Master's Thesis

Microcontroller for intelligent purchase and sale of electricity in the home according to current spot prices

Final Thesis 3.6 MB Appendix 7.39 MB

Author of thesis: Bc. Vojtěch Vrzal

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Appel, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ondřej Richter

Abstract:

This thesis deals with the design and implementation of a low-cost system for the intelligent management of energy flows in households equipped with a photovoltaic power plant and battery storage. The main objective is to minimize electricity costs by optimizing its purchase and sale based on dynamic spot prices. For this purpose, custom hardware was developed using an STM32 microcontroller, which communicates with the inverter via an RS-485 bus, along with a software infrastructure utilizing a distributed Cloud-Edge architecture.

At the core of the entire solution is an optimization algorithm based on model predictive control (MPC). For its decision-making, it uses an artificial neural network to predict solar production and a statistical model to estimate household consumption. Based on this data, the system dynamically controls battery charging and discharging. Testing using real-world operational data confirmed the full functionality and reliability of the proposed system. The implementation of smart energy arbitrage has demonstrably reduced total operating costs. Thanks to very low production costs, the return on the initial hardware investment is achieved within one to two years.

Keywords:

spot electricity prices, energy management system, optimization algorithm, battery energy storage system

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji diplomovou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Jak byste charakerizoval přínos vaší metody v porovnání s řízením na základě dat z předchozího dne? Dle vaší zkušenosti a výsledků práce, vyplatí se investovat do solárního panelu? Existuje univerzální komunikační rozhraní pro měniče u tohoto typu aplikací? Co je myšleno stavem „teplota domu“? Obhajoba byla komisí hodnocena jako výborná.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (N-MET-P)

Composition of Committee

RNDr. Vladimír Opluštil (předseda)
doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (člen)
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
Ing. Peter Zavadinka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. David Fojtík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Appel, Ph.D.

Diplomová práce studenta Vojtěcha Vrzala se věnuje návrhu a realizaci systému pro inteligentní nákup a prodej elektrické energie v domácnosti podle aktuálních spotových cen. Téma je velmi aktuální a prakticky zaměřené, protože reaguje na rostoucí počet domácností s fotovoltaikou, bateriovým úložištěm a spotovým tarifem.

Velmi kladně hodnotím rozsah práce a propojení více oblastí. Student navrhl vlastní řídicí jednotku s mikrokontrolérem STM32, ethernetovým rozhraním, PoE napájením a komunikací s měničem přes RS-485. Současně vytvořil serverovou část, predikční model výroby FVE založený na neuronové síti, statistický model spotřeby domácnosti a optimalizační algoritmus MPC.

Za silnou stránku práce považuji, že výstupem není pouze simulace, ale funkční hardwarový prototyp a softwarová architektura schopná komunikovat s reálným fotovoltaickým měničem. Oceňuji také bezpečnostní logiku při výpadku komunikace, kdy se systém vrací do autonomního režimu střídače. Práce má potenciál pro praktické využití, protože hardwarové náklady jsou nízké a návratnost modulu vychází v řádu jednotek let.

K práci mám pouze dílčí výhrady. Ekonomický přínos MPC algoritmu je zatím doložen hlavně simulací na datech z reálného provozu a pouze pro zimní půlrok. Čistý rozdíl oproti standardnímu řízení baterie je v tomto období poměrně malý, i když je to vzhledem k nízké výrobě FVE pochopitelné. Pro úplné ověření by bylo vhodné dlouhodobé nasazení v reálném provozu včetně letního období a aktivního omezení výkonu FVE při záporných cenách.

Celkově hodnotím práci jako velmi kvalitní diplomovou práci s výrazným praktickým přínosem. Student prokázal schopnost propojit návrh elektroniky, embedded firmware, serverovou architekturu, predikční modely a optimalizační řízení do funkčního systému. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Ondřej Richter

Diplomová práce pana Vrzala se zabývá návrhem a realizací řídicího systému pro inteligentní energetický management domácnosti na základě aktuálních spotových cen.

Teoretická část se zaměřuje na principy fungování energetického trhu, mechanismy degradace akumulátorů a podrobně rozebírá algoritmy prediktivního řízení i predikční modely solární výroby. Autor se dále věnuje serverové architektuře a komunikačním rozhraním.Teoretická část vytváří vhodný základ pro následný návrh celého řešení.

V praktické části student definuje celkovou architekturu systému, navrhuje komunikační toky a vybírá vhodné komponenty, které přehledně porovnává v tabulkách.

V konstrukční části byl realizován vlastní hardware s mikrokontrolérem, přičemž navržená deska plošných spojů je z hlediska zpracování na velmi dobré úrovni. Po softwarové stránce student úspěšně implementoval predikce pomocí neuronové sítě a serverový backend. Velmi pozitivně oceňuji přehledné diagramy a názorné grafy, které výrazně přispívají k čitelnosti práce.

V testovací kapitole autor prezentuje ověření funkčnosti hardwaru a analýzu optimalizačního algoritmu v reálném provozu. Toto experimentální ověření významně přispívá k validaci navrženého řešení a hodnotím je velmi kladně.

Práce má vysokou technickou, grafickou i jazykovou úroveň. Stanovené cíle byly splněny. Práci hodnotím klasifikačním stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. V potenciálních zlepšeních hardwaru uvádíte možné využití výkonnější řady mikrokontrolérů STM32H7. Neuvažoval jste spíše nad novější řadou STM32N6, která disponuje dedikovanými hardwarovými akcelerátory přímo pro lokální běh neuronových sítí?
  2. V práci uvažujete lineární model degradace baterie. Jaký dopad by mělo použití nelineárního modelu stárnutí akumulátoru na výpočetní náročnost a výsledky optimalizačního algoritmu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová