Kotitalouden energian optimoinnista puhuttaessa huomio siirtyy helposti automaatioihin, ohjaussääntöihin ja optimointialgoritmeihin. Niiden alla on kuitenkin yksi kerros, jota ilman mikään niistä ei voi toimia luotettavasti: mittaus.
Ohjausjärjestelmän pitää tietää riittävän tarkasti, mitä talossa tapahtuu juuri nyt, mitä on tapahtunut hetki sitten ja reagoiko laite annettuun käskyyn odotetulla tavalla. Muuten päätös tehdään oletusten eikä todellisen tilannekuvan perusteella.
Mittaus ei ole optimoinnin lisäominaisuus. Se on päätöksenteon lähtökohta.
Mittaus on enemmän kuin kulutusraportti
Monessa kodissa sähkönkulutusta voidaan tarkastella jälkikäteen energiayhtiön palvelusta tai kotiautomaation historiasta. Se on hyödyllistä analyysia varten, mutta ohjaus tarvitsee usein eri tyyppistä tietoa.
Jos järjestelmän tehtävä on estää pääsulakkeen ylikuormitus, tunnin tai edes useiden minuuttien viiveellä päivittyvä energiadata ei riitä. Jos taas arvioidaan rakennuksen lämpötilan hidasta kehitystä, sekunnin välein päivittyvä mittaus olisi tarpeettoman tiheä.
Siksi mittauksen laatua ei voi kuvata yhdellä sanalla kuten “reaaliaikainen”. Olennaisempia kysymyksiä ovat:
- mitä suuretta mitataan
- kuinka tarkasti sitä pitää mitata
- kuinka usein arvo päivittyy
- kuinka vanhaa tietoa ohjaus vielä saa käyttää
- mitä tehdään, jos mittaus puuttuu tai muuttuu epäluotettavaksi
Energia kertoo kertymän, teho hetkellisen tilanteen
Edellisessä osassa erotettiin toisistaan energia ja teho. Mittauksen kannalta ero on olennainen.
Energia kertoo, kuinka paljon sähköä on käytetty tai tuotettu tarkastelujakson aikana. Teho kertoo, kuinka suuri kuormitus tai tuotanto on kyseisellä hetkellä tai lyhyellä mittausjaksolla.
Energiadata soveltuu esimerkiksi kustannusten, kulutuksen ja tuotannon seurantaan. Tehotieto on puolestaan keskeinen silloin, kun ohjaus joutuu reagoimaan nopeasti kokonaiskuormaan, aurinkoylijäämään tai pääsulakkeiden rajoihin.
Toimiva energianhallinta tarvitsee yleensä molempia. Niitä vain käytetään eri tarkoituksiin ja eri aikaskaaloilla.
Mitä energiakeskuksesta pitää tietää?
Mittausarkkitehtuuria ei kannata rakentaa ajatuksella, että kaikki mahdollinen data kerätään varmuuden vuoksi. Parempi lähtökohta on kysyä, mitä tietoa järjestelmä tarvitsee tehdäkseen päätöksiä.
Liittymän kokonaiskuormitus
Talon verkkoliittymä on luonnollinen järjestelmäraja. Sieltä tarvitaan tilanteesta riippuen kokonaistehoa, vaihekohtaisia virtoja tai tehoja sekä ostetun ja verkkoon viedyn energian määrää.
Tämä mittaus kertoo, mitä koko talo tekee riippumatta siitä, ovatko kaikki yksittäiset laitteet muuten integroitavissa energianhallintaan.
Tuotanto ja mahdollinen akku
Aurinkosähköstä tarvitaan ainakin tuotannon teho silloin, kun järjestelmä ohjaa omakäyttöä tai ylijäämää. Akun kanssa mukaan tulevat lataus- ja purkuteho, varaustila sekä käytettävissä oleva kapasiteetti.
Pelkkä invertterin tuotantoluku ei vielä kerro, paljonko aurinkosähköä on talon muiden kuormien jälkeen oikeasti käytettävissä uuteen ohjaukseen. Siksi tuotanto pitää nähdä suhteessa liittymän kokonaisvirtaan.
Suuret ohjattavat kuormat
Sähköauton latauksesta, lämpöpumpusta, käyttöveden lämmityksestä ja muista suurista kuormista tarvitaan juuri sen verran tietoa kuin niiden turvallinen ohjaaminen edellyttää.
Joissakin tapauksissa riittää tieto todellisesta ottotehosta. Toisissa tarvitaan lisäksi esimerkiksi varaustila, lämpötila, käyntitila, tavoitearvo tai tieto siitä, onko laite ylipäätään käytettävissä ohjaukseen.
Lämpöjärjestelmä ja rakennus
Lämmityksen optimointi tarvitsee sähkötehon lisäksi tietoa siitä, mitä lämmöllä tapahtuu. Relevantteja mittauksia voivat olla esimerkiksi meno- ja paluulämpötila, käyttöveden lämpötila, sisä- ja ulkolämpötila sekä lämpöpumpun oma käyntitila.
Näiden avulla voidaan arvioida, kuinka paljon lämmitystä voi aikaistaa tai viivästää ilman, että mukavuus tai laitteen turvalliset toimintarajat vaarantuvat.
Datan tuoreus on osa mittausta
Yksi helposti sivuun jäävä kysymys on mittausarvon ikä. Arvo voi näyttää täysin järkevältä ja olla silti ohjauksen kannalta käyttökelvoton, jos se on liian vanha.
Siksi järjestelmän ei pitäisi tietää vain arvoa, vaan myös se, milloin arvo on viimeksi vahvistettu käyttökelpoiseksi. Tätä voidaan käsitellä esimerkiksi aikaleimalla, ikärajalla tai erillisellä validiteettitiedolla.
Tehorajan suojauksessa hyväksyttävä datan ikä voi olla hyvin lyhyt. Rakennuksen sisälämpötilassa sama vaatimus voi olla paljon väljempi. Aikaskaala pitää siis määrittää mittauskohtaisesti.
Jos kriittinen tieto vanhenee, järjestelmän pitää myös tietää, miten toimitaan. Turvallinen vaihtoehto voi olla esimerkiksi estää uuden suuren kuorman käynnistyminen, mutta sallia laitteen oma normaali perustoiminta.
Käsky ei ole sama asia kuin toteutunut tila
Yksi automaatiojärjestelmien yleisistä virheistä on käsitellä annettua komentoa todisteena siitä, että haluttu asia tapahtui.
Järjestelmä voi esimerkiksi käskeä releen päälle. Viesti voi mennä perille ja releen ohjelmallinen tila muuttua, mutta kuorma ei silti välttämättä käynnisty. Kontaktori voi olla viallinen, laitteen oma suojaus voi estää käynnin tai yhteys varsinaiseen kuormaan voi olla poikki.
Siksi luotettava ohjaus tarvitsee mahdollisuuksien mukaan takaisinmittauksen: näkyykö odotettu teho, muuttuiko prosessin tila ja saavutettiinko tavoiteltu vaikutus?
Ohjausjärjestelmän pitää erottaa toisistaan “mitä käskin” ja “mitä tapahtui”.
Suljettu ohjauslooppi
Mittaus liittyy jatkuvaan ohjaussilmukkaan:
mittaus → tilannekuva → päätös → ohjaus → verifiointi → uusi mittausJokaisella vaiheella on oma tehtävänsä.
- Mittaus tuottaa havainnot järjestelmästä.
- Tilannekuva yhdistää mittaukset käyttökelpoiseksi järjestelmän tilaksi ja arvioi niiden tuoreuden.
- Päätös valitsee tavoitteen ja rajoitteiden perusteella halutun toiminnan.
- Ohjaus välittää komennon laitteelle.
- Verifiointi tarkistaa, tapahtuiko odotettu muutos.
Tämä eroaa olennaisesti avoimesta automaatiosta, joka antaa komennon ja siirtyy seuraavaan tehtävään tarkistamatta lopputulosta.
Kaikkia kuormia ei tarvitse mitata erikseen
Järjestelmätason mittaus ei tarkoita, että jokaiseen pistorasiaan tarvitaan oma energiamittari. Mittaustarve seuraa päätöksistä ja riskeistä.
Jos liittymän kokonaisteho tunnetaan luotettavasti ja sähköauton lataus on ainoa nopeasti ohjattava suuri kuorma, jo tämä voi riittää tehokkaaseen kuormanhallintaan. Jos taas järjestelmä yrittää arvioida lämpöpumpun hyötysuhdetta tai erottaa useita samanaikaisia joustavia kuormia toisistaan, tarkempia laitekohtaisia mittauksia tarvitaan.
Mittausarkkitehtuurin tavoite ei siis ole maksimaalinen määrä dataa, vaan riittävä havaittavuus suhteessa niihin päätöksiin, joita järjestelmä tekee.
Mitä tapahtuu, kun mittaus epäonnistuu?
Mittausjärjestelmä ei ole luotettava vain silloin, kun kaikki toimii. Arkkitehtuurin pitää määrittää myös puuttuvan, vanhentuneen ja ristiriitaisen datan käsittely.
Kaikille mittauksille ei tarvita samaa toimintatapaa. Jos historiatietoa puuttuu, optimointiennuste voi vain heikentyä. Jos liittymän hetkellinen kuormitus ei ole tiedossa, uuden suuren kuorman salliminen voi olla väärä päätös.
Siksi mittauksen yhteydessä pitää määrittää myös sen luotettavuussopimus: milloin arvo hyväksytään, milloin se katsotaan vanhaksi ja mikä on järjestelmän turvallinen toimintatapa sen jälkeen.
Mittaus ja HEOMF:n kypsyys
Mittauksen merkitys liittyy suoraan HEOMF:n kotitalouksien sähkönkäytön optimoinnin kypsyysmalliin. Kun järjestelmä kehittyy yksittäisistä ajastuksista kohti järjestelmätason optimointia, myös tilannekuvan vaatimukset kasvavat.
Korkeampi automaation taso ei synny vain lisäämällä enemmän ohjaussääntöjä. Sen pitää pystyä havaitsemaan järjestelmän tila, tekemään päätös sen perusteella ja varmistamaan päätöksen toteutuminen.
Mittaus määrittää, mihin järjestelmä pystyy
Mittaus ei ole vain historiadatan keräämistä raportteja varten. Historiadata on hyödyllistä analyysissa, ennusteissa ja järjestelmän kehittämisessä, mutta ohjaavan energianhallinnan kannalta mittauksen tärkein tehtävä on muodostaa riittävän luotettava tilannekuva päätöksentekoa varten.
Jos järjestelmä ei näe liittymän tehoa, se ei voi luotettavasti hallita sitä. Jos se ei tiedä laitteen todellista tilaa, se ei voi varmasti tietää onnistuiko ohjaus. Jos se ei tunnista vanhentunutta dataa, se voi tehdä teknisesti oikean päätöksen väärän lähtötiedon perusteella.
Mittauksen taso asettaa käytännössä ylärajan koko optimointijärjestelmän kyvykkyydelle.
Seuraavaksi järjestelmä pitää jakaa kerroksiin
Kun tarvittavat mittaukset ja ohjauslooppi on määritelty, seuraava kysymys on arkkitehtoninen: missä eri vastuut sijaitsevat ja mikä osa järjestelmästä saa tehdä mitäkin?
Osa 4: Energiajärjestelmän kerrosarkkitehtuuri käsittelee mittauksen, integraatioiden, päätöksenteon ja laiteohjauksen jakamista erillisiksi mutta toisiinsa liittyviksi kerroksiksi.
Optimoinnin arkkitehtuuri -sarjan pääsivulta löydät kaikki sarjan osat.