Abstract
With the arrival of smart grid era and the advent of advanced communication and information infrastructures, bidirectional communication, advanced metering infrastructure, energy storage systems and home area networks would revolutionize the patterns of electricity usage and energy conservation at the consumption premises. Coupled with the emergence of vehicle-to-grid technologies and massive distributed renewable energy, there is a profound transition for the energy management pattern from the conventional centralized infrastructure towards the autonomous responsive demand and cyber-physical energy systems with renewable and stored energy sources. Under the sustainable smart grid paradigm, the smart house with its home energy management system (HEMS) plays an important role to improve the efficiency, economics, reliability, and energy conservation for distribution systems. In this paper, a brief overview on the architecture and functional modules of smart HEMS is presented. Then, the advanced HEMS infrastructures and home appliances in smart houses are thoroughly analyzed and reviewed. Furthermore, the utilization of various building renewable energy resources in HEMS, including solar, wind, biomass and geothermal energies, is surveyed. Lastly, various home appliance scheduling strategies to reduce the residential electricity cost and improve the energy efficiency from power generation utilities are also investigated
چکیده
با ورود به عصر شبکه هوشمند و پیشرفت فناوری‌های ارتباطی پیشرفته و زیرساخت‌های اطلاعاتی، ارتباط دوطرفه، زیرساخت‌های اندازه‌گیری پیشرفته، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و شبکه‌های خانگی، الگوهای استفاده از برق و صرفه‌جویی انرژی در مصرف‌کننده متحول شده است. در راستای ظهور فناوری‌های خودروی برقی متصل به شبکه و انرژی تجدید پذیر پراکنده در مقیاس وسیع، تغییرات شگرفی در الگوی مدیریت انرژی از زیرساخت‌های متمرکز متداول به سیستم‌های انرژی سایبری-فیزیکی و پاسخگویی به تقاضای بار به‌صورت خودکار با منابع انرژی تجدید پذیر و ذخیره شده صورت گرفته است. تحت الگوی شبکه هوشمند پایدار، خانه هوشمند با سیستم مدیریت انرژی خانگی (HEMS) نقش مهمی در بهبود بازدهی، اقتصاد، قابلیت اطمینان، و صرفه‌جویی انرژی در سیستم‌های توزیع ایفا می‌کند. در این مقاله، مروری کوتاه بر ساختار معماری و ماژول‌های عملیاتی HEMS هوشمند ارائه شده است. سپس، زیرساخت‌های HEMSی پیشرفته و لوازم‌خانگی در خانه‌های هوشمند به طور کامل تجزیه‌وتحلیل و بررسی شده است. علاوه بر این، استفاده از منابع مختلف انرژی تجدید پذیر در HEMS از جمله خورشیدی، بادی، زیست‌توده و زمین‌گرمایی مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت، استراتژی‌های مختلف برنامه‌ریزی لوازم‌خانگی برای کاهش هزینه برق مسکونی و بهبود بازدهی انرژی از تجهیزات تولیدکننده برق نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
1-مقدمه
در سال 1998، موسسه تحقیقات نیروی برق (EPRI) تحقیقی در رابطه با سیستم/شبکه تعاملی پیچیده برای توسعه یک شبکه کاملاً خودکار و بسیار قابل‌اطمینان در ایالات‌متحده انجام داد که نمونه اولیه شبکه هوشمند ایالات‌متحده است. از زمانی که EPRI به طور رسمی اصطلاح شبکه هوشمند را در سال 2002 پیشنهاد کرد، مفهوم شبکه هوشمند به طور گسترده برای اشاره به روند توسعه آتی شبکه‌های نیرو پذیرفته شده است. با استفاده از اصطلاح "شبکه هوشمند"، کشورهای اروپایی پلت فرم فناوری شبکه‌های هوشمند اروپایی را در سال 2005 بنیان گزاری کرده و سپس یک گزارش تحقیقاتی در سال 2006 برای تدوین جامع مفاهیم و چارچوب شبکه هوشمند اروپا راه‌اندازی کردند. سپس دپارتمان انرژی ایالات‌متحده گزارشی با عنوان شبکه هوشمند در دسامبر 2007 انتشار داد که ایده‌ها و مفاهیم اروپایی را در شبکه هوشمند ایالات‌متحده ادغام می‌کرد تا از روند به‌سوی پیشرفت تأمین انرژی سبز قابل‌اعتمادتر و پایدارتر پشتیبانی کند. در سال‌های اخیر، توسعه زیرساخت شهر هوشمند مدرن یک اولویت مشترک جهانی در بیشتر کشورها شده زیرا مزایای بزرگ زیست‌محیطی، اقتصادی، و اجتماعی دارد. به طور خاص، استفاده هوشمند از نیروی برق در طرف تقاضا نقش مهمی در بهبود پایداری و صرفه‌جویی در مصرف انرژی برای کاربران نهایی خانه داشته و همچنین روی الگوی مصرف برق رفتارهای روزانه افراد تأثیرگذار است. پیشرفت‌های اخیر در فناوری اطلاعات و ارتباطات، از جمله زیرساخت‌های اندازه‌گیری پیشرفته (AMI)، فناوری‌های هوشمند سنسور، ارتباط دوطرفه، لوازم‌خانگی هوشمند، شبکه‌های خانگی (HAN)، سیستم ذخیره‌سازی انرژی در خانه (HESS) و غیره توسعه یافته‌اند. در نتیجه، این روند رو به رشد اساس فنی و زیرساخت‌های خانه‌های هوشمند با سیستم مدیریت انرژی خانه (HEMS) را فراهم می‌کند. HEMS هوشمند یک سیستم ضروری خانگی برای مدیریت موفق طرف تقاضای شبکه‌های هوشمند است. این سیستم لوازم‌خانگی مختلف را در زمان واقعی بر اساس ترجیحات کاربر از طریق رابط انسان-ماشین در خانه‌های هوشمند مورد نظارت قرار داده و مرتب می‌کند تا در هزینه برق صرفه‌جویی شده و بهره‌وری استفاده از انرژی بهبود پیدا کند. با نگرانی رو به رشد در مورد امنیت انرژی جهانی و انتشارات زیست‌محیطی، نسل‌های تجدید پذیر توزیع شده تری مانند توربین‌های بادی، پنل های خورشیدی و خودروهای الکتریکی پلاگین (PEVs) و غیره با نفوذ تدریجاً در حال افزایش در شبکه‌های توزیع فعال ادغام می‌شوند. همراه با توسعه سریع الکترونیک نیروی پیشرفته و فناوری انرژی‌های جایگزین، ایجاد منابع انرژی ذخیره شده و تجدید پذیر نصب شده در منازل می‌تواند به‌منظور بهره‌وری تبدیل و استفاده از انرژی در خانه‌ها در HEMS گنجانده شود. در نتیجه، این امر منجر به انتقال اساسی سیستم‌های مدیریت انرژی مدرن از زیرساخت‌های سنتی متمرکز به سمت پاسخ به تقاضای مستقل و HEMSs سایبری-فیزیکی با مناطق جغرافیایی زیادی از منابع انرژی ذخیره شده و تجدید پذیر در سراسر سیستم‌های نیروی هوشمند می‌شود....