Optimizirani dizajn inteligentnih sistema za nadzor struje za distribuiranu proizvodnju

Uz pozadinu globalne energetske tranzicije, distribuirana proizvodnja sve više postaje ključni sastojak snabdijevanja strujom. S nastavkom napretka u tehnologijama obnovljivih izvora energije, široko usvajanje distribuiranih izvora energije, poput solarnih i vjetroelektrana, unijelo je novi potencijal za ostvarivanje niskougljične ekonomije. Ovaj model povećava efikasnost korištenja energije, smanjuje gubitke pri prijenosu i poboljšava prilagodljivost i pouzdanost električnih sustava.

Prema teoriji električnih sustava, pouzdanost i stabilnost mreže značajno ovisi o učinkovitoj upravljanju različitim izvorima proizvodnje. Složenost modernih električnih sustava zahtijeva precizniju kontrolu i raspoređivanje unutar okruženja distribuirane proizvodnje - posebno uz rastuće fluktuacije opterećenja i neizvjesnosti s izvorima. Da bi se ti izazovi riješili, pojavile su se inteligentne sustave nadzora struje, koristeći napredne informacijske i komunikacijske tehnologije kako bi omogućile stvarnotražni nadzor i dinamičku prilagodbu resursa struje. Ovaj rad istražuje dizajn inteligentnih sustava nadzora struje i optimiranog upravljanja u distribuiranoj proizvodnji, s ciljem doprinosa energetskoj tranziciji i postizanju ciljeva održivog razvoja.

1. Nadzor struje
Nadzor struje je ključan pristup za stvarnotražni nadzor, prikupljanje podataka i analizu operacija električnih sustava, s ciljem osiguranja sigurnosti, pouzdanosti i učinkovitosti električnih sustava. Sustav nadzora struje uglavnom se sastoji od jedinica za prikupljanje podataka, mreža za prijenos podataka, platforme za nadzor i upravljanje te mehanizama za alarmiranje i odgovarajuće reakcije. Jednice za prikupljanje podataka prikupljaju operativne podatke s različitih elektroenergetskih opreme - kao što su generatori, transformatori i uređaji za distribuciju - uključujući ključne parametre poput napona, struja, frekvencije i faktora snage.

Prikupljeni podaci zatim se prenose putem stabilnih i sigurnih komunikacijskih mreža (npr. optičke vlakne, bežični prijenos) do centra nadzora. Učinkovita mreža za prijenos podataka osigurava pravovremenost i cjelovitost informacija, pružajući pouzdanu temeljnu infrastrukturu za sljedeću analizu. Platforma za nadzor i upravljanje provodi stvarnotražni nadzor i analizu prikupljenih podataka, koristeći tehnologije poput analize velikih podataka i cloud computing-a kako bi pružila vizualizirane sučelja i podršku donošenju odluka, pomažući operatorima u donošenju učinkovitih odluka.

2.Dizajn sustava

2.1 Arhitektura sustava

Arhitektura inteligentnog sustava nadzora struje prikazana je u Tablici 1.

U arhitekturi inteligentnog sustava nadzora struje, funkcije svake razine komplementiraju njihove ključne tehnologije, formirajući učinkovitu operativnu strukturu. Percepcijski sloj prikuplja stvarnotražne podatke putem senzora i pametnih brojaca, služeći kao temelj i preduvjet funkcionalnosti sustava. Točnost i pravovremenost podataka direktno utječu na kvalitetu kasnije analize.

Mrežni sloj djeluje kao hub za prijenos podataka, koristeći napredne tehnologije poput optičkih vlakana i bežične komunikacije kako bi osigurao brz i pouzdan prijenos podataka do centra nadzora. Također mora osigurati integritet i sigurnost podataka, sprečavajući gubitak ili manipulaciju tijekom prijenosa. Aplikacijski sloj je odgovoran za duboku analizu i vizualizaciju podataka, koristeći napredne algoritme obrade podataka i tehnologije big data kako bi pretvorio masive skupova podataka u vrijedne uvide, podržavajući menadžere u donošenju preciznih odluka.

2.2 Odabir hardvera

Komponente sustava hardvera i njihovi glavni performansni parametri prikazani su u Tablici 2.

2.3 Strategija komunikacije podataka

2.3.1 Prikupljanje i prijenos podataka

Prikupljanje i prijenos podataka su ključne komponente inteligentnog sustava nadzora struje, direktno utječe na stvarnotražnu performansu i učinkovitost sustava. U ovom procesu, različiti senzori i uređaji za nadzor u percepcijskom sloju prikupljaju ključne operativne podatke iz električnog sustava - poput napona, struja, snage i frekvencije - kao i informacije o operativnom stanju iz distribuiranih izvora proizvodnje.

Da bi se osigurala točnost podataka, uređaji za prikupljanje moraju imati visoku preciznost i pouzdanost [10]. Nakon prikupljanja, podaci se prenose na mrežni sloj, uglavnom koristeći moderne tehnologije komunikacije poput optičke komunikacije, bežične komunikacije i tehnologije Internet stvari (IoT). Optička komunikacija, s svojom visokom propusnošću i niskom latencijom, odgovara scenarijima s velikim količinama podataka. Bežična komunikacija pruža fleksibilnost i praktičnost, efektivno pokrivajući različite točke nadzora putem bežičnih signala.

2.3.2 Sigurnosne mjere

U inteligentnim sustavima nadzora struje, sigurnosne mjere poput šifriranja podataka, zaštita mreže i kontrola pristupa čine višeslojni sigurnosni okvir. Taj okvir učinkovito umanjuje vanjske napade i interne rizike, stvarajući sigurnu temeljnog za implementaciju inteligentnog upravljanja strujom. Implementacija jakih algoritama šifriranja tijekom prijenosa podataka spriječava da se podaci uhvate ili manipuliraju. Upotreba simetričnih algoritama šifriranja, poput naprednog standarda šifriranja (AES), osigurava da samo korisnici s ispravnim ključem dešifriranjem mogu pristupiti podacima, zaštitom integriteta i povjerljivosti osjetljivih informacija i osiguravanjem da podaci ostaju netaknuti tijekom prijenosa. Što se tiče zaštite mreže, interveza mnogo uređaja i sustava značajno povećava rizik od kibernetskih napada. Stoga, implementacija sigurnosnih uređaja poput vatrogasnih zidova, sistema za otkrivanje intruzija (IDS) i sistema za sprječavanje intruzija (IPS) omogućuje stvarnotražni nadzor prometa mreže, identifikaciju i blokiranje sumnjivih aktivnosti, spriječavanje da bi malicijni napadi utjecali na sustav i poboljšanje ukupne sigurnosti. Mekanizmi kontrole pristupa i autentifikacije korisnika, poput role-based access control (RBAC), osiguravaju da samo autorizirani korisnici mogu pristupiti određenim funkcijama i podacima sustava. To smanjuje rizik od internih curenja podataka, poboljšava sigurnost sustava i učinkovito spriječava neautorizirani pristup.

3. Metodologija istraživanja

3.1 Dizajn istraživanja

Ovo istraživanje koristi kombinirani pristup eksperimentalnih i simulacijskih metoda, integrirajući realne podatke tržišta struje s simuliranim potrebama struje kako bi konstruiralo više eksperimentalnih scenarija.

Ti scenariji omogućuju kompleksno testiranje i procjenu sustava. U dizajnu eksperimenta, procjena performansi sustava fokusira se na metrike poput učinkovitosti raspoređivanja, korištenja resursa i vremena odziva. Konfigurirajući različite opterećenja, alokacije resursa i načine proizvodnje, simulira se performansa sustava u različitim uvjetima rada. Procjena sigurnosti, s druge strane, fokusira se na otpornost sustava na neočekivane događaje poput kibernetskih napada, propada sustava i kršenja podataka.

Da bi se kompletan procjena performanse inteligentnog sustava nadzora struje, dizajniran je znanstveni okvir procjene i sistem pokazatelja, koji uključuje metrike performansi - uključujući vrijeme odziva, stopu uspjeha raspoređivanja, korištenje resursa i stabilnost sustava - i metrike sigurnosti - poput stope otkrivanja intruzija, vremena ispravljanja ranjivosti i jačine šifriranja podataka.

3.2 Procjena performanse

Procjena performanse inteligentnog sustava nadzora struje u optimiziranom upravljanju distribuiranom proizvodnjom prikazana je u Tablici 3.

Pokazatelji sigurnosti u Tablici 4 pružaju kompleksne zaštitne mjere za inteligentni sustav nadzora struje. Ovi pokazatelji pokrivaju aspekte poput šifriranja podataka, otkrivanja intruzija, kontrole pristupa, ispravljanja ranjivosti i zaštite od zlonamjernog softvera, osiguravajući da sustav može učinkovito odgovarati na potencijalne prijetnje, uključujući kibernetske napade, kršenja podataka i zlonamjerni softver.

Na primjer, razina šifriranja podataka zahtijeva korištenje AES-256 ili viših standarda šifriranja kako bi se osigurala sigurnost prijenosa i pohrane podataka; ciljna vrijednost stope otkrivanja intruzija je iznad 95%, osiguravajući da sustav može pravočasno identificirati i odgovoriti na neobične pristupe ili napadne ponašanja. Efikasnost kontrole pristupa mora dosegnuti 100% skladnosti, osiguravajući strogo upravljanje dozvolama korisnika. Ciljno vrijeme ispravljanja sigurnosnih ranjivosti je manje od 24 sata, omogućujući brzo rješavanje identificiranih ranjivosti.

4. Eksperimentalni rezultati

4.1 Rezultati testiranja performansi

Rezultati testiranja performansi prikazani su u Tablici 5.

U ovom testiranju performansi, svi pokazatelji sustava su se dobro odnosili, dostižući ili prevazilazeći predpostavljene ciljne vrijednosti. Vrijeme odziva sustava bilo je 1.8 s, zadovoljavajući zahtjev <2.0 s, što ukazuje na visoku učinkovitost raspoređivanja. Brzina obrade podataka dosla je do 2,200 zapisa po sekundi, prevazilazeći zahtjev 2,000 zapisa/s, pokazujući jaku stvarnotražnu sposobnost obrade podataka. Dostupnost sustava bila je 99.98%, veća od ciljne vrijednosti 99.95%, što odražava izvrsnu stabilnost i pouzdanost. Stopa gubitka energije bila je 2.5%, niža od ciljne vrijednosti 3.0%, optimizirajući učinkovitost prijenosa energije. Stopa uspjeha optimiziranog raspoređivanja dosla je do 92%, učinkovito podržavajući ciljeve raspoređivanja sustava. Vrijeme oporavka grešaka i korištenje resursa bila su 4 minute i 87% redom - oba su premašila postavljene stand