چشم به راهِ شبکه‌های هوشمند برق

محبوبیت استفاده از شبکه هوشمند برق در چند سال اخیر در جهان افزایش یافته است و همین موضوع باعث شده مطالعات و پژوهش‌های بیشتری در این زمینه صورت گیرد. امروز بسیاری از کشورهای جهان به دنبال تجهیز زیرساخت‌های شهری برای اتصال به شبکه هوشمند برق هستند. برای مثال چین، هند و برزیل برنامه‌های جامعی برای توسعه این شبکه در نظر گرفته‌اند. در ایران نیز بسترهایی برای تجهیز شبکه هوشمند برق و استفاده بهینه از اینترنت اشیا در این زمینه در حال شکل‌گیری است.

امکان ایجاد تغییرات در کوتاه‌ترین زمان ممکن نیاز شبکه هوشمند با برق ولتاژ بالاست. چنین شبکه‌ای باید تمام‌وقت داده‌های شبکه توزیع و کنتورهای هوشمند را جمع‌آوری کند تا تغییرات را در زمان واقعی انجام دهد. پیشرفت در زمینه محاسبات ابری، بسترهای داده و ابزارهای تحلیلی امکان پیش‌بینی و تحلیل مدل‌های داده‌های کلان را به این شبکه می‌دهد. ابزارهای مجهز به اینترنت اشیا نیز می‌توانند امکان ارتباط با بخش‌های مختلف و کنترل سیستم‌های برقی را فراهم کنند. این ابزارها ایمن، قابل‌کنترل و در دسترس هستند و تاثیر آنها روی صنعت انرژی زیاد خواهد بود.

صفحه‌های خورشیدی پشت‌بام‌ها، وسایل نقلیه متصل به سیستم هوشمند الکتریکی، سلول‌های سوختی، ذخیره‌سازهای باتری خانگی، کنتورها، ترموستات و لوازم خانگی هوشمند، دستگاه‌های قابل اتصال به اینترنت است که امکان ایجاد ارتباط دو طرفه و پشتیبانی از شبکه داده‌ای را فراهم می‌کند.

در حال حاضر طیف گسترده‌ای از نرم‌افزارها برای شبکه‌های هوشمند در دسترس است که می‌تواند زمان و هزینه توسعه راه‌حل‌های مبتنی بر اینترنت اشیا را کمتر کند. این نرم‌افزارها می‌تواند به عنوان راه ارتباطی برای ادغام دستگاه‌ها، شبکه و برنامه‌ها استفاده شود و سیستم‌های قدرتمند را مدیریت کند. اکنون در جهان بسیاری از شرکت‌های بزرگ تامین برق می‌توانند از توزیع هوشمندانه برق به روش نوین و استفاده از شبکه هوشمند سود بسیار ببرند و راه را برای تبدیل شدن شهرها به شهر هوشمند هموارتر سازند.

چالش‌های پیوستن به آینده توزیع انرژی هوشمند

خطوط انتقال به عنوان رساننده انرژی الکتریکی از مراکز تولید این انرژی به‌مراکز مصرف برق، نقش مهمی در شبکه انتقال برق ایفا می‌کنند. انرژی الکتریکی به طور غیرمستقیم از منابع انرژی به دست می‌آید و به همین دلیل اتلاف انرژی در مسیر خطوط تولید تا انتقال، امروز یکی از مسائل مهم بشر است. در همین خصوص و با وجود مسائلی مثل گرمایش جهانی، افزایش انتشار کربن و گازهای گلخانه‌ای، رشد جمعیت جهان و افزایش تقاضای انرژی، امروز صحبت از استفاده انرژی‌های تجدیدپذیر و ادغام آن با شبکه‌های برق است.

هدف از احداث شبکه هوشمند برق، دستیابی به سیستم پیشرفته فناوری اطلاعات و ارتباطات و امکان بهره‌برداری کامل از سیستم‌های انرژی‌های تجدیدپذیر و بهره‌وری حداکثری انرژی شبکه برق است. در این مسیر، چالش‌هایی نیز وجود دارد که یکی از آنها نحوه توزیع سیستم‌های انتقال برق امروزی است. اولین مشکل پراکندگی محل‌های توزیع گره‌ها و پیچیدگی شبکه‌های توزیع است که کنترل و مدیریت آنها را سخت می‌کند. مورد دوم، خواندن میزان مصرف برق روی کنتورهای خانگی و ساختمان‌هاست که بسیار هزینه‌بر و غیردقیق است. به همه این مشکلات، قطع شدن ناگهانی کنتور برق را هم اضافه کنید که می‌تواند باعث خراب‌شدن وسایل برقی شود یا سیستم‌هایی که زیرساخت برقی دارند مثل سیستم‌های بانکی را با مشکلات جدی روبه‌رو کند. این اتفاق می‌تواند باعث از بین رفتن اطلاعات مهم در سرویس‌های رایانه‌ای یا خراب شدن غذا در یخچال خانه شود. در مورد جایی مثل بیمارستان نیز قطعی کوتاه برق ممکن است جان بسیاری را تهدید کند و از همه مهم‌تر معضل نوشته شده ابتدای این گزارش ایجاد شود.

دسترسی به شبکه برق به کمک اینترنت اشیا

شبکه برق‌رسانی مجموعه‌ای از خطوط و ترانسفورماتورهاست که کار تولید، مخابره، انتقال و تقسیم برق بین یک منبع و تعداد زیادی ساختمان را به‌عهده دارد. شبکه برق مجهز به فناوری دیجیتال می‌تواند هوشمند شود و برق به میزان مورد نیاز به مقاصد مختلف ارسال می‌شود. انجام این کار نیز به کمک کنتورهای هوشمند و اینترنت اشیا امکان‌پذیر است.

موج هوشمندسازی شبکه برق و همچنین استفاده از اینترنت اشیا در این زمینه فقط به شبکه تولید و انتقال برق اختصاص پیدا نمی‌کند. قرار است در آینده‌ای نه چندان دور، مصرف‌کنندگان برق بیش از این از چنین شبکه‌ای بهره ببرند. شبکه هوشمند برق می‌تواند به کنترل برق در ساعت‌های اوج مصرف کمک کند، برای مثال وسایل خانگی برقی طوری تنظیم شود که در ساعت‌هایی غیر از زمان اوج مصرف کار کند. همچنین می‌توان در ساعت‌های عادی برق را ذخیره کرد و در ساعت‌های اوج مصرف برق وسایل خانگی از برق ذخیره شده تامین شود تا در هزینه و برق مصرفی صرفه‌جویی شود. اکنون پلتفرم و زیرساخت‌های مناسب توسعه شبکه هوشمند انرژی در کشور طراحی و در حال پیاده‌سازی است. این صنعت نوپا و رو‌به‌رشد در سال‌های آینده قادر به دریافت اطلاعات، گرفتن فرمان‌ها و کنترل مصرف انرژی در مرحله تولید و مصرف است و مصرف‌کننده شهری در محل تلاقی این دو پلتفرم قرار گرفته است.

توسعه شبکه در ایران

شبکه‌های هوشمند در کشورهای مختلف متناسب با ساختار شبکه قدیمی موجود، با روش‌های متفاوتی پیاده‌سازی شده است. در کشور ما هم این موضوع در حوزه‌های مختلف در حال پیگیری است و یکی از این حوزه‌ها طرح کلان ملی شبکه هوشمند (یکی از طرح‌های شورای عتف) است و مرکز توسعه شبکه هوشمند پژوهشگاه وزارت نیرو نیز مجری اجرای این طرح در کشور است. دکتر کیان جعفری، مشاور مرکز شبکه هوشمند پژوهشگاه نیرو و عضو هیات علمی دانشکده مهندسی برق دانشگاه شهید بهشتی، درباره یکپارچه‌سازی شبکه هوشمند برق در ایران به جام‌جم می‌گوید: شبکه هوشمند، شامل بخش‌های مختلفی مثل کنتورهای هوشمند و ژنراتورهاست که هر کدام جداگانه در حال توسعه و پیاده‌سازی در کشور است. وزارت نیرو نیز متصدی یکپارچه‌سازی این بخش‌هاست تا از پتانسیل‌هایی استفاده شود که به صورت موازی پیاده‌سازی شده است. به این ترتیب می‌توانیم شبکه‌ای در کشور داشته باشیم که تولید پراکنده را تقویت و این صنعت را به سمت مصرف بهینه هدایت کند.

از جمله مزایای این شبکه، آسیب‌ندیدن زیرساخت‌ها و فرهنگ‌سازی برای مصرف کمتر در زمان اوج مصرف برق است. سرانه مصرف ما نسبت به دیگر کشورهای جهان بالاست و به همین دلیل چنین برنامه‌ای به کاهش سرانه مصرف نیز کمک خواهد کرد.

مصرف برق بهینه می‌شود

مفهوم شبکه هوشمند بر این قاعده مبتنی است که بازار مصرف انرژی ایجاد شود. دکتر جعفری درباره نقش توسعه شبکه هوشمند در بهینه‌سازی مصرف برق می‌افزاید: شبکه هوشمند که مبتنی بر اینترنت اشیا ست، به این معنی است که می‌توان انرژی را تولید و ذخیره کرد و در نهایت آن را وارد شبکه انرژی کرد. به‌طور مثال می‌توان به کمک صفحه‌های خورشیدی، خودروهای برقی و هیبریدی انرژی تولید و این انرژی را به سامانه تزریق کرد. جایی که لازم باشد نیز می‌توان از این سامانه، انرژی مورد نیاز را دریافت کرد. به این ترتیب، بازار انرژی ایجاد می‌شود و در ساعت‌هایی این انرژی ارزان‌تر و در ساعت‌هایی گران‌تر است. این موضوع به بهینه‌سازی مصرف انرژی کمک می‌کند. برای توضیح ساده‌تر این موضوع می‌توان بسته‌های اینترنت خانگی یا تلفن همراه را مثال زد که افراد با توجه به نیاز خود آن را تامین می‌کنند. همین مفهوم در شبکه‌های هوشمند اتفاق می‌افتد، با این تفاوت که در این شبکه هر کس می‌تواند تولیدکننده و فروشنده انرژی باشد.

تعامل اینترنت اشیا با شبکه‌های هوشمند

وقتی صحبت از هوشمندسازی می‌شود، این فناوری مبتنی بر اینترنت اشیا خواهد بود. پیاده‌سازی شهر هوشمند، شبکه هوشمند برق یا آب به کمک اینترنت اشیا ممکن است و اشیای مختلف در این شبکه با یکدیگر در تماس هستند؛ بنابراین استفاده از اینترنت اشیا به ایجاد ارتباط مناسب اجزای این شبکه کمک می‌کند. در مواردی این اشیا از طریق اینترنت به یکدیگر متصل می‌شوند و در جای دیگر پروتکل‌هایی مثل شبکه‌های کم‌مصرف با دامنه وسیع (Low Power Wide Area Network) به ایجاد زیرساخت ارتباطی اشیا کمک می‌کنند.

امروز در حوزه اینترنت اشیا، پیشرفت‌های زیادی در کشور داشته‌ایم. در قسمت اشیا، حسگرهای مختلف ساخت داخل و خارج از ایران، بخش‌های مختلف خانه‌های هوشمند را پوشش داده‌اند و می‌توان تعدادی از فرمان‌های هوشمند را به کمک آنها پیاده‌سازی کرد. از نظر حسگرها که اشیای این شبکه هوشمند هستند، پیشرفت خوبی در کشور داشته‌ایم. با این حال در بستر مخابراتی و ارتباط بین حسگرها و عملگرها و ارسال داده‌ها، هزینه‌ها بسیار بالاست. اما اگر از بسترهای جدید مختص اینترنت اشیا و پروتکل‌هایی مثل LPWAN استفاده شود، هزینه و مصرف کمتر می‌شود. این بسترها حدود شش ماه است در شهرهای بزرگ برای استفاده در قسمت‌هایی مثل کنتورهای هوشمند آب پیاده‌سازی شده است. شهرداری‌ها نیز در زمینه شهر هوشمند در حال انجام طرح‌هایی مرتبط با اینترنت اشیا هستند. به نظر می‌رسد در آینده‌ای نه‌چندان دور بتوانیم از مزایای شبکه هوشمند برق در کشور بهره‌مند شویم.