Akıllı elektrik sayacı ile enerjinin takip ve kontrolü

Year 2023, Volume: 13 Issue: 4, 949 - 961, 15.10.2023

Mertcan Nane , Halil Gök , Ömür Akyazı , Canan Aksoy

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1227095

Abstract

Yaşantımızın her alanında ihtiyaç duyduğumuz elektrik enerjisi, kullanılan enerji kaynaklarının sınırlı olması ve enerjiye olan talebin sürekli olarak artması karşısında sürdürebilir olması için enerjinin verimli kullanılması gerekmektedir. Akıllı elektrik sayaçları, bağlı oldukları elektrik şebekesinin elektriksel değerlerini ölçen, ölçüm değerlendirmelerine bağlı olarak fatura hesabı çıkaran, haberleşme teknolojileriyle enerjiyi uzaktan takip ve kontrolünü (açma-kapatma) sağlayan akıllı ölçümleme cihazlarıdır. Bu çalışmada, tek fazlı akıllı elektrik sayacı tasarımı yazılımsal ve donanımsal olarak gerçekleştirilmiş olup laboratuvar ortamında test edilmiştir. Tasarımda kullanılan STM32F103 mikrokontrolcü ile alınan enerji ölçüm verileri, hem Wi-Fi hem de LoRa RF haberleşmesi ile aktarılmıştır. Bunlara ek olarak, mobil uygulama arayüzü geliştirilmiş ve tüm tüketim verileri tüketicilere cep telefonları üzerinden sunulmuştur. Deneysel çalışmaların sonucuna göre cihazın ölçüm doğruluğu %99’dan büyük olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, proje kapsamında LoRa RF haberleşme altyapısı kurulumu için elektrik sayaçların aynı zamanda modem olarak da kullanılabileceği gösterilmiştir.
Bu çalışmada, tek fazlı akıllı elektrik sayacı tasarlanmıştır. Tasarımı yapılan STM32F103 mikrokontrolcü tabanlı elektronik cihaz tarafından alınan enerji ölçüm verileri, MQTT haberleşme protokolü üzerinden Shifter.io Cloud sunucusuna aktarılmıştır. App Inventor programında tasarlanan mobil arayüzü uygulaması ile birlikte bahsi geçen tüm veriler bulut sunucusundan alınarak kullanıcılara arayüz ekranlarından anlık olarak akım, gerilim, güç ve fatura verileri hem sayısal hem de grafiksel olarak sunulmuştur. Bu bağlamda, kullanıcılar sürekli ve güncel olarak faturalarını takip edebileceğinden gereksiz harcamalarını azaltılmasını ve fatura fiyatlarını düşürülmesi sağlanacaktır. Ayrıca, kullanıcılar bu arayüz panelinde bulunan uzaktan enerji kesme özelliğiyle birlikte olası olağanüstü durumlarda (Doğal afet, yangın vb.) ya da ihtiyaç dahilinde enerjinin kontrolüne müdahale edebilmektedir. Çalışmada sunulan yöntem ile, akıllı elektrik sayaçlarının elektrik şebekesindeki kullanımının önemi vurgulanmıştır.

Keywords

Akıllı elektrik sayacı, Akıllı şebekeler, Enerji, Tasarruf, Uzaktan okuma, Verim

Supporting Institution

TÜBİTAK

Project Number

1919B012105708

Thanks

Bu çalışma, TÜBİTAK kurumunun 2209-A Üniversite Öğrencileri Araştırma Projeleri Destekleme Programı tarafından desteklenmiştir. Ayrıca, projemizin her aşamasında bizlere maddi ve manevi desteklerinden ötürü Of Teknoloji Fakültesi dekanlığına ve sayın dekanımız Prof. Dr. İrfan ACAR’a sonsuz teşekkürlerimizi sunarız.

Tracing and controls of energy with smart electricity meters

Abstract

The electrical energy we need in every aspect of our lives must be used efficiently in order to be sustainable in the face of the limited energy resources and the continuous increase in the demand for energy. One of the ways to use energy efficiently is to control the energy continuously with smart meters. Smart electricity meters are intelligent measuring devices that measure the electrical values of the connected electrical grid, generate billing based on measurement evaluations, and enable remote monitoring and control (switching on/off) of energy through communication technologies. In this study, the design of a single-phase smart electricity meter was carried out in software and hardware and tested in a laboratory environment. The energy measurements taken with the STM32F103 microcontroller used in the design were transferred via both Wi-Fi and LoRa RF communication. In addition, the mobile application interface has been developed and all consumption data is presented to consumers via mobile phones. According to the results of the experimental studies, it has been observed that the measurement accuracy of the device is greater than 99%. In addition, it has been shown that electricity meters can also be used as modems for the installation of LoRa RF communication infrastructure within the scope of the Project.

Keywords

Smart electricity meter, Smart grid, Energy, Saving, Remote reading, Efficiency

Project Number

1919B012105708

References

• Adrian, I.P., Alexandru, L., Eugen, C. (2019). LoRaWAN gateway: design, implementation and testing in real enviroment. 2019 IEEE 25th International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (SIITME)
• Ahmad. F. (2021). Computer networking layers based on the OSI model. Test Engineering and Management, 83, 6485-6495.
• Akkaya, O. S., & Soy, H. (2021). Hardware design of single-phase smart electricity meter based on multiple wireless connectivity technologies. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 32, 332-338. https://doi.org/10.31590/ejosat.1040829
• Aktaş, A. & Kırçiçek, Y. (2021). Solar hybrid systems for smart grids. ScienceDirect, 153–178. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-88499-0.00008-2
• Anup, M., Yaju, R., Ashish, S., Ajay, S., Anup, T., Francisco, G., Petr, K. & Seokjoo, S. (2021) Evaluation of a LoRa mesh network for smart metering in rural locations. Electronics, 10(6), 751. https://doi.org/10.3390/electronics10060751
• Bayindir, R., Colak, I., Fulli, G., & Demirtas, K. (2016). Smart grid technologies and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 66, 499-516. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.08.002
• Dileep, G. (2020). A survey on smart grid technologies and applications. Renewable Energy, 146, 2589-2625. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.08.092
• Düzgün, B. (2018). Türkiye elektrik iletim ve dağıtım şebekesinin enerji verimliliğinin değerlendirilmesi ve 2023 projeksiyonları. Politeknik Dergisi, 21(3), 621-632. https://doi.org/10.2339/politeknik.389604.
• Eldem, M.O. (2017). Akıllı şebekeler. TMMOB EMO Ankara Şubesi Haber Bülteni 2017/2, 6-9.
• Folasade, D., Sunday, O., Akinlolu, P. & Oluwafemi, S. (2021). Communication network simulation for smart metering applications: a reviwe. Journal of Innovative Science and Engineering, 5(2), 101-128. https://doi.org/10.38088/jise.835725
• Fredrik, E.A., Yun, A. & Michael, C. (2021). Communication technologies for smart grid: a comprehensive survey. Sensors, 21(23), 8087. https://doi.org/10.3390/s21238087
• İlisu, F., Kolukısa Tarhan, A., Kavak, K. (2020). Akıllı şebeke olgunluk modelinin dünya çapındaki uyarlamaları ve türkiye için öneriler. Bilişim Teknolojileri Dergisi, 13(2), 123-136. https://doi.org/10.17671/gazibtd.533221
• J.W. Fourie & J.E. Calmeyer. (2004). A statiscial method to minimize electrical energy losses in a local electricity distribution network. IEEE AFRICON. 7th Africon Conference in Africa, 667-673.
• Jixuan, Z., Li, L. & David, W.G. (2013). Smart meters in smart grid: an overwiev. IEEE Green Technologies Conference (GreenTech), 57-64. https://doi.org/10.1109/GreenTech.2013.17
• Karaman, B., Taşkın, S. & Tokay, M. (2021). Gerçek zamanlı enerji izleme ve tüketici farkındalığı için LabVIEW ™ programı ile otomatik sayaç okuma. International Journal of Advances in Engineering and Pure Sciences, 33(2) ,225-232. https://doi.org/10.7240/jeps.759782
• Kocaman, B. (2018). Teknik olmayan enerji kayıplarının azaltılmasında PLC sayaçlarının önemi. BEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 7(2), 220-230. https://doi.org/10.17798/bitlisfen.420198
• Martins, P., Oleskovicz, M. & Silva Pessoa, A. L. (2019). A Survey on smart grids: concerns, advances, and trends. 2019 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference- Latin America (ISGT Latin America), 1-6. https://doi.org/10.1109/ISGT-LA.2019.8895296
• MQTT, (2022). The standart for IoT messaging. https://mqtt.org/
• Önen, A., Kuran, M.Ş. (2015). Günümüzün ve geleceğin elektrik şebekeleri, Bilim ve Teknik Dergisi, 54-57.
• Salman, S. K. (2019). Evolution of conventional power systems to smart grids. 2019 54th International Universities Power Engineering Conference (UPEC), 1–6. https://doi.org/10.1109/UPEC.2019.8893444
• The HiveMQ Team, (2022). MQTT client and broker and MQTT server and connection establishment explained-MQTT essentials: part 3. https://www.hivemq.com/blog/mqtt-essentials-part-3-client-broker-connection-establishment/
• Win, H. (2017). Implementation of WiFi-based single phase smart meter for Internet of Things (IoT). 5th International Electrical Engineering Congress, 8(10).
• Xudong, H., Jian W., Jiqiang L., Enze Y., Kailun W., & Zhen H. (2021). Smart grid nontechnical loss detection based on power gateway consortium blockchain, Hindawi Security and Communication Networks, 2, 20. https://doi.org/10.1155/2021/9501572