img

کاربرد اینترنت اشیاء در صنعت برق کشور

/
/
/

با تمرکز بر اهمیت شبکه های هوشمند توزیع برق کشور و تعامل آن با مفهوم شهر هوشمند

خلاصه
رشد جمعیت موجب شده که مصارف انرژی های آب، برق و سوختهای فسیلی نیز افزایش یابد. با مصرف منابع طبیعی با این روند افزایشی، دیری نمیپاید که این منابع به اتمام برسند و تمامی فرزندان زمین از این نعمت الهی بی بهره بمانند. از این رو فناوریهای پیشرفته به کمک بشریت آمدهاند تا بخشی از مشکلات را رفع نمایند.
با بکارگیری از فناوریهای پیشرفته و ادغام آنها با یکدیگر از جمله سخت افزار، نرم افزار و هوش مصنوعی، تمامی مراحل و فرایندهای تولید، نظارت، نگهداری و مصرف هوشمند خواهند شد و این مهم، نقش بسزایی در حفاظت از انرژی ایفا میکند. با توجه به گسترش روزافزون بحث اینترنت اشیاء و ورود آن به حوزه های مختلف علوم مهندسی نیاز به بررسی بیشتر و دقیق تر در حوزه صنعت برق حس می شود.
در این مطالعه، ابتدا تعارف و مفاهیم اولیه اینترنت اشیاء بیان گردیده و سپس به هوشمند سازی و کاربردهای اینترنت اشیاء در بخشهای مختلف شهر هوشمند و به صورت خاص منظوره شبکه های هوشمند توزیع برق مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. امید است با این مطالعه بتوانیم یک دید کلی از بکارگیری فناوریهای مهم و جدید کسب کرده و از کاربرد آنها به خصوص شبکه های هوشمند توزیع برق در تمامی مراحل تولید انرژی کشور بهره ببریم.
کلمات کلیدی: اینترنت اشیاء، شهر هوشمند، شبکه‌های هوشمند توزیع برق، انرژی، هوشمند سازی، شبکه هوشمند

۱- مقدمه
کیفیت برق برای شبکه های توزیع بسیار مهم است و مانند بسیاری از موارد در زندگی، کیفیت نسبت به مقدار اهمیت بیشتری دارد. برق الکتریکی که به خانه ها و کسب و کار منتقل میشود، به طور فزایندهای از مجموعهای از منابع مهم تولید میشود. این منابع از انرژیهای غیر مجاز (گاز و ذغال سنگ) به انرژیهای تجدید پذیر مانند باد و خورشید متکی هستند. اینترنت اشیاء با فناوری بیسیم ،میتواند در داراییهای صنعت برق و زیرساختها به منظور کاهش مصرف برق و تسریع در روند بررسی خرابیها و سرویسهای پشتیبانی مورد استفاده قرار گیرد .به کمک زیرساختها و معماری فناوری اینترنت اشیاء میتوان میلیونها دستگاه را با یکدیگر مرتبط کرد و از راه دور فرایندها را کنترل نمود. هوشمند سازی به کمک فناوری اینترنت اشیاء از مباحث پیشرفته و داغ بوده که امروز به طور گسترده در حال بررسی و توسعه است. محیط دیجیتال گنجینهای از اطلاعات را ایجاد میکند که به اشیاء هوش و دانش تعبیه میکند. ارزش افزوده اشیای هوشمند موجب صرفه جویی در هزینه‌ها و افزایش کارایی فرایندها و در دراز مدت این امر موجب رشد اقتصادی نیز میگردد.

کاربرد اینترنت اشیاء در صنعت برق کشور
شکل ۱ – مدل مرجع ارائه شده برای اینترنت اشیاء توسط سازمان ITU [5]

۲- اینترنت اشیاء
برای اولین بار در سال ۱۹۹۹ توسط کوین اشتون مفهوم جدیدی معرفی شد که در آن هر چیزی برای خود هویت دیجیتال داشته باشد و بتوان به کمک کامپیوترها آنها را مدیریت کرد، این مفهوم با نام «اینترنت اشیاء» معرفی شد. در واقع اینترنت اشیاء هر شی را به هر کسی در یک شبکه جهانی یکپارچه متصل میکند. تمامی افراد ،شبکه‌های حمل و نقل، منابع طبیعی و تمام اشیای موجود به پلتفرم اینترنت اشیاء متصل خواهند شد [۵,۱]. کمپانی سیسکو به این مفهوم ،»اینترنت همه چیز» می گوید و اینترنت همه چیز را آخرین موج از اینترنت متصل کننده اشیاء با هدف راحتی و بهره وری بیشتر و ایمنی میداند. کمپانی IBM این مفهوم را به عنوان یک وب جهانی جدید که در آن همه دستگاه‌ها قادرند برای دستگاه‌های دیگر پیام ارسال کنند میداند. کمپانی جنرالالکتریک به این مفهوم نام اینترنت صنعتی را اختصاص داده است [۲]. در واقع هر کسی به هر نحوی آیندهی همراه با اینترنت اشیاء را تشریح می کند ولی نکته اصلی این است که همگی بر این باورند، اینترنت اشیاء قادر است جهان را به صورت بنیادین تغییر دهد. در مفهوم اینترنت اشیاء، دستگاه‌های هوشمندی وجود دارند که با یکدیگر و محیط اطراف خود از طریق تبادل داده‌های جمع آوری شده به کمک حسگرهای هوشمند داده تعامل دارند [۳]. این دستگاه‌های هوشمند میتوانند نسبت به رویدادهای رخ داده در محیط اطراف خود با استناد به داده‌های جمعآوری شده و تحلیلهای صورت گرفته روی داده‌ها، واکنش نشان داده و پردازشهای مورد نیاز نسبت به آن رویداد خاص را انجام و در واقع محیط را تحت تاثیر قرار دهند. یک مدل ساده از سیستم اینترنت اشیاء در واقع دارای ۳ مولفه می باشد که این مولفه‌ها عبارتند از:
۱- گره‌های شبکه به عنوان حسگرهای هوشمند داده: تمامی گره‌های شبکه که می توانند شامل دستگاه‌ها ،حسگرها و تجهیزاتی که قابلیت اتصال به زیرساخت اینترنت اشیاء و تبادل داده و اطلاعات دارند.
۲- زیرساخت ارتباطی: زیرساخت ارتباطی می تواند در واقع یک مجموعه ابر برای یکپارچهسازی، ذخیره داده و انجام محاسبات باشد.
۳- واسطهای مدیریت کننده برنامه‌های کاربردی: شامل تمامی ابزارهای نرم افزاری مورد استفاده در یک سیستم اینترنت اشیاء که با زیرساخت اینترنت اشیاء ارتباط نزدیک دارند. [۴]
همانطور که در شکل شماره ۱ مشاهده می شود، سازمان ITU برای اینترنت اشیاء معماری ۴ لایه ای ارائه داده است که در آن قابلیت های امنیت و مدیریت با هر ۴ لایه ارائه شده در اتباط هستند. در این معماری ۴ لایه معرفی شده عبارتند از: لایه دستگاه، لایه شبکه، لایه پشتیبان و لایه کاربرد [۶ ,۵].
لایه کاربرد در این معماری در واقع شامل کاربردهای اینترنت اشیاء میشود که این کاربردها به کمک واسطها، امکان ارائه سرویسهای اینترنت اشیاء را فراهم میکنند. لایه پشتیبان در این معماری از دو دسته قابلیت از جمله قابلیتهای پشتیبانی عمومی و قابلیتهای پشتیبانی خاص تشکیل شده است. قابلیت های پشتیبانی عمومی شامل قابلیتهای مشترکی مانند پردازش داده و ذخیرهسازی داده که میتوانند توسط کاربردهای مختلف اینترنت اشیاء استفاده شوند. در نقطه مقابل قابلیتهای پشتیبانی خاص، قابلیتهایی برای کاربردهای مختلف و متنوع در نظر گرفته شدهاند و میتوانند نیازهای مورد نیاز کاربردهای متفاوت را برطرف کنند. لایهی بعدی، لایه شبکه که دارای دو بخش ظرفیت شبکه و ظرفیت انتقال است. ظرفیت شبکه توابع مربوط به کنترل ارتباطات شبکهای مانند: احراز هویت، کنترل دسترسی و حسابرسی (AAA) و مدیریت تحرک است. ظرفیت انتقال روی برقراری ارتباط به منظور انتقال داده‌ها و اطلاعات کنترلی و مدیریتی تمرکز دارد. در نهایت به لایه دستگاه می رسیم که این لایه دارای دو بخش دستگاه و درگاه است که در ارتباط با نحوه برقراری ارتباط اولیه دستگاه‌های موجود در اکوسیستم اینترنت اشیا بحث میکند. [۶]

کاربرد اینترنت اشیاء در صنعت برق کشور
شکل ۲ – چارچوب کلی ساختار شهر هوشمند و نحوه تعامل اجزای آن

۳- هوشمند سازی
امروزه به موازات گسترش مفهوم اینترنت اشیاء، مفهوم دیگری تحت عنوان «شهر هوشمند» در حال گسترش میباشد. در این قسمت ارتباط مفهوم هوشمند سازی و اینترنت اشیاء مورد بررسی قرار گرفته میشود.
همانطور که در شکل شماره ۲ مشاهده میشود ،چارچوب کلی ساختار شهر هوشمند در واقع تعامل حکمرانی هوشمند، مردم هوشمند و زیرساختهای هوشمند میباشد که در این بین حکمرانی هوشمند با فراهم کردن زیرساختهای هوشمند زیرساخت مورد نیاز برای توسعه شاخصهای زندگی سالم را برای شهروندان فراهم میکند و در طرف مقابل شهروندان بازخوردهایی را برای بهبود و تعالی شاخصهای زندگی سالم به حکمرانی هوشمند انتقال میدهند .در واقع شهر هوشمند، شهری است که با سرمایه گذاری در سرمایه‌های انسانی و زیرساختهای ارتباطی از جمله حمل و نقل هوشمند، شبکه توزیع برق هوشمند، انرژی هوشمند، سلامت و مراقبتهای بهداشتی هوشمند باعث رشد اقتصادی و کیفیت بالای زندگی شود .شهر هوشمند همان طور که در شکل شماره ۳ مشاهده میشود دارای مولفه‌های متعددی مانند حکمرانی هوشمند، انرژی هوشمند، ساختمان هوشمند، حمل و نقل هوشمند، زیرساخت هوشمند، تکنولوژی هوشمند، سلامت و مراقبت های بهداشتی هوشمند و شهروند هوشمند میباشد[۱۱ ,۱۰]. یکی از زیرساختهای مهم و حیاتی در بحث شهر هوشمند، مفهوم شبکه‌های توزیع برق هوشمند است که در شکل شماره ۳ نشان داده شده است و در حوزه انرژی هوشمند مورد استفاده قرار میگیرد.
در واقع شبکه هوشمند توزیع برق به شرکت توزیع برق امکان نظارت و کنترل از راه دور و حتی اخذ داده‌ها و اطلاعات و پایش آنها به صورت برخط فراهم میکند. هوشمند سازی شبکه توزیع برق در شکل شماره ۴ نشان داده شده است و دارای مزایایی از جمله: کاهش خاموشی، افزایش کیفیت برق، کاهش تلفات شبکه، استفاده بهینه از زیرساخت موجود، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای از طریق استفاده بهینه از منابع مختلف انرژی، مدیریت مصرف برق با استفاده از وسایل اندازه گیری هوشمند و به کمک حسگرهای هوشمند داده، مدیریت بار و صرفه جویی انرژی است.[۱۲]

کاربرد اینترنت اشیاء در صنعت برق کشور
شکل ۳ – حوزه های مختلف موجود در شهر هوشمند

۴- کاربرد اینترنت اشیاء در توزیع و تولید/ انرژی
کیفیت برق برای شبکه‌های توزیع بسیار مهم است و مانند بسیاری از موارد در زندگی، کیفیت نسبت به مقدار اهمیت بیشتری دارد. برق الکتریکی که به خانه‌ها و کسب و کار انتقال داده می شود، به طور فزاینده ای از مجموعه ای از منابع مهم تولید می شود. این منابع از انرژی های غیر مجاز (گاز و ذغال سنگ) به انرژی های تجدید پذیر مانند باد و خورشید متکی هستند .یکی از حوزه هایی که اینترنت اشیاء میتواند کمک به سزایی برای بهبود و توسعه آن داشته باشد، حوزه ی شبکه‌های توزیع برق میباشد. فناوری اینترنت اشیاء ویژگیهایی مانند گردآوری داده ها، انتقال مطمئن و پردازش هوشمند را دارا بوده که فضای مناسبی برای فعالیت در حوزه شبکه های توزیع برق فراهم می کند. بعضی از کاربردهایی که اینترنت اشیاء در شبکه های هوشمند برق فراهم میکند بشرح لیست ذیل است[۹ ,۸ ,۷]. در واقع با گسترش اینترنت اشیاء و فراهم کردن سندهای راهبردی میتوان اینترنت اشیاء را برای شبکه های توزیع برق در کشور پیاده سازی کرد تا توانایی استفاده از مزایای شبکه‌های هوشمند توزیع برق در کشور وجود داشته باشد.[۱۲]
۱- پایش هوشمند شبکه های انتقال، تبدیل و توزیع برق کشور: در این حالت با قرار دادن دستگاه‌های مناسب در شبکه توزیع برق می توان داده‌های مورد نیاز را از شبکه‌های انتقال، تبدیل و توزیع برق دریافت کرد و سپس با تحلیل اطلاعات دریافتی، تصمیمات کنترلی و مدیریتی مناسب را اتخاذ نمود. با استفاده از تکنولوژی اینترنت اشیاء میتوان توان مصرفی شبکه‌های هوشمند توزیع برق را کنترل کرد و در صورت گذر از میزان تعریف شده، تصمیمات کنترلی مناسب را اتخاذ کرد. بدین ترتیب با این کاربرد امکان نظارت و کنترل از راه دور روی تجهیزات الکتریکی وجود دارد.
۲- پایش برخط و پیوسته خطوط و دکل های انتقال برق کشور: به کمک این مساله امنیت و قابلیت اطمینان شبکه‌های هوشمند توزیع برق تأمین میشود و این امر نیاز به کارایی کامل و صحت عملکرد هر یک از اجزای موجود در شبکه های هوشمند توزیع برق دارد. یکی از مهمترین کاربردهای اینترنت اشیاء در شبکه‌های هوشمند توزیع برق، پایش و نظارت بر خطوط و دکلهای انتقال برق میباشد که این تجهیزات باید از لحاظ شرایط مکانیکی، امنیت فیزیکی و شرایط محیطی به صورت پیوسته پایش شوند. امروزه رباتهای هوشمندی با نام Drones با بکارگیری از ظرفیت و بستر این فناوری مهم، نظارت، بازرسی و اخذ گزارشات خرابی را از دکلهای دور و غیر قابل دسترس دریافت کرده و به صورت آنلاین به مراکز سرور و یا پایگاه داده منتقل میکند تا در سریعترین و مناسبترین زمان ممکن عکس العمل مناسب صورت پذیرد.
۳- مدیریت دارایی های شبکه توزیع برق کشور: شبکه توزیع برق در تمامی نقاط کشور گسترده شده است و دارای تجهیزات بسیار زیاد و حیاتی درون سیستم خود می باشد. برای این نیازمند یک سازوکار مناسب برای پایش وضعیت تجهیزات و بررسی طول عمر مفید آنها می باشیم که به کمک اینترنت اشیاء و کارگذاری برچسب های مناسب روی تجهیزات و قرار دادن حسگرهای هوشمند داده در خطوط انتقال شبکه توزیع برق کشور وضعیب تجهیزات به صورت پیوسته پایش میشود و در صورت نیاز به تعویض و یا تعمیر تجهیزات شبکه توزیع برق این امر در سریعترین زمان ممکن صورت میپذیرد تا از خرابیهای احتمالی بعدی پیشگیری شود. به کمک این کار میتوان از هدر رفت برق کشور و همچنین کاهش کیفیت برق تولیدی در کشور جلوگیری کرد.
۴- سرویس های مربوط به خانه هوشمند: یکی از کاربردهای اینترنت اشیاء بحث خانه‌های هوشمند می باشد. استفاده از سرویس برق هوشمند در خانه هوشمند یکی از الزامات مطرح در این حوزه است. یکی از موارد پرمصرف در خانه هوشمند که با شبکه‌های هوشمند توزیع برق در ارتباط است، استفاده از کنتورهای هوشمند برق می باشد که به کمک حسگرهای هوشمند داده جزئیات اطلاعات مرتبط به مصرف برق مشترکین به دست می آید تا با انجام تجزیه و تحلیل های لازم روی داده های به دست آمده زمان اوج مصرف و میزان مصرف برق به دست آید تا بتوان عملیات نظارت و اتخاذ تصمیم های کنترلی را به صورت بهینه انجام داد. علاوه بر موارد بیان شده می توان به سیستم حمل و نقل هوشمند اشاره کرد که داشتن شبکه های هوشمند توزیع برق در کنار حضور سیستم حمل و نقل هوشمند از اجزای مهم یک شهر هوشمند به حساب میآیند. [۹ ,۸ ,۷]
در راستای اهداف بلند مدت صنعت برق ایران جهت ایجاد شبکه هوشمند انرژی، بعنوان اولین گام، طرح ملی فراسامانه هوشمند اندازهگیری و مدیریت انرژی که به اختصار فهام نامیده میشود بعنوان سیستم اندازهگیری هوشمند انرژی برای ایران تعریف و مشخصات آن با توجه به نیازمندیهای وزارت نیرو و نفت از سوی سازمان بهرهوری انرژی ایران تدوین گردید. در چارچوب این طرح برای یک میلیون مشترک برق در ۶ استان ایران کنتورهای هوشمند نصب میشود. به گفته مسئولین فهام این طرح برای اجرا نیاز به ۶۰ هزار میلیارد ریال اعتبار دارد. اهداف مدنظر در طرح ملی فهام عبارتند از: فراهم شدن بستر اصلاح الگوری مصرف، بسترسازی مناسب برای اجرای کامل قانون هدفمند کردن یارانه ها، امکان اعمال مدیریت بار توسط بهره بردار شبکه در شرایط عادی و اضطراری، کاهش دخالت و خطای نیروی انسانی در قرائت و صدور قبض و بهبود وصول مطالبات، کاهش تلفات غیر فنی و مشخص سازی و مانیتورینگ تلفات فنی شبکه توزیع برق کشور، فراهم آوردن بستر مناسب جهت قرائت مکانیزه کنتورهای آب و گاز.

کاربرد اینترنت اشیاء در صنعت برق کشور
شکل ۴ – مزیت های استفاده از شبکه های هوشمند توزیع برق

۵- نتیجه گیری
در دنیای امروزی دو مفهوم اینترنت اشیاء و شهر هوشمند دارای نقش کلیدی می باشند. گسترش روزافزون اینترنت اشیاء موجب ورود هوشمندانگی در تمامی جنبه های زندگی شده است. یکی از این حوزه‌ها شهر هوشمند می باشد .شهر هوشمند دارای اجزای مختلفی مانند: سلامت هوشمند، حکمرانی هوشمند، حمل و نقل هوشمند، شبکه های توزیع برق هوشمند، انرژی هوشمند، کشاورزی هوشمند، ساختمان و خانه هوشمند است. موردی که در این مقاله به بررسی اهمیت آن و کاربرد اینترنت اشیاء در حوزه‌های مختلف صنایع، از جمله حوزه شبکه های هوشمند توزیع برق در صنعت برق که یکی از ارکان اصلی و مهم در بنیان گذاری شهر هوشمند است، پرداخته شد.
پیاده سازی شبکه‌های هوشمند توزیع برق نتایج و مزیتهای بسیار چشم گیری خواهند داشت که در ادامه به صورت خلاصه به دو مورد آن اشاره میشود. مورد اول مدیریت آنی فرایندها مانند تجزیه و تحلیل به موقع داده ها و ارائه بینش و دستورالعمل جدید، تجزیه و تحلیل به موقع داده ها به منظور ارائه تصمیمات مهم و حیاتی، تجزیه و تحلیل به موقع جهت پیش بینی های آتی در نگهداری انرژی میباشد و مورد دوم افزایش بهره وری مانند ایجاد موج جدید در تقویت خدمات در چند بعد اساسی در اقتصاد، قادر ساختن مصرف کنندگان در مدیریت انرژی و همچنین ایجاد ارزش افزوده در ارائه خدمات و کسب درآمد.
نتیجه گیری نهایی این مقاله پیاده سازی طرح شبکه های هوشمند توزیع برق در سطح کلان و در سطح شرکت های برق منطقه ای است که این طرح به اهمیت بسیار زیاد تعامل تکنولوژی اینترنت اشیاء و شبکه های توزیع برق اشاره میکند. این طرح میتواند نتایجی از جمله ۱( تسریع در روند تصمیم گیری مدیران با توجه به ارسال داده‌ها و گزارشات زمان واقعی ۲( جلوگیری از هدر رفتن انرژی و مصارف به رویه ۳( تأمین انرژی از منابع تجدید پذیر مانند باد و خورشید ۴( سرویسهای به مراتب با کیفیت بالاتر و هزینه‌های پایین به مشتریان در برداشته باشد.

مراجع

A. Al-Fuqaha, M. Guizani, M. Mohammadi, M. Aledhari, «Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies, Protocols, and Applications», in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 4, pp. 2347-2376, 2016.

Ed. Holler, «From machine-to-machine to the Internet of things: introduction to a new age of intelligence», Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2014.

L. Belli, S. Cirani, L. Davoli, «Applying Security to a Big Stream Cloud Architecture for the Internet of Things», International Journal of Distributed Systems and Technologies (IJDST), 7(1), 37-58, 2016.

A. Botta, W. Donato, V. Persico, «Integration of Cloud computing and Internet of Things: A survey», Future Generation Computer Systems, Volume 56, Pages 684-700, March 2016.

K. Ashton, «That ‹Internet of Things», ۲۲ June 2009. [Online]. Available: http://www.rfidjournal.com/articles/view?4986.

«Overview of the Internet of Things», Recommendation ITU-T Y.2060, International Telecommunication Union (Telecommunication Standardization Sector), Jul. 2012.

J. Liu, X. Li, X. Chen, Y. Zhen, and L. Zeng, «Applications of Internet of Things on Smart Grid in China,» International Conference on
Advanced Communication Technology (ICACT2011), pp.13-17, .1102

L. Hua, Z. Junguo, and L. Fantao, «Internet of Things Technology and its Applications in Smart Grid», TELKOMNIKA Indonesian Journal of
Electrical Engineering, pp. 940 – ۹۴۶, Feb 2014.

O. Vermesan, P. friess, «Internet of Things – from Research and Innovation to Market Deployment», River Publishers, 2014.

A. Zanella, N. Bui, A. Castellani, L. Vangelista and M. Zorzi, «Internet of Things for Smart Cities,» in IEEE Internet of Things Journal, vol. 1, no. 1, pp. 22-32, Feb. 2014.

J. Jin, J. Gubbi, S. Marusic and M. Palaniswami, «An Information Framework for Creating a Smart City Through Internet of Things,» in IEEE Internet of Things Journal, vol. 1, no. 2, pp. 112-121, April 2014.

Miao Yun and Bu Yuxin, «Research on the architecture and key technology of Internet of Things (IoT) applied on smart grid,» ۲۰۱۰ International Conference on Advances in Energy Engineering, Beijing, 2010, pp. 69-.27

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

It is main inner container footer text