بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزيابي عملکرد پروتکل ارتباطي بي سيم زيگبي در شبکه هوشمند توزيع برق (Smart Grid)
چکيده :
توسعه شبکه هاي هوشمند قدرت موجب شده تا مسايل و راهکارهاي متفاوتي در بخش هاي مختلف آن ارائه شود. از جمله مسائل مطرح در اين شبکه ها بحث ارتباط بخش هاي مختلف و تبادل داده ها بين اين بخش ها است . راهکار نويني که بسياري از محققان آن را دنبال ميکنند، استفاده از شبکه هاي سنسوري بدون سيم ميباشد. مزاياي اين شبکه ها موجب گرديده تا بتوان مسائل و مشکلات مربوط به شبکه هاي هوشمند قدرت را برطرف نمود و مزاياي زيادي را نيز ايجاد کرد. در اين مقاله با هدف بررسي و ارزيابي فناوري زيگبي به عنوان يکي از محبوبترين شبکه هاي سنسوري بيسيم ، مزاياي استفاده از اين فناوري در حوزه شبکه هاي هوشمند قدرت مورد تحقيق قرار ميگيرد. اين ارزيابي عملکرد در بحث ميزان خطاي ايجاد شده ، تاخير ايجاد شده ، ضريب دريافت ، خروجي شبکه ، متوسط طول عمر باطري و ميزان مصرف انرژي انجام پذيرفته است . شبيه سازي ها قوت اين فناوري در حوزه هاي مختلف را نمايان ميسازد.
مقدمـه
شبکه هوشمند توزيع برق ١ براي يکپارچه کردن تکنولوژي هاي ارتباطي پيشرفته در شبکه هاي توان الکتريکي و بمنظور هوشمند تر کردن اين شبکه ها طراحي شده اند. وضعيت کنوني گوياي آن است که خاموشي ها و افت ولتاژ هاي موجود در شبکه قابل پيشگيري هستند اگر که وسايل و تکنولوژي هايي با ارتباطات سريعتر و بهتر براي شبکه الکتريکي موجود باشد [١,٢] . در اين راستا چالش هاي زيادي براي ارتباطات شبکه هوشمند وجود دارد از قبيل : قابليت تعميم ، مقياس پذيري، انعطاف پذيري، قابليت حمل ، امنيت و کارايي [١].
در دهه گذشته بعنوان پاسخي براي افزايش درخواست ارتباطات قابل حمل و انعطاف پذير، چندين تکنولوژي بي سيم در رنج کوچک توسعه يافته اند. از طرفي با پيشرفت استاندارد ٨٠٢.١١ IEEE بر پايه شبکه هاي گسترده بي سيم ٢ ، تکنولوژي هايي با توان مصرفي کم و هزينه پايين از جمله استاندارد ٨٠٢.١٥.٤ IEEE جاي خود را در بازار ثابت کرده و تحت عنوان شبکه هاي حسگر بي سيم ٣ پديدار شده اند. به تازگي نيز استاندارد انرژي هوشمند زيگبي (ZigBee) که کاربردي از استاندارد ٨٠٢.١٥.٤ IEEE بوده و معرف يک راه توانا براي برقراري ارتباط بر اساس اطلاعات انرژي از قبيل هزينه و انرژي مصرف شده است ، توسعه يافته است [١١-٣]. اين عوامل باعث ميشود زيگبي براي عمليات نظارت، جمع آوري داده و آناليز آنها در کاربردهاي مختلف شبکه هوشمند برق ايده آل باشد [٢٠-١١]. از طرفي زيگبي داراي معايبي نيز مي باشد از جمله اينکه استاندارد زيگبي نرخ ٤ پايين را پشتيباني ميکند که باعث ميشود براي کاربردهايي که نياز به پهناي باند بالايي براي شبکه دارند، مناسب نباشد.
بنابراين براي ارزيابي واقع بينانه قابليت اطمينان شبکه در سيستم هاي شبکه هوشمند بر پايه زيگبي ، نياز به ارزيابي وسيع کارايي زيگبي در محيط هاي مختلف شبکه هوشمند مي باشد[٢١]. مقالاتي در زمينه محاسبه نرخ خطاي بسته ٥ در منابع [٢٤-٢٢] موجود مي باشد. در [٢٥] و [٢٦] رفتار شبکه زيگبي در وسايل شبکه گسترده بي سيم مورد بررسي قرار گرفته شده است . در مقالات [٣٠-٢٧] تلاشهاي زيادي در زمينه محاسبه راندمان انرژي و بهينه سازي پروتکل پشته ٦ براي شبکه هاي حسگر بي سيم انجام شده است . همچنين در مقالات [١٨-١٥] و [٣٢-٣١] نيز تخمين هايي براي کيفيت لينک صورت گرفته است . در اين مقاله ابتدا به طور مختصر چندين تکنولوژي ارتباطي موجود براي تحقق شبکه هوشمند، استاندارد IEEE٨٠٢١٥٤ و زيگبي گفته خواهد شد و سپس کارايي شبکه در سيستم هاي توزيع برق هوشمند بر پايه زيگبي در مواردي از جمله عملکرد٧ شبکه ، نسبت تحويل بسته ٨ ،مصرف انرژي ٩ ، طول عمر باطري و متوسط تاخير١٠ مورد ارزيابي قرار خواهند گرفت .
تکنولوژي هاي ارتباطي شبکه هوشمند توزيع برق
ارتباط از طريق کابل برق
سيستم هاي ارتباطي که از کابل برق استفاده ميکنند سينگال حامل مدوله شده را روي شبکه کابل کشي انتقال ميدهند
[٣٣]. يکي از نقاط ضعف PLC ها سرعت کم ارتباط ديتا مي باشد.
ارتباط بي سيم
- استاندارد (ZigBee) ٨٠٢.١٥.٤ IEEE : استانداردي است که خصوصيات لايه فيزيکي و لايه کنترل دستيابي وسايل ١٢ براي شبکه شخصي بي سيم ١٣ با نرخ داده پايين را مشخص ميکند. زيگبي معروف ترين تکنولوژي ارتباطي بي سيم با توان پايين بوده که بر اساس لايه فيزيکي و لايه MAC استاندارد ٨٠٢.١٥.٤ IEEE ايجاد شده است .[4,34]
- استاندارد (Wi-Fi) ٨٠٢.١١ IEEE : استاندارد Wi-Fi مشخصات لايه فيزيکي و لايه MAC را بر اساس استانداردهاي ٨٠٢.١١ IEEE مشخص ميکند. اين استاندارد بارزترين تکنولوژي بي سيم براي اينترنت سرعت بالا در محيط هاي داخلي وخارجي و براي مقاصد سرگرمي مي باشد.
- استاندارد (WiMAX١٤) ٨٠٢.١٦ IEEE : يک تکنولوژي ارتباطي بي سيم است که تحت استانداردهاي IEEE ٨٠٢.١٦ ايجاد شده که از جمله ويژگي هاي آن در شبکه اسمارت گريد ميتوان به قابل اطمينان ، نرخ داده بالا، اتصال به شبکه به طور خودکار، هزينه نصب و راه اندازي کم و منطقه پوشش وسيع اشاره کرد [٣٨-٣٧].
- and GPRS١٦ GSM١٥ :GSM معروف ترين شبکه سلولي ١٧ طراحي شده در جهان مي باشد. در کاربرد اسمارت گريد از اين تکنولوژي به طور گسترده براي اهداف نظارت ١٨ استفاده ميشود[٤١-٣٩]. عمليات نظارت خانه و کنترل بار را براحتي ميتوان توسط تکنولوژي هاي GSM و GPRS انجام داد[٤].
- ٧ DASH : يک تکنولوژي شبکه حسگر بي سيم جديد است که از استاندارد ٧-١٨٠٠٠ ISO/IEC استفاده ميکند.
اين تکنولوژي بمنظور فعال کردن دستگاه هاي عملياتي با فرکانس راديويي توسعه يافته است . [٤٢].
استاندارد ٨٠٢.١٥.٤ IEEE و زيگبي
٨٠٢.١٥.٤ جزئي از خانواده استانداردهاي IEEE که لايه فيزيکي و لايه کنترل دستيابي وسايل براي شبکه هاي بي سيم
شخصي با سرعت کم را تعريف کرده است [١٠,١٤,١٥] . سه توپولوژي پايه براي شبکه در اين استاندارد تعريف شده است :
توپولوژي ستاره اي ١٩ ، توپولوژي حلقه اي ٢٠ و توپولوژي درختي ٢١ که نمونه آن در شکل ١ آمده است [١٧] .
همچنين اين استاندارد دو نوع وسيله را پشتيباني ميکند : وسايل با کارايي کامل ٢٢ و وسايل با کارايي محدود٢٣ [١٨-١٥].
شکل ١. توپولوژي هاي شبکه
وسايل بر پايه اين استاندارد ميتوانند يکي از سه باند فرکانسي نشان داده شده در جدول ١ را بکار گيرند [١٩-١٧].
استاندارد زيگبي
همانطور که در شکل ٢ ديده ميشود، پشته پروتکل زيگبي از چهار لايه اصلي تشکيل شده است : لايه کاربرد٢٥، لايه شبکه ، لايه کنترل دستيابي وسيله و لايه فيزيکي [٤٣,٤٤]. زيگبي نيز سه نوع وسيله مختلف را پشتيباني ميکند که عبارتند از رديابهاي زيگبي ٢٦، هماهنگ کننده زيگبي ٢٧ و وسايل انتهايي زيگبي ٢٨ [٤٥].
سيستم هاي کنترل و سيستم هاي نظارت آنلاين با پيشرفت هاي اخيري که در شبکه هاي حسگر بي سيم رخ داده بسيار مقرون به صرفه شده اند.در اين سيستم ها پارامترهاي مهم از قبيل ولتاژ، جريان ، دما و ساير ديتاهاي مربوطه نظارت ميشوند و سپس توسط سيستم پردازش به ايستگاه مرکزي يا پردازش محلي منتقل ميشود. در اين حين WSN ها نقش مهمي در ايجاد قابليت اطمينان شبکه هوشمند توان الکتريکي دارند. از جمله کاربردهاي عمده WSNها در شبکه هوشمند توزيع ، از مرحله توليد برق تا مصرف کننده ، ميتوان به طور خلاصه به موارد زير اشاره کرد [٢١]:
- قيمت گذاري در زمان واقعي [٤٧]
- آشکار سازي زمان قطع برق [٤٧]
- سيستم خواندن کنتور اتوماتيک بي سيم [٦,٤٥,٤٧]
- آشکار سازي خرابي خط و سرقت برق [٢]
- ذخيره سازي انرژي [٢]
ارزيابي
در اين بخش ، ارزيابي عملکرد استاندارد ٨٠٢.١٥.٤ IEEE در شبکه اي متشکل از ٢٠ گره حسگر ، در يک توپولوژي ستاره اي صورت گرفته است . شبيه سازي ها توسط نرم افزار شبيه ساز ٢-NS بدست آمده اند. در اين شبيه سازي از مدل انتشار
Shadowing براي مدل انتشار امواج راديويي (بمنظور پيش بيني توان سيگنال دريافتي بسته ) استفاده شده است . اين مدل در فواصل بزرگتر داراي دقت بسيار بيشتري نسبت به دو مدل free space و TwoRayGround مي باشد. توان دريافتي
در فاصله d نسبت به فاصله مرجع از رابطه (١) بدست مي آيد :
که در آن :٨٩ يک متغير تصادفي گوسي با متوسط صفر و واريانس استاندارد =»; مي باشد. ؛?« از طريق اندازه گيري بدست مي آيد و در محيط هاي مختلف متفاوت مي باشد. در جدول ٢ پارامترهاي مربوط به مدل shadowing براي شبيه سازي سه سيستم قدرت متفاوت داده شده است . در اين شبيه سازي از ترافيک CBR٢٩ و طول بسته ٧٠ بايت در سرعت هاي مختلف و ٥ جريان ترافيکي استفاده شده است . ساير جزئيات لازم براي شبيه سازي در جدول ٣ داده شده است .
براي بررسي عملکرد شبکه پارامترهاي زير محاسبه شده اند. عملکرد شبکه : معرف حجم کليه داده هاي دريافت شده در زمان شبيه سازي است . متوسط تاخير : معرف متوسط زمان دريافت کليه ديتاها در مقصد مي باشد. نسبت تحويل بسته :
معرف نسبت بين تعداد بسته هايي که با موفقيت ارسال شده اند نسبت به تعداد کل بسته هاي ارسال شده . متوسط طول عمر باطري : معرف متوسط عمر باطري ها. بر اساس معيارهاي تعريف شده ، نتايج شبيه سازي در شکل هاي ٣ الي ٧ براي سه محيط مختلف شبکه توزيع هوشمند مشاهده مي شوند. در ابتدا در شکل ٣ براي انتخاب بين مد بيکن ٣٠ يا غير بيکن ٣١ و انتخاب بهينه ضرايب BO و SO اثر تغيير اين ضرايب بر طول عمر باطري و نسبت تحويل بسته بررسي شده است . همانطور که ملاحظه ميشود با افزايش اين ضرايب طول عمر باطري افزايش مي يابد ولي در مقابل نسبت تحويل بسته کاهش پيدا ميکند. پس از بررسي اين شکل و در نظر گرفتن اولويت ها ضرايب ٤ = BO و ٣ = SO براي شبيه سازي انتخاب شدند.
در شکل ٤ مشاهده ميشود با افزايش نرخ ديتا ، طول عمر باطري کاهش پيدا ميکند، به جز در ايستگاه برق ٥٠٠ کيلوولت که شاهد افزايش طول عمر باطري در نرخ هاي ٣ و ٥ (pkts/s) هستيم .در شکل ٥ نسبت تحويل بسته در ايستگاه برق صفر نشان داده شده است که علت آن وجود نويز زياد مي باشد. اثر اين عامل در عملکرد شبکه در شکل ٦ نيز قابل ملاحظه است .
