توسعه شبكه های برق هوشمند در ایران

[آریوبرزن 13988]

[h=2]توسعه شبكه های برق هوشمند در ایران [/h]

مقدمه

در این مقاله به بررسی سیستم های هوشمند برق و كاربری های آن پرداخته می شود. معایب سیستم شبكه برق موجود در مقایسه با سیستم های برق هوشمند ارائه شده و مشخصه های اصلی شبكه های هوشمند بر اساس قابلیت آنها توضیح داده می شود. كاربری‌های این شبكه ها در مجموعه های زیرساخت اندازه گیری پیشرفته، پاسخ به تقاضا، منابع تولید پراكنده و ذخیره‌سازی، اتوماسیون توزیع، آگاهی فراگیر از موقعیت منطقه و حمل و نقل الكتریكی مورد بحث و بررسی قرار می گیرند. بررسی تكنولوژی ها و بسترهای مخابراتی مورد نیاز می پردازیم. در پایان وضعیت پروژه های اجرایی شبكه های برق هوشمند در ایران و سایر كشورهای دنیا مورد بحث قرار می گیرد.

[آریوبرزن 13988]

پیش زمینه شبكه های برق هوشمند

شبكه های موجود

عوامل اقتصادی، سیاسی و جغرافیایی در هر كشور می تواند تأثیر به سزایی بر روند توسعه و پیش‌برد شبكه-های برق داشته باشند. با این وجود سالیان طولانی است كه ساختار بنیادی و اولیه این شبكه ها همچنان به قوت خود باقی است. شبكه های برق موجود با ساختار سلسله مراتبی، توان تولیدی نیروگاه ها را با عبور ازشبكه های انتقال و توزیع به دست مصرف كننده می رسانند. شكل 1 بیانگر توپولوژی شبكه برق موجود است كه دارای ساختار سلسله مراتبی است كه نیروگاه های بزرگ (شامل نیروگاه های ذغالی/ گاز طبیعی، هسته ای، برق آبی) در بالاترین سطح این ساختار و دور از مصرف كنندگانی هستند كه در پائین ترین سطح این ساختار قرار گرفته اند. این شبكه ها در حالت كلی به صورت شاهراه های یك‌طرفه ای هستند كه كل برق تولیدی را به مشتركین تحویل می‌دهندو هیچ مسیر دوطرفه ای برای جریان برق و تبادل همزمان اطلاعات و تصمیم گیری در سطح سراسری شبكه برق وجود ندارد.

 

مسائل اساسی در شبكه های برق موجود به شرح زیر قابل بررسی است:

عدم كارآیی شبكه برق در مدیریت حداكثر تقاضا

ساختار شبكه كه به منظور كنترل نمودن حداكثر تقاضای بار كه متناظر با كل بار موجود در نظر گرفته شده است زیاد از حد لزوم طراحی شده است. حداكثر دیماند به ندرت بیش از یك دوره كوتاه مدت در زمان رخ می‌دهد و این موضوع سبب ناكارآمدی سیستم قدرت خواهد شد. بعلاوه شبكه برق می بایست توانایی تأمین مازاد معینی از برق را داشته باشد كه این مازاد در درجه اول به عهده نیروگاه های فسیلی گمارده می شود كه نتایجی از جمله بهره وری پائین تر، تولید بیشتر گازهای گلخانه ای و هزینه ی بالاتر تولید را در بر خواهد داشت.

 

گذشته از آن، برای برآورد افزایش تقاضای انرژی شركت های برق می بایست ظرفیت تولیدی خود را افزایش دهند، بدین معنی كه آنها بایستی ظرفیت توان تولیدی بیشتری را ایجاد نموده و توسط خطوط انتقال آن‌را به دست مشتریان برسانند. این افزایش ظرفیت و توسعه نیروگاهی با افزایش سریع نرخ سوخت فسیلی همراه است كه سبب می شود این توسعه بی نهایت هزینه بر شود. ساخت نیروگاه بیشتر، از سمت دیگر رفتار و رویكرد خوشایندی از دیدگاه زیست محیطی برای برآورد افزایش تقاضای برق نیست.

[آریوبرزن 13988]

عدم توانایی شبكه در ایجاد تبادل مطمئن اطلاعات

به منظور سهولت در عیب یابی و تعمیر و نگه‌داری تجهیزات گران‌قیمت شركت های برق، سطوح مختلفی برای ارسال فرمان و كنترل معرفی و ایجاد می شود همانند سیستم مستقر و شناخته شده " كنترل نظارتی و اكتساب داده¬ها" [1]. با محدود شدن عملكرد شركت ها را در كنترل توابع بالادستی شبكه های توزیع قادر به كنترل در زمان واقعی نیستند. به عنوان مثال در شمال آمریكا كه یكی از پیشرفته ترین سیستم های برق استقرار یافته است، كمتر از یك چهارم از شبكه انتقال و توزیع با سیستم¬های مخابراتی و انتقال داده¬ها تجهیز شده اند و در سطح فیدرهای توزیع، اتوماسیون توزیع 15% الی 20% نفوذ داشته است[1]. در نتیجه، اطلاعات محدودی از خاموشی ها كه نزدیك به 90% آن در شبكه های توزیع اتفاق می افتد در اختیار شركت های برق قرار می گیرد. هم‌چنین این كاستی در سمت مصرف كننده نیز مشاهده می شود و سبب می گردد مشترك دسترسی به هیچ‌گونه اطلاعاتی در مورد نحوه قیمت گذاری برق خود و/یا میزان مصرف انرژی در هر لحظه از زمان نداشته باشد و از اینرو مشوق ها برای استفاده بهتر، حفظ و نگهداری و یا پاسخ دهی به تقاضا كمتر می-شود. پشتیبانی/قابلیت محدود شبكه در استفاده از منابع تولید پراكنده

به منظور تأمین انرژی در زمان اوج مصرف می توان از منابع تولید پراكنده بهره گیری نمود. ناكفایتی در پشتیبانی شبكه موجود در یكپارچه‌سازی منابع پراكنده تولید (DER)كه از مهم‌ترین آن‌ها می توان به منابع تولید تجدیدپذیر اشاره نمود كه رشد چشم‌گیری را در حال حاضر دارا می باشند، دیده می شود. علت این امر وجود ساختار سلسله مراتبی و سبك و سیاق كنترل مركزی است كه برای شارش جریان برق دو طرفه طراحی نشده است. مضاف بر آنكه شبكه موجود تسهیلات و بستر مخابراتی مطمئن برای پایش و استفاده سودمند از این منابع را فراهم نكرده است.

ناكارآمدی شبكه با گسترش اتصال ماشین¬های الكتریكی (PEVs)

وسایل نقلیه الكتریكی (PEVs) شامل وسایل نقلیه الكتریكی هیبریدی و وسایل نقلیه باتری¬دار هستند. تولید گازهای گل‌خانه ای كمتر (GHG) و هم‌چنین عدم تولید دیگر مواد آلاینده برترین مزیت این وسایل به نسبت ماشین های بنزین سوز با موتورهای احتراق داخلی است. برآورد شده كه با بكارگیری وسایل نقلیه الكتریكی هیبریدی میزان آلایندگی هوا به میزان قابل توجهی كاهش یابد. تولید چشم‌گیری از PEVها در آینده ای نه چندان دور می تواند تنش های بسزایی بر شبكه های برق داشته باشد.

مستعد بودن شبكه در بروز خاموشی و اختلال كیفیت توان

افزایش بی سابقه تقاضا برای انرژی الكتریكی كه با عقب ماندگی سرمایه گذاری در زیرساختارهای برق همراه شده است، پایداری و ثبات سیستم را كاهش داده است. با عبور از حاشیه های امن در شبكه های برق، هرگونه افزایش پیش بینی نشده در تقاضا و یا انحراف در سیستم های توزیع شبكه، می تواند منجر به خرابی تجهیزات و در نتیجه خاموشی سراسری گردد و این قضیه می تواند به ضرر و زیان های شدید اقتصادی منجر شود.

عدم كیفیت توان مورد نیاز برای كارخانجات تولیدی با تكنولوژی بالا و زیرساخت‌های حیاتی هم‌چون شبكه‌های ارتباطی و خطوط لوله به كیفیت بالای توان تكیه می كنند، می‌تواند عملكرد آن‌ها را مختل نماید. این عدم اطمینان برای مصرف كنندگان میلیاردها دلار هزینه بر است.

[آریوبرزن 13988]

آسیب پذیری شبكه های موجود بر اثر بلاهای طبیعی

شبكه های موجود برق در قبال بلاهای طبیعی هم‌چون زلزله آسیب پذیر هستند. این شبكه به گونه ای طراحی نشده است كه بتوان بعد از چنین سوانحی، بدون خاموشی سراسری آنرا بازیابی نمود. یك اتصال كوتاه تك‌فاز بر اثر یك حادثه طبیعی در شبكه برق، می تواند منجر به از دست رفتن میزان قابل توجهی از بار گردد. عدم وجود منابع تولید پراكنده در شبكه سراسری برق منجر شده است آسیب پذیری این شبكه بر اثر بلایای طبیعی بیشتر گردد. این موارد به دلیل ساختار سلسله‌ای و كنترل مركزی شبكه برق می باشد.

قدیمی و منسوخ بودن شبكه برق

بیش از پنجاه سال است كه از طراحی شبكه¬های برق می¬گذرد؛ مدتها قبل از زمانی كه فن¬آوری¬های دیجیتال كه امروزه بسیار به آنها تكیه می¬شود بوجود آیند. سیستم¬های انتقال انرژی و شبكه¬های توزیع بسیار قدیمی هستند و در ساخت آنها از تكنولوژی¬های منسوخ شده بهره¬گیری شده است. زیرساخت¬های ارتباطی موجود به عواملی چون ناحیه پوشش، ظرفیت و توانایی محدود شده¬اند.

بسیاری از كاستی¬های شبكه موجود كه به اختصار در بالا توضیح داده شد با بكارگیری شبكه¬های برق هوشمند كه قادر می¬سازد بسیاری از قابلیت¬ها فراتر از قابلیت¬های شبكه¬های موجود در دسترس قرار گیرند قابل زدودن است.

 

شبكه های برق هوشمند؛ مشخصات، كاربری ها

شبكه های هوشمند به تكامل و به‌روز شدن شبكه های موجود نسبت داده می شوند و شامل مونیتورینگ پیشرفته، اتوماسیون و كنترل تولید برق، انتقال و توزیع آن هستند. افزایش استفاده از اطلاعات دیجیتال و فناوری های كنترل سبب می شود قابلیت اطمینان ، امنیت و بهره وری از شبكه برق، و هم‌چنین یكپارچگی تولید پراكنده، پاسخ به میزان تقاضا ، و بهره وری انرژی بیشتر شود.

مشخصه های اصلی شبكه های هوشمند

مشخصه های اصلی شبكه های برق هوشمند در واقع بیان ویژگی های این شبكه ها بر مبنای قابلیت آن‌هاست. شبكه های برق هوشمند به منظور از بین بردن معایب نامبرده از شبكه های موجود تعریف شدند و دارای مشخصات زیر هستند:

مشاركت آگاهانه و فعالانه مصرف كنندگان در شبكه های برق هوشمند

مشاركت فعال مصرف كنندگان در بازارهای برق، دارای فواید عینی برای شبكه و شركت های برق می باشد. شبكه های برق هوشمند اطلاعات لازم در زمینه الگوی مصرف و هزینه برق مصرفی را در اختیار مصرف كننده قرار می هند و این امكان فراهم می شود تا مشتركین در بازارهای جدید برق فعالیت كنند. اطلاع رسانی صحیح و درست به مصرف كنندگان سبب می شود آنها بتوانند میزان مصرف را بر اساس توازنی بین توان درخواستی و منابع تولید محلی و شبكه برق موجود تغییر دهند. توانایی كاهش و یا تغییر زمان اوج مصرف بار این امكان را برای تولیدكنندگان برق مهیا می¬سازد تا بتوانند هزینه¬های سرمایه¬گذاری و عملیاتی را كاهش دهند و این در حالی است كه هم‌زمان منفعت¬های زیست محیطی با كاهش تلفات خط و به حداقل رساندن مدت زمان عمل‌كرد نیروگاه¬های با راندمان كم حاصل می¬شود.

اصلاح تولید و میزان ذخیره

یك شبكه هوشمند برق دارای قابلیت بهره¬وری از نیروگاه¬های بزرگ و متمركز و هم‌چنین منابع تولید انرژی پراكنده در محل مصرف¬كننده را داراست. با آنكه نیروگاه¬های بزرگ شامل نیروگاه های پیشرفته هسته¬ای هم‌چنان ایفاگر نقش اساسی در شبكه برق هوشمند هستند می توان تعداد زیادی از منابع تولید پراكنده كوچك را از قبیل سلول های فتوولتائیك، باد، باتری های پیشرفته ، پلاگین در خودروهای هیبریدی و سلول‌های سوختی را در این شبكه بكار برد. منابع پراكنده تولید به سادگی می¬توانند به شبكه برق متصل شوند و قابلیت بهره گیری آسان از انواع مختلف منابع با یكدیگر به¬صورت Plug and Play حاصل می شود.

فراهم آوردن كیفیت توان مورد نیاز

مانیتورینگ و نظارت، تشخیص و عكس العمل به پائین بودن كیفیت توان منجر به كاهش چشم‌گیر ضرر و زیان مشتركین در مقایسه با حال حاضر خواهد شد. روش¬های كنترل پیشرفته نظارت بر منابع اصلی، امكان تشخیص سریع و راه¬كار مقابله با عواملی كه سبب كاهش كیفیت توان شده¬اند، از قبیل رعد و برق، نوسانات شدید، خطاهای خط و منابع هارمونیكی، را فراهم می¬آورد. با استفاده از شبكه¬های برق هوشمند می¬توان به سطوح مختلف كیفیت توان با قیمت¬های مختلف دست یافت.

 

انعطاف پذیری در قبال اختلالات و بلایای طبیعی

شبكه های برق هوشمند قادر به مواجهه با رویدادهای غیرمنتظره هستند و می توانند قسمت مشكل زا را از شبكه جدا نمایند تا بقیه شبكه به حالت كار عادی برگردد. این تشخیص و عملكرد خودكار سبب می شود زمان قطع سرویس مشتریان كاهش یافته و مدیریت بهتری با زیرساخت های موجود برای تحویل توان توسط شركت های برق ارائه گردد.

محصولات جدید، خدمات جدید و بازار جدید

شبكه های برق هوشمند امكان ارتباط بین خریدار و فروشنده، از مصرف كننده تا شركت های برق منطقه ای (RTO) ، را مهیا می‌سازد. این قابلیت سبب ایجاد بازارهای جدیدی می شود كه دامنه آن از سطح مدیریت انرژی در محل مصرف¬كننده تا پیشنهاد فروش انرژی در آن سطح گسترده است. با افزایش مسیرهای انتقال و نصب منابع تولید انرژی در نزدیكی مصرف كننده سهم مشاركت مشتركین در بازار افزایش می یابد.

كاربرد شبكه های هوشمند در راستای بهینه سازی استفاده از تجهیزات و راندمان بالاتر عملكرد

شبكه های هوشمند آخرین فن آوری ها را برای بهره وری مؤثرتر از تجهیزات بكار می برند. اثربخشی تعمیر و نگه‌داری با در نظر گرفتن شرایط انجام تعمیر و نگه‌داشت بهینه میشود بهگونه ای كه زمان دقیق و مورد نیاز برای تعمیر و نگه‌داری تجهیزات را بیان میكند. دستگاههای كنترل سیستم به گونه ای می توانند تنظیم شوند كه میزان پرشدگی و تلفات خط را كاهش دهند. در این نوع دستگاه های كنترل امكان تحویل انرژی با حداقل هزینه به مصرف كنندگان نهایی امكان پذیر می باشد كه در نهایت می تواند راندمان بهره برداری را افزایش دهد.

[آریوبرزن 13988]

شبكه موجود شبكه هوشمند

توپولوژی سیستم شعاعی و یكپارچه؛عمدتاً به صورت مسیر جریان برق یك¬طرفه شبكه و مدولار؛ مسیرهای چندگانه برای عبور جریان برق

ارتباطات ندارد و یا یك مسیر

Telecom خصوصی و بدون زمان- حقیقی دو مسیر، زمان- حقیقی، IP telecom

تعامل مصرف‌كننده محدود؛ انتخاب برای تعداد محدودی مشترك گسترده؛ انتخاب برای تعداد زیادی از مشتركین

اندازه¬گیری الكترومكانیكی دیجیتال؛ قابلیت قیمت¬گذاری در زمان واقعی و اندازه‌گیری تحت شبكه

بهره¬برداری و تعمیر و نگه‌داشت بررسی دستی تجهیزات، تعمیر و نگه‌داشت بر اساس زمان پایش از دور دست، قابلیت پیش¬بینی، تعمیر و نگه‌داشت بر اساس زمان و شرایط

تولید متمركز متمركز و پراكنده

كنترل جریان توان محدود فراگیر و خودكار

قابلیت اطمینان مستعد خطا و خاموشی های پشت سر هم، عمدتاً واكنشی، تضمین¬شده با ظرفیت نصب شده خودكار، حفاظت پیش‌گیرانه، جلوگیری‌كننده از خاموشی پیش از وقوع آن، تضمین شده با نظارت و كنترل

چك كردن، تست و بازیابی بعد از خطا دستی چك كردن خودكار، تست و خود بهبودی

سنسور كم متعدد و گوناگون

 

كاربری های شبكه های برق هوشمند

به طور كلی برای شبكه های برق هوشمند 6 كاربری اساسی تعریف می شود:

زیرساخت های اندازه گیری پیشرفته، پاسخ به تقاضا یا مدیریت سمت تقاضا، منابع تولید پراكنده و ذخیره سازی، اتوماسیون توزیع، آگاهی فراگیر از موقعیت منطقه، و حمل و نقل الكتریكی

 

• قرائت خودكار دستگاه های اندازه گیری / زیرساخت های اندازه گیری پیشرفته (AMR/AMI)

سرمایه¬گذاری های اخیر بیشتر روی كنتورهای هوشمند كه در سیستم توزیع برق قرار گرفته اند متمركز شده است. پروژه های آزمایشی اغلب به معرفی قرائت خودكار كنتورهای اندازه گیری در سمت توزیع می پردازند. دستگاه های AMR با دارا بودن پورت ارتباطی یك طرفه در درجه اول به منظور صدور حساب ماهیانه مشتركین نصب و راه اندازی می شوند به گونه¬ای كه دیگر نیازی به حضور فرد برای قرائت كنتور اندازه گیری هر مشترك نمی باشد. در فاز بعدی AMI ها راه اندازی می شوند كه یك مسیر ارتباطی دوطرفه بین مشترك و شركت برق ایجاد می كنند. ساختار كنتورهای سنتی با كنتورهای هوشمند جایگزین می شوند كه این امكان را برای شركت های برق مهیا می¬كند كه به جمع آوری، اندازه گیری و تجزیه و تحلیل اطلاعات مصرف انرژی به منظور مدیریت شبكه، اطلاع از خاموشی و صدور صورت حساب از طریق این ارتباط دوطرفه می پردازد. دستگاه های AMI ابزاری هستند كه می‌توانند سابقه مصرف انرژی مشترك در بازه های مختلف زمانی را جمع آوری نموده، میزان مصرف انرژی مشتركین خانگی یكسان را مقایسه كرده و اطلاعات مربوط به قیمت گذاری پویا و روش های پیشنهادی برای كاهش بار پیك را از طریق صفحه نمایش خانه به اطلاع مشترك برساند. برای دست‌یابی به اهداف معینی از قبیل بازخورد داده ها در زمانی نزدیك به زمان- واقعی، تجزیه و تحلیل كامل مدیریت انرژی نیاز به نصب و راه اندازی AMIها می باشیم.

• پاسخ به تقاضا یا مدیریت سمت تقاضا

یكی از رایج ترین مراحلی كه توسط شركت های برق در راستای ایجاد یك شبكه برق هوشمند اجرا می شود پیاده سازی پاسخ به تقاضا است. پاسخ به تقاضا، كاهش مصرف انرژی الكتریكی توسط مشتریان در واكنش به افزایش قیمت برق و /یا به اضافه باری سیستم می باشد. پاسخ به تقاضا می‌تواند به میزان قابل توجهی بارهای پیك را كاهش دهد، به عنوان مثال كمیسیون تنظیم مقررات انرژی فدرال ایالات متحده (FERC) اخیراً تخمین زده است كه میزان صرفه جویی با استفاد از كاربری پاسخ به تقاضا در ایالات متحده، حدود 41000 مگاوات (MW) در سال 2008 بوده است، كه این میزان حدود %8/5 از میزان پیك تقاضا در تابستان بود[2].

برنامه های پاسخ به تقاضا را می توان در سطوح عمده‌فروشی و خرده‌فروشی اجرا نمود. در سطح عمده فروشی به طور معمول اپراتورهای مستقل سیستم (ISO) و سازمان های برق منطقه ای و در سطح خرده فروشی شركت های برق این كاربری را اداره می‌كنند .

پاسخ به تقاضا در سطح خرده فروشی می تواند به دو صورت فعال و غیرفعال صورت پذیرد. در حالت غیرفعال، با آگاه نمودن مشتری از قیمت گذاری پویا آنها تشویق می شوند تا به صورت داوطلبانه میزان مصرف برق خود را در زمان اوج بار كاهش دهند. در پاسخ به تقاضای فعال مشترك موافقت می نماید تا در زمان اوج بار در شبكه، تجهیزات هوشمند به صورت خودكار بی برق شوند. یكی دیگر از انواع پاسخ به تقاضا استفاده از برق منابع مولدهای پراكنده در محل مشتری به صورت offloaded است.

 

[آریوبرزن 13988]

منابع تولید پراكنده

یكی از آینده نگری های شبكه های برق هوشمند، یكپارچه‌سازی بهتر و یكنواخت تر منابع تولید پراكنده (DER) در شبكه می باشد. شبكه هوشمند به شما امكان داشتن انرژی را از چندین جهت می دهد، از شركت برق به خانه ، خانه به شركت های برق و یا حتی خانه به خانه، و قطعاً تنوع بیشتر در منابع انرژی به وجود خواهد آمد. منابع تولید پراكنده دربرگیرنده منابع تجدیدپذیری هستند كه در حال حاضر رشد چشمگیری داشته اند. فراتر از انرژی های تجدیدپذیر، باتری های خودروهای الكتریكی، منابع تولید همزمان برق و حرارت، منابع تغذیه دائم (UPS) نیز وجود داشته باشد. با افزایش تلرانس خطا و تشخیص حالت جزیره-ای، شبكه هوشمند ارتباطی امن تر و قابل اطمینان تر از واحدهای تولید پراكنده را با شبكه فراهم آورده است.

• اتوماسیون توزیع (DA)

اتوماسیون توزیع امكان نظارت و كنترل تجهیزات از راه دور در شبكه توزیع شركت¬های برق را فراهم می¬آورد و این امكان از طریق تصمیم¬گیری خودكار، عیب¬یابی سریع¬تر و مؤثرتر و بازیابی سیستم قابل انجام خواهد بود. اتوماسیون توزیع متشكل از سیستم¬های مركزی كنترل و نظارت، از قبیل سیستم¬های توزیع اسكادا یا سیستم‌های مدیریت توزیع می¬باشد. تجهیزات این كارایی شامل واحدهای ترمینال از راه دور، دستگاه¬های هوشمند الكترونیكی مانند قطع كننده مدار، سوئیچ ها، خازن ها و ترانسفورماتورها می‌باشد. مهم‌ترین هدف اتوماسیون توزیع، كاهش سطح ولتاژ در سمت مصرف‌كننده نهایی است. آنها هم‌چنین برای ایزوله كردن خطا نیز عمل می كنند به نحوی¬كه اثرات منفی آن بر بخش‌های دیگر از شبكه نمود ننماید. اتوماسیون توزیع قابلیت های جدیدی هم‌چون ثبت آلارم و سوئیچینگ خودكار فیدر را ارائه می دهد، كه منجر به بهبود بخشیدن در تشخیص خطا، ایزوله نمودن و بازیابی شبكه می شود، كه به نوبه خود كمك خواهد كرد كه تعداد و طول مدت خاموشی مشتری كاهش یابد.

• آگاهی فراگیر از موقعیت منطقه

نظارت جامع بر منطقه و آگاهی موقعیتی برای بهبود قابلیت اطمینان و جلوگیری از اختلال در تأمین انرژی ضروری است. آگاهی فراگیر موقعیتی منطقه، با بكارگیری مجموعه‌ای از تكنولوژی طراحی شده به منظور بهبود نظارت بر سیستم برق در سراسر مناطق جغرافیایی، اپراتورهای شبكه را با یك تصویر وسیع و پویا از عملكرد شبكه روبرو می كنند. Synchrophasorها یكی از مهم‌ترین فن آوری های جدید در اندازه گیری منطقه هستند كه در دل دیگر فن‌آوری‌های شبكه برق هوشمند گنجانده شده اند. مهم‌ترین نوع synchrophasor از واحد اندازه گیری فازور استفاده می‌كند.

واحدهای اندازه گیری فازور از فازور دقیق ولتاژ و جریان با در نظر گرفتن مرجع جهانی زمان استفاده می كند. با میزان فركانس خوانده شده و مقایسه آن از مكان‌های مختلف با برچسب زمانی و ثبت تصویر لحظه‌ای جمع شده از وضعیت تأمین برق در هر لحظه از زمان، در زمان واقعی می¬توان بر منطقه گسترده‌ای از سیستم برق نظارت داشت.

 

• حمل و نقل الكتریكی

توانایی تأمین برق موردنیاز وسایل نقلیه الكتریكی (از جمله PHEV ها) كه تا حد زیادی به كارآمدی مدیریت عرضه و تقاضا مربوط می شود، یك مزیت مهم شبكه برق هوشمند به حساب می آیند. خودروهای برقی تا حد زیادی بار شبكه قدرت را افزایش می دهند، با‌این‌حال شبكه های برق هوشمند امكاناتی را مهیا می سازند كه آنها را قادر می‌سازد تا با شركت های برق ارتباط برقرار نموده و زمان چرخه شارژ خود را با در نظر گرفتن هم‌زمان شرایطی چون قیمت پایین تر، تأثیر كمتر بر بار شبكه، و كاهش تولید گازهای گل‌خانه ای (هنگامی كه منابع انرژی تجدید‌پذیر در دسترس هستند) انتخاب نمایند. خودروهای برقی می توانند هنگامی-كه بار شبكه كم است خود را شارژ نموده (جذب نمودن توان اضافی) و در مواقع لزوم این میزان توان ذخیره شده را به شبكه برگردانند.

 

همان‌طور كه در شكل 2 نشان داده شده است، كاربردهای جدید شبكه هوشمند دربرگیرنده گستره شبكه در حوزه‌های تولید ، انتقال و توزیع و علی الخصوص در محل مشتری است. به منظور درك بهتر از بخش های مختلف شبكه های هوشمند و نحوه ارتباط آنها، مؤسسه ملی استانداردها و تكنولوژی (NIST) در ایالات متحده آمریكا مدل مفهومی از شبكه هوشمند ارائه داده است كه یك چارچوب سطح بالا از شبكه های هوشمند را از سطح تولید تا مشتریان نشان می¬دهد [3]، و به بررسی رابطه متقابل بین بخش های شبكه هوشمند می پردازد.

تكنولوژی های شبكه های برق هوشمند

تكنولوژی های شبكه برق هوشمند نارسائی های شبكه های موجود را با ارائه اطلاعاتی عملی و توانایی های مدیریتی جدید برطرف می كند. در واقع، شبكه برق هوشمند، عملكرد و بهره وری از شبكه الكتریكی موجود را با ادغام سه فن آوری كلیدی شامل فن آوری زیرساختهای ارتباطی دوسویه، فن آوری اطلاعات، تكنولوژی تولید توان الكتریكی افزایش میدهد. ارتباطات فراگیر از راه دور برای شركت های برق فراهم آورنده دسترسی از راه دور و كنترل اجزای شبكه است و نظارت پویا از مصرف برق و هم‌چنین پتانسیل زمان‌بندی خودكار مصرف برق را فراهم میآورد.

فن آوری اطلاعات دادههای گردآوری شده از سیستم را پردازش میكند. انتظار می¬رود فن¬آوری های نوآورانه برق هم‌چون ذخایر عظیم انرژی، انرژی های تجدیدپذیر، و خطوط DC ولتاژ بالا برای پیشبرد پایداری و كارایی مؤثر این شبكهها واقع شوند.

همان‌طور كه در شكل 1 دیده میشود، هم‌گرایی فناوری های ارتباطی و فن آوری اطلاعات با سیستم قدرت، به كمك مجموعه ای از رویكردها، فن‌آوری ها و كاربردهای جدید، بنیان یك شبكه جدید كه از قسمت ها و لایه‌های مختلف تشكیل شده است را شكل می دهد. این فن آوری های شبكه برق هوشمند كاربردهای اصلی شبكه های برق هوشمند را امكان پذیر می سازد.

شكل 1 بنیان تكنولوژی و لایه های شبكه های هوشمند

[آریوبرزن 13988]

سیستم های مخابراتی در شبكه های هوشمند

یكی از عوامل مهم در استقرار شبكه هوشمند، دسترسی به موقع به داده‌ها / اطلاعات از طریق شبكه های ارتباطی / مخابراتی مقیاس‌پذیر و فراگیر است. زیرساخت ارتباطی شبكه برق هوشمند یك شبكه چند لایه است كه به شبكه برق شبیه می باشد كه با بهره‌گیری از معماری طبقه¬ای برای تأمین انرژی از تولید‌كننده به محل‌های مصرف‌كننده مشابهت دارد. همان‌طور كه در شكل 2 نشان داده شده است این شبكه¬ها از بخشهای مختلف دسترسی، توزیع و شبكه‌های گسترده (WANs) [4] كه در تمام مناطق جغرافیایی بزرگ گسترش یافته¬اند، تشكیل شده¬است. شبكه¬های دسترسی، اجزای موجود در سطح مشتری را به یكدیگر متصل نموده و هدف اصلی از این شبكه¬ها دست‌یابی به انرژی تبدیل شده در سمت مصرف‌كننده است. شبكه‌های توزیع اطلاعات را از دستگاه¬های اندازهگیری هوشمند جمع¬آوری نموده و به نقطه تجمع انتقال می‌دهد. backhaul اطلاعات از نقاط تجمع به شبكههای برق از طریق شبكه های گسترده(WAN) انجام می¬پذیرد.

شبكه مخابراتی چند لایه در شبكه های برق هوشمند شامل شبكه مخابراتی دسترسی، توزیع و گسترده شبكههای دسترسی: شبكههایی هستند كه از اتصال اجزاء موجود در محل مشتری حاصل شده و به سه دسته طبقه¬بندی میشوند: شبكههای خانگی (HANs) شبكه‌های صنعت(IANs) و شبكه های تجاری/اداری (BANs) [5]. از ویژگی این سیستم ها می توان به مواردی هم‌چون كوچك بودن منطقه تحت پوشش، وسعت محدود و نیاز به مصرف برق كم و سهولت پیكربندی لوازم و دستگاه‌های متعدد و تعامل برای ارائه طیف گسترده ی از قابلیت هایی مانند مدیریت كل انرژی اشاره نمود.

شبكههای توزیع: شبكه های توزیع از دو نوع مختلف شبكههای همسایه (NANs) و شبكه¬های میدانی (FANs) تشكیل شدهاند. به طور معمول NANها شامل شبكه‌ای از نقاط دسترسی واقع در سراسر سیستم توزیع برق هستند و یك شبكه در میان كنتورهای هوشمند ایجاد كرده و آن‌ها را به نقاط دسترسی محلی متصل میكند. شبكههایNAN دارای قابلیت ارتباط دو سویه برای خواندن كنتورها، پاسخ به تقاضا، قیمت‌گذاری پویا و قطع از راه دور هستند.

شبكه‌های میدان (FANs) اتصال بین پست‌های توزیع برق را فراهم میآورند، و این در‌حالی است كه شبكه‌های FAN و NAN برای اتصال دستگاههای میدان، تولید پراكنده و ذخیرهسازهای برق، و تعمیركار سیار بهكار میروند. شبكه های توزیع ارتباطی نیز شامل نقاط دسترسی توزیع (DAPs) هستند كه¬ وظیفه جمعآوری اطلاعات از شبكههای NAN و FAN به مراكز كنترل برق و مركز عملیات از طریق backhaul شبكههای گسترده (WAN) را عهدهدار هستند.backhaul اطلاعات از نقاط تجمع به سمت شركت¬های برق برعهده WAN است.

شبكه¬های گسترده: شبكههای گسترده به طور كلی از دو شبكه به هم پیوسته تشكیل شده¬اند: شبكه¬های core و backhaul. شبكههای Core با نرخ بالای داده، حداقل زمان تأخیر و معمولاً با استفاده از فیبر نوری دفاتر مركزی و پستهای برق را به یكدیگر متصل می¬كند. شبكه¬های Backhaul عمدتاً از پهنای باند اتصال به شبكه های NAN و FAN برای جمع¬آوری داده از DAPها استفاده می¬كنند. آن‌ها هم‌چنین می-توانند داده‌ها را از كاربرهای متعدد از جمله سیستم اتوماسیون و كنترل توزیع، دستگاه‌های حس‌گر و ناظر، و سیستم‌های اسكادا كه در سیستم¬های توزیع برق یا شبكه‌های انتقال برق واقع شدهاند، جمعآوری میكنند. شبكههای گسترده backhaul باید قابلیت پشتیبانی ظرفیت بالای اتصال را داشته باشند و این در‌حالی است كه به طور كامل به چشم‌انداز شبكه هوشمند كه شامل ویژگی‌های اصلی هم‌چون خود بهبودی و مشاركت مصرف‌كننده است، دست یابند.

پروژههای شبكههای برق هوشمند در دنیا

شبكه های برق هوشمند به طور فراگیر در اروپا، امریكای شمالی و آسیا راه اندازی شده و یا در حال راه اندازی است در حالی‌كه در دیگر نقاط جهان روند اجرای این شبكه ها به صورت تدریجی درحال شكل گیری است. نصب و راه اندازی كاربری پاسخ به تقاضا و مدیریت سمت بار به صورت گسترده ای مورد قبول صنعت برق و نهادهای قانونگذارقرار گرفته است. سودمند بودن این مقوله برای تولیدكنندگان و مصرف‌كنندگان برق از دیدگاه ذخیره نمودن برق باعث شده است مقبولیت این كاربری رشد روزافزونی داشته باشد. امكان بهرهوری از این كاربری به نهادینه كردن سیستم های قرائت زمان- حقیقی و زیرساخت¬های اندازه گیری پیشرفته بستگی دارد.

بیشتر كشورهای اروپایی دارای یك چارچوب قانونی برای اجرا شبكههای برق هوشمند بوده و یا درحال تدوین آن میباشند[5]. در بخش عظیمی از كشورهای كانادا و آمریكا، بسترهای كنتورهای هوشمند تدوین و درحال بهره برداری است و این كشورها درحال استفاده از كاربری پاسخ به تقاضا هستند[6]. در كشورهای اقیانوسیه پروژه¬های آزمایشی در زمینه نصب و راه¬اندازی AMI و پاسخ به تقاضا اجرا گردیده است[7] درحالی كه بخش عظیمی از سرمایه¬گذاری بر روی پروژه¬های تولید پراكنده در كشورهای هم‌چون استرالیا تمركز یافته است.

در آسیا، كشورهایی هم‌چون چین، كره جنوبی كاربری¬های AMI و پاسخ به تقاضا را بهره¬برداری كرده اند در حالی‌كه كشورهایی نظیر پاكستان، سنگاپور ، هند و تركیه [8] به صورت پروژه¬های آزمایشی كاربری های مذكور را به اجرا گذاشته¬اند و در نظر دارند تا در آینده¬ای نزدیك بهره¬برداری كامل از این كاربری ها را در دستور كار خود قرار دهند.

وضعیت توسعه شبكه برق هوشمند در ایران

همانند سایر كشورها، سرمایه گذاری در شبكه برق هوشمند بیشتر به سمت نصب كنتورهای سیستم های توزیع جذب شده است. بر اساس مصوبات هیئت دولت، اجرای سیستم هوشمند بر عهده وزارت نیرو گمارده شده است و ناظر و طراح اصلی كاربری های شبكههای برق هوشمند با شركت توانیر می باشد. شركت توانیر مسئولیت طراحی شبكه را به سازمان بهرهوری انرژی ایران (سابا) واگذار نموده و قرارداد مهندسی مشاور این پروژه با شركت موننكو در سال 2009 میلادی امضاء شده است. شركت موننكو یك چارچوب ابتدایی و طرح اولیه كار برای سیستم های برق هوشمند تهیه كرده است. نتیجه این مطالعات به اجرای پروژههای متعدد آزمایشی در سراسر كشور منجر شده است كه تمركز این پروژهها بر روی كاربریهای AMR/AMI می باشد. شركت توانیر كه به عنوان ناظر بر طرح شناخته میشود می بایست پروژه های آزمایشی را با توجه به مشخصات ارائه شده از سوی مشاور طرح، تست و ارزیابی نماید. طبق نتایج به دست آمده از مطالعات انجام شده می-بایست در طی چند سال آینده كاربریهای AMR/AMI در ایران بسترسازی شود[9]و[10].

 

نویسنده:ابوالفضل قاسمی