شبکه هوشمند چیست و چگونه کار می کند؟

از اواخر قرن نوزدهم، سیستم های توزیع برق (که اغلب شبکه نامیده می شود) منبع اصلی برق در جهان بوده است.وقتی این شبکه‌ها ایجاد می‌شوند، به سادگی کار می‌کنند - برق تولید می‌کنند و آن را به خانه‌ها، ساختمان‌ها و هر جایی که نیاز به برق وجود دارد ارسال می‌کنند.

اما با افزایش تقاضا برای برق، شبکه کارآمدتری مورد نیاز است.سیستم‌های توزیع برق مدرن «شبکه هوشمند» که اکنون در سراسر جهان استفاده می‌شوند، برای بهینه‌سازی کارایی، بر فناوری‌های پیشرفته تکیه دارند.این مقاله به بررسی تعریف شبکه هوشمند و فناوری های کلیدی که آن را هوشمند می کند می پردازد.

چیستفناوری شبکه هوشمند?

شبکه هوشمند یک زیرساخت توزیع برق است که ارتباط دو طرفه بین ارائه دهندگان خدمات و مشتریان را فراهم می کند.فناوری‌های دیجیتالی که فناوری‌های شبکه هوشمند را فعال می‌کنند شامل حسگرهای برق/جریان، دستگاه‌های کنترل، مراکز داده و کنتورهای هوشمند است.

برخی از شبکه های هوشمند هوشمندتر از سایرین هستند.بسیاری از کشورها تلاش زیادی را روی تبدیل شبکه های توزیع منسوخ به شبکه های هوشمند متمرکز کرده اند، اما این تحول پیچیده است و سال ها یا حتی دهه ها طول خواهد کشید.

نمونه هایی از فناوری های شبکه هوشمند و اجزای شبکه هوشمند

کنتورهای هوشمند – کنتورهای هوشمند اولین قدم در ساخت شبکه هوشمند هستند.کنتورهای هوشمند داده‌های مصرف انرژی نقطه مصرف را به مشتریان و تولیدکنندگان خدمات ارائه می‌کنند.آنها اطلاعات مصرف انرژی و هزینه را برای هشدار به کاربران برای کاهش اتلاف انرژی ارائه می دهند و به ارائه دهندگان کمک می کنند تا بارهای توزیع را در سراسر شبکه بهینه کنند.کنتورهای هوشمند به طور کلی از سه زیر سیستم اصلی تشکیل شده‌اند: یک سیستم قدرت برای اندازه‌گیری مصرف برق، یک میکروکنترلر برای مدیریت فناوری داخل کنتور هوشمند و یک سیستم ارتباطی برای ارسال و دریافت داده‌های مصرف انرژی/فرمان.علاوه بر این، برخی از کنتورهای هوشمند می توانند دارای برق پشتیبان (زمانی که خط توزیع اصلی قطع است) و ماژول های GSM برای تعیین دقیق مکان کنتور برای اهداف امنیتی داشته باشند.

سرمایه گذاری جهانی در کنتورهای هوشمند در دهه گذشته دو برابر شده است.در سال 2014، سرمایه گذاری سالانه جهانی در کنتورهای هوشمند 11 میلیون دلار بود.طبق آمار Statista، سرمایه گذاری جهانی کنتورهای هوشمند با در نظر گرفتن دستاوردهای بهره وری سیستم از پیاده سازی کنتورهای هوشمند، تا سال 2019 به 21 میلیون دلار می رسد.

سوئیچ های کنترل بار هوشمند و تابلوهای توزیع - در حالی که کنتورهای هوشمند می توانند داده های بلادرنگ را به ارائه دهندگان خدمات ارائه دهند، آنها به طور خودکار توزیع انرژی را کنترل نمی کنند.برای بهینه‌سازی توزیع برق در دوره‌های اوج استفاده یا در مناطق خاص، شرکت‌های برق از دستگاه‌های مدیریت توان مانند کلیدهای کنترل بار هوشمند و تابلوهای برق استفاده می‌کنند.این فناوری با کاهش توزیع غیرضروری یا مدیریت خودکار بارهایی که از محدوده زمانی مجاز استفاده خود فراتر رفته اند، مقادیر قابل توجهی در مصرف انرژی صرفه جویی می کند.برای بهینه‌سازی توزیع برق در دوره‌های اوج استفاده یا در مناطق خاص، شرکت‌های برق از دستگاه‌های مدیریت توان مانند کلیدهای کنترل بار هوشمند و تابلوهای برق استفاده می‌کنند.این فناوری با کاهش توزیع غیرضروری یا مدیریت خودکار بارهایی که از محدوده زمانی مجاز استفاده خود فراتر رفته اند، مقادیر قابل توجهی در مصرف انرژی صرفه جویی می کند.

به عنوان مثال، شهر Wadsworth، اوهایو، از یک سیستم توزیع برق استفاده می کند که در سال 1916 ساخته شده است. شهر Wadsworth با Itron، تولید کنندهسوئیچ های کنترل بار هوشمند(SLCS)، برای کاهش مصرف برق سیستم تا 5300 مگاوات ساعت با نصب SLCS در خانه ها برای چرخه کمپرسورهای تهویه مطبوع در دوره های اوج مصرف برق.اتوماسیون سیستم قدرت – اتوماسیون سیستم قدرت با استفاده از فناوری شبکه هوشمند، با استفاده از پیشرفته ترین زیرساخت فناوری اطلاعات برای کنترل هر لینک در زنجیره توزیع، فعال می شود.به عنوان مثال، سیستم‌های قدرت خودکار از سیستم‌های جمع‌آوری اطلاعات هوشمند (شبیه به کنتورهای هوشمند)، سیستم‌های کنترل قدرت (مانند سوئیچ‌های کنترل بار هوشمند)، ابزارهای تحلیلی، سیستم‌های محاسباتی و الگوریتم‌های سیستم قدرت استفاده می‌کنند.ترکیبی از این اجزای کلیدی به شبکه (یا شبکه های متعدد) اجازه می دهد تا به طور خودکار خود را با تعامل انسانی محدود تنظیم و بهینه کند.

پیاده سازی شبکه هوشمند

هنگامی که فناوری‌های دیجیتال، ارتباطات دوطرفه و اتوماسیون در شبکه هوشمند پیاده‌سازی می‌شوند، تعدادی از تغییرات زیرساختی، کارایی شبکه را به حداکثر می‌رسانند.اجرای شبکه هوشمند تغییرات زیرساختی زیر را امکان پذیر کرده است:

1.تولید انرژی غیرمتمرکز

از آنجایی که شبکه هوشمند می تواند به طور مداوم بر توزیع انرژی نظارت و کنترل کند، دیگر نیازی به یک نیروگاه بزرگ برای تولید برق نیست.در عوض، برق را می توان توسط بسیاری از نیروگاه های غیرمتمرکز مانند توربین های بادی، مزارع خورشیدی، پانل های خورشیدی فتوولتائیک مسکونی، سدهای کوچک برق آبی و غیره تولید کرد.

2.بازار تکه تکه شده

زیرساخت شبکه هوشمند همچنین از اتصال شبکه های متعدد به عنوان وسیله ای برای اشتراک هوشمند انرژی در میان سیستم های متمرکز سنتی پشتیبانی می کند.به عنوان مثال در گذشته شهرداری ها دارای تأسیسات تولیدی مجزا بودند که به شهرداری های همجوار متصل نبودند.با اجرای زیرساخت شبکه هوشمند، شهرداری ها می توانند در یک برنامه تولید مشترک برای حذف وابستگی تولید در صورت قطع برق مشارکت کنند.

3.انتقال در مقیاس کوچک

یکی از بزرگترین اتلاف انرژی در شبکه توزیع انرژی در فواصل طولانی است.با توجه به اینکه شبکه های هوشمند تولید و بازار را غیرمتمرکز می کنند، فاصله توزیع خالص در یک شبکه هوشمند به طور قابل توجهی کاهش می یابد و در نتیجه ضایعات توزیع کاهش می یابد.به عنوان مثال، یک مزرعه خورشیدی اجتماعی کوچک را تصور کنید که 100٪ برق مورد نیاز جامعه را در روز، فقط 1 کیلومتر دورتر تولید می کند.بدون مزرعه خورشیدی محلی، جامعه ممکن است نیاز به تامین برق از یک نیروگاه بزرگتر در 100 کیلومتری داشته باشد.تلفات انرژی مشاهده شده در طول انتقال از نیروگاه های دور ممکن است صد برابر بیشتر از تلفات انتقال مشاهده شده از مزارع خورشیدی محلی باشد.

4.توزیع دو طرفه

در مورد مزارع خورشیدی محلی، ممکن است شرایطی پیش بیاید که مزرعه خورشیدی بتواند انرژی بیشتری نسبت به مصرف جامعه تولید کند و در نتیجه مازاد انرژی ایجاد کند.سپس این انرژی اضافی می تواند در شبکه هوشمند توزیع شود و به کاهش تقاضا از نیروگاه های دور کمک کند.

در این حالت، انرژی از مزرعه خورشیدی به شبکه اصلی غیر اجتماعی در طول روز جریان می یابد، اما زمانی که مزرعه خورشیدی غیرفعال است، انرژی از شبکه اصلی به آن جامعه جریان می یابد.این جریان انرژی دو جهته را می توان با الگوریتم های توزیع توان کنترل و بهینه کرد تا اطمینان حاصل شود که کمترین مقدار انرژی در هر زمان در طول استفاده تلف می شود.

5.مشارکت کاربر

در یک زیرساخت شبکه هوشمند با توزیع دو جهته و مرزهای شبکه غیرمتمرکز، کاربران می توانند به عنوان مولدهای خرد عمل کنند.برای مثال، خانه‌های فردی می‌توانند به سیستم‌های خورشیدی فتوولتائیک مستقل مجهز شوند که در هنگام استفاده، برق تولید می‌کنند.اگر سیستم PV مسکونی انرژی اضافی تولید کند، این انرژی می تواند به شبکه بزرگتر تحویل داده شود و نیاز به نیروگاه های متمرکز بزرگ را کاهش دهد.

اهمیت شبکه هوشمند

در سطح اقتصاد کلان، شبکه های هوشمند برای کاهش مصرف برق بسیار مهم هستند.بسیاری از ارائه دهندگان خدمات محلی و دولت ها اقدامات سخاوتمندانه و تهاجمی را برای مشارکت در پذیرش شبکه های هوشمند ارائه می دهند زیرا از نظر مالی و زیست محیطی مفید است.با اتخاذ یک شبکه هوشمند، می توان تولید انرژی را غیرمتمرکز کرد، بنابراین خطر خاموشی را از بین برد، هزینه های عملیاتی سیستم قدرت را کاهش داد و اتلاف انرژی غیر ضروری را حذف کرد.