بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه شبکه های توزیع برق بسیار پیچیده اند ، مشکلاتی از قبیل عدم امکان تجزیه و تحلیل اتوماتیک داده ها، دید ضعیف به شبکه، سوئیچ های مکانیکی با زمان پاسخ طولانی، عدم آگاهی موقعیتی در شبکه فعلی وجود دارد که اینها باعث ایجاد خاموشیهای بزرگ شده اند شبکه های هوشمند ، با هدف رفع مشکلات شبکه های فعلی و مدیریت بهتر سیستم قدرت مطرح شدند .
این شبکه ها امکان پایش کامل و کنترل لحظه ای تجهیزات را فراهم می کنند . این شبکه ها ، کنترل و بهره برداری سیستم قدرت را بهبود بخشیده و امکان استفاده گسترده از تولیدات پراکنده را فراهم می کند . شبکه هوشمند باید قادر به ترمیم خود و بازگشت سریع به شرایط مطلوب با وجود خطاهای ایجاد شده باشد ، بهره برداران را در جهت یافتن راه های جدید انجام مبادلات انرژی در سیستم قدرت یاری کند .
یکی از فاکتورهای مهم در شبکه هوشمند بستر و زیرساخت ارتباطی است. کلیه اقدامات توسط سیستم پایش و نظارت آنلاین توسط بستر ارتباطی و اطلاعاتی تشخیص داده یا پیش بینی می شود ، در این مقاله بررسی فرکانسی پروتکل زیگ بی به عنوان یکی از ابزارهای ارتباطی در شبکه هوشمند مورد بررسی قرار گرفته است.
-1 مقدمه
برای مدت زمان حدود 100 سال تغییر محسوسی در اصول شبکه های برق اتفاق نیفتاد تجربه نشان داد با توجه به نیازهای قرن 21 روش شبکه برق با کنترل مرکزی جوابگوی نیاز نخواهد بود که برای پرداختن به چالشهای شبکه برق موجود مفهوم جدیدی بنام شبکه هوشمند برق پدید آمد. شبکه هوشمند برق را می توان یک نمونه مدرن از زیر ساخت شبکه برق به منظور افزایش بهره وری و قابلیت اطمینان شبکه بصورت کنترل خودکار باقدرت با استفاده از زیرساخت مدرن شبکه ارتباطی، تکنولوژی سنجش و اندازه گیری ، روشهای مدیریت و بهینه سازی تقاضا، انرژی و در دسترس بودن شبکه و غیره در نظر گرفت.
امروزه شبکه های توزیع برق بسیار پیچیده اند و پاسخگوی نیازهای روزافزون قرن 21 نیستند ، مشکلاتی از قبیل عدم امکان تجزیه و تحلیل اتوماتیک داده ها، دید ضعیف به شبکه، وجود سوئیچ های مکانیکی با زمان پاسخ طولانی، عدم آگاهی موقعیتی، در شبکه فعلی وجود دارد که اینها همه باعث ایجاد خاموشیهای بزرگ در طول 40 سال گذشته شده اند از طرفی برخی عوامل دیگر از جمله افزایش جمعیت و تقاضا برای انرژی، محدودیتهای موجود در تولید برق، ارتباطات یکطرفه در شبکه توزیع، کاهش سوختهای فسیلی هم از مشکلات جانبی شبکه موجود است . همچنین تهدید قابل ملاحظه انتشار گازهای گلخانه ای در نتیجه تولید و توریع برق به روشهای فعلی نیاز به یک زیرساخت جدید برای شبکه را حیاتی می کند
.برای تحقق بخشیدن این قابلیتها یک مفهوم جدید از نسل بعدی سیستم برق بنام شبکه های هوشمند پدید آمده است
شبکه هوشمند برق یک زیرساخت شبکه مدرن است برای بهبود کارایی، قابلیت اطمینان و ایمنی با ادغام و جایگزینی منابع انرژی تجدید پذیر از طریق فن آوری کنترل خودکار و ایجاد ارتباطات مدرن
نکته مهم اینکه شبکه هوشمند برق قادر خواهد بود استراتژیهای جدید مدیریت شبکه را با یکپارچه سازی شبکه در تولیدات پراکنده - DG - و مدیریت طرف ثقاضا و ذخیره سازی انرژی برای حفظ تعادل بار - DG - ارائه دهد
.منابع انرژی تجدید پذیر - RES - ها - Renewable - energy sources بصورت گسترده ای توسط بسیاری از محققان مورد مطالعه قرار گرفته است که با ادغام آنها کاهش تلفات سیستم و افزایش قابلیت اطمینان، کارایی و امنیت عرضه برق به مشتریان، برخی از پیشرفتهایی است که شبکه هوشمند برق به ارمغان خواهد آورد
در حال حاضر شبکه های موجود فاقد قابلیتهای ارتباطی هستند در حالی که در یک شبکه قدرت هوشمند زیرساختهای سنجش و توانایی محاسبات و ارتباطات پیشرفته همانطور که در شکل 1 نشان داده شده به همراه مسیرهای ارتباطی و گره های حسگر مرتبط با قابلیت همکاری بین آنها از اجزای مختلف سیستم می باشند در این مقاله پروتکل زیگ بی به عنوان یکی از ابزارهای مورد توجه در زمینه ارتباطات در شبکه هوشمند برق مورد بررسی قرار گرفته است این پروتکل در دنیا بر اساس منطقه مشخص شده توسط اتحادیه جهانی مخابرات یا ITU در سه بازه فرکانسی 868، 915 و 2400 مگاهرتز کار میکند که در اینجا سعی شده است با توجه به طیف ملی فرکانس در ایران وضعیت عملکرد این پروتکل در بازه فرکانسی 5800 مگا هرتز مورد ارزیابی قرار گیرد.
شکل - - 1 - افزایش ظرفیت و انعطاف پذیری شبکه با هوشمند سازی با سنجش و کنترل از طریق ارتباطات مدرن
مزایای شبکه های هوشمند عبارتند از:
بهبود کیفیت توان و قابلیت اطمینان، استفاده از تسهیلات و امکانات بهینه سازی و جلوگیری از ساخت و ساز نیروگاه های پشتیبان پیک بار، بهبود ظرفیت و بهره وری شبکه های موجود برق، بهبود مقاومت در برابر اختلال، امکان پیش بینی خطا و بهبود پاسخهای خود به اختلالات سیستم، تسهیل به کارگیری گسترده از منابع انرژی تجدید پذیر، تطبیق منابع توزیع قدرت بهره برداری و تعمیر و نگهداری خودکار، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای با استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی و منابع انرژی نو کاهش مصرف سوخت های فسیلی با کاهش نیاز تولید در طول دوره پیک بار، ارائه فرصت هایی برای بهبود امنیت شبکه،فعال کردن انتقال توسط وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره سازهای جدید انرژی، افزایش حق انتخاب مصرف کننده، فعال کردن خدمات و بازار جدید
-2 زیر ساختهای مورد نیاز برای پیاده سازی شبکه های هوشمند
سیستم های ارتباطی یک جزئ کلیدی در زیرساخت شبکه هوشمند هستند 9]و.[8برای رسیدن به یک شبکه هوشمند دقیق با کنترل و قیمت گذاری لحظه ای حجم زیادی از داده ها از دستگاههای مختلف و برنامه های کاربردی جمع آوری می شوند از اینرو تعریف الزامات ارتباطات و پیدا کردن بهترین زیرساختهای ارتباطی برای ارائه یک سرویس امن و قابل اعتماد و مقرون به صرفه در سراسر سیستم امریست حیاتی به همراه ترغیب مشتری برای شرکت در شبکه هوشمند به منظور دریافت خدمات بهتر و بهره وری بیشتر نقش مدیریت سمت تقاضا و مشارکت مشتری برای مصرف کارآمد برق به خوبی واضح است
علاوه بر این قطع برق پس از بلایای مختلف در ساختار شبکه قدرت کنونی توجه بر اهمیت ارتباط بین تجهیزات هوشمند و شبکه ارتباطی را خاطرنشان می کند .در واقع دو نوع زیرساخت ارتباطی در یک شبکه هوشمند برق مورد نیاز است :ارتباط بین سنسورها و لوازم الکتریکی محل مصرف تا کنتور هوشمند و ارتباط بین کنتور هوشمند و مرکز دیتا. برای حالت اول می توان از ارتباط بیسیم با امواج رادیویی توان پایین مانند Zigbee، Z-Ware و... استفاده نمود
شکل - - 2 - لایه های شبکه هوشمند
-3 پروتکل ZigBee در شبکه هوشمند برق
ZigBee مجموعه ای از پروتکلهای ارتباطی سطح بالا با استفاده از امواج رادیویی توان پایین بر اساس استاندارد 802,15,4 IEEE برای شبکه های شخصی می باشد تجهیزات ZigBee اغلب از شبکه مش برای ارسال اطلاعات به فواصل دورتر با عبور اطلاعات از تجهیزات میانی و رسیدن به تجهیز دورتر بهره می برند ZigBee مزایای هزینه کم ، نرخ اطلاعات کم ، مصرف توان کم ، قابلیت اطمینان ، قابلیت انعطاف با توپولوژی مش را در عین سادگی فراهم می کند
Zigbee برای اهداف کنترل منزل و ساختمان، اتوماسیون، امنیت، مصرف کنندگان الکترونیکی، دستگاههای جانبیPC، نظارت پزشکی و اسباب بازی به کار میرود ZigBee در باندهای فرکانسی صنعتی، علمی و پزشکی موسوم به ISM کار میکند. 868MHz در اروپا 915 MHz در آمریکا و استرالیا و 2,4 GHz در جهان. باند 2,4 گیگا هرتز دارای 16 کانال و نرخ داده حداکثر Kbps 250 در هوا میباشد.
باند فرکانسی 902-928 MHz با 10 کانال و نرخ 40 Kbps به کار گرفته میشود. در اروپا یک کانال در باند فرکانسی 868 -870 MHz با نرخ داده Kbps 20 به کار میرود .[9] بطور کلی پروتکل ZigBee از مدولاسیون PSK استفاده می کند و با توجه به اینکه در استاندارد IEEE 802,15,4 سه باند فرکانسی مختلف تعریف می شود در باندهای فرکانسی 868MHz و 915MHz مدولاسیون BPSK ودر باند فرکانسی 2,4GHz مدولاسیون O-QPSK مورد استفاده قرار می گیرد
