Optimeeritud disain intelligentsetele elektrijaamade järelevalve süsteemidele hajus tootmiseks

Globaalse energiaülemineku taustal on hajus tootmine muutumas üheks oluliseks osaks elektritoodangust. Taastuvenergia tehnoloogiate järjestikuse arenguga on päikese- ja tuuleenergia laialdasem kasutamine andnud uut potentsiaali madala süsinikuheitliku majanduse saavutamiseks. See mudel suurendab energia kasutamise tõhusust, vähendab transmiissioonikaotusi ning parandab elektrivõrkude paindlikkust ja kindlust.

Elektrivõrkude püsivus ja stabiilsus sõltuvad suuresti erinevate tootmisallikate tõhusast haldamisest. Kaasaegsete elektrivõrkude keerukus nõuab täpsemat kontrolli ja juhtimist hajus tootmise keskkonnas – eriti kasvava tarbimisfluktuatsiooni ja ressursside ebakindluse tingimustes. Nende väljakutsete lahendamiseks on ilmnenud intelligentsed elektri järelevalvesüsteemid, mis kasutavad eduka informatsioonikahelevi ja kommunikatsioonitehnoloogia, et võimaldada reaalajas jälgimist ja dünaamilist reguleerimist. See artikkel uurib intelligentsed elektri järelevalvesüsteemide ja optimeeritud juhtimise disaini hajus tootmisel, eesmärgiga anda panust energiaüleminekule ja jätkusuutliku arengu eesmärkide saavutamisele.

1. Elektri järelevalve
Elektri järelevalve on kriitiline meetod, mis võimaldab reaalajas jälgimist, andmete kogumist ja analüüsi elektrivõrkude toimimise kohta, eesmärgiga tagada nende ohutus, kindlus ja tõhusus. Elektri järelevalvesüsteem koosneb peamiselt andmekogumise üksustest, andmeedastusvõrkudest, jälgimis- ja haldusplatvormidest ning häire- ja reageerimismeetoditest. Andmekogumise üksused koguvad tööandmeid erinevatest elektriseadmetest, nagu generaatorid, transforaadid ja distantsiehitised, sealhulgas olulisi parameetreid, näiteks voltm, amper, sagedus ja vahekoefitsient.

Kogutud andmed edastatakse siis stabiilsete ja turvaliste sidevõrkude (nt laaseriided, sidemeeteenused) kaudu jälgimiskeskusesse. Tõhus andmeedastusvõrk tagab andmete ajakohasuse ja täielikkuse, pakkudes usaldusväärset alust järgmiseks analüüsiks. Jälgimis- ja haldusplatvormi abil tehakse reaalajas jälgimist ja analüüsi kogutud andmetele, kasutades suurandmete analüüsi ja pilvearvutuste tehnoloogiat, et pakkuda visualiseeritud interfaace ja otsustusmeetodeid, aidates operaatorel teha tõhusaid otsuseid.

2.Süsteemi disain

2.1 Süsteemi arhitektuur

Intelligentse elektri järelevalvesüsteemi arhitektuur on näidatud tabelis 1.

Intelligentse elektri järelevalvesüsteemi arhitektuuris täiendavad iga kihi funktsioonid vastavalt nende olulisi tehnoloogiaid, moodustades tõhusa toimimisraamistiku. Tundlikkuskiht kogub reaalajas andmeid andurite ja intelimeetrite kaudu, moodustades süsteemi toimimise aluse ja eelduse. Andmete täpsus ja ajakohasus mõjutavad otse järgmiseks analüüsiks andmete kvaliteeti.

Võrkukihik toimib andmeedastuse keskuspunktina, kasutades laaseriide- ja sidemeeteenuste tehnoloogiaid, et tagada andmete kiire ja usaldusväärne edastamine jälgimiskeskusesse. See peab ka tagama andmete täielikkuse ja turvalisuse, takistades andmete kadumist või segamini edastamisel. Rakenduskiht on vastutav sügavale andmeanalüüsile ja visualiseerimisele, kasutades andmetöötlusalgoritme ja suuri andmeid, et muuta massiivsed andmebaasid kasutusväärsesse informatsiooniks, toetades juhtide täpseid otsuseid.

2.2 Seadmete valik

Süsteemi seadmete ja nende põhiliste tehniliste omaduste on näidatud tabelis 2.

2.3 Andmeedastuse strateegia

2.3.1 Andmekogumine ja edastamine

Andmekogumine ja edastamine on intelligentse elektri järelevalvesüsteemi põhiosad, millel on otsene mõju süsteemi reaalajas toimimisele ja tõhususele. Selles protsessis koguvad tundlikkuskihis asuvad andurid ja jälgimisseadmed olulisi tööandmeid elektrivõrkest, nagu voltm, amper, võimsus ja sagedus, samuti hajus tootmise allikate tööolekuteavet.

Andmekogumise seadmete peab olema kõrge täpsus ja usaldusväärsus [10]. Kogumise järel edastatakse andmed võrkukihikule, kasutades peamiselt modernseid side-tehnoloogiaid, nagu laaseriideed, sidemeeteenused ja Internet of Things (IoT) tehnoloogiaid. Laaseriideside, oma kõrge andmekanaliga ja madal viivitusena, on sobilik suuremahuliste andmete edastamiseks. Sidemeeteenused pakuvad paindlikkust ja mugavust, efektiivselt kattes mitmeid jälgimispunkte sidemesignaalidega.

2.3.2 Turvalisusmeetmed

Intelligentsetes elektri järelevalvesüsteemides moodustavad andmekrüptimine, võrkuturvalisus ja ligipääsukontroll mitmekihilise turvalisusraamistiku. See raamistik aitab tõhusalt vähendada väliseid rünnakuid ja sisemisi riske, loodamas turvalise aluse intelligentsel elektroenergi haldamisel. Tugeva krüpteerimisalgoritmi rakendamine andmeedastamisel takistab andmete puurimist või segamini. Sümmeetriliste krüpteerimisalgoritmide, nagu Advanced Encryption Standard (AES) kasutamine, tagab, et ainult kasutajad, kes omavad õiget dekrüpteerimisvõtit, saavad ligi andmetele, kaitstes tundliku teabe terviklikkust ja konfidentsiaalsust, tagades andmete muutmata säilitamist edastamisel. Võrkuturvalisuse osas, mitme seadme ja süsteemi ühenduvus suurendab oluliselt küberkuriteo riski. Seetõttu, turvaliste seadmete, nagu tulemüür, Intrusion Detection Systems (IDS) ja Intrusion Prevention Systems (IPS) paigutamine võimaldab reaalajas jälgida võrguliiklust, tuvastada ja blokeerida kahtlaste aktiviteete, takistes kuritegude mõju süsteemile ja tõstab üldist turvalisust. Kasutaja ligipääsukontroll ja autentimismeetodid, nagu Rollipõhine Ligipääsukontroll (RBAC), tagavad, et ainult volitatud kasutajad saavad ligi konkreetsetele süsteemifunktsioonidele ja andmetele. See vähendab sisemise andmekuriteo riski, parandab süsteemi turvalisust ja tõhusalt takistab ligipääsu ilma luba.

3. Uurimismeetod

3.1 Uurimise disain

See uurimus kasutab eksperimentaalse ja simulatsioonilise lähenemise kombinatsiooni, integreerides tegelikke elektrituuru andmeid simulatsiooniliste elektritarbimisandmetega, et luua mitmeid eksperimentaarseid stsenaariume.

Need stsenaariumid võimaldavad süsteemi täielikku testimist ja hindamist. Eksperimentaalse disaini puhul keskendub süsteemi toimivuse hindamisel eelkõige näitajatele, nagu planeerimistõhusus, ressursside kasutamine ja vastusaja. Erinevate koormuste, ressursside ja tootmismoodide konfigureerimisel simuleeritakse süsteemi toimimist erinevatel toimimistingimustel. Turvalisuse hindamisel aga keskendutakse süsteemi vastupidavusele ootamatute sündmuste, nagu küberkuriteod, süsteemide väljapadmised ja andmete leekide ees.

Intelligentse elektri järelevalvesüsteemi toimivuse täielikku hindamist vajaduse korral, disainiti teaduslik hindamisraamistik ja näitajate süsteem, mis hõlmab toimivuse näitajaid, sealhulgas vastusaja, planeerimistõhusus, ressursside kasutamine ja süsteemi stabiilsus, ning turvalisuse näitajaid, nagu intrusioonide tuvastamise määr, haavatavuse paigaldamise aeg ja andmekrüpteerimise tugevus.

3.2 Toimivuse hindamine

Intelligentse elektri järelevalvesüsteemi toimivuse hindamine hajus tootmise optimeeritud juhtimisel on näidatud tabelis 3.

Tabelis 4 näidatud turvalisuse hindamise näitajad pakkuvad intelligentsel elektri järelevalvesüsteemile täielikke kaitsemeetmeid. Need näitajad hõlmavad aspekte, nagu andmekrüpteerimine, intrusioonide tuvastamine, ligipääsukontroll, haavatavuste parandamine ja kahjulike tarkvararünnakute eest kaitse, tagades, et süsteem suudab tõhusalt reageerida potentsiaalsetele ohu, sealhulgas küberkuriteote, andmete leekide ja kahjulike tarkvararünnakute ees.

Näiteks andmekrüpteerimise taseme nõue on AES-256 või kõrgema krüpteerimisstandardi kasutamine, et tagada andmete edastamise ja salvestamise turvalisus; intrusioonide tuvastamise määr peaks olema üle 95%, et süsteem saaks kiiresti tuvastada ja reageerida ebatavalike ligipääsume ja rünnakute käitumisele. Ligipääsukontrolli tõhusus peab olema 100% vastavuses, tagades, et kasutajalubade haldus järgib rangeid turvalisuse poliitikaid. Haavatavuste parandamise aeg peaks olema alla 24 tunni, võimaldades kiiresti parandada tuvastatud haavatavusi.

4. Eksperimentaalsed tulemused

4.1 Toimivuse testide tulemused

Toimivuse testide tulemused on näidatud tabelis 5.

Selle toimivuse testi puhul sujusid kõik süsteemi näitajad hästi, vastasid või ületasid eelmääratud sihtväärtused. Süsteemi vastusaja oli 1.8 s, rahuldades <2.0 s nõuet, millest järeldub kõrge planeerimistõhusus. Andmete töötlemise kiirus ulatas 2,200 kirjet sekundis, ületades 2,000 kirjet/s nõue, näitades tugevat reaalajas andmete töötlemise võimet. Süsteemi kättesaadavus oli 99.98%, suurem kui 99.95% eesmärk, millest järeldub väga hea stabiilsus ja usaldusväärsus. Energia kaotuse määr oli 2.5%, alla 3.0% eesmärgi, optimiseerides elektri edastamise tõhusust. Optimeeritud planeerimise edu ulatas 92%, toetades tõhusalt süsteemi planeerimise eesmärke. Vigade taastamise aeg ja ressursside kasutamine oli vastavalt 4 minutit ja 87%, mõlemad ületasid seatud standardeid, näitades süsteemi kiiret taastumisvõimet vigade korral ja tõhusat ressursside kasutamist. Tulemused näitavad, et intelligentsel elektri järelevalvesüsteemil on tugev üldine toimivus hajus tootmise optimeeritud juhtimisel.

4.2 Turvalisuse testide tulemused