شبکه هوشمند یک شبکه الکتریکی است که شامل انواع عملکرد و اقدامات انرژی از جمله کنتورهای هوشمند، لوازم هوشمند، منابع انرژی تجدید پذیر و منابع کارآمد انرژی، تهویه برق و کنترل تولید و توزیع برق می باشد.
سیاست شبکه هوشمند بر مبنای پلتفرم فناوری (Smart Grid) اروپا سازماندهی شده است. استفاده از فناوری شبکه هوشمند در حوزه صنعت برق بسیار گسترده است، اگرچه همچنان زیرساخت های فنی آن در حال تکمیل می باشد.
تاریخچه توسعه شبکه برق
اولین سیستم شبکه برق جریان متناوب در سال 1886 در گاردینگ بارینگتون ماساچوست نصب شد. در آن زمان شبکه، یک سیستم یک طرفه متمرکز بر انتقال برق، توزیع برق و کنترل تقاضا بود.
در قرن بیستم شبکه های محلی به مرور زمان رشد کردند و سرانجام به دلایل اقتصادی و قابلیت اطمینان به هم پیوستند تا اینکه در دهه 1960شبکه های برق کشورهای توسعه یافته بسیار بزرگ، بالغ و به هم پیوسته شده بودند و به هزاران نیروگاه تولید مرکزی قدرت از طریق خطوط برق با ظرفیت بالا و به صورت انشعابی تقسیم شده بودند و به مراکز اصلی، بار منتقل می کردند.
نیروگاه ها از نظر استراتژیکی برای نزدیکی به ذخایر سوخت های فسیلی (چاه های خود یا در نزدیکی خطوط ریلی، جاده یا بندر) قرار داشتند. قرار گرفتن سدهای برق آبی در مناطق کوهستانی نیز به شدت بر ساختار شبکه ی در حال ظهور تأثیر داشت. نیروگاه های هسته ای در نزدیکی آب خنک کننده قرار گرفتند. سرانجام، ایستگاه های برق با سوخت فسیلی در ابتدا بسیار آلوده کننده بودند و از مراکز جمعیت فاصله داشتند. در اواخر دهه 1960، شبکه برق به اکثریت قریب به اتفاق جمعیت کشورهای توسعه یافته رسید و فقط مناطق دور افتاده به عنوان مناطق خارج از شبکه باقی مانده بودند.
اندازه گیری مصرف برق بر اساس نیاز هر کاربر به منظور امکان صدور صورتحساب مناسب با توجه به سطح مصرف کاربران مختلف ضروری بود. به دلیل محدود بودن جمع آوری داده ها و قابلیت پردازش در طول دوره رشد شبکه، معمولاً تمهیداتی با تعرفه ثابت در دستور کار قرار می گیرد و ترتیبات تعرفه دوگانه برق شبانه با سرعت کمتری نسبت به توان روز شارژ می شود. تعرفه های دوگانه استفاده از برق کم هزینه شب را در برنامه هایی نظیر حفظ بانک های گرما که برای تسویه تقاضای روزانه انجام می شود، کاهش می دهد و در نتیجه منجر به بهبود بهره وری و سودآوری از امکانات تولید و انتقال می شود.
از 1970 تا 1990 تقاضای رو به رشد، منجر به افزایش تعداد نیروگاه ها شد. در برخی مناطق تأمین برق به ویژه در اوج زمان نتوانست این تقاضا را برآورده کند و منجر به کیفیت پایین از جمله قطعی برق و خاموشی گردید. صنایع گرمایشی، ارتباطی، روشنایی و سرگرمی وابسته به برق بود و مصرف کنندگان خواستار سطح بالاتری از قابلیت اطمینان بودند.
در اواخر قرن بیستم الگوی تقاضای برق برقرار گردید. گرمایش خانگی و تهویه مطبوع منجر به افزایش روزافزون تقاضا شد که توسط مجموعه ای از ژنراتورهای قدرتمند تامین می شد اما این ژنراتورها فقط برای دوره های کوتاه به شکل روزانه روشن می شدند. استفاده نسبتاً کم از این ژنراتورها همراه با افزایش الگوی تقاضای برق، هزینه های بالایی را برای شرکت های برق به همراه داشت که همین امر در قالب افزایش تعرفه ها ارسال می شد.
در قرن بیست و یکم برخی از کشورهای در حال توسعه نظیر چین، هند و برزیل شبکه هوشمند مستقر شد.
تعریف شبکه هوشمند
اولین تعریف رسمی از شبکه هوشمند توسط قانون استقلال انرژی و امنیت در ژانویه سال 2007 (EISA-2007) ارائه شد و در دسامبر2007 توسط جورج دبلیو بوش رئیس جمهور آمریکا به عنوان قانون امضا گردید. این لایحه می تواند تعریفی برای Smart Grid در نظر گرفته شود که به شرح ذیل می باشد:
“این سیاست ایالات متحده آمریکا است که از نوسازی سیستم انتقال و توزیع برق ملل حمایت کند تا زیرساخت های برق مطمئن و ایمنی را داشته باشد و بتواند رشد تقاضای آینده را برآورده سازد و هر یک از موارد ذیل را در زیرساخت شبکه هوشمند خود پوشش دهد:
- افزایش استفاده از اطلاعات دیجیتالی و کنترل فناوری برای بهبود قابلیت اطمینان، امنیت و کارایی شبکه برقی.
- بهینه سازی پویا ازعملکرد و منابع شبکه با تأمین امنیت کامل.
- استقرار و ادغام منابع توزیع شده و تولید ازجمله منابع تجدید پذیر.
- توسعه وادغام پاسخ تقاضا، منابع تقاضا و منابع بهره وری انرژی.
- استقرار فناوری های هوشمند (در زمان واقعی، خودکار، فناوری های تعاملی در جهت بهینه سازی فیزیکی بهره برداری از لوازم و دستگاه های مصرفی) برای اندازه گیری، ارتباطات مربوط به عملیات شبکه و وضعیت و اتوماسیون توزیع.
- ادغام وسایل هوشمند و دستگاه های مصرف کننده.
- استقرار و ادغام فناوری های پیشرفته ذخیره سازی برق و اصلاح وسایل نقلیه برقی و هیبریدی پلاگین و تهویه مطبوع.
- ارائه گزینه های کنترل و اطلاع رسانی به موقع به مصرف کنندگان.
- تدوین استانداردهای ارتباطی و قابلیت همکاری دستگاه ها و تجهیزات متصل به شبکه برقی، از جمله زیرساخت های ارائه دهنده شبکه.
- شناسایی و پایین آمدن موانع غیرمنطقی یا غیرضروری برای اتخاذ فناوری ها، شیوه ها و خدمات شبکه هوشمند.”
کمیسیون اتحادیه اروپا چنین تعریفی را برای شبکه های هوشمند ارائه می دهد:
Smart Grid یک شبکه برق است که با هزین های مناسب می تواند رفتار و عملکرد کلیه کاربران متصل به آن از جمله ژنراتورها و مصرف کنندگان را به منظور اطمینان از کارایی سیستم پایداربا توان اقتصادی و ضرر کم وسطح بالایی از کیفیت و امنیت تأمین نماید. یک شبکه هوشمند از محصولات و خدمات خلاقانه و فناوری های مانیتورینگ، کنترل، ارتباطات و خود درمانی استفاده می کند
- اتصال بهتر و بهره برداری آسانتری از ژنراتورها در همه ابعاد و فناوری ها ارائه دهد.
- به مصرف کنندگان این امکان را بدهد که در بهینه سازی کارایی سیستم نقش داشته باشند.
- اطلاعات و گزینه های بیشتری در مورد نحوه استفاده از خود را در اختیار مصرف کنندگان قرار دهد.
- تأثیرات زیست محیطی کل سیستم تأمین برق را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
- بسیار قابل اعتماد است و کیفیت و امنیت سیستم را حفظ یا حتی بهبود می دهد.
- خدمات موجود را به صورت مؤثر حفظ و بهبود می بخشد.
در اکثر تعاریف یک عنصر مشترک وجود دارد که آن هم کاربرد پردازش دیجیتال و ارتباطات در شبکه قدرت است که باعث می شود جریان داده و مدیریت اطلاعات در شبکه هوشمند کنترل شود. قابلیت های مختلف ناشی از استفاده عمیق و یکپارچه فناوری دیجیتال از شبکه های برق است. ادغام اطلاعات شبکه جدید یکی از موضوعات اصلی در طراحی شبکه های هوشمند است.
نوآوری های اولیه فناوری
فناوری های شبکه هوشمند از تلاش های قبلی برای استفاده از کنترل الکترونیکی، اندازه گیری و نظارت پدید آمده اند. در دهه 1980میلادی از کنتور اتوماتیک برای نظارت بر بار مصرفی مشترکان استفاده شد و به یکی از زیرساخت های پیشرفته در اندازه گیری دهه 1990 تبدیل شد که کنتورها می توانند نحوه استفاده از برق در زمان های مختلف روز را ذخیره کنند. کنتورهای هوشمند ارتباطات مستمر را اضافه می کنند به طوری که امکان نظارت در زمان واقعی انجام می شود.
دستگاه هایی از قبیل سیستم های تهویه مطبوع صنعتی و خانگی، یخچال و فریزر چرخه وظیفه خود را تنظیم کرده بودند تا از فعال شدن در مواقعی که شبکه دچار شرایط اوج می شد، جلوگیری کنند. پروژه Telegestore ایتالیا با شروع در سال 2000 ، تعداد زیادی خانه (27 میلیون) را با استفاده از کنتورهای هوشمند با پهنای باند کم متصل کرد.
نظارت و هماهنگ سازی شبکه های وسیع در اوایل دهه 1990 هنگامی تحقق یافت که اداره برق بونویل تحقیقات شبکه هوشمند خود را با سنسورهای نمونه اولیه که قادر به تجزیه و تحلیل بسیار سریع ناهنجاری های کیفیت برق در مناطق جغرافیایی بسیار بزرگ هستند، گسترش داد. اوج این کار اولین سیستم اندازه گیری منطقه وسیع عملیاتی (WAMS) در سال 2000 بود. سایر کشورها به سرعت در حال راه اندازی و ادغام این فناوری هستند. چین با تکمیل برنامه اقتصادی پنج ساله در سال 2012 ، یک WAMS ملی جامع را آغاز کرده است.
ویژگی های شبکه هوشمند
- قابلیت اطمینان
- انعطاف پذیری در توپولوژی شبکه
- کارایی
- تنظیم بار یا تعادل بار
- پایداری
- فعال کردن بازار
- بستر خدمات پیشرفته
- قدرت کنترل
بخش عمده ای از فناوری های شبکه هوشمند در حال حاضر در سایر کاربردها از جمله ساخت و ارتباط از راه دور مورد استفاده قرار می گیرند و برای استفاده در عملیات شبکه تطبیق می شوند.
- ارتباطات یکپارچه: زمینه های بهبود شامل: اتوماسیون پست، پاسخ به تقاضا، اتوماسیون توزیع، کنترل نظارتی و جمع آوری داده ها (SCADA)، سیستم های مدیریت انرژی، شبکه های بیسیم و سایر فناوری ها، ارتباطات حامل خط برق و فیبر نوری است. ارتباطات یکپارچه برای بهینه سازی قابلیت اطمینان سیستم، استفاده از دارایی و امنیت در زمان واقعی، امکان کنترل، تبادل اطلاعات و داده ها را فراهم می آورد.
- سنجش و اندازه گیری: وظیفه ارزیابی وضعیت پایداری و ثبات شبکه، نظارت بر سلامت تجهیزات، جلوگیری از سرقت انرژی و پشتیبانی از استراتژی های کنترل را عهده دار است. فناوری های مرتبط عبارتند از: کنتور پیشرفته ریزپردازنده (کنتورهوشمند) و تجهیزات خواندن، سیستم های نظارت بر سطح گسترده، (به طور معمول مبتنی بر خوانش آنلاین توسط سنجش درجه حرارت توزیع شده همراه با سیستم های درجه بندی گرما در زمان واقعی، زمان ابزارهای قیمت گذاری و استفاده در زمان واقعی، سوئیچ ها و کابل های پیشرفته، فناوری رادیو و رله های محافظ دیجیتال.
نقش کنتورهای هوشمند در شبکه هوشمند
- واحدهای اندازه گیری فازور: بسیاری از افراد جامعه مهندسی سیستمه ای قدرت معتقدند که اگر یک شبکه اندازه گیری فازور در منطقه گسترده وجود داشته باشد، ممکن است میزان خاموشی در منطقه بسیار کمتر شود.
- کنترل جریان برق توزیع شده: دستگاه های کنترل جریان نیرو برای کنترل جریان نیرو در داخل، به خطوط انتقال موجود وصل می شوند. خطوط انتقال با استفاده از چنین دستگاه هایی از طریق استفاده بیشتر از انرژی تجدید پذیر با ارائه کنترل زمان واقعی در مورد چگونگی هدایت انرژی در شبکه، فناوری شبکه را قادر می سازند تا انرژی متناوب را از منابع تجدید پذیر برای استفاده های بعدی ذخیره کند.
- تولید برق هوشمند با استفاده از اجزای پیشرفته : تولید برق هوشمند مفهومی برای مطابقت با تولید برق با تقاضا و استفاده از چندین مولد یکسان است. تطبیق عرضه و تقاضا به نام توازن بار برای تأمین پایداری و قابلیت اعتماد برق ضروری است. انحراف کوتاه مدت در تعادل منجر به تغییرات فرکانس و عدم هم خوانی طولانی مدت در خاموشی ها می گردد. اپراتورهای سیستم های انتقال نیرو وظیفه متعادل سازی را بر عهده دارند و توان خروجی کلیه ژنراتورها را با بار شبکه برق آنها مطابقت می دهند. وظیفه متعادل سازی بار به مراتب چالش برانگیز می شود. زیرا ژنراتورهای متناوب و متغیر مانند توربین های بادی و سلول های خورشیدی به شبکه اضافه می شوند و سایر تولید کنندگان را مجبور می سازد که بازده خود را بسیار بیشتر از آنچه در گذشته مورد نیاز بوده است تطبیق دهند.
- اتوماسیون سیستم نیرو امکان تشخیص سریع و راهکارهای دقیق برای اختلال در شبکه یا قطع برق را فراهم می کند. این فناوری به چهار حوزه اصلی دیگر متکی هستند و به آنها کمک می کنند. سه دسته فناوری برای روش های کنترل پیشرفته عبارتند از: عوامل هوشمند توزیع شده (سیستم های کنترل) ، ابزارهای تحلیلی (الگوریتم های نرم افزاری و کامپیوترهای پر سرعت) و کاربردهای عملیاتی (SCADA ، اتوماسیون پست های فرعی، پاسخ به تقاضا و …). با استفاده از تکنیکهای برنامه نویسی هوش مصنوعی.
حال این سوال مطرح می شود که نقش منابع انرژی تجدید پذیر در شبکه هوشمند چیست؟
در مقالات بعدی به این موضوع خواهیم پرداخت.