بخشی از مقاله
چکیده -
شبکه های برق در وضع بحرانی از نظر زیر ساختی به سر می برند. در چند سال اخیر شبکه های برق در سراسر جهان شکست های بسیار بزرگی را تجربه کرده اند که باعث بوجود آمدن ضررهای مالی هنگفتی شده است. در آینده نچندان دور با اتمام سوخت های فسیلی و عدم تعادل بین عرضه و تقاضای در بازار برق، قدیمی شدن تجهیزات و عدم وجود ارتباط صحیح و موثر در خطوط انتقال باعث کاهش بهره برداری از شبکه های برق خواهد شد به همین دلیل کشورهای مختلف و شرکت های بزرگ به تازگی دست به بازسازی شبکه های برق برای پاسخگوئی و بالابردن کیفیت انرژی و در دسترس بودن انرژی برق را در هر نقطه یکی از خواسته های اساسی کشورها در قرن 21 می باشد.
با پیشرفت تکنولوژی در علم الکترونیک و فناوری اطلاعات و ارتباطات و فناوری ICT میتوان به این امر بسیار مهم دست پیدا کرد. شبکه های جدید موسوم به شبکه های هوشمند برق با بکار بردن فناوری های نوین ICT در حال خلق شدن می باشد. روند روبه رشد شبکه های هوشمند SG و نیاز ارتباط مستمر بین مصرف کننده و شبکه برق نیازمند زیر ساخت های ارتباطی با قابلیت بالا و هزینه کم میباشد که این امر توسط شبکه های حسگر بی سیم WSN میسر می شود.
شبکه های حسگر بی سیم دارای قابلیت های بسیار زیادی می باشند و کاربرد های وسیع را در انواع علوم دارند. در این مقاله ما قصد داریم مدیریت مصرف انرژی برق در مشترکان خانگی با استفاده از WSN مورد بررسی قرار دهیم. با بررسی عملکرد شبکه های حسگر بی سیم از نظر نسبت تحویل بسته ها delivery ratio ، تأخیر و وریانس تأخیر بسته PVD در زمان و اندازه های مختلف شبکه را مورد بررسی قرار خواهیم داد. ما همچنین نتایج و خروجی های عددی مرتبط با کاهش هزینه، پیک بار و انتشار گاز های گلخانه ای بعد از مدیریت مصرف انرژی توسط مصارف خانگی را مورد بررسی و نشان خواهیم داد.
-1 مقدمه
ا شبکه های انتقال برق دارای اجزای مختلفی می باشند که بطور عمده برای تولید انرژی بکار می روند. برای انتقال و توزیع جریان الکتریکی در مناطق مختلف به اشکال متفاوت خدمات ارائه میگردد، انتقال و توزیع جریان برق تقریباً به یک قرن پیش بر میگردد و با افزایش جمعیت جهان و بزرگ شدن بازار لوازم خانگی و مصرفی الکترونیکی و الکتریکی وابستگی کشور ها را به انرژی برق افزایش داده است.
انتظار می رود تقاضا در مصرف انرژی تا سال 2020 به دو برابر مقدار فعلی خود افزایش یابد [1] و کاهش سوخت های فسیلی و همچنین پیری تجهیزات و قطعات در آینده نزدیک تأثیر بسزایی در شبکه های برق خواهد داشت. در چند سال اخیر در کشورهای پیشرفته از جمله آمریکا خاموشی های عمده منجر به خسارتهای مالی چشمگیری شده است. با روند رو به رشد بهره برداری از شبکه های برق به روز رسانی شبکه ها و نو سازی تجهیزات به یک ضرورت تبدیل شده است که از مزایای به روز رسانی شبکه های برق می توان به، بدست آوردن استقلال در تولید انرژی، امنیت بالاتر انرژی، استفاده بیشتر از نیروگاه های انرژی نو و تجدید پذیر، ساختمان های هوشمند و کارآمد و کاهش انتشار گاز های گلخانه ای اشاره نمود.
شکل 1 :شبکه هوشمند با ارتباط مخابراتی
چرا باید به سمت هوشمند سازی شبکه ها قدم برداریم؟ این مکانیسم هماهنگ و کنترل پذیر را می توان توسط زیر ساخت های فناوری ارتباطات و مخابراتی میسر نمود. یک شبکه که از زیر ساخت های ارتباطی مخابراتی برای مشاهده و کنترل بهره میبرد را شبکه هوشمند یا Smart Grid می نامند.
اهدافی که یک شبکه هوشمند دنبال می کند عبارتند از:
الف - میسر سازی ارتباط دو طرفه با استفاده از جریان عظیمی از اطلاعات شبکه و توزیع جریان الکتریکی
ب - خود تحلیل بودن شبکه
ج - هماهنگی با سالم سازی محیط زیست
د - ذخیره سازی انرژی
ه - اعمال بهتر و دقیق مدیریت مصرف
و - تداوم وجود انرژی در آینده
شبکه های حس گر بی سیم WSN یک فرصت برای گسترش شبکه های هوشمند بشمار می آید به خصوص در کاربرد شبکه های هوشمند برق با فراگیری تکنولوژی های ارتباطی برنامه های متنوع مدیریت مصرف افزایش چشم گیری خواهد داشت.
شبکه های هوشمند برق کنترل بیشتر را در مدیریت مصرف به همراه خواهد داشت. ارتباطات فراگیر و فعال ما را قادر خواهد ساخت که مدیریت مصرف را در هر نقطه و در هر زمان به انجام رسانیم. در این زمینه فناوری ها و زیر ساخت های ارتباطی در محل مصرف کننده می توان از شبکه های حسگر بی سیم WSN استفاده نمود، که قابل کنترل و کم هزینه خواهد بود.
دراین مقاله ما بر روی کاربرد شبکه های حسگر بی سیم بر مدیریت مصرف انرژی در منازل و استفاده و کاربرد آن تمرکز خواهیم کرد.
در ابتدا ما وضعیت موجود مدیریت مصرف انرژی در منازل را بررسی خواهیم کرد و سپس بر روی مدیریت مصرف توان در شبکه های حسگر بی سیم WSN تمرکز خواهیم داشت. گره های حسگر از پروتکل های ارتباطی مختلفی از جمله 6LowPan ، IEEE 802.15.4 ، استفاده می نمایند. ما عملکرد یک شبکه حسگر را در نسبت تحویل بسته ها ، وریانس تأخیر بسته و زمان تحویل بسته ها در یک شبکه حسگر مدیرت مصرف منازل بهبود یافته بررسی خواهیم کرد.
بعنوان مثال با بکار بردن شبکه های حسگر WSN مدیریت مصرف انرژی بهبود یافته و با به اشتراک گذاری دیگر منابع شبکه به بهبود آن کمک شایانی می نماییم. علاوه بر اینها شبکه حسگر بی سیم نسبت تحویل بالاتری و مقدار وریانس تأخیر بسته کمتر در شبکه های با اندازه کوچکتر خواهند داشت که به دلیل مشاجره کمتر گره ها با یکدیگر دارای خطای کمتری خواهد بود که به آن خواهم پرداخت.
همچنین ما مشاهده کردیم با کاربرد این سیستم و مدیریت مصرف انرژی کمک شایانی به کاهش هزینه انتشار گاز های گلخانه ای ناشی از مصرف برق دستگاه هایی که در ساعت اوج مصرف، برق مصرف می نمایند، کرده ایم.
در ادامه مقاله به مباحث ذیل خواهیم پرداخت. در بخش 2 کاربرد شبکه های حسگر بی سیم WSN را در یک شبکه هوشمند برق و برخی مشکلات پیش روی در شبکه های هوشمند برق مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در بخش 3 به بررسی کاربرد مدیریت مصرف انرژی خواهیم پرداخت و در بخش 4 به بررسی نتایج بدست آمده می پردازیم. در بخش 5 به نتیجه گیری موضوع های مورد بررسی در مقاله خواهیم پرداخت.
.1 تاریخچه
شبکه های حسگر بی سیم کاربرد وسیعی در شبکه های هوشمند SG دارد. در این بخش ما شبکه های برق را به سه بخش تقسیم می کنیم. تولید، انتقال، توزیع و مصرف و کاربرد شبکه های حسگر بی سیم را در هرکدام توضیح خواهیم داد.
تولید: در شبکه های برق قدیمی نظارت بر سیستم با امکانات کم و سنسور های محدود که تنها در چند نقطه حساس نصب میشوند
میسر می باشد و این ارتباط بصورت ارتباط سیمی صورت می پذیرفت. یکی از اهداف شبکه های هوشمند برق SG این است که به افزایش استفاده از انرژی های نو و تجدید پذیر دست یابد. می توان نیروگاه های تولید انرژی تجدید پذیر و انرژی های نو را در مناطق دور افتاده تأسیس کرد و همچنین محدودیتی در انتخاب محیط که دارای مسیرهای صعب العبور باشند نخواهیم داشت و می توان نظارت کامل با نصب سنسورهای ارزان قیمت بطور مداوم و همیشگی بر روی آن داشت. شبکه حسگر بی سیم WSN این امکان را به ما می دهد که کنترل و نظارت دائم بر شبکه های هوشمند در هر نقطه را داشته باشیم.
انتقال و توزیع: در بخش انتقال و توزیع شبکه برق، سیستم های توزیع، خطوط انتقال، خطوط انتقال زیر زمینی قسمت هایی هستند که می توان بصورت بر خط بر آنها نظارت داشت که درصورت نداشتن نظارت کامل و به موقع بر این قسمت ها ممکن است موجب بوجود آمدن خاموشی های متعدد دامن زده شود و یا ممکن است خطرات قابل توجهی را برای عموم به دنبال داشته باشد. همچنین ممکن است این تجهیزات مورد سرقت سارقان قرار گیرد که سالانه خسارت های بالایی ناشی از سرقت تجهیزات شبکه های انتقال و توزیع را متحمل شویم که شبکه های حسگر بی سیم یک راهکار بسیار مناسب برای جلوگیری از این گونه مسائل بشمار می رود و کاربردهای گسترده ای در نظارت بر انتقال و توزیع برق خواهد داشت.
شکل : 2 نمونه ای از مشخصات بار در روز هفته ای از یک فصل زمستان
مصرف کننده: در شبکه های برق سنتی نیروگاه های تولید برق در دورترین نقطه از شبکه واقع شده است و رساندن برق تولیدی به مصرف کننده ها در هر نقطه کاریست طاقت فرسا و با مشکلات فراوان و صرف هزینه بسیار بالایی همراه می باشد و همچنین نظارت بر آن بسیار مشکل و پر هزینه خواهد بود. شبکه های هوشمند دارای ارتباط دو طرفه با استفاده از سیستم های مخابراتی ما را قادر خواهد ساخت که اطلاعات مورد نیاز عرضه کننده برق و مصرف کننده را از طریق این زیر ساخت ها جمع آوری نموده و در اختیار هر دو طرف قرار دهیم. همچنین امکان نظارت بر میزان مصرف انرژی توسط مصرف کننده و نظارت و کنترل کامل بر روی آن بدون اختلال میسر خواهد بود.
علاوه بر آن مصرف کنندگان بیشتر نیازمند ابزار پیشرفته اتوماسیون خانگی می باشند که دوباره می توان از شبکه های حسگر بی سیم جهت اتوماسیونه کردن مصرف کنندگان استفاده نمود. همچنین در شبکه های هوشمند صدور صورتحساب مصرف کننده بصورت لحظه ای و دقیق میسر خواهد بود و دیگر نیروهای نظارت کننده بر مصرف مشترکین، نیازمند سرکشی مداوم بر لوازم اندازه گیری و قرائت آنها نمی باشند. آنها می توانند با نشستن در یک اتاق نظارت کامل را بر کلیه کنتور ها به آسانی صورت دهند.
ما برای مثال سال 2011 را در زمان اوج مصرف TOU تأسیسات در شمال غرب امریکا را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
TOU به معنی زمان مصرف انرژی توسط مصرف کننده های فعال در یک بازه زمانی روزانه یا هفتگی در یک فصل گفته میشود.
بسیاری از محققان در زمینه مدیریت مصرف انرژی تحقیقات فراوانی می نمایند که بر روی بهینه سازی مصرف انرژی تمرکز نموده اند، محققان بمنظور کاهش پیک بار به زمانبندی کردن مصرف انرژی در بازه های زمانی مختلف تمرکز بیشتری نموده اند . [4] در [5] با استفاه از کنترل کننده های اتوماتیک قادر به پیش بینی قیمت برق مصرف شده در طول دوره و برنامه ریزی کاربردی برای بهینه سازی هزینه در یک چشم انداز مشخص می باشد.
نویسنده مقاله با استفاده از روش ازدحام جمعیت Particle Swarm روشی برای برنامه ریزی دیماندی و کنترل مصرف انرژی ارائه نموده است. در [7] نویسنده مقاله با استفاده از شبکه های عصبی neural network به پیش بینی تقاضای انرژی در روز بعد پرداخته و در آن سعی بر کاهش مصرف انرژی با روش ذکر شده داشته است. خانه های هوشمند نیز روش مناسبی برای صرفه جویی انرژی مصرفی در روشنایی منازل می باشد که با کنترل میزان شدت روشنایی نور نسبت به نور محیط و نور خارجی وارد شده به محیط و یا با کنترل ترموستات و تنظیم دمای درون خانه نسبت به دمای خارجی روش کاربردی مناسبی می باشد. رو شهای ذکر شده مدیریت مصرف انرژی از سال 1990 -به بعد می باشد
