نقش اینترنت اشیا در منابع انرژی تجدید پذیر

چکیده

مفهوم شهرهای هوشمند با تکامل از مدل های مفهومی به مراحل توسعه، در حال تبدیل شدن به یک واقعیت است. انرژی و پخش بار انعطاف پذیر، قابل اطمینان، کارآمد و یکپارچه، بخش های ضروری برای انرژی دار کردن و توان رسانی به خدمات شهرهای هوشمند مانند بیمارستان های هوشمند، ساختمان های هوشمند، کارخانه های هوشمند و ترافیک و حمل و نقل هوشمند هستند. انتظار می رود که تمام این خدمات هوشمند با استفاده از شبکه های هوشمند انرژی و برق که از مهم ترین ارکان این شهرها به شمار می روند، بدون وقفه کار کنند. برای متصل و هماهنگ نگه داشتن خدمات شهرهای هوشمند، اینترنت اشیا (IoT) و محاسبات ابری، در این انتقال بسیار مهم هستند. این مقاله، نقش IoT در الحاق منابع انرژی تجدید پذیر در شبکه قدرت را ارائه می کند.

کلمات کلیدی: انرژی هوشمند؛ شبکه هوشمند، شهرهای هوشمند؛ اینترنت اشیا؛ 6LoWPAN

مقدمه

وب جهانی (World Wide Web) از یک میزبان سنتی که شامل متن، تصاویر، صوت و ویدیو بود، در حال تبدیل شدن به یک میزبان فیزیکی است که کاربران را قادر به کنترل اشیای فیزیکی می کند. وسایل خانگی، دوربین های CCV راه دور و کارگاه های کارخانه می توانند با استفاده از اینترنت اشیا به عنوان یک واسطه ارتباطی، نظارت و کنترل شوند. مفهوم وب فیزیکی امروزه در حال ظهور می باشد. برای مثال، چارچوب های انرژی هوشمندی که از IoT استفاده می کنند، برای اتوماسیون و کنترل انرژی در ساختمان ها گزارش شده اند. یک شبکه ارتباطی IoT در تولید و مصرف انرژی در نواحی مسکونی به کار رفته است. مؤلفان یک نمونه تجربی مبتنی بر IoT را ساخته اند که منجر به صرفه جویی انرژی شده و اثر مثبتی بر قابلیت دوام دارد. کنتورهای انرژی هوشمند برای ایجاد امکان ارتباط بین مصرف کنندگان و مراکز فرمان شبکه جهت مبادله پیام درباره مصرف انرژی و برق و نیز وضعیت وسایل خانگی به کار می روند. این مطالعه به کنتورهای آب و گاز هوشمند توسعه یافته است. مؤلفان مقاله خود را با مجموعه ای از دستورالعمل ها برای به کارگیری کنتورهای هوشمند در سیستم های کنترل و نظارت خاتمه داده اند. شکل 1، تصویر وسیع تری را از این مطلب نشان می دهد که انرژی و توان چگونه بخش مهمی از شهرهای هوشمند را شکل می دهند. همان طور که در تشریح شده، داده های عملکرد زمان واقعی از اشیای مختلف مانند کنتورهای هوشمند برق، گاز و آب، نظارت هوشمند، حمل و نقل هوشمند، محیط هوشمند و سیستم های مدیریت پسماند هوشمند جمع آوری می شوند. سپس، این داده ها به یک سر خوشه هوشمند (SCH) منتقل شده و بعدا این اطلاعات به گره های ترکیب هوشمند (SFN) محلی ارسال می شوند. در نتیجه، یک تصمیم هوشمند مبتنی بر IoT گرفته شده و یک مرکز کنترل، داده ها را برای نظارت و کنترل این ساختار مقیاس پذیر، جمع آوری و مبادله می کند. یک نگاه نزدیکتر به این مدل شهر هوشمند نشان می دهد که منابع انرژی هوشمند و انرژی سوخت فسیلی/ زغالی و نیز انرژی هسته ای تا چه اندازه در شهرهای هوشمند، حیاتی هستند.

شکل 1- پیاده سازی مفهومی ساختار در شهرهای هوشمند.

یک شبکه هوشمند شامل سه لایه اصلی یعنی لایه های سیستم ها، شبکه های ارتباطی و کاربردها می باشد. منابع انرژی تجدید پذیر به عنوان واحدهای تولید پراکنده (DG) به کار رفته و نزدیک جایی که انرژی تبدیل و مصرف می شود، نصب می گردند. این نوع نصب، نیاز به خطوط انتقال طولانی، تلفات توان و پست های توان را کاهش خواهد داد. بسیاری از منابع گزارش شده نشان داده اند که متداول ترین منابع انرژی تجدید پذیر، انرژی خورشیدی، انرژی باد و انرژی برقابی هستند.

مفاهیم اینترنت اشیا

جهان در حال انتقال به سمت بهم پیوستگی و برق رسانی بیشتر است. جهان از طریق چندین فن آوری و حوزه های متعددی از کاربردها و خدمات در حال تبدیل شدن به یک جامعه جهانی یکپارچه است. مفاهیم IoT منجر به جهانی می شوند که در آن، اشیای حقیقی، دیجیتال و مجازی همگرا می شوند تا شهرهای ما را هوشمندتر سازند. امروزه، فن آوری وب سنتی توسط IoT تقویت شده است تا اشیای فیزیکی مانند وسایل خانگی و ادوات شبکه هوشمند را با یک آدرس یکتا برای هر شیئ به هم متصل کند. این مسأله با کمک پروتکل IPV6 که دارای 2¹²⁸ آدرس IP یکتا در مقایسه با 2³² آدرس به کار رفته توسط IPV4 می باشد، ممکن شده است. با استفاده از IPV6 میلیاردها شیئ، در یک زمان قابل اتصال، نظارت و کنترل هستند.

در حالیکه IoT امروزه بیشتر تبدیل به واقعیت می شود، متخصصان دانشگاه و صنعت آن را به دو گروه دسته بندی می کنند: اینترنت اشیای مصرف کننده (CIoT که پس از این IoT نامیده می شود) و اینترنت اشیای صنعتی (IIoT). کاربردهای معروف IoT، تلفن ها، پوشاک، تلویزیون ها و وسایل خانگی هوشمند هستند. از سوی دیگر، کاربردهای IIoT معروف، کارخانه ها، شبکه ها، ماشین ها، شهرها و خودروهای هوشمند هستند. شکل 2، این دو گروه را نشان می دهد.

شکل 2- دسته بندی اینترنت اشیا.

چارچوب مفهومی IoT/ IIoT برای منابع انرژی تجدید پذیر

مدل مفهومی شبکه هوشمند NIST دارای هفت حوزه است که یکی از آنها حوزه مصرف است. حوزه مصرف، گزینه اصلی برای تولید مشترک و نصب منابع انرژی تجدید پذیر است. همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، سه نوع مصرف کننده مختلف به نام های مسکونی، تجاری و صنعتی وجود دارد. منابع انرژی تجدید پذیر مانند خورشیدی، بادی و آبی برای تمام انواع مصرف کنندگان نصب شده اند. حوزه مصرف بر حسب شبکه های ارتباطی به سه شبکه مختلف تقسیم می شود: شبکه خانگی (HAN)، شبکه تجاری (BAN) و شبکه صنعتی (IAN).

شکل 3- شبکه های محلی ارتباطی مصرف کننده با چند پروتکل.

پروتکل های ارتباطی زیادی مانند ZigBee، PLC، Z-Wave، وای فای، وایمکس، 3G/GSM و LET در این شبکه ها به کار رفته اند. شکل 3، پروتکل های شبکه های ارتباطی که همزمان در یک شبکه به کار می روند را نشان می دهد. همان طور که در بخش 2 اشاره شد، دو دسته وجود دارد: IoT و IIoT. این مقاله، به کارگیری هر دو دسته برای الحاق سه شبکه ارتباطی مصرف کننده مختلف به شبکه های هوشمند را پیشنهاد داده است.

هر منبع انرژی تجدید پذیر به عنوان یک شیئ در نظر گرفته شده و یک آدرس IP یکتا به آن تخصیص داده شده است. با استفاده از ارتباط دو طرفه، نظارت بر هر شیئ ممکن می باشد، زیرا کنترل از طریق آدرس IP یکتای آن صورت می گیرد. این کار، نیاز به چند پروتکل ارتباطی در شبکه را حذف می کند.

پروتکل IP با استفاده از پروتکل ارتباطی 6LoWPAN به کار می رود که بر مبنای IPV6 می باشد. 6LoWPAN دارای یک اندازه قاب محدود 127 بایت بوده و فضای بیشتری برای یک بار مفید 65-75 بایت دارد. استفاده از پروتکل 6LoWPAN، شبکه را سریع تر و مقیاس پذیرتر می کند. ویژگی مقیاس پذیری به ادوات و وسایل بیشتری اجازه می دهد که به شبکه ملحق شوند. برای مثال، ذخیره های باتری محلی، وسایل خانگی و کنتورهای هوشمند می توانند به عنوان شیئ در نظر گرفته شوند. هر یک از این اشیا دارای یک آدرس IP یکتا خواهند بود و می توانند از راه دور نظارت و کنترل شوند.

همچنین همین مطلب می تواند توسعه یابد تا ادوات دیگر شبکه برق مانند مدار شکن ها، بانک های خازنی، رله ها و واحدهای اندازه گیری فاز را در بر بگیرد.

شکل 4- شبکه های ارتباطی مصرف کننده پیشنهادی با یک پروتکل با استفاده از مفاهیم IoT.

نتیجه گیری

این مقاله، یک مدل مفهومی IoT/ IIoT را برای الحاق منابع انرژی تجدید پذیر از طریق یک پروتکل شبکه مشترک به جای چند پروتکل پیشنهاد داده است. مزایای این نوع به کارگیری، شبکه برق را مقاوم تر و مقیاس پذیرتر می کند. این مفهوم می تواند برای گنجاندن نه تنها حوزه مصرف، بلکه دیگر حوزه ها مانند توزیع و تولید توسعه یابد.