طراحی بهینه سیستم‌های نظارت هوشمند بر توان برای تولید پراکنده
در پس‌زمینه انتقال جهانی انرژی، تولید پراکنده به تدریج به عنصر مهمی از تأمین برق تبدیل شده است. با پیشرفت های مداوم در فناوری های انرژی تجدیدپذیر، گسترش گسترده منابع انرژی پراکنده مانند انرژی خورشیدی و بادی به اقتصاد کم‌کربن جدیدی روح جدیدی وارد کرده است. این مدل باعث افزایش کارایی استفاده از انرژی، کاهش زیان های انتقال و بهبود انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان سیستم های برق می‌شود.
بر اساس نظریه سیستم های برق، قابلیت اطمینان و ثبات شبکه به مدیریت موثر منابع مختلف تولید بستگی دارد. پیچیدگی سیستم های برق مدرن نیازمند کنترل و تخصیص دقیق‌تر در محیط تولید پراکنده است، به خصوص با وجود نوسانات بار و عدم قطعیت منابع. برای مقابله با این چالش‌ها، سیستم های نظارت هوشمند بر برق ظهور یافته‌اند که از فناوری های پیشرفته اطلاعاتی و ارتباطی برای نظارت و تنظیم دینامیکی منابع برق استفاده می‌کنند. این مقاله طراحی سیستم های نظارت هوشمند بر برق و کنترل بهینه در تولید پراکنده را بررسی می‌کند و هدف آن ارائه مشارکتی در انتقال انرژی و دستیابی به اهداف توسعه پایدار است.
1. نظارت بر برق
نظارت بر برق یک رویکرد حیاتی برای نظارت زنده، جمع‌آوری داده و تحلیل عملیات سیستم برق است که هدف آن اطمینان از ایمنی، قابلیت اطمینان و کارایی سیستم برق است. یک سیستم نظارت بر برق عمدتاً شامل واحد های جمع‌آوری داده، شبکه های انتقال داده، پلتفرم های نظارت و مدیریت و سیستم های هشدار و واکنش است. واحد های جمع‌آوری داده اطلاعات عملیاتی از تجهیزات برق مختلف مانند ژنراتورها، ترانسفورماتورها و دستگاه های توزیع، از جمله پارامترهای کلیدی مانند ولتاژ، جریان، فرکانس و عامل توان جمع‌آوری می‌کنند.
داده های جمع‌آوری شده سپس از طریق شبکه های ارتباطی پایدار و امن (مانند اپتیک فیبر و انتقال بی‌سیم) به مرکز نظارت منتقل می‌شوند. یک شبکه انتقال داده کارآمد اطمینان از زمان‌بندی و تمامیت اطلاعات را فراهم می‌کند و بنیان مطمئنی برای تحلیل‌های بعدی ارائه می‌دهد. پلتفرم نظارت و مدیریت نظارت و تحلیل زنده داده های جمع‌آوری شده را انجام می‌دهد و از فناوری هایی مانند تجزیه و تحلیل داده های بزرگ و محاسبات ابری برای ارائه رابط های بصری و پشتیبانی تصمیم گیری استفاده می‌کند که به عملگران در گرفتن تصمیمات موثر کمک می‌کند.
2. طراحی سیستم
2.1 معماری سیستم
معماری سیستم نظارت هوشمند بر برق در جدول 1 نشان داده شده است.
| سطح | کارکرد اصلی | فناوری کلیدی |
| لایه ادراک | جمع‌آوری داده زنده و پردازش اولیه | سنسورها، کنتورهای هوشمند |
| لایه شبکه | انتقال داده و ارتباط | شبکه های اپتیک فیبر، ارتباط بی‌سیم |
| لایه کاربرد | تحلیل داده و بصری‌سازی | الگوریتم های پردازش داده، داده های بزرگ |
در معماری سیستم نظارت هوشمند بر برق، کارکردهای هر لایه با فناوری های کلیدی خود تکمیل می‌شوند و چارچوب عملیاتی کارآمدی را تشکیل می‌دهند. لایه ادراک از طریق سنسورها و کنتورهای هوشمند داده های زنده را جمع‌آوری می‌کند که پایه و پیش‌شرط عملکرد سیستم است. دقت و زمان‌بندی داده ها مستقیماً بر کیفیت تحلیل‌های بعدی تأثیر می‌گذارند.
لایه شبکه به عنوان مرکز انتقال داده عمل می‌کند و از فناوری های پیشرفته مانند شبکه های اپتیک فیبر و ارتباط بی‌سیم برای اطمینان از انتقال سریع و قابل اعتماد داده ها به مرکز نظارت استفاده می‌کند. باید همچنین تمامیت و امنیت داده ها را تضمین کند و از از دست رفتن یا تغییر داده ها در حین انتقال جلوگیری کند. لایه کاربرد مسئول تحلیل عمیق و بصری‌سازی داده هاست و از الگوریتم های پیشرفته پردازش داده و فناوری های داده های بزرگ برای تبدیل مجموعه داده های عظیم به بینش‌های ارزشمند استفاده می‌کند که به مدیران در گرفتن تصمیمات دقیق کمک می‌کند.
2.2 انتخاب سخت‌افزار
اجزای سخت‌افزاری سیستم و پارامترهای عملکرد اصلی آن در جدول 2 نشان داده شده است.
| نوع سخت‌افزار | مدل و مشخصات | پارامترهای عملکرد اصلی |
| سنسور | Hikvision HikSensor - 500kV | محدوده اندازه‌گیری: 0 - 500 kV; |
| کنتور 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 کارایی سیستم تأثیر می‌گذارند. در این فرآیند، سنسورها و دستگاه های نظارت در لایه ادراک داده های عملیاتی کلیدی از سیستم برق مانند ولتاژ، جریان، توان و فرکانس و همچنین اطلاعات وضعیت عملیاتی از منابع تولید پراکنده را جمع‌آوری می‌کنند.
برای اطمینان از دقت داده، دستگاه های جمع‌آوری باید دارای دقت و قابلیت اطمینان بالا باشند [10]. پس از جمع‌آوری، داده ها به لایه شبکه منتقل می‌شوند، عمدتاً با استفاده از فناوری های ارتباطی مدرن مانند ارتباط اپتیک فیبر، ارتباط بی‌سیم و فناوری اینترنت اشیا (IoT). ارتباط اپتیک فیبر با پهنای باند و تأخیر پایین برای سناریوهای انتقال داده در مقیاس بزرگ مناسب است. ارتباط بی‌سیم انعطاف‌پذیری و راحتی ارائه می‌دهد و با سیگنال های بی‌سیم نقاط نظارت مختلف را موثر پوشش می‌دهد.
2.3.2 اقدامات امنیتی
در سیستم های نظارت هوشمند بر برق، اقدامات امنیتی مانند رمزگذاری داده، محافظت امنیتی شبکه و کنترل دسترسی چارچوب امنیتی چند لایه‌ای را تشکیل می‌دهند. این چارچوب به طور موثر از حملات خارجی و خطرات داخلی جلوگیری می‌کند و بنیان امنی برای اجرای مدیریت هوشمند برق فراهم می‌کند. اجرای الگوریتم‌های رمزگذاری قوی در حین انتقال داده جلوگیری از مداخله یا تغییر داده ها را می‌کند. استفاده از الگوریتم‌های رمزگذاری متقارن مانند AES (Advanced Encryption Standard) اطمینان می‌دهد که فقط کاربرانی که کلید رمزگشایی صحیح را دارند می‌توانند به داده ها دسترسی پیدا کنند، بنابراین حفاظت از تمامیت و محرمانگی اطلاعات حساس و اطمینان از عدم تغییر داده ها در حین انتقال فراهم می‌کند. در مورد محافظت امنیتی شبکه، اتصال چندین دستگاه و سیستم خطر حملات سایبری را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. بنابراین، نصب دستگاه های امنیتی مانند دیوارهای آتش، سیستم‌های تشخیص نفوذ (IDS) و سیستم‌های پیشگیری از نفوذ (IPS) امکان نظارت زنده بر ترافیک شبکه، شناسایی و مسدود کردن فعالیت‌های مشکوک را فراهم می‌کند، که از تأثیر حملات خرابکارانه بر سیستم جلوگیری می‌کند و امنیت کلی را افزایش می‌دهد. کنترل دسترسی کاربر و مجوزهای معتبر مانند کنترل دسترسی بر اساس نقش (RBAC) اطمینان می‌دهد که فقط کاربران مجاز می‌توانند به توابع و داده های خاص سیستم دسترسی پیدا کنند. این کار خطر نشتی داده های داخلی را کاهش می‌دهد، امنیت سیستم را بهبود می‌بخشد و به طور موثر از دسترسی غیرمجاز جلوگیری می‌کند.
3. روش تحقیق
3.1 طراحی تحقیق
این مطالعه از رویکرد ترکیبی آزمایش و شبیه‌سازی استفاده می‌کند و داده های بازار برق واقعی را با تقاضای برق شبیه‌سازی شده ترکیب می‌کند تا سناریوهای آزمایشی متعددی را 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 تمرکز دارد. با پیکربندی بارهای مختلف، تخصیص منابع و حالت‌های تولید، عملکرد سیستم در شرایط عملیاتی مختلف شبیه‌سازی می‌شود. ارزیابی امنیتی از سوی دیگر بر استحکام سیستم در برابر حوادث غیرمنتظره مانند حملات سایبری، خرابی سیستم و نشتی داده ها تمرکز دارد.
برای ارزیابی جامع عملکرد سیستم نظارت هوشمند بر برق، چارچوب ارزیابی علمی و سیستم شاخص‌هایی طراحی شده است که شامل معیارهای عملکردی مانند زمان پاسخ، نرخ موفقیت برنامه‌ریزی، استفاده از منابع و ثبات سیستم و معیارهای امنیتی مانند نرخ تشخیص نفوذ، زمان پچ زدن آسیب‌پذیری و قدرت رمزگذاری داده است.
3.2 ارزیابی عملکرد
ارزیابی عملکرد سیستم نظارت هوشمند بر برق در کنترل بهینه تولید پراکنده در جدول 3 نشان داده شده است.
| شاخص امنیتی | توضیح | روش اندازه‌گیری | مقدار هدف |
| سطح رمزگذاری داده | قوت رمزگذاری انتقال و ذخیره‌سازی داده سیستم | ارزیابی الگوریتم رمزگذاری | AES-256 یا بالاتر |
| نرخ تشخیص نفوذ | توانایی سیستم در تشخیص دسترسی‌های غیرعادی و حملات | تجزیه و تحلیل لاگ‌های امنیتی | >95% |
| کارایی کنترل دسترسی | کارایی مدیریت مجوزهای کاربر و استراتژی‌های کنترل دسترسی | بازرسی مجوزها | 100% مطابقت |
| زمان تعمیر آسیب‌پذیری امنیتی | زمان لازم برای تعمیر آسیب‌پذیری‌های شناسایی شده | تجزیه و تحلیل زمان پاسخ آسیب‌پذیری | <24 h |
| فرکانس معمولی بازرسی امنیتی | فرکانس انجام بازرسی‌های امنیتی بر روی سیستم | تجزیه و تحلیل گزارش‌های بازرسی | یک بار در هر سه ماه |
| توانایی محافظت از نرم‌افزارهای خرابکار | توانایی سیستم در محافظت از حملات نرم‌افزارهای خرابکار | ارزیابی نرم‌افزارهای محافظ | 100% پوشش |
| کارایی استراتژی‌های پشتیبان‌گیری و بازیابی | کارایی استراتژی‌های پشتیبان‌گیری و بازیابی داده | آزمون بازیابی | 100% موفقیت |
شاخص‌های ارزیابی امنیتی در جدول 4 اقدامات محافظتی جامعی برای سیستم نظارت هوشمند بر برق ارائه می‌دهند. این شاخص‌ها جنبه‌هایی مانند رمزگذاری داده، تشخیص نفوذ، کنترل دسترسی، تعمیر آسیب‌پذیری و محافظت از نرم‌افزارهای خرابکار را پوشش می‌دهند و اطمینان می‌دهند که سیستم می‌تواند به طور موثر به تهدیدهای پتانسیلی از جمله حملات سایبری، نشتی داده و نرم‌افزارهای خرابکار پاسخ دهد.
به عنوان مثال، سطح رمزگذاری داده نیاز به استفاده از استاندارد رمزگذاری AES-256 یا بالاتر را برای اطمینان از امنیت انتقال و ذخیره‌سازی داده دارد؛ هدف نرخ تشخیص نفوذ بالای 95% است که اطمینان می‌دهد سیستم می‌تواند به طور سریع شناسایی و پاسخ به رفتارهای دسترسی غیرعادی یا حملات. کارایی کنترل دسترسی باید 100% مطابقت داشته باشد تا مدیریت مجوزهای کاربر به صورت صارمی با سیاست‌های امنیتی مطابقت داشته باشد. هدف زمان تعمیر آسیب‌پذیری امنیتی کمتر از 24 ساعت است که امکان تعمیر 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.
