦΗΜΜΥ 3.0 και του 6ου ορόφου που έδωσαν μια ιδιαίτερη και ξεχωριστή νότα στο ταξίδι αυτό. 4
Πρόλογος Βασικό αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εξέταση των συστημάτων μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου (Non Intrusive Load Monitoring Systems NILM). Σκοπός ενός τέτοιου συστήματος είναι η συλλογή, η καταγραφή και η ανάλυση ενεργών ηλεκτρικών μεγεθών με γνώμονα την εξόρυξη δεδομένων, στοιχείων και συμπερασμάτων που αφορούν θέματα σχετικά με τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας, την εξοικονόμηση αυτής αλλά και την άμεση εύρεση σφαλμάτων και δυσλειτουργιών σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση. Βασικό πεδίο εφαρμογής και χρήσης τέτοιων συστημάτων είναι οι οικιακές εγκαταστάσεις χαμηλής τάσης καθώς παρουσιάζουν ιδιαίτερο ερευνητικό, πρακτικό αλλά και εμπορικό ενδιαφέρον. Παρόλα αυτά, έχουν αναφερθεί εφαρμογές τόσο σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις Μέσης Τάσης όσο και σε ειδικού τύπου πεδία, όπως για παράδειγμα σε πλωτά μέσα μεταφοράς. Βασική ενέργεια ενός συστήματος NILM είναι η ανάλυση των μεταβολών που παρουσιάζονται σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση κατά την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των επιμέρους συσκευών που είναι συνδεδεμένες σε αυτήν. Σκοπός της ανάλυσης είναι η αναγνώριση τόσο του αριθμού όσο και του τύπου των εν λειτουργία φορτίων. Η ιδιαιτερότητα ενός τέτοιου συστήματος έγκειται στο γεγονός ότι η καταγραφή και η συλλογή των δεδομένων λαμβάνει Εικόνα Π.1: Συγκριτική παρουσίαση διατάξεων λειτουργίας συστημάτων παρεμβατικής και μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου. χώρα σε κάποιο κεντρικό σημείο της ηλεκτρικής εγκατάστασης, κάνοντας χρήση μιας μοναδικής μετρητικής διάταξης, η οποία συλλέγει τα δεδομένα με σκοπό την περαιτέρω επεξεργασία τους. Ως τέτοια μπορούν να θωρηθούν το ρεύμα εισόδου της εγκατάστασης αλλά και η τάση υπό την οποία λειτουργεί το σύνολο των συσκευών. 5
Στόχος της διπλωματικής Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός αλγορίθμου, ο οποίος θα είναι σε θέση να αναγνωρίσει και να αξιολογήσει τις πιθανές αλλαγές στα ηλεκτρικά μεγέθη εισόδου μιας εγκατάστασης και να κρίνει αν οι αλλαγές αυτές οφείλονται σε είσοδο, έξοδο ή σε μεταβολή στην λειτουργία ενός φορτίου. Η λειτουργικότητα και η αξιοπιστία του αλγορίθμου αναγνώρισης συμβάντος (Event Detection) είναι καθοριστική για ένα σύστημα NILM, καθώς αποτελεί βάση και προϋπόθεση για να προχωρήσει το σύστημα στην αναγνώριση του φορτίου που είναι υπεύθυνο για την εν λόγο αλλαγή. Δομή της διπλωματικής Η συνέχεια της διπλωματικής εργασίας οργανώνεται σε πέντε βασικά κεφάλαια. Ποιο συγκεκριμένα: Κεφάλαιο 1ο Κατηγορίες και Μέθοδοι Ταξινόμησης Ηλεκτρικών Φορτίων Παρουσίαση συνοπτικού ορισμού της υπογραφή φορτίων και ανάλυση των βασικών μεθόδων κατηγοριοποίησης αυτών με σκοπό την λειτουργική ταξινόμηση τους. Κεφάλαιο 2ο Ανάλυση Μεθόδων Επιτήρησης Φορτίου Περιγραφή των μεθόδων παρεμβατικής και μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου καθώς και ανάλυση των βασικών υποσυστημάτων της τελευταίας. Κεφάλαιο 3ο Εργαστηριακές Μετρήσεις Ηλεκτρικών Συσκευών Περιγραφή και ανάλυση αποτελεσμάτων των εργαστηριακών μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας. Κεφάλαιο 4ο Αναλυτική Περιγραφή Αλγορίθμου Εύρεσης Συμβάντος Παρουσίαση και ανάλυση της λειτουργίας του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας. Κεφάλαιο 5ο Συμπεράσματα και επεκτάσεις Παρουσίαση των βασικών συμπερασμάτων που προέκυψαν κατά τη διάρκεια 6
μελέτης με το συγκεκριμένο ερευνητικό αντικείμενο. Παράρτημα Α Συνοπτική παρουσίαση του κώδικα ορισμένων συναρτήσεων που χρησιμοποιήθηκαν για τη εκτέλεση του αλγορίθμου, χρησιμοποιώντας το λογισμικό πακέτο MATLAB. 7
Περίληψη Αντικείμενο μελέτης ενός συστήματος μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου είναι η ανάλυση της συνολικής κατανάλωσης ισχύος μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης με σκοπό τον κατακερματισμό και την τμηματική αντιστοίχιση της στις ενεργές συσκευές του συστήματος. Βασικός σκοπός της διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη ενός αλγορίθμου ικανού να αναγνωρίσει συμβάντα που οφείλονται σε μεταβολές στην κατάσταση λειτουργίας ηλεκτρικών συσκευών. Για την αναγνώριση των μεταβολών εξετάστηκε η εφαρμογή μεθόδων και τεχνικών που βασίζονται σε ευριστικές τεχνικές και στατιστικές παραμέτρους. Με αυτό τον τρόπο επιχειρήθηκε να δοθεί μια λύση στο παραπάνω πρόβλημα με κριτήρια την χαμηλή πολυπλοκότητα, την ταχύτητα απόκρισής και την αποδοτικότητα στη λειτουργία του συστήματος. Η σημασία μιας αξιόπιστης μεθόδου στην αναγνώριση συμβάντος είναι πολύ μεγάλη καθώς αποτελεί το πρώτο σημαντικό βήμα με κατεύθυνση την τελική υλοποίηση από πλευράς λογισμικού ενός συστήματος μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου. Έτσι αντιλαμβανόμενο το σύστημα την ύπαρξη και τη μορφή του συμβάντος είναι σε θέση στη συνέχεια, μέσω κατάλληλης επεξεργασίας των σημάτων εισόδου, να προχωρήσει στην τελική αναγνώριση της συσκευής που προκάλεσε την εξεταζόμενη μεταβολή. Παράλληλα με την περιγραφή και την ανάλυση του αλγορίθμου πραγματοποιείται εκτενής αναφορά στην έννοια της υπογραφής των ηλεκτρικών φορτίων και στις κατηγορίες στις οποίες μπορούν να διαχωριστούν με γνώμονα την υλοποίηση ενός συστήματος NILM. Τέλος, αφιερώνεται ένα ξεχωριστό τμήμα της εργασίας στην περιγραφή των επιμέρους τμημάτων ενός ολοκληρωμένου συστήματος μη παρεμβατικής επιτήρησης αλλά και των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει συγκριτικά με τις υπάρχουσες υλοποιήσεις εποπτείας ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. 8
Abstract A nonintrusive appliance load monitor determines the energy consumption of individual appliances turning on and off in an electric load, based on detailed analysis of the current and voltage of the total load, as measured at the interface to the power source. The purpose of this thesis was the development of an algorithm sufficient to detect events because of variations on the operating state of the electrical appliances. 9
Πίνακας Περιεχομένων Ευχαριστίες... 4 Πρόλογος... 5 Στόχος της διπλωματικής... 6 Δομή της διπλωματικής... 6 Περίληψη... 8 Abstract... 9 Πίνακας Περιεχομένων... 10 Κατάλογος Εικόνων και Σχημάτων... 12 Κατάλογος Πινάκων... 15 Κεφάλαιο 1 Κατηγορίες και Μέθοδοι Ταξινόμησης Ηλεκτρικών Φορτίων... 16 1.1 Υπογραφές Ηλεκτρικών Φορτίων... 16 1.2 Μέθοδοι Κατηγοριοποίησης Φορτίων... 20 1.3 Συμπεράσματα... 23 Κεφάλαιο 2 Μέθοδοι επιτήρησης Φορτίων... 24 2.1 Επιτήρηση Φορτίου... 24 2.2 Υλικό Συστημάτων NILM... 27 2.3 Λογισμικό Συστημάτων NILM... 28 Κεφάλαιο 3 Εργαστηριακές Μετρήσεις Ηλεκτρικών Συσκευών... 31 3.1 Γενικές Έννοιες... 31 3.2 Διαθέσιμα Φορτία και Υπογραφές τους... 32 3.3 Εξέταση Συνδυασμένης Λειτουργίας Ηλεκτρικών Συσκευών... 36 Κεφάλαιο 4 Αναλυτική Περιγραφή Αλγορίθμου Εύρεσης Συμβάντος... 49 4.1 Εισαγωγικά... 49 4.2 Ανάλυση Βασικών Τμημάτων Αλγορίθμου... 50 4.3 Ανάλυση παραμέτρων και εκτίμηση ύπαρξης συμβάντος... 54 4.4 Όρια της μη παρεμβατικότητας... 60 Κεφάλαιο 5 Συμπεράσματα και επεκτάσεις... 61 5.1 Εισαγωγικά... 61 5.2 Συμπεράσματα... 61 5.3 Επεκτάσεις... 62 10
Παράρτημα Α... 64 Αναφορές... 69 11
Κατάλογος Εικόνων και Σχημάτων Εικόνα Π.1: Συγκριτική παρουσίαση διατάξεων λειτουργίας συστημάτων παρεμβατικής και μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου... 5 Εικόνα 1.1: Παρουσίαση των επιμέρους στοιχείων τα οποία συνθέτουν την υπογραφή ενός φορτίου... 16 Εικόνα 1.2: Παρουσίαση της χρονικής μεταβολής και του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος εισόδου ενός ηλεκτρικού βραστήρα.... 18 Εικόνα 1.3: Παρουσίαση της χρονικής μεταβολής και του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος εισόδου ενός ηλεκτρικού μίξερ καφέ.... 19 Εικόνα 1.4: Παρουσίαση της χρονικής μεταβολής και του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος εισόδου ενός ηλεκτρονικού φορητού υπολογιστή.... 20 Εικόνα 1.5: Σχηματική παρουσίαση του διαχωρισμού των φορτίων με βάση τον τρόπο λειτουργίας τους.... 20 Εικόνα 1.6: Σχηματική παρουσίαση του διαχωρισμού των φορτίων με κριτήριο την ηλεκτρική φύση τους.... 21 Εικόνα 1.7: Τυπική συμπεριφορά εκκίνησης ηλεκτροθερμικού φορτίου.... 22 Εικόνα 2.1: Διάταξη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου.... 24 Εικόνα 2.2: Σχηματική παρουσίαση της διάταξης μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου... 26 Εικόνα 2.3: Σχηματική παρουσίαση τμημάτων του υλικού ενός συστήματος NILM. 27 Εικόνα 2.4: Βασικές τεχνικές επεξεργασίας στις οποίες βασίζεται η ανάπτυξη εφαρμογών για συστήματα NILM.... 29 Εικόνα 3.1: Σχηματική παράσταση εργαστηριακής διάταξης μετρήσεων.... 31 Εικόνα 3.2: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας φορτιστή κινητού τηλεφώνου.... 32 Εικόνα 3.3: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρικής μηχανής καφέ.... 33 Εικόνα 3.4: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρικού σεσουάρ μαλλιών σε λειτουργία μεγάλης (FS) και μικρής ταχύτητας (HS),αντίστοιχα.... 34 Εικόνα 3.5: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρικού αερόθερμου σε λειτουργία πλήρης (FL), μερικής (HL) και μηδενικής (NL) θέρμανσης, αντίστοιχα. 35 Εικόνα 3.6: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρικού σίδερου.... 35 Εικόνα 3.7: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρονικού φορητού υπολογιστή.... 36 Εικόνα 3.8: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 1ης μεταβολής του 1ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 37 12
Εικόνα 3.9: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 2ης μεταβολής του 1ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 37 Εικόνα 3.10: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 1ης μεταβολής του 2ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 38 Εικόνα 3.11: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.10 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα.... 39 Εικόνα 3.12: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 2ης μεταβολής του 2ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 39 Εικόνα 3.13: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.12 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα.... 39 Εικόνα 3.14: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 1ης μεταβολής του 3ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 40 Εικόνα 3.15: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.14 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα.... 41 Εικόνα 3.16: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 2ης μεταβολής του 3ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 41 Εικόνα 3.17: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.16 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα.... 42 Εικόνα 3.18: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 1ης μεταβολής του 4ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 43 Εικόνα 3.19: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 2ης μεταβολής του 4ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 43 Εικόνα 3.20: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.19 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα.... 43 Εικόνα 3.21: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της μεταβολής του 5ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 44 Εικόνα 3.22: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.21 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα.... 45 Εικόνα 3.23: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της μεταβολής του 6ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 46 Εικόνα 3.24: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.23 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα.... 46 Εικόνα 3.25: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της μεταβολής του 7ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 47 Εικόνα 3.26: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.25 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα.... 47 Εικόνα 3.27: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της μεταβολής του 8ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 48 13
Εικόνα 4.1: Συνοπτικό διάγραμμα ροής αναπτυσσόμενου αλγορίθμου.... 49 Εικόνα 4.2: Συγκριτική παρουσίαση μεθόδων ανάλυσης συστημάτων NILM πραγματικού και μη πραγματικού χρόνου... 51 Εικόνα 4.3: Συγκριτική παρουσίαση σήματος πριν και μετά την εφαρμογή του χαμηλοπερατού φίλτρου.... 52 Εικόνα 4.4: Τυπική κυματομορφή ρεύματος φορτίων που παρουσιάζουν πλούσιο αρμονικό περιεχόμενο.... 54 Εικόνα 4.5: Υπολογισμός μέσης τιμής κορυφών κυματομορφής ρεύματος στην περίπτωση ύπαρξης συμβάντος.... 55 Εικόνα 4.6: Υπολογισμός μέσης τιμής κορυφών κυματομορφής ρεύματος στην περίπτωση μη ύπαρξης συμβάντος.... 56 Εικόνα 4.7: Υπολογισμός στατιστικού εύρους κορυφών κυματομορφής ρεύματος στην περίπτωση ύπαρξης συμβάντος.... 57 Εικόνα 4.8: Υπολογισμός στατιστικού εύρους κορυφών κυματομορφής ρεύματος στην περίπτωση μη ύπαρξης συμβάντος.... 57 Εικόνα 4.9: Υπολογισμός τυπικής απόκλισης κορυφών κυματομορφής ρεύματος στην περίπτωση ύπαρξης συμβάντος.... 58 Εικόνα 4.10: Υπολογισμός τυπικής απόκλισης κορυφών κυματομορφής ρεύματος στην περίπτωση μη ύπαρξης συμβάντος.... 58 Εικόνα 4.11: Υπολογισμός πλήθους κορυφών κυματομορφής ρεύματος στην περίπτωση ύπαρξης συμβάντος.... 59 Εικόνα 4.12: Υπολογισμός πλήθους κορυφών κυματομορφής ρεύματος στην περίπτωση μη ύπαρξης συμβάντος.... 59 14
Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 3.1: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 1ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 37 Πίνακας 3.2: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 2ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 38 Πίνακας 3.3: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 3ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 40 Πίνακας 3.4: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 4ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 42 Πίνακας 3.5: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 5ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 44 Πίνακας 3.6: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 6ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 45 Πίνακας 3.7: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 7ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 47 Πίνακας 3.8: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 8ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας.... 48 15
Κεφάλαιο 1 Κατηγορίες και Μέθοδοι Ταξινόμησης Ηλεκτρικών Φορτίων 1.1 Υπογραφές Ηλεκτρικών Φορτίων Η έννοια της υπογραφής φορτίου αναφέρεται στην ηλεκτρική συμπεριφορά και στα χαρακτηριστικά μιας συσκευής, τόσο κατά τη λειτουργία της στη μόνιμη κατάσταση όσο και κατά την διάρκεια μεταβολών που παρουσιάζονται σε αυτή. Στην περίπτωση μεταβολών αντικείμενο εξέτασης αποτελούν τα μεταβατικά φαινόμενα που εμφανίζονται κατά τις αυξομειώσεις της απορροφούμενης ισχύος, την ενεργοποίηση αλλά και την απενεργοποίηση της συσκευής. Κάθε υπογραφή αποτελείται από ένα σύνολο στοιχείων τα οποία είναι ικανά να μας οδηγήσουν σε μία πρώτη προσέγγιση αναγνώρισης της ηλεκτρικής συμπεριφοράς της συσκευής, ενώ μπορεί να γίνει μία πρώτη απόπειρα αντιστοίχισης του φορτίου σε ανάλογη κατηγορία. Τέτοια στοιχεία μπορούν να θεωρηθούν η κυματομορφή του ρεύματος εισόδου της συσκευής, το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης και του ρεύματος, ο συντελεστής ισχύος κατά την μόνιμη κατάσταση λειτουργίας Εικόνα 1.1: Παρουσίαση των επιμέρους στοιχείων τα οποία συνθέτουν την και η υπογραφή ενός φορτίου. συμπεριφορά του ρεύματος κατά την διάρκεια μεταβολών στην λειτουργία της συσκευής. Η χρήση υπογραφών φορτίων στα συστήματα NILM είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη. Χρησιμοποιώντας βάσεις δεδομένων με είδη γνωστών φορτίων, το σύστημα καλείται να κάνει μια αντιστοίχιση μεταξύ των μεταβολών που παρουσιάζονται στην εξεταζόμενη εγκατάσταση και την πιθανότητα η μεταβολή αυτή να οφείλεται σε κάποιο είδος γνωστού φορτίου. 16
Γενικότερα, μια υπογραφή αποτελείται από ένα σύνολο μετρήσιμων παραμέτρων που δίνουν πληροφορίες για τη φύση και τον τρόπο λειτουργίας κάθε ηλεκτρικής συσκευής. Οι βασικές παράμετροι και τα στοιχεία που θα πρέπει να απαρτίζουν μια υπογραφή εμφανίζονται στην Εικόνα 1.1. Αναλυτικότερα [4]: Υπογραφή μόνιμης κατάστασης: Η υπογραφή μόνιμης κατάστασης αποτελείται από τις πληροφορίες εκείνες που σχετίζονται με την λειτουργία του φορτίου μετά την πάροδο τον μεταβατικών φαινομένων. Αυτές είναι: Η Ανάλυση Στοιχείων στη Βασική Συχνότητα: Με τη βοήθεια της ανάλυσης των σημάτων εισόδου στη θεμελιώδη συχνότητά, μπορούμε να υπολογίσουμε την ενεργή και άεργη ισχύ που καταναλώνεται, την ενεργή τιμή του ρεύματος κατά τα διάφορα στάδια λειτουργίας και τη σύνθετη αγωγιμότητα εισόδου της συσκευής. Το Αρμονικό περιεχόμενο: Ιδιαίτερα χρήσιμες πληροφορίες αντλούνται με τη συχνοτική ανάλυση του ρεύματος εισόδου της συσκευής. Κατά κύριο λόγο ηλεκτρονικές συσκευές έχουν ευδιάκριτο φασματικό περιεχόμενο μεταξύ τους, γεγονός το οποίο δίνει τη δυνατότητα ευκολότερης αναγνώρισης τους. Η τάση υπό την οποία λειτουργεί μια συσκευή, μπορεί να θεωρηθεί απαλλαγμένη από αρμονικές συνιστώσες, γεγονός που επιβεβαιώνεται και πειραματικά. Έτσι η ανάλυση του αρμονικού περιεχομένου της τάσης δεν θα μας προσέφερε κάποια επιπλέον πληροφορία ενώ Η παραδοχή αυτή μειώνει την πολυπλοκότητα του συστήματος διατηρώντας σε υψηλά επίπεδα την αξιοπιστία του. Η Συνεχής Συνιστώσα του Ρεύματος: Πληροφορία αντίστοιχης σημασίας και με παρόμοια λειτουργικότητα με την ανάλυση του αρμονικού περιεχομένου παρέχεται και με τη γνώση της συνεχούς συνιστώσας του ρεύματος. Υπογραφή μεταβατικού φαινομένου: Στην κατηγορία αυτή δίνεται έμφαση στα διαστήματα μεταβατικής λειτουργίας της συσκευής. Τα μεγέθη που μπορούν να αποτελέσουν στοιχεία μιας μεταβατικής υπογραφής, είναι η περιβάλλουσα του ρεύματος κατά τη διάρκεια του μεταβατικού φαινομένου, η χρονική σταθερά απόσβεσης και το μέγεθος του. Στη συνέχεια παραθέτονται ορισμένα αποτελέσματα πειραματικών μετρήσεων, που πραγματοποιήθηκαν με σκοπό την διερεύνηση του ηλεκτρικού προφίλ ορισμένων οικιακών συσκευών [1]. Στις γραφικές παραστάσεις της Εικόνας 1.2 παρουσιάζεται η κυματομορφή και το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος εισόδου για το φορτίο ενός ηλεκτρικού βραστήρα νερού. Άμεσα γίνεται αντιληπτή η 17
κυριαρχία της βασικής αρμονικής των 50Hz, η ημιτονοειδής μορφή της καμπύλης στο σύνολο της εξεταζόμενης χρονικής διάρκειας, και η ομαλή εκκίνηση του φορτίου, χωρίς την εμφάνιση μεταβατικής συμπεριφοράς. Από τα παραπάνω στοιχεία μπορεί κανείς εύκολα να οδηγηθεί στο συμπέρασμα ότι το φορτίο που εξετάζεται έχει κατά κύριο λόγο ωμική συμπεριφορά. Εικόνα 1.2: Παρουσίαση της χρονικής μεταβολής και του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος εισόδου ενός ηλεκτρικού βραστήρα. Αντίστοιχα στην Εικόνα 1.3 παρουσιάζονται μετρήσεις θεωρώντας ως εξεταζόμενο φορτίο ένα μίξερ καφέ. Στην περίπτωση αυτή παρατηρείται σχετικά έντονη μεταβατική συμπεριφορά κατά την εκκίνηση, η οποία εξασθενεί μετά από διάστημα περίπου δέκα περιόδων. Η εμφάνιση της μεταβατικής αυτής συμπεριφοράς θα απέκλειε με μια πρώτη προσέγγιση το ενδεχόμενο η συσκευή αυτή να ανήκει στην κατηγορία των καθαρά ωμικών φορτίων. Πιθανότατα, η κατηγορία στην οποία θα πρέπει να αντιστοιχηθεί είναι αυτή των ηλεκτρομηχανικών φορτίων, καθώς η μορφή του ρεύματος εκκίνησης υποδηλώνει την επαγωγική φύση της συσκευής, δηλαδή την ύπαρξη κάποιας μορφής ηλεκτρικού κινητήρα. 18
Εικόνα 1.3: Παρουσίαση της χρονικής μεταβολής και του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος εισόδου ενός ηλεκτρικού μίξερ καφέ. Τέλος, εξετάζεται η συμπεριφορά ενός φορητού ηλεκτρονικού υπολογιστή κατά τη λειτουργία του. Στις μετρήσεις που παρουσιάζονται στην Εικόνα 1.4 παρατηρείται μια έντονη διαφοροποίηση συγκριτικά με ότι παρουσιάστηκε για τα δύο προηγούμενα φορτία. Η κυματομορφή του ρεύματος παρουσιάζει έντονη απόκλιση από την ημιτονοειδή μορφή ενώ το αρμονικό περιεχόμενο εμφανίζεται ιδιαίτερα πλούσιο τόσο σε υψηλές όσο και σε χαμηλότερες αρμονικές συνιστώσες. 19
Εικόνα 1.4: Παρουσίαση της χρονικής μεταβολής και του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος εισόδου ενός ηλεκτρονικού φορητού υπολογιστή. Με βάση τις παραπάνω διαπιστώσεις εύκολα μπορούμε να οδηγηθούμε στο συμπέρασμα πως η συσκευή θα αποτελείται από μη γραμμικά στοιχεία. Πιθανότατα, δηλαδή θα τροφοδοτείται από διακοπτικού τύπου τροφοδοτικό το οποίο κάνει χρήση ηλεκτρονικών ισχύος. 1.2 Μέθοδοι Κατηγοριοποίησης Φορτίων Προτού προχωρήσουμε σε βαθύτερα και πιο συγκεκριμένα ζητήματα πάνω στα συστήματα μη παρεμβατικής επιτήρησης, κρίνεται σκόπιμο να γίνει μία αναφορά στις βασικές κατηγορίες ηλεκτρικών συσκευών και στα κριτήρια διαχωρισμού τους. Σε αρχικό επίπεδο, μία πρώτη κατηγοριοποίηση μπορεί να γίνει ανάλογα με τον τρόπο και τις καταστάσεις λειτουργίας των φορτίων [2]. Κατά κύριο λόγο, με βάση αυτό το κριτήριο συναντώνται τρεις τύποι φορτίων, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 1.5. Στον πρώτο ανήκουν τα φορτία τα οποία παρουσιάζουν δύο μόνο καταστάσεις. Ως επί το πλείστον πρόκειται για συσκευές οι Εικόνα 1.5: Σχηματική παρουσίαση του διαχωρισμού των φορτίων με βάση τον τρόπο λειτουργίας τους. οποίες απορροφούν μία συγκεκριμένη και σταθερή ισχύ κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Για παράδειγμα, στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι φωτιστικές 20
συσκευές, οι ωμικές θερμάστρες κ.α. Η δεύτερη κατηγορία αντιπροσωπεύει τα φορτία, τα οποία έχουν πολλαπλές αλλά διακριτές καταστάσεις. Συνήθως πρόκειται για συσκευές αποτελούμενες από επιμέρους ηλεκτρικά τμήματα, όπως ηλεκτρικά πλυντήρια ρούχων, κουζίνες κ.α., στα οποία μια ποικιλία από διάφορους κινητήρες και αντιστάσεις δημιουργούν πολλαπλές ενεργειακές καταστάσεις κατά τον κύκλο λειτουργίας τους. Τέλος, μια ξεχωριστή κατηγορία θα πρέπει να αποτελέσουν τα συνεχώς μεταβαλλόμενα φορτία. Ως τέτοια μπορούν να θεωρηθούν συσκευές που τροφοδοτούνται από τροφοδοτικά μεταβλητής συχνότητας, όπως ηλεκτρικοί κινητήρες κλιματιστικών μηχανημάτων και συμπιεστές. Εικόνα 1.6: Σχηματική παρουσίαση του διαχωρισμού των φορτίων με κριτήριο την ηλεκτρική φύση τους. Μια δεύτερη προσέγγιση στην ταξινόμηση των φορτίων, μπορεί να γίνει αν λάβουμε υπόψη, σαν κριτήριο διαχωρισμού, την φύση του φορτίου και τον σκοπό λειτουργίας του [3]. Στην περίπτωση αυτή δημιουργούνται τέσσερις επιμέρους κατηγορίες, όπως παρουσιάζεται και στην Εικόνα 1.6. Στην συνέχεια γίνεται αναλυτική περιγραφή της κάθε ομάδας ηλεκτρικών συσκευών. Απλά Γραμμικά φορτία: Στη κατηγορία των γραμμικών φορτίων ανήκουν εκείνα τα οποία μοντελοποιούνται ως ανεξάρτητοι από το χρόνο συνδυασμοί γραμμικών παθητικών κυκλωματικών στοιχείων. Η απλούστερη συσκευή, η οποία ανήκει στην κατηγορία αυτή, είναι κάποια που μπορεί να παρασταθεί ισοδύναμα με μια ωμική αντίσταση. Μια τέτοια συσκευή κατά την ενεργοποίηση της παρουσιάζει βηματική αύξηση του ρεύματος και της ενεργής ισχύος χωρίς μεταβατική συμπεριφορά ενώ κατά κύριο λόγο εμφανίζει απόλυτη ημιτονοειδή μεταβολή του ρεύματος εισόδου στη μόνιμη κατάσταση. 21
Ηλεκτροθερμικά φορτία: Στην κατηγορία αυτή τοποθετούνται φορτία που η συμπεριφορά τους είναι εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία τους. Αντιπροσωπευτικό παράδειγμα φορτίου της κατηγορίας, είναι ο τυπικός λαμπτήρας πυρακτώσεως. Το μεταλλικό νήμα του λαμπτήρα, από ηλεκτρική σκοπιά, εμφανίζεται ως μία αντίσταση η τιμή της οποίας αυξάνεται ανάλογα με τη θερμοκρασία. Κατά την έναρξη αντίστοιχων φορτίων, εμφανίζεται μια μεταβατική συμπεριφορά η οποία σε διάστημα μερικών κύκλων αποσβήνεται πλήρως (Εικόνα 1.7). Ουσιαστικά το χρονικό διάστημα του μεταβατικού φαινομένου συμπίπτει με το χρόνο που απαιτείται, ώστε το νήμα στο εσωτερικό του λαμπτήρα να αποκτήσει θερμοκρασία λειτουργίας. Κατά τη μόνιμη κατάσταση το φορτίο παρουσιάζει συμπεριφορά γραμμικού φορτίου. Εικόνα 1.7: Τυπική συμπεριφορά εκκίνησης ηλεκτροθερμικού φορτίου. Ηλεκτρομηχανικά φορτία: Η ομάδα των ηλεκτρομηχανικών φορτίων περιλαμβάνει συσκευές που βασίζουν τη λειτουργία τους σε ηλεκτρικούς κινητήρες οποιασδήποτε μορφής. Κατά γενική ομολογία βέβαια, σε οικιακές μονοφασικές εγκαταστάσεις το σύνολο των κινητήρων που μπορεί να συναντηθεί περιορίζεται σε μονοφασικούς επαγωγικούς κινητήρες και κινητήρες τύπου Universal. Παραδείγματα συσκευών είναι διάφοροι τύποι μίξερ, ηλεκτρικές σκούπες κ.α. Το μεταβατικό φαινόμενο κατά την εκκίνηση ενός τέτοιου φορτίου είναι ιδιαίτερα έντονο και απαιτεί χρόνο πολλές φορές μεγαλύτερο των δέκα περιόδων για να αποσβεσθεί. Τυπική γραφική παράσταση ρεύματος ενός τέτοιου φορτίου παρουσιάστηκε στην Εικόνα 1.3. Φορτία Ηλεκτρονικής Φύσης: Τα φορτία της κατηγορίας αυτής διαφοροποιούνται σε μεγάλο βαθμό σε σχέση τα προηγούμενα. Βασική ιδιαιτερότητά τους είναι το πλούσιο αρμονικό περιεχόμενο που παρουσιάζει το ρεύμα στην είσοδό τους και η ύπαρξη ανώτερων αρμονικών συνιστωσών σε αυτό. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τόσο ηλεκτρονικές συσκευές όσο και φορτία τα οποία τροφοδοτούνται μέσω διακοπτικών τροφοδοτικών ισχύος. Τυπική κυματομορφή του ρεύματος λειτουργίας μιας τέτοιας συσκευής παρουσιάστηκε στην Εικόνα 1.4. 22
1.3 Συμπεράσματα Η ανάλυση που προηγήθηκε έχει ιδιαίτερη θεωρητική και πρακτική σημασία για την ανάπτυξη ενός συστήματος μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου. Μέσω της αναφοράς των βασικών στοιχείων που συνθέτουν μια υπογραφή φορτίου παρουσιάστηκαν τα στοιχεία αυτά τα οποία είναι ικανά να παρέχουν στο σύστημα επιτήρησης τις απαραίτητες πληροφορίες για την αποδοτική και αξιόπιστη λειτουργία του. Επίσης, εξαιτίας της κατηγοριοποίησης των ηλεκτρικών φορτίων γίνεται δυνατή η μεθόδευση των διαδικασιών με βάση τις οποίες καλείται το σύστημα να προχωρήσει στην αναγνώριση. Τέλος, η εύρεση της ομάδας στην οποία ανήκει η συσκευή αποτελεί βασικό βήμα για την τελική επιτυχή αναγνώριση της. 23
Κεφάλαιο 2 Μέθοδοι επιτήρησης Φορτίων 2.1 Επιτήρηση Φορτίου Ως μη παρεμβατική επιτήρηση φορτίου [4] ορίζεται η διαδικασία εκείνη η οποία επεξεργάζεται και αναλύει την συνολική απορροφούμενη ισχύ μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης και την αντιστοιχίζει σε επιμέρους μεμονωμένες συσκευές. Η έννοια και η ουσία της μη παρεμβατικότητας πηγάζει από τη διαφοροποίηση ως προς τη διαδικασία συλλογής των δεδομένων, συγκρινόμενη με τις υπάρχουσες παρεμβατικές μεθόδους. Ως τέτοιες, θεωρούνται εκείνες όπου μεταξύ φορτίου και εγκατάστασης παρεμβάλλεται ειδικό αισθητήριο σύστημα, όπως φαίνεται σχηματικά και στην Εικόνα 2.1. Με αυτό τον τρόπο δημιουργείται ένα δίκτυο αισθητήρων τα δεδομένα του οποίου αποστέλλονται και επεξεργάζονται με τη χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή. Τέλος, με βάση τον αντικειμενικό σκοπό που καλείται να πραγματοποιήσει η επιτήρηση, παρέχονται οι ανάλογες πληροφορίες στο χρήστη. Αντίθετα σε ένα σύστημα NILM η συλλογή των δεδομένων γίνεται στην κεντρική παροχή ενέργειας της εγκατάστασης και στη συνέχεια, εφαρμόζοντας προηγμένες τεχνικές ανάλυσης και επεξεργασίας σήματος, κατακερματίζεται η συνολική ισχύς στις επιμέρους ενεργοποιημένες συσκευές. Τα πλεονεκτήματα που απορρέουν από την ηλεκτρική επιτήρηση ενός κτιρίου ποικίλουν και παρουσιάζουν ιδιαίτερη πρακτική σημασία. Αρχικά, θα πρέπει να αναφερθεί, πως μέσω της αναλυτικής περιγραφής των επιμέρους καταναλώσεων μιας εγκατάστασης, ο χρήστης είναι σε θέση να διαπιστώσει και να αποκτήσει γνώση σε βάθος για τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιείται η ηλεκτρική ενέργεια σε αυτή. Έτσι του δίνεται πλέον η δυνατότητα να προβεί σε ενέργειες αποσκοπούμενες στη μείωση της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται στο το εξεταζόμενο κτίριο. Έρευνες [5] έχουν δείξει πως η λεπτομερής ανάλυση ενός ηλεκτρικού λογαριασμού μπορεί να επιφέρει μείωση κόστους της τάξης του 25%. Κάτι τέτοιο θα ήταν αδύνατο διαφορετικά, καθώς είναι αρκετά δύσκολο να δημιουργηθούν προϋποθέσεις 24 Εικόνα 2.1: Διάταξη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου.
βελτίωσης χωρίς τη γνώση της επιμέρους ενέργειας που καταναλώθηκε από κάθε συσκευή, κάτι το οποίο συνεπάγεται η αδυναμία συλλογής αναλυτικών μετρήσεων. Επιπλέον με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται βάσεις δεδομένων με ηλεκτρικά προφίλ καταναλωτών, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν τόσο τις εταιρίες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας όσο και τους κατασκευαστές ηλεκτρικών συσκευών σε αύξηση του επιπέδου των παρεχόμενων προϊόντων και υπηρεσιών. Τέλος, δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη να υιοθετήσει συμπεριφορά προσανατολισμένη στην αποδοτικότερη χρήση και εξοικονόμηση ενέργειας. Συμπερασματικά λοιπόν το κέρδος είναι η μείωση του κόστους για τον καταναλωτή, η εξοικονόμηση φυσικών πόρων για τον άνθρωπο και η μείωση εκπομπών CO 2 για το περιβάλλον. Οι δυνατότητες όμως ενός συστήματος επιτήρησης δεν σταματούν εδώ. Μία ολιστική προσέγγιση ενός τέτοιου μηχανισμού είναι ικανή να αποτελέσει θεμελιώδες τμήμα πάνω στο οποίο μπορούν να βασιστούν έξυπνα συστήματα οικιακών αυτοματισμών. Ο προσανατολισμός των συστημάτων αυτών είναι πολύπλευρος, αφού δεν αποσκοπούν μόνο στην αποδοτικότερη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά παράλληλα παρέχουν στο χρήστη επιπλέον δυνατότητες, όπως βελτιστοποίηση οικιακών συστημάτων ασφαλείας κ.α. Τέλος θα πρέπει να αναφέρουμε τη συμβολή των ηλεκτρικών επιτηρητών στην πρόβλεψη σφαλμάτων. Τέτοια σφάλματα μπορεί να προκληθούν από κατασκευαστικές ανωμαλίες σε συσκευές ή στο δίκτυο καλωδίων του κτιρίου. Μέσω της συνεχούς παρακολούθησης, ο χρήστης μπορεί να ενημερωθεί για επικείμενα σφάλματα και να ενεργήσει κατάλληλα ώστε να αποτραπεί μια πιθανή καταστροφή εξοπλισμού ή μια διακοπή στην τροφοδοσία της εγκατάστασης. Στην περίπτωση ενός συστήματος που κάνει χρήση μη παρεμβατικής επιτήρησης, στα παραπάνω πλεονέκτημα θα πρέπει να προστεθούν και όσα είναι απόρροια του διαφορετικού τρόπου λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. Αυτά είναι: Το χαμηλό κόστος εγκατάστασης, εξαιτίας της απαίτησης ενός μόνο αισθητήριου μηχανισμού. Το γεγονός αυτό βελτιστοποιεί ακόμα περισσότερο τον παράγοντα της εξοικονόμησης ενέργειας ενώ παράλληλα κάνει την απόσβεση του κόστους του συστήματος αμεσότερη. Η ευκολία στην εγκατάσταση ενός τέτοιου μηχανισμού είναι ένας ακόμα σημαντικός παράγοντας που κάνει τη χρήση του ιδιαίτερα αποδοτική και την πιθανότητα εγκατάστασής του από τον τελικό καταναλωτή ακόμα πιο ελκυστική. Οι μοναδικές παρεμβάσεις που απαιτούνται είναι στην κεντρική ηλεκτρική παροχή, γεγονός που απλοποιεί τη διαδικασία και κάνει δυνατή τη χρήση ενός NILM σε κάθε εγκατάσταση με ελάχιστες παρεμβάσεις. Τα χαμηλά μεγέθη κόστους και η ευκολία συντήρησης αλλά και η άμεση αντιμετώπιση προβλημάτων απορρέουν από τα παραπάνω, καθώς αποφεύγεται η 25
εξέταση και ο έλεγχος ενός πολύπλοκου δικτύου αισθητήρων σε περίπτωση σφαλμάτων στο σύστημα επιτήρησης. Η κατανάλωση ενέργειας ενός τέτοιου συστήματος είναι ελάχιστη και γίνεται ακόμα μικρότερη στην περίπτωση όπου τα δεδομένα του συλλεκτήριου συστήματος αποστέλλονται σε κεντρικό εξυπηρετητή. Με αυτό τον τρόπο αποφεύγεται η συνεχής λειτουργία ενός Η/Υ, ενώ ο χρήστης λαμβάνει ενημερώσεις σχετικά με την ενεργειακή κατάσταση της εγκατάστασης του, όποτε το επιθυμεί. Η πολυπλοκότητα του συστήματος μετατρέπεται πλέον από πολυπλοκότητα υλικού, στα συστήματα παρεμβατικής επιτήρησης, σε πολυπλοκότητα λογισμικού. Το γεγονός αυτό προσφέρει ευελιξία τόσο στο χρήστη όσο και στον κατασκευαστή ενός τέτοιου συστήματος, βελτιώνοντας την υποστήριξη του προϊόντος και κάνοντας πιο εύκολη την προσαρμογή του στις ειδικές ανάγκες κάθε εγκατάστασης. Εικόνα 2.2: Σχηματική παρουσίαση της διάταξης μη παρεμβατικής επιτήρησης φορτίου Ένα τυπικό σύστημα NILM αποτελείται από ένα σύνολο επιμέρους βασικών τμημάτων. Όπως περιγράφεται σχηματικά στην Εικόνα 2.2, το συνολικό σύστημα μπορεί να επιμεριστεί σε δύο βασικά κομμάτια. Αυτά είναι το υλικό, που βασικός του σκοπός είναι η συλλογή και αποστολή των σημάτων εισόδου στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, και το δεύτερο το λογισμικό, που με βάση τα δεδομένα που λαμβάνει καλείται να προχωρήσει στην αναγνώριση των ενεργοποιημένων συσκευών της εγκατάστασης και να παρέχει ένα σύνολο πληροφοριών ανάλογα με τις απαιτήσεις του χρήστη. 26
2.2 Υλικό Συστημάτων NILM Η λογική της λειτουργίας που καλείται να πραγματοποιήσει το υλικό ενός συστήματος NILM είναι ιδιαίτερα απλή. Σκοπός του συστήματος είναι η συλλογή και η αποστολή των τιμών των ηλεκτρικών μεγεθών σε ένα ηλεκτρονικό υπολογιστή. Στη συνέχεια αυτός θα αναλάβει την περαιτέρω ανάλυση των σημάτων εισόδου. Αυτά με βάση τη λογική της μη παρεμβατικότητας είναι η στιγμιαία τιμή του ρεύματος εισόδου και της τάσης λειτουργίας, στο κεντρικό σημείο εισόδου της ηλεκτρικής παροχής ενέργειας. Εικόνα 2.3: Σχηματική παρουσίαση τμημάτων του υλικού ενός συστήματος NILM. Αναλυτικότερα τα επιμέρους τμήματα είναι: Αισθητήρια Τάσης και Ρεύματος: Τα αισθητήρια αποτελούν το τμήμα του συστήματος επιτήρησης που έρχεται σε άμεση επαφή με την ηλεκτρική εγκατάσταση. Το αισθητήριο τάσης τοποθετείται σε παράλληλη σύνδεση με την ηλεκτρική παροχή. Η λειτουργία του δεν είναι μόνο η μέτρηση της στιγμιαίας τιμής της τάσης αλλά και η αναλογική υποβάθμιση της, ώστε να μπορεί η καταγεγραμμένη ποσότητα να διαχειριστεί από το υπόλοιπο ηλεκτρονικό σύστημα. Το αισθητήριο ρεύματος συνήθως έχει τη μορφή τσιμπίδας που τοποθετείται περιμετρικά του καλωδίου φάσης. Η λειτουργία του είναι η μέτρηση της στιγμιαίας τιμής του ρεύματος και η αντιστοίχιση της τιμής αυτής σε κάποια τάση η οποία θα αποτελέσει το σήμα εξόδου του αισθητηρίου. Η τιμή της τάσης εξόδου όπως και στην περίπτωση του προηγούμενου αισθητηρίου θα πρέπει να μεταβάλλεται αναλογικά με βάση το ρεύμα στην είσοδο του αισθητηρίου. Τυπική τιμή της τάσης εξόδου των αισθητηρίων είναι ± 12V DC. Μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό: Η χρήση ενός μετατροπέα σήματος είναι απαραίτητη ώστε τα σήματα που λαμβάνονται από την έξοδο των αισθητηρίων να μετατραπούν σε αναγνωρίσιμη μορφή από τον υπολογιστή. Η 27
διακριτικότητα και οι τεχνικές δυνατότητες του μετατροπέα επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό την αποδοτικότητα του συστήματος. Μικροεπεξεργαστής: Ο μικροεπεξεργαστής αποτελεί την καρδία του υλικού τμήματος ενός συστήματος NILM. Είναι υπεύθυνος για την επιτέλεση όλων των διαδικασιών που αφορούν τη μέτρηση, την καταγραφή, και την αποστολή των δεδομένων. Επιπρόσθετα, ανάλογα με τον τρόπο σχεδιασμού του συστήματος, αναλαμβάνει και το ρόλο της προεπεξεργασίας των αρχικών σημάτων παρέχοντας στο λογισμικό σύστημα μια πληθώρα δεδομένων εισόδου. Με αυτό τον τρόπο βελτιώνεται η ταχύτητα λειτουργίας του λογισμικού και το σύστημα γίνεται ποιο αποδοτικό στο σύνολο του. Δίαυλος επικοινωνίας: Η έννοια του διαύλου επικοινωνίας περιλαμβάνει όλες εκείνες τις διαδικασίες που απαιτούνται ώστε να μεταφερθούν τα δεδομένα στον υπολογιστή για την τελική επεξεργασία. Ο τύπος του διαύλου εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τις δυνατότητες του μικροεπεξεργαστή. Η σημαντικότερη παράμετρος αυτού του υποσυστήματος είναι η ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων. Πρακτικά το εύρος του διαύλου επικοινωνίας μας δίνει ή μας στερεί τη δυνατότητα να παρέχουμε στο χρήση του συστήματος NILM πληροφορίες για τη χρήση της ηλεκτρικής εγκατάστασης του σε πραγματικό χρόνο. Συνήθως χρησιμοποιείται δίαυλος υψηλής ταχύτητας, κάνοντας χρήση του πρωτοκόλλου USB 2.0 ή εναλλακτικά του δικτυακού πρωτόκολλου Ethernet. 2.3 Λογισμικό Συστημάτων NILM Το τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας παρουσιάζεται αυξημένο σε μεθόδους που αποσκοπούν στην επίτευξη της μη παρεμβατικότητας στην επιτήρηση φορτίου. Η διαφοροποίηση των προσεγγίσεων που έχουν προταθεί έχει να κάνει κυρίως με τον τρόπο και τη μεθοδολογία αναγνώρισης των ενεργών φορτίων. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να αναφερθεί ότι μέχρι στιγμής πλήρως λειτουργικό και αξιόπιστο σύστημα NILM που να επιτρέπει την εμπορική διάθεση του δεν έχει προταθεί. Σκοπός της ενότητας αυτής είναι να γίνει μια συνοπτική παρουσίαση των δεδομένων που υπάρχουν σήμερα στην εξεταζόμενη περιοχή έρευνας [6]. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 2.4 εμφανίζονται κάποιες κυρίαρχες τάσεις και ένας βασικός διαχωρισμός τους. 28
Ποιο συγκεκριμένα το πρώτο επίπεδο διαχωρισμού προκύπτει με βάση την ηλεκτρική κατάσταση της εγκατάστασης που επιλέγεται προς εξέταση από την κάθε μέθοδο. Έτσι προτείνονται μέθοδοι υλοποίησης βασιζόμενες στη μελέτη της μόνιμης κατάστασης λειτουργίας και στη μελέτη των μεταβατικών φαινομένων που παρουσιάζονται. Εικόνα 2.4: Βασικές τεχνικές επεξεργασίας στις οποίες βασίζεται η ανάπτυξη εφαρμογών για συστήματα NILM. Στην περίπτωση της μόνιμης κατάστασης λειτουργίας το ενδιαφέρον εστιάζεται τόσο στις μεταβολές που παρουσιάζονται στη θεμελιώδη συχνότητα των μεγεθών του συστήματος όσο και στην φασματική ανάλυσή του. Αναλυτικότερα: Θεμελιώδης συχνότητα: Η λειτουργία που καλείται να πραγματοποιήσει το σύστημα ώστε να καθορίσει την είσοδο ή την έξοδο ενός φορτίου στην εγκατάσταση είναι η αναγνώριση βηματικών μεταβολών στο πλάτος της ενεργής και άεργης ισχύος. Για την υλοποίηση της αναγνώρισης θα πρέπει να προηγηθεί κατάλληλη προεπεξεργασία ώστε να εξαλειφθεί η επίδραση των μεταβατικών φαινομένων στα εξεταζόμενα σήματα. Στην συνέχεια καταγράφονται οι αλλαγές στα μεγέθη της ισχύος και δημιουργούνται βιβλιοθήκες φορτίων. Με αυτό τον τρόπο, το σύστημα σε κάθε μεταβολή επιχειρεί να κάνει μια αντιστοίχιση μεταξύ των δεδομένων της βάσης και της τρέχουσας μεταβολής. Η αναγνώριση, συμπερασματικά, βασίζεται στην αντιστοίχιση θετικών και αρνητικών μεταβολών στα μεγέθη της ισχύος. Η μέθοδος αυτή παρουσιάζει αρκετά μειονεκτήματα αφού δεν είναι σε θέση να προχωρήσει σε αναγνώριση όπου: 29
Γραμμικά αλλά και μη γραμμικά φορτία παρουσιάζουν διφορούμενες επικαλύψεις στη μεταβολή της ενεργής και άεργης ισχύος. Παρουσιάζεται ταυτόχρονη ενεργοποίηση περισσότερων του ενός φορτίων. Νέοι τύποι οικιακών συσκευών χρησιμοποιούνται, για τους οποίους δεν υπάρχει αναφορά στη βάση δεδομένων. Μεταβαλλόμενα φορτία λειτουργούν σε σταθερή κατάσταση για μεγάλη διάρκεια. Ανάλυση αρμονικού περιεχομένου: Η συχνοτική ανάλυση των ηλεκτρικών σημάτων αποτελεί ένα επιπλέον βοήθημα στην επίτευξη της αναγνώρισης των φορτίων του συστήματος. Ο υπολογισμός του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του Γρήγορου Μετασχηματισμού Fourier (FFT). Η μέθοδος αυτή είναι αποδοτικότερη σε σχέση με την προηγούμενη αλλά τα μειονεκτήματα που παρουσιάζονται παραπάνω δεν εξαλείφονται πλήρως. Ανάλυση μεταβατικής κατάστασης: Η μελέτη και η ανάλυση των μεταβολών που παρουσιάζονται κατά τις μεταβατικές καταστάσεις του εξεταζόμενου συστήματος, έδωσαν νέα ώθηση και βελτίωσαν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση των συστημάτων NILM. Καθοριστικό παράγοντα έπαιξε η εξέλιξη των ηλεκτρονικών συστημάτων τα οποία επέτρεψαν στους σχεδιαστές να χρησιμοποιήσουν μεγάλη συχνότητα δειγματοληψίας, προϋπόθεση απαραίτητη για τη σωστή καταγραφή και ανάλυση των μεταβατικών φαινομένων. Τα προβλήματα που παρουσιάζονται στις μεθόδους αυτές είναι: Το αυξημένο κόστος του υλικού και η επιτακτική ανάγκη ενός πολύ γρήγορου και αποδοτικού λογισμικού, εξαιτίας της απαιτούμενης υψηλής συχνότητας δειγματοληψίας. Η αύξηση της πολυπλοκότητας και του μεγέθους της βάσης δεδομένων. Η αναγκαιότητα επαναλαμβανόμενων και μοναδικών μεταβάσεων για κάθε φορτίο. 30
Κεφάλαιο 3 Εργαστηριακές Μετρήσεις Ηλεκτρικών Συσκευών 3.1 Γενικές Έννοιες Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστεί η ανάλυση της πειραματικής διαδικασίας που ακολουθήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας. Παράλληλα θα γίνει μια συνοπτική παρουσίαση των αποτελεσμάτων των μετρήσεών. Αυτές περιλαμβάνουν ένα σύνολο καταγραφών που αφορούν ορισμένες ηλεκτρικές οικιακές συσκευές που ήταν διαθέσιμες προς μελέτη. Η εξέταση των φορτίων έγινε τόσο σε μεμονωμένη λειτουργία όσο και σε συνδυασμένη, βάση ορισμένων προκαθορισμένων σεναρίων. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν ως είσοδοι στον υπό ανάπτυξη αλγόριθμο, με σκοπό τη βελτίωση του και την αποτύπωση εγκυρότερων συμπερασμάτων Εικόνα 3.1: Σχηματική παράσταση εργαστηριακής διάταξης μετρήσεων. για τον τρόπο και την αποδοτικότητα λειτουργίας του. Για την καταγραφή των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε ο τριφασικός μετρητής ποιότητας ισχύος Fluke 1760 [7]. Στην Εικόνα 3.1 παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη μέσω της οποίας ολοκληρώθηκε η καταγραφή των μετρήσεων. Οι μετρήσεις αυτές περιλάμβαναν ένα σύνολο καταγραφών όπως η ενεργή και η στιγμιαία τιμή της τάσης και του ρεύματος λειτουργίας καθώς και το αρμονικό περιεχόμενό τους. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε η καταγραφή των τριών μεγεθών ισχύος (ενεργής, άεργης και φαινόμενης), καθώς και της συχνότητας της τάσης τροφοδοσίας. 31
3.2 Διαθέσιμα Φορτία και Υπογραφές τους Για την πραγματοποίηση της διαδικασίας χρησιμοποιήθηκαν έξι ηλεκτρικές συσκευές οικιακής χρήσης. Αρχικά ολοκληρώθηκε η διαδικασία μετρήσεων κατά τη μεμονωμένη παρουσία τους στο εξεταζόμενο δίκτυο. Με αυτό τον τρόπο δόθηκε η δυνατότητα άντλησης δεδομένων για τον τρόπο λειτουργίας τους και της καταγραφής στοιχείων με σκοπό την απόκτηση μιας πλήρης εικόνας για το ηλεκτρικό προφίλ των συσκευών. Γνωρίζοντας την υπογραφή κάθε φορτίου, στην συνέχεια, εάν κριθεί απαραίτητο, είναι εφικτό να πραγματοποιηθεί αναγνώριση της συσκευής στα πλαίσια λειτουργίας ενός συστήματος NILM, χρησιμοποιώντας τεχνικές αναγνώρισης προτύπου. Παρακάτω γίνεται μια παρουσίαση των φορτίων ενώ παρατίθεται ένα τμήμα της κυματομορφής του ρεύματος εισόδου. Φορτιστής κινητού τηλεφώνου τύπου USB: Το πρώτο φορτίο προς εξέταση αποτέλεσε ένας φορτιστής κινητού τηλεφώνου. Ο αντικειμενικός σκοπός της συσκευής είναι ο μετασχηματισμός της εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου σε συνεχή, με σκοπό τη φόρτιση της μπαταρίας του τηλεφώνου. Με βάση τις προδιαγραφές λειτουργίας του, η έξοδος του, περιορίζεται ώστε να παρέχει ισχύ 5 Watt υπό συνεχή τάση πλάτους 5 Volt. Όπως φαίνεται και από την κυματομορφή του ρεύματος εισόδου του, στην Εικόνα 3.2, παρουσιάζεται πλούσιο αρμονικό περιεχόμενο και αρκετά μικρή ενεργή τιμή ρεύματος. Εικόνα 3.2: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας φορτιστή κινητού τηλεφώνου. Μηχανή καφέ: Το δεύτερο προς εξέταση διαθέσιμο φορτίο ήταν μια ηλεκτρική μηχανή καφέ της εταιρίας Primo. Η ενεργή ισχύς εισόδου της συσκευής είναι σταθερή, της τάξης των 900 Watt, ενώ το ρεύμα εισόδου παρουσιάζει 32
ημιτονοειδή μεταβολή, γεγονός που υποδηλώνει τη γραμμική φύση και το δυαδικό τρόπο λειτουργίας του φορτίου. Τέλος, θα πρέπει να σχολιαστεί και η απουσία μεταβατικής συμπεριφοράς που παρουσιάζει το ρεύμα κατά την ενεργοποίηση της συσκευής. Εικόνα 3.3: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρικής μηχανής καφέ. Σεσουάρ μαλλιών: Το σεσουάρ μαλλιών της εταιρίας Braun, μοντέλο Swing 1200, που χρησιμοποιήθηκε είναι μία συσκευή, η οποία λειτουργεί σε δύο διακριτές καταστάσεις. Έτσι ανάλογα με την παροχή θερμού αέρα η ισχύς που απαιτείται είναι 750 ή 1100 Watt. Το φορτίο αυτό αποτελείται από δύο επιμέρους στοιχεία. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 3.4 η εκκίνηση του δεν είναι ακαριαία, γεγονός που οφείλεται στην ύπαρξη του κινητήρα που είναι υπεύθυνος για την κίνηση του ανεμιστήρα αναρρόφησης αέρα. Παράλληλα, για την αύξηση της θερμοκρασίας του εξερχόμενου αέρα χρησιμοποιείται ειδική θερμική αντίσταση. Συνολικά, βέβαια, το μεγαλύτερο μέρος του ρεύματος εισόδου χρησιμοποιείται στη διαδικασία θέρμανσης, με αποτέλεσμα η συσκευή να παρουσιάζει κατά κύριο λόγο ωμική συμπεριφορά. 33
Εικόνα 3.4: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρικού σεσουάρ μαλλιών σε λειτουργία μεγάλης (FS) και μικρής ταχύτητας (HS),αντίστοιχα. Αερόθερμο: Το τέταρτο φορτίο που χρησιμοποιήθηκε, ήταν ένα αερόθερμο της εταιρίας Delonghi, μοντέλο HBP S532. Το φορτίο αυτό έχει τη δυνατότητα λειτουργίας σε τρεις διακριτές καταστάσεις. Αρχικά μας δίνεται η επιλογή της μεμονωμένης λειτουργίας του ανεμιστήρα που διαθέτει, καταναλώνοντας ισχύ ίση με 13 Watt. Επιπλέον, θέτοντας τη συσκευή σε λειτουργία παροχής θερμού αέρα, λειτουργεί καταναλώνοντας 950 ή 1800 Watt, ανάλογα με τις απαιτήσεις και τη ρύθμιση του χρήστη. Το φορτίο παρουσιάζει καθαρά ωμική συμπεριφορά λειτουργώντας με το σύστημα θέρμανσης ενεργό, ενώ στην περίπτωση αποκλειστικής λειτουργίας του ανεμιστήρα, εξαιτίας της χαμηλής τιμής του ρεύματος ο θόρυβος στη γραμμή επηρεάζει αισθητά την κυματομορφή της μέτρησης, Παρόλα αυτά εύκολα διαφαίνεται η κυριαρχία της βασικής αρμονικής των 50 Hz. Επιπλέον, όπως παρατηρούμε και στην Εικόνα 3.5.γ λαμβάνει χώρα ένα μικρής διάρκειας μεταβατικό φαινόμενο κατά την εκκίνηση του κινητήρα. 34
Εικόνα 3.5: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρικού αερόθερμου σε λειτουργία πλήρης (FL), μερικής (HL) και μηδενικής (NL) θέρμανσης, αντίστοιχα. Ηλεκτρικό σίδερο: Η πέμπτη κατά σειρά ηλεκτρική συσκευή που εξετάστηκε ήταν ένα ηλεκτρικό σίδερο της εταιρίας Bosch, μοντέλο sensixx B3. Όπως αναμένεται το φορτίο παρουσιάζει ωμική συμπεριφορά ενώ το ρεύμα εισόδου του είναι απαλλαγμένο από αρμονικές συνιστώσες. Η ισχύς που απαιτείται για τη λειτουργία του είναι της τάξης των 2000 Watt, ενώ η κυματομορφή του ρεύματος εισόδου της εμφανίζεται στην Εικόνα 3.6. Εικόνα 3.6: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρικού σίδερου. 35
Φορητός Ηλεκτρονικός Υπολογιστής: Τέλος, εξετάστηκε η ηλεκτρική συμπεριφορά ενός φορητού ηλεκτρονικού υπολογιστή. Όπως ήταν αναμενόμενο το ρεύμα εισόδου του φορτίου παρουσιάζει πλούσιο αρμονικό περιεχόμενο και έντονες διακυμάνσεις, που οφείλονται τόσο στην τροφοδοσία μέσω διακοπτικού τροφοδοτικού όσο και στις μεταβολές της απαιτούμενης ισχύος για την λειτουργία του υπολογιστή. Η μέση τιμή της ισχύος στο διάστημα λειτουργίας που παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.7 είναι 80 Watt. Εικόνα 3.7: Κυματομορφή ρεύματος λειτουργίας ηλεκτρονικού φορητού υπολογιστή. 3.3 Εξέταση Συνδυασμένης Λειτουργίας Ηλεκτρικών Συσκευών Το δεύτερο σκέλος των πειραματικών μετρήσεων περιλαμβάνει καταγραφές στις οποίες παρουσιάζονται διαδοχικές ενεργοποιήσεις συσκευών με σκοπό την εξέταση της συνδυασμένης λειτουργίας τους σε μία κοινή ηλεκτρική εγκατάσταση. Με αυτό τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα παρατήρησης του τρόπου επιρροής της εκκίνησης ενός φορτίου στην εικόνα του συνόλου των ενεργοποιημένων συσκευών. Οι μετρήσεις αυτές χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια στον έλεγχο και στη βελτίωση του αλγορίθμου εύρεσης συμβάντος που είναι και ο τελικός σκοπός της παρούσας εργασίας. 1ο Σενάριο Συνδυασμένης Λειτουργίας: Το πρώτο σενάριο συνδυασμένης λειτουργίας που εξετάστηκε περιλάμβανε τις δύο ακραίες καταστάσεις λειτουργίας του αερόθερμου, και την εκκίνηση της μηχανής του καφέ. Αναλυτικότερα, αρχικά ενεργοποιήθηκε ο ανεμιστήρας του αερόθερμου ενώ στη συνέχεια και με επαρκή 36
χρονική διαφορά μεταξύ τους, ενεργοποιήθηκαν η λειτουργία πλήρης θέρμανσης του αερόθερμου και η μηχανή του καφέ. Οι μεταβολές στην απαιτούμενη ισχύ με βάση το παραπάνω σενάριο παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.1 ενώ στις Εικόνες 3.8 και 3.9 παραθέτονται οι γραφικές παραστάσεις του ρεύματος εισόδου κατά τις δύο προβλεπόμενες αλλαγές στον αριθμό των ενεργών φορτίων. Φορτία Ισχύς Εισόδου ( Watt ) Αερόθερμο NL Αερόθερμο FL Αερόθερμο NL + Αερόθερμο FL Μηχανή καφέ Ποσοστιαία μεταβολή ισχύος 13 1813 13846 % 1813 2713 49,65 % Πίνακας 3.1: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 1ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας. Εικόνα 3.8: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 1ης μεταβολής του 1ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας. Εικόνα 3.9: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 2ης μεταβολής του 1ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας. 37
2ο Σενάριο Συνδυασμένης Λειτουργίας: Το δεύτερο σενάριο συνδυασμένης λειτουργίας περιλάμβανε τρεις από τις έξι διαθέσιμες συσκευές. Αρχικά σε λειτουργία τέθηκε μόνο το ηλεκτρικό σεσουάρ μαλλιών ενώ στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε εκκίνηση του φορητού υπολογιστή. Με αυτό τρόπο εξετάστηκε η επίδραση που επιφέρει στο εξεταζόμενο σύστημα η είσοδος ενός φορτίου με σημαντικό αρμονικό περιεχόμενο, σε μια υπάρχουσα ωμική κατά κύριο λόγο φόρτιση. Τέλος πραγματοποιήθηκε εκκίνηση της λειτουργίας του ανεμιστήρα που διαθέτει το αερόθερμο. Η είσοδος του φορτίου αυτού έχει ιδιαίτερη σημασία, αφού δίνεται η δυνατότητα εξέτασης της περίπτωση εισόδου στο σύστημα φορτίων χαμηλής ισχύος. Στον Πίνακα 3.2 δίνεται η συνοπτική παρουσίαση του σεναρίου, ενώ στις Εικόνες 3.10-13 παρουσιάζεται το ρεύμα εισόδου κατά τις δύο μεταβολές. Πιο συγκεκριμένα στην Εικόνα 3.10 που παρατίθεται, παρουσιάζεται το συνολικό χρονικό διάστημα κατά το οποίο εξετάζεται η διακύμανση του ρεύματος, ενώ στην Εικόνα 3.11 γίνεται μία συγκριτική παράθεση σε κοινό διάγραμμα της κυματομορφής του μεγέθους πριν και μετά την πραγματοποίηση του συμβάντος με σκοπό την καλύτερη κατανόηση και εποπτεία των μεταβολών. Φορτία Ισχύς Εισόδου ( Watt ) Σεσουάρ FL Laptop Σεσουάρ FL + Laptop Αερόθερμο NL Ποσοστιαία μεταβολή ισχύος 1100 1180 7,27 % 1180 1193 1,1 % Πίνακας 3.2: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 2ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας. Εικόνα 3.10: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 1ης μεταβολής του 2ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας. 38
Εικόνα 3.11: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.10 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα. Εικόνα 3.12: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 2ης μεταβολής του 2ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας. Εικόνα 3.13: Συγκριτική παρουσίαση τριών περιόδων λειτουργίας της κυματομορφής της Εικόνας 3.12 σε δύο διαφορετικά χρονικά διαστήματα. 39
3ο Σενάριο Συνδυασμένης Λειτουργίας: Στο τρίτο σενάριο επιχειρήθηκε η είσοδος δύο φορτίων μικρής ισχύος και έντονου αρμονικού περιεχομένου, στην αρχικά αποκλειστική λειτουργία ενός ενεργοβόρου ωμικού φορτίου. Ποιο συγκεκριμένα, η μοναδική εν λειτουργία συσκευή ήταν το αερόθερμο σε πλήρη θερμική ισχύ ενώ στην συνέχεια ενεργοποιήθηκαν, διαδοχικά, ο φορητός υπολογιστής και ο φορτιστής του κινητού τηλεφώνου. Τα μεγέθη της μεταβολής της ισχύος παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.3 ενώ στις Εικόνες 3.14-17 δίνονται πληροφορίες για τη στιγμιαία τιμή του ρεύματος εισόδου κατά τη διάρκεια των μεταβάσεων. Φορτία Ισχύς Εισόδου ( Watt ) Αερόθερμο FL Laptop Αερόθερμο FL + Laptop Φορτιστής Ποσοστιαία μεταβολή ισχύος 1800 1880 4,45 % 1880 1893 0,69 % Πίνακας 3.3: Συνοπτική παρουσίαση μεταβολών 3ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας. Εικόνα 3.14: Κυματομορφή ρεύματος εισόδου της 1ης μεταβολής του 3ου σεναρίου συνδυασμένης λειτουργίας. 40