شبکه هوشمند چیست؟ — به زبان ساده

اولین شبکه برق در دهه 1895-1885 ساخته شد و سیستم انرژی الکتریکی برای مدت‌ها تغییر خاصی نکرده بود، اما امروزه وارد دنیای جدیدی شده است. با گذشت زمان، تعداد شبکه‌های برق افزایش یافته است، تا جایی که امروزه بیش از 9200 شبکه در سراسر جهان وجود دارد و این شبکه‌ها حدود یک میلیون مگاوات توان مورد نیاز مصرف‌کنندگان را تأمین می‌کنند. از آنجایی که پیشرفت شبکه برق، مانند سایر فناوری‌ها، رابطه مستقیمی با گذشت زمان دارد، امروزه برای افزایش کارآمدی شبکه، فناوری دیجیتال در حال ترکیب شدن با آن است. این فناوری دیجیتال جدید ارتباط دوطرفه را میسر کرده است و ارتباط مستقیم بین تولید و مصرف را تضمین می‌کند. همین پیوند میان فناوری‌های دیجیتال و شبکه برق، منجر به مفهوم جدیدی به نام «شبکه هوشمند» (Smart Grid) شده است. در این آموزش درباره شبکه هوشمند و جنبه‌های مختلف آن بحث خواهیم کرد.

چرا به یک شبکه هوشمند نیاز داریم؟

یک شبکه برق کامل، از خطوط انتقال، ترانسفورماتورها، پست‌های توزیع، تجهیزات و بخش‌های دیگر، نیروگاه‌ها و مصرف‌کنندگان تشکیل می‌شود. برای تغییر شبکه باید دلایل قانع‌کننده‌ای داشته باشیم، خصوصاً اگر بخواهیم آن را پیچیده‌تر کنیم. محرک اصلی گرایش به شبکه هوشمند، کاهش گازهای گلخانه‌ای بوده است. بخش تولید برق، نقش بزرگی در دستیابی به این هدف دارد.

فیلم آموزش شبکه های هوشمند اسمارت گرید Smart Grid انرژی الکتریکی – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

البته همه اجزای کلیدی سیستم قدرت بر این موضوع اثرگذار هستند، اما جایگزینی منابع تولید مبتنی بر سوخت‌های فسیلی با فناوری‌های جدید و با کربن کم یا بدون کربن نقش اساسی در این زمینه دارند. این فناوری‌های نوین تولید برق مشخصه‌های متفاوتی نسبت به مولدهای مبتنی بر سوخت‌های فسیلی دارند و مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از مولدهای تجدیدپذیر، مولدهای پراکنده و نیروگاه‌های هسته‌ای.

مولد‌های مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر، به ویژه توربین‌های بادی و پنل‌های فتوولتائیک را برخلاف ژنراتورهای سنتی نمی‌توان به آسانی کنترل کرد. این مولدهای برق از منابع غیر قابل کنترل باد و خورشید بهره می‌برند. مولدهای پراکنده، شامل مولدهای تجدیدپذیر کوچک هستند، اما واحدهای ژنراتور دیزلی آماده به کار یا تولیدات مربوط به مولدهای همزمان برق و حرارت نیز به این دسته متعلق‌اند و به شبکه‌های توزیع متصل می‌شوند و ممکن است کنترل پذیری کمتری داشته باشند.

نتیجه گسترش چنین فناوری‌هایی این است که اندازه و حتی جهت پخش بار در شبکه بسیار غیر قابل پیش‌بینی خواهد شد و به راه‌هایی برای متعادل کردن تولید و مصرف به منظور پایدار نگه داشتن سیستم و تضمین اینکه شبکه به دلیل کم شدن تولید دچار اضافه بار نشود نیاز خواهد بود. با اتصال مولدهای مختلف، چالشِ شبکه انتقال، یافتن و گسترش راه‌های جدید تعادل تولید و مصرف است.

علاوه بر بخش تولید، در بخش توزیع نیز به تغییرات زیر نیاز داریم:

• خانه‌ها ممکن است مولد یا ذخیره کننده انرژی الکتریکی باشند.
• گرمایش هوا و آب را می‌توان به جای گاز با برق انجام داد.
• خودروهای برقی و هیبریدی را می‌توان با خودروهای بنزینی جایگزین کرد (شارژ و دشارژ این خودروها به تعادل سیستم کمک می‌کند).
• به هماهنگی بارها و مولدها نیاز داریم تا عملکرد شبکه در سطوح محلی، منطقه‌ای و ملی پشتیبانی شود.

اگر چنین چیزی در سمت توزیع رخ دهد، خانه‌ها به انرژی الکتریکی بیشتری نیاز دارند و الگوهای مصرف تغییرات قابل توجهی خواهند کرد و پخش بار در دو جهت خواهد بود. در این صورت، پایش و کنترل هوشمندتر شبکه بهترین گزینه خواهد بود و کمترین هزینه را در بر خواهد داشت؛ بدین معنی که می‌توان قابلیت سیستم را با تجهیزات و راهکارهای مختلفی از جمله مبدل‌های الکترونیک قدرت بهبود داد.

همچنین می‌توان از کنتورهای هوشمند در خانه‌های هوشمند استفاده کرد. مثلاً می‌توان زمان کار برخی وسایل برقی را به گونه‌‌ای تنظیم کرد که با توجه به هزینه آنلاین برق کار کنند. بدین ترتیب، بسیاری از مصرف‌کنندگان تشویق می‌شوند به صورت فعال مصارف خود را مدیریت کرده و به این ترتیب، تعادل سیستم قدرت بهبود یافته و محدودیت‌های شبکه مدیریت می‌شود.

بنابراین، به طور خلاصه می‌توان گفت که دلیل اصلی اینکه ما به یک شبکه هوشمندتر نیاز داریم، این است که به شرکت‌های برق کمک شود تا الزامات مصرف‌کنندگان را سریع‌تر و با هزینه بهینه‌ای (با تطبیق تقاضای در حال رشد اما کمتر قابل پیش‌بینی تا کوچکترین سطوح سیستم) برآورده کنند.

شبکه هوشمند چیست؟

به بیان ساده می‌توان گفت که شبکه هوشمند یک سیستم اتوماسیون بین تولید و مصرف است. این شبکه هوشمند از سیستم دیجیتال هوشمند، اتوماسیون، کامپیوتر و کنترل تشکیل می‌شود که ارتباط دوطرفه بین تولید و مصرف برق را برقرار می‌کنند.

در یک شبکه برق عادی، تولیدکننده برق تنها در صورتی از بروز خرابی در شبکه مطلع می‌شود که مصرف‌کننده، قطعی و مشکل را اطلاع دهد. اما در شبکه هوشمند، شرکت تولیدکننده برق به صورت خودکار به ناحیه‌ای که تحت تأثیر خرابی قرار گرفته پاسخ داده و اقدامات لازم را انجام می‌دهد، زیرا اجزای شبکه هوشمند (یعنی از ترانسفورماتور قدرت تا سیستم انتقال و توزیع و در نهایت سیستم مصرف‌کننده) داده‌های کافی را در اختیار شبکه قرار می‌دهند.

تفاوت اصلی بین شبکه کنونی و شبکه هوشمند آینده این است که تولید و تقاضا متعال هستند. شبکه برق کنونی از پست‌های بسیار بزرگ تشکیل شده که به سیستم انتقال فشار قوی متصل شده‌اند. خروجی اغلب این پست‌ها را می‌توان با توجه به نیاز کل سیستم تغییر داد. شبکه سراسری، به طور مداوم دستورالعمل‌ها را برای حصول اطمینان از برقراری تعادل تولید و مصرف صادر می‌کند. از آن‌جایی که مقدار تولید مشخص است و میزان تقاضا را می‌توان پیش‌بینی کرد، میزان تقاضا مشخص می‌کند که چه پست‌هایی و با چه میزان خروجی کار کنند.

اکنون این پرسش پیش می‌آید که چه چیزی یک شبکه را هوشمند می‌کند؟ چهار فناوری پیشرفته سبب می‌شوند یک شبکه عادی به شبکه هوشمند تبدیل شود:

1. مسیر مخابراتی دوطرفه خودکار و مجتمع بین همه اجزای شبکه.
2. کنترل اتوماتیک توزیع توان، خطاها و تعمیرات.
3. مدیریت پیشرفته، ساز و کار و نرم‌افزار پشتیبان تصمیم.
4. فناوری‌های اندازه‌گیری دقیق و حسگرهای پیشرفته.

اجزای شبکه هوشمند

همان‌طور که گفتیم، یک شبکه هوشمند را می‌توان به عنوان شبکه‌‌ای الکتریکی تعریف کرد که از ترکیب شبکه برق و فناوری مخابرات دیجیتال تشکیل شده است. شبکه هوشمند این قابلیت را دارد که توان الکتریکی را از منابع پراکنده مانند توربین‌های بادی، سیستم‌های فتوولتائیک و خودروهای الکتریکی نیز تغذیه کند. برای دستیابی به یک شبکه هوشمند مدرن، باید طیف گسترده‌ای از فناوری‌ها را ایجاد و پیاده‌سازی کرد. این فناوری‌ها عموماً شامل موارد زیر هستند.

فیلم آموزش بررسی سیستم های قدرت ۱ در فرادرس

کلیک کنید

تجهیزات هوشمند: تجهیزات هوشمند قابلیت تصمیم‌گیری مصرف انرژی را بر اساس تنظیمات از پیش تعیین شده مصرف‌کننده دارند. این قابلیت به کاهش پیک بار می‌انجامد و بر کم شدن هزینه‌های تولید اثر مثبت دارد. برای مثال، سنسورهای هوشمند، مانند سنسورهای دمایی که برای کنترل دمای بویلرها مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توانند هدر رفت انرژی را کاهش دهند.

پست‌های هوشمند: پست‌های برق شامل داده‌های عملیاتی بحرانی و غیربحرانی کنترل و پایش مانند وضعیت توان، عملکرد ضریب توان، مدارشکن، داده‌های امنیتی، وضعیت ترانسفورماتور و... هستند. از پست‌‌های برق برای تبدیل ولتاژ‌ در سطوح مختلف و در مکان‌های مختلف و در جهت‌های گوناگون پخش بار استفاده می‌شود. در پست‌ها تجهیزات بزرگ و بسیار گرانی از قبیل ترانسفورماتورها، کلید‌ها، بانک‌های خازنی، مدارشکن‌ها، رله‌های حفاظتی و... وجود دارد.

کابل‌های ابررسانا: از این کابل‌ها در خطوط انتقال طولانی و ابزار پایش و تحلیل که قابلیت آشکارسازی خطا دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مخابرات مجتمع: پایه اصلی شبکه هوشمند، مخابرات مجتمع است. این بخش از شبکه هوشمند باید به اندازه کافی سریع باشد و بتواند به نیازهای آنی پاسخ دهد. بسته به نیاز، فناوری‌های مختلفی در مخابرات شبکه هوشمند به کار گرفته می‌شود؛ از جمله: ارتباطات خطوط قدرت (PLC)، فناوری بی‌سیم، مخابرات سلولی (شبکه‌ای)، اسکادا (سامانه سرپرستی و گردآوری داده) و خطوط برق پهن‌باند (BPL).

در طراحی یک سیستم مخابرات مجتمع باید نکات زیر را در نظر گرفت:

• سادگی توسعه در آینده
• استانداردها
• ظرفیت حمل داده
• امنیت
• قابلیت پوشش شبکه

واحدهای اندازه‌گیری فازور (PMU): از این تجهیزات برای اندازه‌گیری موج‌های الکتریکی با استفاده از یک مرجع زمانی مشترک برای سنکرون‌سازی در سیستم قدرت استفاده می‌شود.

مزایا و معایب شبکه هوشمند

برخی از مزایای شبکه هوشمند به شرح زیر است:

• انتقال و توزیع بهینه توان الکتریکی
• برقراری سریع توان پس از قطع ناشی از خطای سیستم
• هزینه پایین عملکرد، تعمیر و نگهداری
• تعرفه پایین‌تر برق به دلیل کاهش تقاضای پیک
• تسهیل ادغام منابع تجدیدپذیر به در شبکه
• افزایش تطبیق‌پذیری خطوط انتقال
• کاهش تقاضای پیک
• بازیابی سریع بعد از هرگونه اغتشاش و مشکل ناگهانی در خطوط و فیدرها
• مدیریت حفاظتی شبکه در شرایط اضطراری
• پاسخ تقاضای بهتر
• بهبود کیفیت توان
• کاهش گازهای گلخانه‌ای

توسعه فناوری دیجیتال در شبکه‌های هوشمند قابلیت اطمینان، بازده و دسترسی مصرف‌کنندگان به تولید را تضمین می‌کند که خود موجب ثبات اقتصادی می‌شود.

از چالش‌های شبکه هوشمند نیز می‌‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مسائل مربوط به حریم خصوصی: بزرگترین نگرانی در یک شبکه هوشمند مربوط به مسائل امنیتی است. همان‌طور که می‌دانیم، در شبکه هوشمند از کنتورهای هوشمند استفاده می‌شود که ارتباط بین تولید و مصرف را به صورت پویا برقرار می‌کنند. برخی از کنتورهای هوشمند به سادگی هک می‌شوند و ممکن است منبع توان یک ساختمان یا همسایه‌ها را کنترل کنند.
• نوسانات شبکه: شبکه هوشمند در قسمت تولید و مصرف نهایی هوشمند است، زیرا از کنتورها و سنجه‌های هوشمند در این نقاط استفاده می‌کند. اما شبکه، هوشمندی کافی را در میانه‌ها برای اداره عملکردهای سوئیچینگ ندارد. این کاستی توسعه در شبکه سبب نوسانی شدن آن می‌شود. تاکنون، در شبکه‌های هوشمند بیشتر به بخش‌های تولید توان و مصرف انرژی توسط مصرف‌کنندگان پرداخته شده است. اگر قبل از آنکه هوش نرم‌افزاری برای کنترل شبکه توسعه یابد، تعداد زیادی گره به شبکه افزوده شود، به یک شبکه هوشمند نوسانی می‌انجامد. برای عملکرد ایمن و مطمئن سیستم قدرت،‌ به سیستم‌های کنترل هوشمند نیاز است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مدار سه فاز — از صفر تا صد
• توان راکتیو (Reactive Power) — به زبان ساده
• پروفایل بار چیست؟ — به زبان ساده

^^