Jak zintegrować licznik energii z Home Assistant?

Popularna Supla MEW-01 lub Shelly 3EM są drogie a ponieważ chcę mieć dokładne pomiary, zastanawiałem się jak niedrogo zintegrować licznik energii elektrycznej z HA?

Świadomość energetyczna powinna być jednym z najważniejszych elementów budowania domowego budżetu. Szczególnie w obecnych, niepewnych czasach, gdzie na każdym kroku słyszy się o podwyżkach cen: ogrzewania, prądu, gazu itd. Moim zdaniem społeczeństwo pod tym względem zbyt długo było nauczone stabilizacji i mówię to również w swoim imieniu. Sam, jako przykładny obywatel dostawałem od dostawcy energii prognozę, którą grzecznie i z pokorą co miesiąc opłacałem, nie bardzo mając wiedzę, co i w jakim stopniu składa się na zużywany przeze mnie prąd. Stwierdziłem, że muszę zgłębić swoją wiedzę w tej kwestii by bardziej świadomie a przede wszystkim oszczędniej konsumować nabywany od energetyki prąd. Temat powinien być bliski każdemu, ponieważ w czasach zapowiadanych podwyżek i szalejącej inflacji oszczędności przekładają się na realne pieniądze, które mogą stanowić sporą część domowego budżetu.

Jaki licznik wybrałem do integracji z Home Assistant?

Jako, że z powodzeniem użytkuję Home Assistanta w swoim mieszkaniu, zapragnąłem mieć informacje o zużyciu energii w jednym, łatwo dostępnym miejscu. Zacząłem się wczytywać w gotowe rozwiązania różnych producentów do monitoringu zużywanej energii elektrycznej. Oczywiście warunkiem koniecznym była dostępność integracji z HA. Tak wybór padł na licznik 3-fazowy OR-WE-516 (sporo tańszy od Supla MEW-01 i Shelly 3EM), który to posiada przemysłowy międzynarodowy protokół komunikacji Modbus oficjalnie wspierany przez Home Assistant. Wspomniany licznik wraz z konwerterem USB-RS485 AVTMOD03 został dostarczony na testy dzięki uprzejmości firmy ORNO GROUP Sp. z o.o.

3-fazowy licznik OR-WE-516 z certyfikatem MID montowany na szynę DIN TH-35 mm

W liczniku za pośrednictwem wyświetlacza LCD 6+2 mamy możliwość podglądu tylko wybranych wskazań, natomiast pełna gama dostępnych odczytów wymaga podłączenia się przez protokół Modbus-RTU. Producent w swojej ofercie posiada konwerter AVTMOD03, który umożliwia tłumaczenie komunikatów RS-485 (Modbus) na standard USB. W Internecie można znaleźć konwertery na RJ-45 (TCP/IP), natomiast chcąc zachować pełną kompatybilność urządzeń a tym samym oszczędzić sobie ewentualnych problemów zdecydowałem się użyć dedykowanego przedstawionego poniżej konwertera.

Do podłączenia magistrali RS-485 należy zastosować dwu-żyłowy przewód LiYCY, lub dwu-parowy ekranowany przewód Li2YCY (2×2 skręcone przewody). Przy tych przewodach możemy prowadzić magistrale na odległość nawet kilkuset metrów. Do krótkich odcinków można z powodzeniem użyć skrętki komputerowej F/UTP lub S/FTP cat 6 (sprawdź stare i nowe nazewnictwo skrętek). W moim przypadku odległość rozdzielnicy w której zamontowany jest licznik do szafy rack wynosiła raptem 4 m, dlatego zdecydowałem się na kabel F/UTP cat 6. Jako D+/D- użyłem pary zielonej, natomiast pozostałe żyły wraz z ekranem zostały podłączone do szyny wyrównania potencjałów (listwy z uziemieniem skrzynki rozdzielczej) by nie indukowały się w nich ładunki elektryczne mogące wprowadzać zakłócenia. Przewody magistrali D+/D- podpinamy równolegle: „A” do „A” (złącze 21), „B” do „B” (złącze 20).

Podłączenie licznika zostawiłem elektrykowi posiadającemu odpowiednie uprawnienia.

Integracja licznika z Home Assistant

Po podpięciu konwertera USB – RS-485 do serwera z Home Assistant musimy namierzyć ścieżkę urządzenia. Często w Internecie podawany jest przykład /dev/ttyUSB0, natomiast ja takiego wskazania nie preferuję. Raz, że posiadam już inne urządzenie USB podpięte pod serwer HA – bramkę Zigbee. Ponadto numeracja portów ttyUSB może ulec zmianie. Preferuję, zatem bezpośrednie namierzenie urządzenia w lokalizacji /dev/serial/by-id po ID urządzenia, które jest unikalne i stałe. W moim przypadku urządzenie AVTMOD03 zostało wykryte jako/dev/serial/by-id/usb-FTDI_USB__-__Serial_Cable_AVTMOD03-if00-port0 i taki też wpis użyję w konfiguracji.

Niestety integrację Modbus musimy ręcznie wpisać w plik konfiguracyjny. W tym celu użyłem dodatku „Studio Code Server” by zedytować plik configuration.yaml serwera Home Assistant. Warto na tym etapie wygooglować sobie rozpiskę rejestrów, na których licznik publikuje dane. Dla prezentowanego w artykule OR-WE-516 taki spis dostępny jest na stronie producenta: na karcie produktu, w sekcji „Pliki do pobrania” znajdziemy plik „OR-WE-516_MODBUS_Registers_List.pdf”. Na początek dopiszmy odczytanie jednego komunikatu:

modbus:   – name: hub1     type: serial     baudrate: 9600     port: /dev/serial/by-id/usb-FTDI_USB__-__Serial_Cable_AVTMOD03-if00-port0     bytesize: 8     method: rtu     parity: E     stopbits: 1     timeout: 2     sensors:       – name: Licznik1_L1_Voltage         unit_of_measurement: V         device_class: voltage         slave: 1         address: 0xE         data_type: float32

W pierwszej sekcji podajemy parametry połączenia. Wskazujemy, że jest to typ połączenia „serial”, jako port wskazujemy nasz konwerter, podajemy też prędkość transmisji, bit stopu, metoda rtu. Kolejną sekcją są sensory, gdzie podajemy:

• nazwę (dowolna acz unikalna nazwa encji)
• jednostkę miary
• typ klasy encji
• slave, to ID urządzenia modbus. Domyślnie licznik posiada ID 1, natomiast do magistrali Modbus możemy podpiąć wiele urządzeń (np. kilka liczników), wtedy każde z nich musi mieć unikalne ID
• adres komunikatu w HEX z rozpiski rejestrów naszego licznika (w rozpisce producenta dla „L1 Voltage” podany jest adres 000E, dlatego w konfiguracji użyty został adres 0xE)

Po zapisaniu zmian i zrestartowaniu serwera Home Assistant, w narzędziach programistycznych powinniśmy ujrzeć naszą encję. Jeżeli tak się stało to w analogiczny sposób dodajemy kolejne sensory do pliku konfiguracyjnego.

Jeżeli coś poszło nie tak, możemy włączyć w pliku konfiguracyjnym szczegółowe logowanie

logger:   default: info   logs:     homeassistant.components.modbus: debug     pymodbus: debug

Może nam to pomóc w diagnozie problemu. Po pomyślnym uruchomieniu komunikacji zalecam wyłączyć to logowanie.

Moduł „Energia” w Home Assistant wymaga by encje posiadały odpowiednią jednostkę, typ i stan klasy. Dla przykładu „Total Active Energy” wyglądać powinien następująco:

– name: Licznik1_Total_Active_Energy         unit_of_measurement: kWh         device_class: energy         state_class: total_increasing         slave: 1         address: 0x100         data_type: float32         precision: 2

Przede wszystkim jednostka musi być wyrażona w „kWh”. Jeżeli Wasz licznik podaje wynik w „Wh” to możemy użyć „scale” by podzielić wynik przez 1000. W „precision” określamy ilość miejsc po przecinku. Klasa encji musi być ustawiona na „energy”, natomiast stan jako „total_increasing”. Jeżeli nie spełnimy tych trzech warunków, nie będziemy w stanie wybrać takiej encji w module „Energia”.

Pełna konfiguracja jaką obecnie używam do integracji licznika z HA to:

modbus:   – name: hub1     type: serial     baudrate: 9600     port: /dev/serial/by-id/usb-FTDI_USB__-__Serial_Cable_AVTMOD03-if00-port0     bytesize: 8     method: rtu     parity: E     stopbits: 1     timeout: 2     sensors:       – name: Licznik1_L1_Voltage         unit_of_measurement: V         device_class: voltage         slave: 1         address: 0xE         data_type: float32       – name: Licznik1_L2_Voltage         unit_of_measurement: V         device_class: voltage         slave: 1         address: 0x10         data_type: float32       – name: Licznik1_L3_Voltage         unit_of_measurement: V         device_class: voltage         slave: 1         address: 0x12         data_type: float32       – name: Licznik1_L1_Active_Power         unit_of_measurement: W         device_class: power         slave: 1         address: 0x1E         data_type: float32         scale: 1000       – name: Licznik1_L2_Active_Power         unit_of_measurement: W         device_class: power         slave: 1         address: 0x20         data_type: float32         scale: 1000       – name: Licznik1_L3_Active_Power         unit_of_measurement: W         device_class: power         slave: 1         address: 0x22         data_type: float32         scale: 1000       – name: Licznik1_Total_Active_Power         unit_of_measurement: W         device_class: power         slave: 1         address: 0x1C         data_type: float32         scale: 1000       – name: Licznik1_L1_Active_Energy         unit_of_measurement: kWh         device_class: energy         state_class: total_increasing         slave: 1         address: 0x102         data_type: float32         precision: 2       – name: Licznik1_L2_Active_Energy         unit_of_measurement: kWh         device_class: energy         state_class: total_increasing         slave: 1         address: 0x104         data_type: float32         precision: 2       – name: Licznik1_L3_Active_Energy         unit_of_measurement: kWh         device_class: energy         state_class: total_increasing         slave: 1         address: 0x106         data_type: float32         precision: 2       – name: Licznik1_Total_Active_Energy         unit_of_measurement: kWh         device_class: energy         state_class: total_increasing         slave: 1         address: 0x100         data_type: float32         precision: 2       – name: Licznik1_L1_Current         unit_of_measurement: A         device_class: power         slave: 1         address: 0x16         data_type: float32         precision: 2       – name: Licznik1_L2_Current         unit_of_measurement: A         device_class: power         slave: 1         address: 0x18         data_type: float32         precision: 2       – name: Licznik1_L3_Current         unit_of_measurement: A         device_class: power         slave: 1         address: 0x1A         data_type: float32         precision: 2

Warto tu zaznaczyć, że nie mam instalacji fotowoltaicznej lub innego źródła do produkcji energii elektrycznej, której nadmiar mógłbym oddawać do sieci, dlatego mogłem bez przeszkód użyć komunikatów „Total Active Energy”. Jeżeli posiadamy fotowoltaikę lub turbinę wiatrową a więc możemy oddawać energię elektryczną do sieci to polecam użyć komunikatów „Forward Active Energy” i „Reverse Active Energy”, by dokładniej wiedzieć ile z sieci pobraliśmy a ile do sieci oddaliśmy.

Moduł „Energia” w Home Assistant

W celu skonfigurowania ustawień modułu Energy udajemy się do Ustawienia -> Dashboardy -> Energia.

• jako „użycie energii z sieci” wybieramy encję „Total Active Energy” lub „Forward Active Energy”
• jeżeli oddajemy nadmiar energii do sieci to w „Produkcja do sieci” wybieramy encję „Reverse Active Energy” (pamiętajmy by takową encję wcześniej skonfigurować)
• jeżeli mamy instalację PV i udało nam się zintegrować falownik z Home Assistantem to w polu „Panele słoneczne” możemy wskazać odpowiednią encję
• w „Poszczególne urządzenia” możemy wskazać encje zużycia energii elektrycznej dla poszczególnych faz.

Efekty naszej pracy możemy obserwować w zakładce „Energia”.

Prócz modułu „Energia” skonfigurowałem na głównym ekranie encje, które informują mnie o aktualnym poborze energii z podziałem na poszczególne fazy. Taki obraz sprawdza się idealnie w śledzeniu i monitorowaniu aktualnego zużycia – możemy włączyć i wyłączyć konkretne urządzenie i zobaczyć jak zmienia się aktualne zużycie oraz na której fazie wpięte jest dane urządzenie.

Jak licznik pomaga w obserwacjach zużycia energii elektrycznej?

Jak wspomniałem na początku artykułu, głównym założeniem podczas montażu licznika była chęć zgłębienia wiedzy na temat ilości zużywanego przeze mnie prądu i poznania składowych zużywanej energii elektrycznej. Z uwagi na nadchodzące widmo wysokich cen prądu elektrycznego (po przekroczeniu zapowiadanego na rok 2023 limitu rocznego zużycia prądu do wartości 2000 kWh), również chęć poszukania oszczędności.

Odczyty poboru prądu przez poszczególne urządzenia elektryczne były prowadzone na zasadzie obserwacji poboru mocy chwilowej (W), wykresów przebiegu tego poboru w czasie oraz wyciągnięciu średniej. Dlatego większość wskazań podana będzie w Watach (jednostka W), a przy urządzeniach, które pobór mają na stałym i niezmiennym poziomie wynik będzie przeliczany na Watogodziny (jednostka Wh), która to określa ilość zużytej energii w czasie. Mam świadomość, że obserwowane wyniki mają charakter orientacyjny ale jednocześnie w moim przekonaniu są wystarczające by zorientować się ile pobierają poszczególne urządzenia w domu oraz jak wpływają na ogół zużywanej energii.

W każdym domu są urządzenia, które dla utrzymania minimalnego komfortu musimy używać – mam tu na myśli sprzęt AGD. Z moich obserwacji wychodzi, że…

Lodówka

Bosch KGN36MLES zużywa od 4 W do 45 W, co uzależnione jest od pracy agregatu chłodniczego na co duży wpływ ma sposób korzystania z lodówki (otwieranie i zamykanie drzwi oraz wkładanie do niej nowych produktów wymagających schłodzenia). Dla mojej lodówki dość ciekawie wygląda przedstawiony poniżej wykres zużycia prądu.

Na powyższym wykresie widzimy pobór prądu na fazie L3, na której znajdują się tylko gniazdka kuchenne oraz oświetlenie pokoi. Specjalnie wybrałem wycinek od godz. 22:00 do 9:00, ponieważ  w tym okresie oświetlenie nie było włączane a jedynym sprzętem pobierającym w tym czasie energię elektryczną była lodówka. Zauważalny jest powtarzalny schemat zużycia energii ~30 min po 45 W i ~20 min po 4 W. Daje to w przybliżeniu 686 Wh w ciągu doby, czyli 21 kWh miesięcznie, około 250 kWh rocznie.

Płyta indukcyjna

Bosch PIF651FB1E o mocy 7 400 W przy używaniu jednego pola zużywa:

• 950 W przy mocy ustawionej na „7”
• 1 370 W przy mocy ustawionej na „8”
• 2 150 W przy mocy ustawionej na „9”
• 3 750 W przy mocy ustawionej na „boost”

Pralka

Beko MWUE9636CWE pobiera stosunkowo niewiele, bo 50 – 55 W średnio podczas jednego cyklu prania. Oczywiście, są chwilowe „piki”, np. 100 W podczas wirowania lub nawet 2 100 W podczas podgrzewania wody, ale na tle całego procesu prania nie wpływa to znacząco na pomiar.

Suszarka

Beko MDH8634RXS, mimo pompy ciepła i klasy A+++ pobiera ~450 W. Zakładając, ze cykl suszenia trwa ok 4,5 h daje to 2 kWh na jeden cykl suszenia. Jeżeli będziemy wykonywać takie suszenie raz w tygodniu, to miesięcznie da to 8 kWh a rocznie nawet 100 kWh.

Klimatyzacja

Gree Amber Standard o mocy 3,5 kW latem, zaraz po włączeniu potrafi pobrać z sieci nawet 750 W, natomiast gdy schłodzi pomieszczenie i jedynie utrzymuje zadaną temperaturę to pobór spada do okolic 450 W.

Przechodząc płynnie do sprzętu RTV, to mogłem porównać dwa telewizory.

Telewizor

Pierwszy to LG OLED 55″ FHD (55EG910V), który wg. tabliczki znamionowej potrafi pobrać maksymalnie nawet 320 W. Podczas oglądania filmu na platformie streamingowej pobierał ok. 70 W. Dodam, że telewizor ma już przeszło 5 lat. Dla porównania kupiony w tym roku TCL 43″ QLED 4K (43C725), którego pobór prądu wg. tabliczki wynosi 115 W, podczas oglądania tego samego materiału (ta sama scena) pobierał ok. 50 W. Rzuca się w oczy niewielka, bo 20 W różnica między telewizorami.

Ile prądu pobiera komputer?

Komputer… to dla mnie niesamowita zagadka i odkrycie, którego się nie spodziewałem. Gdy pierwszy raz spojrzałem ile pobiera z gniazdka mój zestaw i ujrzałem wynik ok 200 W w idle (pulpit) to przyznam, że lekko oniemiałem. Mój zestaw to raczej wyższa półka (i7-12700k, RTX2080ti, monitor 27″ 165 Hz oraz dodatkowy 24″ 60 Hz), ale takiego poboru podczas spoczynku się nie spodziewałem. Jeszcze większym zaskoczeniem był wynik po wyłączeniu monitorów – pobór spadł do okolic 85 W (tyle de facto zużywa sam PC). Okazało się bowiem, że najwięcej z zestawu zużywa nie PC a monitor Dell nanoLED 27″ 165 Hz (S2721DGF) – około 90 W.

Policzmy zatem ile taki zestaw kosztowałby mnie podczas pracy na Home Office. Przyjmując wspomniane 200 W i pracę przez 8 h dziennie, przez 5 dni w tygodniu, wychodzi ok. 33 kWh miesięcznie, rocznie da to ok 416 kWh. Wydaje się dużo na tle „widma” limitu rocznego na poziomie 2 000 kWh, natomiast może się to okazać niewielką kwotą (nawet licząc po cenie 2 zł. za 1 kWh) w porównaniu do ewentualnych kosztów dojazdu do firmy (np. paliwa, biletów PKP lub PKS). A co z pozostałym sprzętem?

Ile prądu zużywa NAS, router, Access Point itd.

Jak się okazało spory apetyt na prąd ma mój sprzęt sieciowy. Jeszcze do niedawna było to stałe 100 W pobierane przez 24/7, co przekładało się na ¹/₃ mojego ogólnego rachunku za prąd (72 kWh miesięcznie, 876 kWh rocznie). Na to zużycie składały się:

• router ER-12
• switch PoE Unifi US8-150W
• 2x Access Point Unifi U6-Lite
• UPS Eaton 650 W
• Dell 3050 (w roli serwera Home Assistant)
• NAS Synology 4x HDD, 2x SSD, 2x NVMe

Dodam, że domowa serwerownia ma osobne opomiarowanie przez „wtyczkę Tuya”, która mierzy zużycie prądu przez sprzęt sieciowego na fazie L1. Oczywiście pomiar przez tego typu „wtyczkę” może nie być dokładny ale pozwala poznać skalę zużycia energii elektrycznej przez „domową serwerownię” w ciągu dnia na tle ogólnego zużycia prądu w moim domu.

Po analizie okazało się, że z całego sprzętu połowę energii pobierał NAS, tj. 50 W, co przekładało się na zużycie na poziomie 36 kWh miesięcznie i 438 kWh rocznie. Dzięki tej wiedzy dokonałem rewizji konfiguracji NAS-a, co w efekcie pozwoliło mi na znaczne obniżenie zużycia prądu. W pierwszej kolejności wymieniłem dyski twarde z HDD na SSD. W ten sposób zmniejszyłem zużycie NAS-a o połowę czyli z 50 do 25 W. Dodatkowo ustawiłem harmonogram by NAS wyłączał się o godzinie 22:00 i włączał o 8:00. Te dwa proste zabiegi wg. moich obliczeń powinny pozwolić na zmniejszenie zużycia do poziomu 46 kWh miesięcznie i 565 kWh rocznie…

Inteligentny licznik – słowo na koniec

… Czy 310 kWh w skali roku to dużo? Daje to 217 zł licząc energię elektryczną po cenie 70 gr za 1 kWh. Może to nie spektakularna oszczędność, ale przy cenie 2 zł za 1 kWh już tak (2 zł x 310 kWh = 620 zł). W moim przypadku przy zużyciu ok. 200 kWh w miesiącu wrześniu można przyjąć okolice 2 400 – 2 500 kWh rocznie, więc każda oszczędność pozwalająca zmniejszyć zużycie prądu i zbliżyć się do poziomu 2 000 kWh jest warta rozważenia i wdrożenia w życie (dołożę starań aby w 2023 r. z zużyciem prądu zejść poniżej 2 000 kWh).

Temat oszczędzania prądu jest teraz modny a w mediach pełno jest rad, które praktycznie nic nie wnoszą. Teoretycznie zużycie poszczególnych urządzeń możemy zrobić „ręcznie” do czego można wykorzystać opisany tu bezpłatny kalkulator: Jak obniżyć zużycie prądu – kalkulator, jednak realną wiedzę uzyskamy tylko na podstawie rzeczywistych pomiarów. Dlatego zdecydowanie polecam każdemu montaż inteligentnego licznika prądu – fachowo powinienem napisać „podlicznika”, bo przecież każdy ma już licznik założony przez energetykę, ale w praktyce z licznika energetyki niewiele można się dowiedzieć. Możliwość nadzorowania i analizy zużycia energii elektrycznej powinno wejść każdemu w krew. Nawet jeżeli nie mamy w planach integrować licznika z żadnym systemem, to przy regularnym odczytywaniu i na podstawie jego ogólnych wskazań możemy badać zużycie np. miesiąc do miesiąca, rok do roku i na tej podstawie wychwytywać „anomalie” w naszej konsumpcji. Analizy należy dokonywać stosunkowo często a ponieważ ludziom wiele drobiazgów lubi „uciekać” z pamięci warto robić regularne notatki o zmianach, czyli o dodaniu lub usunięciu urządzeń zużywających prąd, lub o zmianach w ustawieniach tych urządzeń (np. w moim przypadku zmiana harmonogramów pracy NAS-a). Integrację liczników z Home Assistant gorąco polecam osobom, które mają instalację fotowoltaiczną (zwróćcie uwagę, aby wybrany przez Was licznik poza MID-em i Modbusem miał jeszcze dwukierunkową komunikację – licznik OR-WE-516 takową posiada). Pozwoli to na badanie zależności produkcji, zużycia (w tym autokonsumpcji), poboru i sprzedaży z dokładnością do konkretnej godziny. Taka wiedza pozwoli na lepsze zrozumienie i wykorzystanie produkowanej przez panele lub turbiny energii elektrycznej.

O autorze

Na imię mam Michał, z wykształcenia i z zawodu jestem „Administratorem Systemów i Sieci”. Przez ponad 7 lat tworzyłem alternatywne oprogramowanie na routery „Tomato by Shibby”, co było dla mnie swoistym hobby, przyjemnym choć mocno czasochłonnym. Posiadam bogatą wiedzę z zakresu systemów Linux, Windows Server oraz rozległych sieci LAN/WLAN. Lubię szukać nowych tematów, nowych wyzwań, samodoskonalenie sprawia mi masę przyjemności. Lubię dzielić się wiedzą, pomagać innym, doradzać w tematach, w których czuję się dobry, dlatego też od lat prowadzę forum o tematyce sieciowej OpenLinksys.info.

Obecnie swoje zainteresowania skupiłem w kierunku biznesowych rozwiązań sieciowych, np. EdgeRouter, oraz Unifi. Mocno zainteresował mnie również temat Home Assistanta i procesów Node Red.