بخشی از مقاله
-1 مقدمه
شبکه های هوشمند انرژی مفهوم جدیدی است که از ابتدای قرن 21 مییددی مطرح شده است.یک شبکه هوشمند انرژی، شبکه ای است که با ترکییب ییک زیر ساخت مخابراتی دو طرفه به زیرساخت الکتریکی، امکان پایش، حفاظیت و کنترل از راه دور را در زیرساخت الکتریکی فراهم می کند .]1[ در شبکه هیای هوشمند انرژی، هوشمند سازی می تواند در سطوح مختلفی انجام شود .]2[
در سطح توزیع انرژی، هوشمند سازی از اهمیت بیاییی برخیوردار اسیت زییرا عمده ی مصرف و همچنین تلفات در سطح توزیع است و از سوی دیگر، شبکه ی توزیع از تعداد زیادی از مشترکین خرد خانگی، تجاری، صنعتی و کشاورزی تشکیل شده است. موارد ذکر شده در بای سبب شده اسیت کیه انیدازه گییری مصرف دقیق مشترکین همواره یکی از مسائل مهم و چالش برانگییز در شیبکه های توزیع باشد. برای حل چالش مطیرح شیده، مفهیوم زیرسیاخت هوشیمند انیدازه گیییری - Advanced Metering Infrastructure - مطییرح شییده است.
سامانه ی AMI زیر سیاختی را فیراهم میی کنید کیه در آن امکیان قرائیت و مدیریت کنتورها فراهم میی شیود .]3[ بخشیی از ایین زیرسیاخت، تجهییزات داخل کنتورها است که باید هوشیمند باشید. در سیالهای اخییر فعالییت هیای بسیاری در خصوص تولید، توسعه و استانداردسازی کنتورهای هوشیمند انجیام شده است 3[،.]2 بخش دیگیر و مهیم زیرسیاخت AMI، شیبکه ارتبیاطی دو طرفه است که امکان ارتباط دو طرفه را برای کنتورهای هوشیمند فیراهم میی کنید.
بیا توجیه بیه تعیداد بیای کنتیور هوشیمند و توزییع آن در ییک گسییتره جغرافیائی، مسئله طراحی زیرساخت ارتباطی AMI به یکیی از مسیائل مهیم شبکه های هوشمند توزیع تبدیل شده است. روش های مختلفی برای طراحیی زیرساخت ارتباطی سیستم AMI پیشنهاد شده است. از آن جمله می توان به طراحی مبتنی بر شبکه های سلولی - موبایل - نام بیرد. ارسیال داده روی بسیتر GSM و بستر GPRS از جمله ی این روش ها می باشند .]2[
استفاده از شبکه های داده سلولی برای زیرساخت مخابراتی AMI دارای مزایا و معایب خاص خود است. از مزیت های آن می توان به عدم نیاز به هزینه کرد زیرساختی اشاره کرد. یکی از معایب مهیم ایین روش ارتبیاطی، عیدم ت یمین اتصال و پهنای باند است.این مشکل در نسل های قدیمی شیبکه هیای سیلولی بیشتر مشهود است زیرا هدف اصلی از این شبکه ها، ارتباطات صیدا بیود و نیه ارتباطات دیتا. مشکل فوق در شبکه های نسل جدید سلولی تا حدی حل شده است اما همچنان نوع سرویس داده ارائه شیده توسیا ایین شیبکه هیای نسیل جدید، مناسب برای داده های کنتورهای هوشمند نیست.
دلیل آن ایین اسیت که اینشبکه ها عموماَ برای ارتباطات اینترنتی حجم بای طراحی شیده انید و قابلیت اتصال در درجه دوم اهمیت قیرار دارد و عمیده توجیه بیه پهنیای بانید معطوف می شود.این در حالی است که داده های کنتورهای هوشمند نییاز بیه پهنای باند زیادی ندارند اما قابلیت اتصال بای از ملزومات آن است. مشکل دیگر در شبکه های سلولی، افزایش روز افزون حجم داده در این شیبکه ها است. سیسکو در تحقیقات اخیر خود پیشبینی کرده است که ترافیک داده موبایل جهانی در بین سالهای 2011 الی 2016 بیه مقیدار 18 برابیر افیزایش خواهد یافت.
همچنین در این تحقیقات تخمین زده شده است که حیدود %71 از داده موبایل مربوط به دانلود و اشتراکگذاری دادههای تصویری خواهید بیود .]4[ از سوی دیگر و با وجود حجم بیای و رو بیه رشید داده در شیبکه سیلولی، ایجاد اولویت بندی برای داده های خاص مثل کنتورهای هوشمند دشوار است. به منظور حل مشکدتی که در بای شرح داده شد، در سالیان اخیر تحقیقیات و تدشهای گوناگونی صورت پذیرفته است.
حاصل ایین تحقیقیات، ارائیه روش-هایی مانند افزایش تعداد ایسیتگاههیای پاییه رادییویی، بروزرسیانی تکنولیوژی دستیابی به سلولهای رادیویی و آفلودینگ ترافیک داده موبایل بوده اسیت. بیا توجه به هزینههای بایی افزایش تعداد ایستگاههای پایه و بروزرسیانی شیبکه-های سلولی، آفلودیگ داده موبایل توجهات بیشیتری را بیه خیود جلیب کیرده است .]5[
تکنولوژی آفلودینگ داده موبایل از شبکههای مکمیل بیرای انتقیال دادههیا در شبکههیای سیلولی اسیتفاده مییکنید. روشهیای مختلفیی بیرای اسیتفاده از تکنولوژی آفلودینگ داده موبایل وجود دارند که از جمله مهمترین آنهیا میی-توان به تکنولوژی فمتوسل و شبکههای وای-فای اشاره نمود .]6[ تکنولوژی فمتوسل بر اساس قوانین و قواعد موجود در ماکروسلهیای شیبکه-های سلولی عمل میکنید.
بیا توجیه بیه ایین مسیئله، بیه منظیور اسیتفاده از تکنولوژی فمتوسل عموما نیازی به سختافیزار مجیزا نیسیت. تکنولیوزی وای-فای آفلودینگ زمانی قابل استفاده است که شبکه ی داده سیلولی و شیبکه ی وای-فای همپوشانی داشته باشند. در این شیرایا داده هیا از طرییق شیبکه ی وای-فای آفلود می شوند و این امیر باعیک کیاهش ترافییک داده در شیبکه ی سییلولی مییی شییود. در اییین روش آفلودینییگ، دسییتگاه انتهییایی کییاربر باییید از تکنولوژی وای-فای پشتیبانی کند.
استفاده از تکنولوژیهای مختلی بیسییم بیرای ایجیاد زیرسیاخت مخیابراتی سامانهی AMI از همان ابتدای معرفی این سامانه مطیرح بیوده اسیت. در ]7[ ییک معمیاری بییرای سیامانهی AMI جهییت اسیتفاده از تکنولییوژی GSM و GPRS پیشیینهاد شییده اسییت. در ]8[ یییک روش پیییاده سییازی زیرسییاخت مخابراتی با استفاده از تکنولوژی RF معرفی شده است.
این سیسیتم در شیهر ارومیه پیادهسازی شده است. تکنولوژی Wi-Fi و Zigbee نییز در سیامانهی AMI استفاده شدهاند. در ]9[ ایین دو تکنولیوژی یعنیی WSN بیر پاییه ی Wi-Fi و Zigbee از لحاظ کارائی با یکدیگر مقایسه شدهاند. در این تحقییق نشان داده شیده اسیت کیه تکنولیوزی Wi-Fi از نظیر قیمیت، نیرن انتقیال و ظرفیت انتقال شرایا بهتری نسبت به تکنولوژی بی سیم دارد.
از سییوی دیگییر تحقیقییات زیییادی در سییالهای اخیییر روی طراحییی تکنولییوژی آفلودینگ در شبکه های سلولی متمرکز بوده است. ریستانوویچ و همکارانش در سال 2011 و به منظور کاهش ترافیک در شیبکه-های سلولی، دو الگوریتم بر مبنیای جانمیایی اکسیس پوینیتهیا بیا نیامهیای Hotzones و Mixzones معرفی کردهاند. روش پیشنهادی عدوه بر کاهش ترافیک شبکه، باعک صرفهجویی مصرف باتری تلفنهای هوشمند کیاربران نییز گردید است .]10[ در سال 2012، بولوت و همکارش ییک روش جدیید بیرای جانمایی اکسیس پوینیتهیای وای-فیای ارائیه نمودهانید.
در ایین روش، بیرای دسترسیهای متفاوت، وزنهای متفیاوتی در نظیر گرفتیه شیده اسیت .]5[ در سال 2013، کییم و همکیارانش ابتیدا پیارامتر «مییانگین خروجیی بیرای هیر مشترک» در شرایطی که یک شبکهی وای-فای دادههای یک شبکهی سیلولی را آفلود میکند به عنوان یک معیار تعری شده است. سپس با استفاده از ایین معیار تعری شده و با استفاده از ییک روش ریاییی، تعیداد کمینیهی APهیا برای طراحی یک تکنولوژی آفلودینگ با کارائی مشیخ بدسیت آمیده اسیت .]11[ با مروری بر تحقیقات پیشین مطرح شده مشخ میشود که تیا کنیون هییچ تحقیقی در خصوص طراحی تکنولوژی آفلودینگ برای سامانهی AMI صورت نگرفته است.
با در نظر گرفتن حقایقی که پیشتر مطرح شد، چنین میتیوان نتیجیه گرفیت که تکنولوژیهای بیسیم - ماننید شیبکههای سیلولی، تکنولیوژی Zigbee، و شبکههای - Wi-Fi با توجه به عدم نیاز به سیرمایهگذاری روی بسیتر سییمی، روشهای بسیار مناسبی برای پیادهسازی زیرساخت مخابراتی سامانهی AMI هستند. از سوی دیگر ساختار شبکههای سلولی و ترافیک رو به افیرایش آنهیا شرایطی را فراهم آورده اسیت کیه سیرویس دادهی اینگونیه از شیبکهها بیرای کنتورهای هوشمند مناسب نیست و نیاز به ارتقاء شیبکههای سیلولی احسیاس میشود. به همین دلیل، انگیزهی این تحقیق طراحی یک تکنولوژی آفلودینگ وای-فای به عنوان زیرساخت مخابراتی سامانهی AMI است.
این مقاله از بخش های زیر تشکیل شده اسیت. بخیش دوم مقالیه بیه معرفیی شبکه های هوشیمند انیرژی، زیرسیاخت مخیابراتی ایین شیبکه هیا و سیامانه هوشمند اندازه گیری اختصاص دارد. بخش سوم آفلودینگ داده در شبکه های سلولی را تشریح می کند. فرمول بندی مساله با استفاده از الگوریتم ژنتییک در بخش چهارم این مقاله شرح داده شده اسیت. بخیش چهیارم بیه پییاده سیازی مساله با استفاده از الگوریتم بخش سوم اختصاص دارد. نتایج شیبیه سیازی در بخش پنجم این مقاله مطرح و بحک شده اند. ایین مقالیه بیا نتیجیه گییری در بخش ششم به انتها می رسد.
-2 شبکه های هوشمند انرژی - Smart Grids -
شیبکهی هوشیمند انییرژی مفهیوم جدیییدی اسیت کییه بیه تییازگی بیه ادبیییات سیستمهای قدرت معرفی شده است. این مفهوم به معنی ایجاد یک زیرساخت مخابراتی با قابلیت ارتباط دوطرفیه اسیت کیه بیا زیرسیاخت الکتریکیی تمامیا مرتبا شده است و امکان پایش، حفاظت، و کنتیرل بددرنیگ در مسیافتهای دور را فراهم میکنید .]1[ در نتیجیه، ایجیاد زیرسیاخت مخیابراتی بیا قابلییت ارتباط دوطرفه، گام ابتدایی در ایجاد یک شبکهی هوشمند انرژی است.
هوشمندسییازی در شییبکههای الکتریکییی دارای سییطوح مختلفییی اسییت. هوشمندسازی میتواند در سیطح تولیید، انتقیال، فیوق توزییع، و توزییع قابیل پیادهسازی است. یکی از مصادیق مهم هوشمندسازی در سیطح توزییع، ایجیاد زیرساخت اندازهگیری هوشمند - AMI - است. بیا توجیه بیه تنیوع مصیرف در سییطح توزیییع و همچنییین وجییود تعییداد زیییاد مشییترک در شییبکهی توزیییع، اندازهگیری مصرف در شبکههای توزییع از ابتیدا از چالشیهای مهیم اینگونیه از شبکهها بوده است.
-2-1 زیرساخت مخابراتی در شبکه های هوشمند انرژی
روش های مختلفی بیرای ایجیاد زیرسیاخت مخیابراتی شیبکه هیای هوشیمند پیشنهاد شده اند. ثابت شده است که خصوصیات یک شبکه مخیابراتی شیدیدا از خصوصیات رسانهی انتقال - Transmission Media - خود تاثیر میگیرد .]2[ به عنوان نمونه، شبکهای که با استفاده از فیبر نوری پیادهسازی شده ذاتیا در برابر نویز الکتریکی مصونیت قابل قبولی دارد.
همانگونه که پیشتر مطرح شد، ایجاد یک زیرساخت مخابراتی با قابلیت ارتبیاط دو طرفه رکن اساسی پیادهسازی یک شبکه هوشمند است. روشهای مختلفی بییرای پیادهسییازی اییین زیرسییاخت تییا کنییون پیشیینهاد شییده اسییت. در ]2[، شهرآئینی و همکاران انواع روشهای مختل پیادهسازی زیرسیاخت مخیابراتی برای شبکههای هوشمند را بررسی و دستهبندی کردهاند.
یکی از روشهای پرکاربرد در پیادهسازی زیرساخت مخابراتی برای شیبکههای هوشمند در سطح توزییع، اسیتفاده از رسیانهی هیدایت نشیده - Ungiuded - Media و ارتباطییات بیسیییم اسییت. در ]2[ انییواع ارتباطییات بیسیییم قابییل استفاده در شبکههای هوشمند انیرژی بررسیی شیدهاند. از آن جملیه میتیوان ارتباط با مودم GSM، ارتباط با GPRS، و ارتباط با Wi-Fi را نام برد.
-2-2 سامانه اندازه گیری هوشمند
اندازهگیری از راه دور و همچنین قرائت از راه دور وسیائل کنتورهیای شیبکهی توزیع از دیرباز مدنظر بوده است. در سیالهای اخییر و بیا توجیه بیه پیشیرفت شبکههای مخابراتی و کیاهش هزینیههای اینگونیه از شیبکهها، بحیک «قرائیت خودکار کنتیور - Automatic Meter Reading - » و «سیامانه انیدازهگیری پیشییرفته - Advanced Metering Infrastructure - » مطییرح شییدهاند.
تفاوت اصلی بین AMR و AMI آنست که AMR صرفا توانائی قرائت از راه دور را دارد در حالیکه AMI امکان کنتیرل از راه دور دسیتگاه انیدازهگیری را عدوه بر قرائت فراهم میآورد. دسیتگاههای انیدازهگیری جدیید - کیه بیه آنهیا کنتور هوشمند عموما نیز اطدق میشیود - از ماژولهیای زییر تشیکیل شیدهاند: ماژول تغذیه، ماژول اندازهگیری، و ماژول ارتباطی. در AMI کنتورها عدوه بر ماژولهای فوق دارای یک ماژول کنترل نیز میباشند.
در سامانه اندازهگیری هوشیمند - AMI - ، اسیتفاده از ارتباطیات بیسییم روش متداول و مناسبی جهت ایجاد زیرساخت مخابراتی است. دلیل ایین موییوع را میتوان چنین تشریح کرد: اوی تعداد مشیترکین توزییع و بیه طبیع آن تعیداد لوازم اندازهگیری بسییار زییاد اسیت و در گسیترهی وسییع جغرافییائی توزییع شییدهاند. اییین امییر سییبب میشییود کییه اسییتفاده از رسییانههای هییدایت شییده - Guided Media - مانند سیم مسی بهم تابییده، کابیل کواکسییال، و فیبیر نوری بسیار هزینهبر باشد.
دوم اینکه سیاختار سیامانهی انیدازهگیری هوشیمند دائماً در حال تغییر است و اصدح ساختار زیرساختهای مخابراتی هدایت شیده مانند فیبر هزینهی بسیار بایئی به بهرهبردار سیستم تحمیل میکنید. آخیرین دلیل و نه کم اهمیتترین دلیل ایین اسیت کیه حجیم دادههیای هیر دسیتگاه اندازهگیری پائین است که به سیادگی توسیا ارتباطیات بیسییم قابیل تیامین است. همهی موارد مطرح شده در بای نشان دهندهی اهمیت زیرسیاخت بیسییم در سامانهی هوشمند اندازهگیری - AMI - است. به همیین دلییل، انگییزهی ایین تحقیق طراحی یک روش جدید در پیادهسازی اینگونه از زیرساختها است.
-3 آفلودینگ
با توجه به توسعه روزافزون دستگاههایی مانند گوشیهای هوشمند و لپتیا - ها، استفاده از سرویس داده ی موباییل بیه سیرعت در حیال افیزایش اسیت. از جمله فعالیتهایی که سبب افزایش داده موبایل میگردد، میتوان به اسیتفاده از مرورگرهییای اینترنتییی، دانلییود فایییلهییای صییوتی و تصییویری و همچنییین اشتراکگذاری تصاویر دیجیتالی اشاره نمود .]6[
سیسیکو در تحقیقیات اخییر خود پیشبینی کرده است که ترافیک داده موبایل جهیانی در بیین سیالهیای 2011 الی 2016 به مقدار 18 برابر افیزایش خواهید یافیت. همچنیین در ایین تحقیقات تخمین زده شده اسیت کیه حیدود %71 از داده موباییل مربیوط بیه دانلود و اشتراکگذاری دادههای تصویری خواهد بود .]4[ با وجود چنین انفجاری در داده موبایل، به نظر میرسد که شبکههیای سیلولی در آیندهای نه چندان دور کارآیی خود را از دست خواهند داد. به منظیور حیل این مشکل، در سالیان اخیر تحقیقات و تدشهای گونیاگونی صیورت پذیرفتیه است.
حاصل این تحقیقات، ارائه روشهایی مانند افزایش تعیداد ایسیتگاههیای پایییه رادیییویی ، بروزرسییانی تکنولییوژی دسییتیابی بییه سییلولهییای رادیییویی و آفلودینگ ترافیک داده موبایل بوده است. با توجه به هزینههای بیایی افیزایش تعداد ایستگاههای پایه و بروزرسانی شبکههای سیلولی، آفلودییگ داده موباییل توجهات بیشتری را به خود جلب کرده است .]5[
تکنولوژی آفلودینگ داده موبایل از شبکههای مکمیل بیرای انتقیال دادههیا در شبکههیای سیلولی اسیتفاده مییکنید. روشهیای مختلفیی بیرای اسیتفاده از تکنولوژی آفلودینگ داده موبایل وجود دارند که از جمله مهمترین آنهیا میی-توان به تکنولوژی فمتوسل و شبکههای وای-فای اشاره نمود .]6[ تکنولوژی فمتوسل به منظور بهبود کیفیت سرویس داده در شبکههای سیلولی ارائه شده اسیت. تکنولیوژی فمتوسیل بیر اسیاس قیوانین و قواعید موجیود در ماکروسلهای شبکههای سلولی عمل میکند.
با توجه به این مسئله، به منظور استفاده از تکنولوژی فمتوسل، گوشیهای هوشمند نیازی به سختافیزار مجیزا ندارند. هرچند، این امکان وجود دارد که کاربر نهایی نیاز به نصب ایستگاههیای پایه با برد کوتاه در محیا کاری خود برای اتصیال بیه شیبکه اینترنیت داشیته باشد. توجه به این نکته یروری است که آفلودینگ داده موبایل بیا اسیتفاده از تکنولوژی فمتوسیل، بسییار کارآمید مییباشید.
