گسترش یافته طراحی بهینه سیستم‌های نظارت هوشمند بر توان برای تولید پراکنده
در پس‌زمینه انتقال انرژی جهانی، تولید توزیع شده به طور فزاینده‌ای به مولفه مهمی از تامین برق تبدیل شده است. با پیشرفت‌های مداوم در فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیر، گسترش گسترده منابع انرژی توزیع شده مانند انرژی خورشیدی و بادی انگیزه‌های جدیدی را برای دستیابی به اقتصاد کم‌کربن تزریق کرده است. این مدل باعث افزایش کارایی استفاده از انرژی، کاهش تلفات انتقال و بهبود انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان سیستم‌های برق می‌شود.
بر اساس نظریه سیستم‌های برق، قابلیت اطمینان و ثبات شبکه به مدیریت مؤثر منابع مختلف تولید بسیار بستگی دارد. پیچیدگی سیستم‌های برق مدرن نیازمند کنترل و تنظیم دقیق‌تر در محیط‌های تولید توزیع شده است—به ویژه در میان نوسان‌های بار و عدم قطعیت منابع در حال رشد. برای مقابله با این چالش‌ها، سیستم‌های نظارت هوشمند بر برق ظاهر شده‌اند که از فناوری‌های پیشرفته اطلاعات و ارتباطات بهره می‌برند تا نظارت و تنظیم پویای منابع برق را در زمان واقعی ممکن سازند. این مقاله به طراحی سیستم‌های نظارت هوشمند بر برق و کنترل بهینه در تولید توزیع شده می‌پردازد و هدف آن این است که به انتقال انرژی و دستیابی به اهداف توسعه پایدار کمک کند.
1. نظارت بر برق
نظارت بر برق یک رویکرد حیاتی برای نظارت زنده، جمع‌آوری داده و تحلیل عملیات سیستم‌های برق است که هدف آن اطمینان از ایمنی، قابلیت اطمینان و کارایی سیستم‌های برق است. یک سیستم نظارت بر برق عمدتاً شامل واحد‌های جمع‌آوری داده، شبکه‌های انتقال داده، پلتفرم‌های نظارت و مدیریت و مکانیسم‌های هشدار و واکنش است. واحد‌های جمع‌آوری داده داده‌های عملیاتی را از تجهیزات مختلف برق مانند ژنراتورها، ترانسفورماتورها و دستگاه‌های توزیع جمع‌آوری می‌کنند، از جمله پارامترهای کلیدی مانند ولتاژ، جریان، فرکانس و عامل توان.
داده‌های جمع‌آوری شده سپس از طریق شبکه‌های ارتباطی پایدار و امن (مانند الیاف نوری و انتقال بی‌سیم) به مرکز نظارت منتقل می‌شوند. یک شبکه انتقال داده کارآمد اطمینان از زمان‌بندی و تمامیت اطلاعات را فراهم می‌کند و پایه‌ای قابل اعتماد برای تحلیل‌های بعدی فراهم می‌کند. پلتفرم نظارت و مدیریت نظارت زنده و تحلیل داده‌های جمع‌آوری شده را انجام می‌دهد، با استفاده از فناوری‌هایی مانند تحلیل داده‌های بزرگ و محاسبات ابری برای ارائه رابط‌های تصویری و حمایت تصمیم‌گیری، کمک می‌کند تا عملگران تصمیمات مؤثر بگیرند.
2. طراحی سیستم
2.1 معماری سیستم
معماری سیستم نظارت هوشمند بر برق در جدول 1 نشان داده شده است.
| سطح | عملکرد اصلی | فناوری کلیدی |
| لایه ادراک | جمع‌آوری داده زنده و پردازش اولیه | سنسورها، سنگین‌سنج‌های هوشمند |
| لایه شبکه | انتقال داده و ارتباط | شبکه‌های الیاف نوری، ارتباط بی‌سیم |
| لایه کاربرد | تحلیل داده و تصویرسازی | الگوریتم‌های پردازش داده، داده‌های بزرگ |
در معماری سیستم نظارت هوشمند بر برق، عملکردهای هر لایه با فناوری‌های کلیدی خود مکمل یکدیگر هستند و چارچوب عملیاتی کارآمدی را تشکیل می‌دهند. لایه ادراک از طریق سنسورها و سنگین‌سنج‌های هوشمند داده‌های زنده را جمع‌آوری می‌کند که به عنوان بنیاد و شرط ضروری عملکرد سیستم عمل می‌کند. دقت و به‌موقعیت داده‌ها مستقیماً بر کیفیت تحلیل‌های بعدی تأثیر می‌گذارند.
لایه شبکه به عنوان مرکز انتقال داده عمل می‌کند و از فناوری‌های پیشرفته مانند الیاف نوری و ارتباط بی‌سیم برای اطمینان از انتقال سریع و قابل اعتماد داده‌ها به مرکز نظارت استفاده می‌کند. باید همچنین تمامیت و امنیت داده‌ها را تضمین کند و از از دست رفتن یا تحریف آن‌ها در حین انتقال جلوگیری کند. لایه کاربرد مسئول تحلیل عمیق و تصویرسازی داده‌ها است و از الگوریتم‌های پیشرفته پردازش داده و فناوری‌های داده‌های بزرگ برای تبدیل مجموعه‌های داده عظیم به بینش‌های با ارزش استفاده می‌کند که به مدیران در گرفتن تصمیمات دقیق کمک می‌کند.
2.2 انتخاب سخت‌افزار
اجزای سخت‌افزاری سیستم و پارامترهای عملکردی اصلی آن‌ها در جدول 2 نشان داده شده است.
| نوع سخت‌افزار | مدل و مشخصات | پارامترهای عملکردی اصلی |
| سنسور | Hikvision HikSensor - 500kV | محدوده اندازه‌گیری: 0 - 500 kV; |
| سنگین‌سنج هوشمند | Huawei SmartMeter 3000 | دقت اندازه‌گیری: کلاس 0.1 |
| دستگاه انتقال داده | ZTE ZXTR S600 | پشتیبانی از انتقال اترنت 10 Gbps |
| سرور | Lenovo ThinkServer RD630 | CPU: Intel Xeon Gold 5218; |
| دستگاه ذخیره‌سازی داده | Western Digital WD Gold 18 TB | ظرفیت ذخیره‌سازی: 18 TB; |
2.3 استراتژی ارتباط داده
2.3.1 جمع‌آوری و انتقال داده
جمع‌آوری و انتقال داده اجزای اصلی سیستم نظارت هوشمند بر برق هستند که مستقیماً بر عملکرد زنده و کارآمدی سیستم تأثیر می‌گذارند. در این فرآیند، سنسورها و دستگاه‌های نظارت مختلف در لایه ادراک داده‌های عملیاتی کلیدی از سیستم برق مانند ولتاژ، جریان، توان و فرکانس را جمع‌آوری می‌کنند و همچنین اطلاعات وضعیت عملیاتی از منابع تولید توزیع شده.
برای اطمینان از دقت داده، دستگاه‌های جمع‌آوری باید دارای دقت و قابلیت اطمینان بالا باشند [10]. پس از جمع‌آوری، داده‌ها به لایه شبکه منتقل می‌شوند، عمدتاً با استفاده از فناوری‌های ارتباطی مدرن مانند ارتباط الیاف نوری، ارتباط بی‌سیم و فناوری اینترنت اشیا (IoT). ارتباط الیاف نوری با پهنای باند بالا و تأخیر کم مناسب برای سناریوهای انتقال داده‌های بزرگ است. ارتباط بی‌سیم انعطاف‌پذیری و راحتی را فراهم می‌کند و با استفاده از سیگنال‌های بی‌سیم نقاط مختلف نظارت را موثر پوشش می‌دهد.
2.3.2 اقدامات امنیتی
در سیستم‌های نظارت هوشمند بر برق، اقدامات امنیتی مانند رمزگذاری داده، محافظت امنیتی شبکه و کنترل دسترسی چارچوب امنیتی چندلایه‌ای را تشکیل می‌دهند. این چارچوب به طور مؤثر خطرات خارجی و داخلی را کاهش می‌دهد و پایه‌ای امن برای اجرای مدیریت هوشمند برق فراهم می‌کند. اجرای الگوریتم‌های رمزگذاری قوی در حین انتقال داده‌ها از دسترسی غیرمجاز و تحریف داده‌ها جلوگیری می‌کند. استفاده از الگوریتم‌های رمزگذاری متقارن مانند AES (استاندارد رمزگذاری پیشرفته) اطمینان می‌دهد که فقط کاربرانی که کلید رمزگشایی صحیح را دارند می‌توانند به داده‌ها دسترسی داشته باشند، بدین ترتیب حفاظت از تمامیت و محرمانگی اطلاعات حساس و اطمینان از عدم تغییر داده‌ها در حین انتقال فراهم می‌شود. در مورد محافظت امنیتی شبکه، اتصال چند دستگاه و سیستم خطر حملات سایبری را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. بنابراین، نصب دستگاه‌های امنیتی مانند دیوارهای آتش، سیستم‌های شناسایی نفوذ (IDS) و سیستم‌های پیشگیری از نفوذ (IPS) امکان نظارت زنده بر ترافیک شبکه، شناسایی و مسدود کردن فعالیت‌های مشکوک را فراهم می‌کند، از تأثیر حملات خبيث بر سیستم جلوگیری می‌کند و امنیت کلی را افزایش می‌دهد. مکانیسم‌های کنترل دسترسی و احراز هویت کاربران، مانند کنترل دسترسی مبتنی بر نقش (RBAC)، اطمینان می‌دهد که فقط کاربران مجاز می‌توانند به توابع و داده‌های خاص سیستم دسترسی داشته باشند. این کار خطر لو رفتن داده‌ها در داخل سیستم را کاهش می‌دهد، امنیت سیستم را افزایش می‌دهد و به طور مؤثر از دسترسی غیرمجاز جلوگیری می‌کند.
3. روش تحقیق
3.1 طراحی تحقیق
این مطالعه از روش ترکیبی آزمایشی و شبیه‌سازی استفاده می‌کند و داده‌های بازار برق واقعی را با تقاضای برق شبیه‌سازی شده ترکیب می‌کند تا چندین سناریوی آزمایشی ایجاد کند.
این سناریوها امکان آزمون و ارزیابی جامع سیستم را فراهم می‌کنند. در طراحی آزمایشی، ارزیابی عملکرد سیستم عمدتاً بر معیارهایی مانند کارایی برنامه‌ریزی، استفاده از منابع و زمان پاسخ متمرکز است. با پیکربندی بارهای مختلف، تخصیص منابع و حالت‌های تولید، عملکرد سیستم در شرایط مختلف عملیاتی شبیه‌سازی می‌شود. ارزیابی امنیتی، از سوی دیگر، بر استحکام سیستم در برابر حوادث غیرمنتظره مانند حملات سایبری، خرابی سیستم و نشت داده متمرکز است.
برای ارزیابی جامع عملکرد سیستم نظارت هوشمند بر برق، چارچوب ارزیابی علمی و سیستم شاخص‌ها طراحی شده است که شامل معیارهای عملکردی مانند زمان پاسخ، میزان موفقیت برنامه‌ریزی، استفاده از منابع و ثبات سیستم و معیارهای امنیتی مانند نرخ شناسایی نفوذ، زمان پچ‌زنی آسیب‌پذیری و قدرت رمزگذاری داده است.
3.2 ارزیابی عملکرد
ارزیابی عملکرد سیستم نظارت هوشمند بر برق در کنترل بهینه تولید توزیع شده در جدول 3 نشان داده شده است.
| شاخص امنیتی | توضیح | روش اندازه‌گیری | مقدار هدف |
| سطح رمزگذاری داده | قویت رمزگذاری انتقال و ذخیره‌سازی داده‌های سیستم | ارزیابی الگوریتم رمزگذاری | AES-256 یا بالاتر |
| نرخ شناسایی نفوذ | توانایی سیستم در شناسایی دسترسی‌های غیرعادی و حملات | تجزیه و تحلیل لاگ‌های امنیتی | >95% |
| اثربخشی کنترل دسترسی | اثربخشی مدیریت مجوزهای کاربر و استراتژی‌های کنترل دسترسی | بررسی مجوز | 100% مطابقت |
| زمان تعمیر آسیب‌پذیری‌های امنیتی | زمان لازم برای تعمیر آسیب‌پذیری‌های امنیتی شناسایی شده | تجزیه و تحلیل زمان پاسخ آسیب‌پذیری | <24 ساعت |
| بسامد منظم انجام بازرسی امنیتی | بسامد انجام بازرسی‌های امنیتی منظم بر روی سیستم | تجزیه و تحلیل گزارش بازرسی | یک بار در هر سه ماه |
| توانایی محافظت از نرم‌افزارهای خبیث | توانایی سیستم در محافظت در برابر حملات نرم‌افزارهای خبیث | ارزیابی نرم‌افزارهای محافظ | 100% پوشش |
| اثربخشی استراتژی‌های پشتیبان‌گیری و بازیابی | اثربخشی استراتژی‌های پشتیبان‌گیری و بازیابی داده‌ها | آزمون بازیابی | 100% موفقیت |
شاخص‌های ارزیابی امنیتی در جدول 4 اقدامات محافظتی جامعی برای سیستم نظارت هوشمند بر برق فراهم می‌کنند. این شاخص‌ها جنبه‌هایی مانند رمزگذاری داده، شناسایی نفوذ، کنترل دسترسی، تعمیر آسیب‌پذیری‌ها و محافظت از نرم‌افزارهای خبیث را پوشش می‌دهند و اطمینان می‌دهند که سیستم می‌تواند به طور مؤثر به تهدیدات بالقوه مانند حملات سایبری، نشت داده و نرم‌افزارهای خبیث پاسخ دهد.
به عنوان مثال، سطح رمزگذاری داده نیازمند استفاده از استانداردهای رمزگذاری AES-256 یا بالاتر برای اطمینان از امنیت انتقال و ذخیره‌سازی داده‌ها است؛ هدف نرخ شناسایی نفوذ بالای 95% است که اطمینان می‌دهد سیستم می‌تواند به طور موثر شناسایی و پاسخ به رفتارهای دسترسی غیرعادی یا حملات را داشته باشد. اثربخشی کنترل دسترسی باید 100% مطابقت داشته باشد تا مدیریت مجوزهای کاربر به صورت دقیق با سیاست‌های امنیتی مطابقت داشته باشد. هدف زمان تعمیر آسیب‌پذیری‌های امنیتی کمتر از 24 ساعت است که امکان حل سریع آسیب‌پذیری‌های شناسایی شده را فراهم می‌کند.
4. نتایج آزمایشی
4.1 نتایج آزمون عملکرد
نتایج آزمون عملکرد در جدول 5 نشان داده شده است.
