فایل مقدمه اي بر نحوه به كارگيري فن آوري اينترنت اشيا در شبكه هوشمند صنعت برق كشور
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته برق و مخابرات (آموزش_و_پژوهش)
صداقت، اعتبار ماست
اين مقاله صرفا تبديل به Word و مرتب شده تا دانشجويان بتوانند به عنوان منابع از آن به راحتي استفاده كنند و PDF آن در سايت ها موجود مي باشد: كليك كنيد
چکيده
يکي از مباحث مطرح در شبکه‌هاي هوشمند برق، بررسي امکان به کارگيري فن‌آوري‌هاي نوين اطلاعات و ارتباطات با توجه به الزامات شبکة برق است. به طور کلي افزايش سطح اطلاعات سيستم قدرت و بهبود ميزان بهره وري استفاده از زيرساخت‌هاي ارتباطي در سيستم‌هاي برق موجود در کليه رده‌هاي توليد، انتقال، توزيع و مصرف در صنعت برق مورد نياز است. فن‌آوري اينترنت اشياء (IoT) يکي از فن‌آوري هايي است که مي‌تواند در توسعه و ارتقاء شبکه‌هاي هوشمند برق نقش م ؤثري داشته باشد. در اين مقاله به ارائه روش بررسي تطابق و سازگاري فن‌آوري مخابراتي منتخب، براي کاربردهاي اينترنت اشياء در شبکه هوشمند صنعت برق کشور پرداخته شده است.
واژه‌هاي کليدي: اينترنت اشياء؛ شبکه هوشمند؛ ارتباط ماشين به ماشين.
١. مقدمه
واژه اينترنت اشياء (IoT) اولين بار توسط Kevin Ashton در سال ١٩٩٩ مطرح شد اما ده سال بعد به کارگيري آن تحقق يافت [1].
صاحب نظران، فن‌آوري اينترنت اشياء را هم پايه انقلاب صنعتي سال ١٨٧٦ دانسته و از آن به عنوان انقلاب چهارم صنعتي نام مي‌برند [٢]. همچنين اين فن‌آوري به عنوان موج سوم پس از تحقق فن‌آوري‌هاي رايانه، شبکه‌هاي اينترنتي و مخابرات سيار تلقي مي‌شود [٣].
اينترنت اشياء يک مفهوم و الگوي فراگير و جهاني است که در همه حوزه‌هاي انرژي، حمل و نقل، سلامت، توليد، و مشابه آن براي ايجاد يک جهان هوشمند قابل به کارگيري است. اين فن‌آوري با اتصال فيزيکي و مجازي اشياء و با استفاده از فن‌آوري‌هاي سازگار موجود و در حال پيشرفت فن‌آوري اطلاعات و ارتباطات، امکان ارائه سرويس‌هاي پيشرفته را فراهم مي‌سازد [٤].
٢. مدل مفهومي شبکه هوشمند
براي شبکه هوشمند برق مدل‌هاي مفهومي متعددي توسط مراکز معتبر از جمله NIST. و ETSI ارائه شده است. در اين مدل‌ها بازيگران و ارتباطات آن‌ها تعيين شده است. مؤسسه ETSI براي شبکه هوشمند برق يک مدل سه لايه‌اي شامل : لايه انرژي، لايه کنترل و ارتباطات و لايه سرويس در نظر گرفته است. عناصر لايه انرژي شامل بخش‌هاي توليد، منابع انرژي پراکنده، انتقال و توزيع است. در لايه کنترل و ارتباطات، پاسخگويي بار، مخابرات، ارتباطات و اطلاعات وجود دارد. همچنين در لايه سرويس، اپراتورها و بازيگران بازار برق وجود دارند. شبکه هوشمند برق مطابق اين مدل مي‌تواند ب ه طور نظير به نظير ب ا معماري M2M که شامل حوزه‌هاي دستگاه‌هاي M2M، شبکه M2M و کاربردهاي M2M است، تطابق داده شود. در ارتباط ماشين به ماشين يا M2M، دستگاه‌هاي مختلف بدون دخالت انسان و به صورت انتها به انتها مي‌توانند با يکديگر ارتباط برقرار کنند.
٣- کاربردهاي اينترنت اشياء در شبکه هوشمند صنعت برق
پياده سازي شبکه هوشمند برق بر قابليت پايش برخط و کنترل زمان- واقعي کليه پارامترهاي مؤثر در بهره‌برداري شبکه و ويژگي‌هاي اطلاعاتي، اتوماسيوني و مخابراتي آن متکي است. همچنين فن‌آوري اينترنت اشياء داراي بسياري از ويژگي‌ها مانند درک جامع، انتقال مطمئن و پردازش هوشمند است، که فضاي خوبي براي هم افزايي يکديگر فراهم مي‌کنند.
بنابراين کاربردهاي اينترنت اشياء در شبکه هوشمند برق مي‌تواند کليه حوزه‌هاي اين صنعت را دربر گيرد. در ادامه به شرح برخي از اين کاربردها پرداخته مي‌شود [٧ - ٩]:
پايش هوشمند شبکه انتقال، تبديل و توزيع برق:
سيستم‌هاي پايش، حفاظت و کنترل گسترده، امکان دستيابي به اطلاعات شبکه برق را فراهم نموده است. مي‌توان اين سيستم را به نوعي يک شبکه مبتني بر اينترنت اشياء دانست. در اين سيستم دستگاه PMU عنوان دستگاه‌هاي کسب اطلاعات شبکه بوده و مرکز کنترل با تحليل اطلاعات دريافتي از اين نقاط مي‌تواند به صورت خودکار يا دستي، کنترل و حفاظت شبکه را با اطلاعات گسترده شبکه فراهم سازد.
پايش برخط خطوط و دکل‌هاي انتقال برق:
امنيت شبکه هوشمند به کارايي و صحت عملکرد تک تک اجزاي آن وابسته است. دکل‌ها و خطوط هوايي انتقال برق نيز به عنوان يکي از اجزاي اين شبکه نياز به پايش برخط جهت پيشگيري بروز خطا و خرابي و جلوگيري از خاموشي‌ها دارند. يکي از مهم‌ترين کاربردهاي اينترنت اشيا در صنعت برق به کارگيري آن در حوزه پايش و حفاظت خطوط انتقال برق از لحاظ مکانيکي، شرايط محيطي، وضعيت الکتريکي و تأمين امنيت فيزيکي اين خطوط است. حوادث طبيعي، تغييرات جوي و يخ زدگي روي کابل، افزايش درجه حرارت کابل ها، ضعيف شدن ساختار دکل‌ها به دليل خوردگي و يا دستکاري و تخريب آن‌ها از مهم‌ترين موارد تهديدکننده خطوط انتقال برق هستند.
سرويس‌هاي خانه هوشمند:
خانه هوشمند يکي از مهم‌ترين کاربردهاي IoT در صنعت برق است. به کارگيري سرويس هوشمند برق شامل ترکيب سيستم زيرساخت اندازه گيري هوشمند، سيستم شبکه‌اي حسگرهاي هوشمند، سيستم خانه هوشمند، سيستم امنيتي و سيستم جمع‌آوري اطلاعات انرژي است. تأمين برق مطمئن، استفاده از عناصر خانه هوشمند، مديريت هوشمند و استفاده بهينه انرژي از خدمات شبکه هوشمند مي‌باشد. به عنوان مثال با نصب حسگرهاي دود، مادون قرمز و تشخيص گاز و استفاده از قابليت پايش از راه دور، مي‌توان امنيت خانه هوشمند را تأمين نمود.
سيستم مديريت اطلاعات خودروي برقي:
خودروهاي برقي مي‌توانند به عنوان ذخيره کننده‌هاي انرژي در شبکه هوشمند مورد استفاده قرار گيرند. انتقال مؤثر انرژي بين خودرو و شبکه هوشمند، نيازمند تبادل اطلاعات مابين خودرو، ايستگاه شارژ و زيرساخت‌ها است.
مديريت دارايي‌هاي شبکه برق:
امروزه شبکه برق به عنوان شبکه‌اي است که در اقصي نقاط کشور گسترده شده است.
٤.استانداردسازي اينترنت اشياء
با توجه به اين که فن‌آوري اينترنت اشياء شامل مجموعه‌اي از زيرسيستم‌هاي سخت افزاري، ميان افزاري و نرم افزاري است، لذا تعامل بين اين سه و رشد فن‌آوري‌هاي کليدي مربوطه از اهميت به سزايي در دستيابي به فن‌آوري اينترنت اشياء برخوردار است.
زيرا راه حل‌هاي مطرح در لايه‌هاي زيرين نيازمند تغييرات بستر اينترنت است که هزينه بر مي‌باشد. اين راه حل‌ها با به کارگيري پروتکل‌هاي مختلف براي کاربردهاي مختلف در شبکه‌هاي هوشمند مشخص مي‌شوند. براي حرکت به سمت اينترنت آينده مي‌توان با استفاده از استانداردهاي IoT/M2M روي بستر اينترنت، ارتباط بين عناصر شبکه‌هاي هوشمند را نيز برقرار نمود.
٥.پروتکل‌ها و الزامات مخابراتي براي ارتباطات ماشين به ماشين در شبکه هوشمند صنعت برق
برخي از پروتکل‌هاي ارتباطي M2M براي کاربردهاي اتوماسيون خانگي، اندازه گيري‌هاي صنايع و نسل آتي ارتباط‌هاي دستگاه‌هاي M2M در شکل ٤ نشان داده شده است. با توجه به تعداد زياد دستگاه هايي که در شبکه جهاني از طريق اينترنت اشياء با يکديگر در ارتباط خواهند بود، پروتکل نسل آتي مبتني بر استفاده از IPv6 با ٢٧^١٠×٦ آدرس براي ارتباط شئ با شئ در شبکه IoT است. اما مشکلاتي در اين ديدگاه وجود دارد:
- ملاحظات امنيتي منجر به استفاده از دروازه‌هاي سطح کاربرد بين
حوزه‌هاي خصوصي در شبکه با بخش عمومي آن شده است.
شکل ٤- برخي از پروتکل‌هاي ارتباطي M2M.
فن‌آوري مخابراتي ايده‌آل براي M2M بايد بتواند دسترسي سريع و آني امن را به اينترنت در هر نقطه از جهان و در هر سرعتي فراهم نمايد.
٦.برخي از برنامه‌هاي تحقيقاتي به کارگيري اينترنت اشياء در صنعت برق
دامنه و روند فعاليت‌هاي اجرايي و تحقيقاتي در مورد الزامات زيرساختي براي به کارگيري اينترنت اشياء در شبکه هوشمند، به شکل فزاينده‌اي در حال رشد است. به طوري که تاکنون سازمان‌هاي تحقيقاتي و متوليان تهيه قوانين، مقررات و استانداردها نيز اقدامات قابل ملاحظه‌اي در اين خصوص انجام داده اند. در ادامه به معرفي برخي از اين فعاليت‌ها پرداخته شده است.
پروژه FINSENY: اين پروژه با هدف استخراج الزامات ارتباطي ارتباطي و اطلاعاتي براي سيستم‌هاي شبکه‌هاي هوشمند با بودجه ٩ ميليون يورو و به مدت دو سال از آوريل سال ٢٠١١ تا مارس سال ٢٠١٣ اجرا شده است [١٢].
SMARTHOUSE/SMARTGRID : در اين پروژه روي تعامل خانه‌هاي هوشمند با شبکه‌هاي هوشمند با هدف بهره وري انرژي و پايداري شبکه‌هاي نسل آينده کار شده است. بيشتر تمرکز اين گروه برروي صحت سنجي از طريق اجراي پايلوت و ارزيابي کارايي زيرساخت‌هاي ICT است [١٤].
٧.برنامه ارزيابي شبکه مخابراتي به منظور به کارگيري اينترنت اشياء در شبکه‌هاي هوشمند صنعت برق کشور
با توجه به موارد ذکر شده و به منظور تعيين نقشه‌ي راه آينده پژوهي در خصوص فن‌آوري‌هاي مخابراتي مورد نياز اينترنت اشياء، جهت به کارگيري در شبکه‌هاي هوشمند صنعت برق کشور، لازم است علاوه بر شناخت فن‌آوري‌هاي نوين و دنبال نمودن سير پيشرفت آن‌ها و بررسي نتايج پايلوت‌هاي اجرا شده در ساير کشورها، برخي زيرساخت‌ها به صورت سخت افزاري و نرم افزاري در همه رده‌ها و لايه‌هاي ارتباطي فراهم شده و در حوزه‌هاي مختلف صنعت برق مورد ارزيابي قرار گيرد. اهدافي که در اين راستا مي‌توان ترسيم نمود به طور کلي عبارتند از:
هدف ١: تحليل و شناسايي نيازمندي‌هاي مختلف و انتخاب و ارائه معماري مناسب با توجه به نيازهاي مطرح.
هدف ٢: شناسايي زيرساخت‌هاي نوين مخابرات عمومي و اختصاصي و تعيين نحوه تعامل آن با شبکه‌هاي مخابراتي صنعت برق.
برخي مواردي که از لحاظ مخابراتي نياز به بررسي، تعيين و مدل سازي دارند، عبارتند از:
١. تعيين بار ترافيکي و مدل ترافيکي شبکه هوشمند.
٢. بررسي و استخراج الزامات مخابراتي مورد نياز، تخمين پهناي باند مورد نياز، تعيين اولويت بندي و زمانبندي بار ترافيکي.
نتيجه گيري
ارتباطات بين اشياء باعث تغيير طراحي فرآيندهاي صنعتي و اتوماسيون خواهد شد. مانند شبکه اينترنت که به عنوان يک زيرساخت، ارتباط بين سيستم‌هاي اطلاعاتي را ميسر ساخت، IoT نيز اکنون به صورت يک زيرساخت، وظيفه ايجاد ارتباط بين اشياء را برعهده دارد. مفاهيم ارتباط ماشين به ماشين ( M2M) و شبکه هوشمند که به عنوان عناصر اينترنت اشياء هستند، چندين سال است که
منابع
[1] K. Ashton, "Internet of Things", RFiD Journal, 2009.
[2] 'Why the Internet of Things is More 1876 Than 1995", Web, .http://www.wired.com/insights/2014/02/internet-things-1876-1995..
[3] G. Santucci, The Internet of Things: A Window to Our Future, Web, .http://www.theinternetofthings.eu/content/g%C3%A9rald-santucci-internetthings window-our-future.