Optimizirana izbira inteligentnih sistemov za nadzor struje v distribuirani proizvodnji

V okviru globalne prehode na energijo je distribuirana proizvodnja vse bolj postajala ključni sestavnik oskrbe z energijo. S stalnim napredkom tehnologij obnovljive energije je širša uporaba distribuiranih virov energije, kot so sončna in veterna energija, prinesla nov zagon za uresničevanje nizkoogljične ekonomije. Ta model povečuje učinkovitost uporabe energije, zmanjšuje izgube pri prenosu in izboljša prilagodljivost in zanesljivost sistemov z električno energijo.

Po teoriji električnih sistemov zanesljivost in stabilnost omrežja veliko odvisna sta od učinkovitega upravljanja različnih virov proizvodnje. Kompleksnost sodobnih sistemov z električno energijo zahteva točnejše nadzor in usmerjanje v okolju distribuirane proizvodnje, še posebej v času rastučih fluktuacij obremenitve in negotovosti virov. Za reševanje teh izzivov so se pojavili inteligentni sistemi za spremljanje energije, ki izkoriščajo napredne informacijske in komunikacijske tehnologije za omogočanje časovnega spremljanja in dinamičnega prilagajanja energetskih virov. Ta članek raziskuje načrtovanje inteligentnih sistemov za spremljanje energije in optimiziranega nadzora v distribuirani proizvodnji, z namenom prispevka k prehodu na energijo in doseganju ciljev trajnostnega razvoja.

1. Spremljanje energije
Spremljanje energije je ključni pristop za časovno nadzorovanje, zajemanje podatkov in analizo operacij sistema z električno energijo, z namenom zagotavljanja varnosti, zanesljivosti in učinkovitosti sistemov z električno energijo. Sistem za spremljanje energije predvsem sestoji iz enot za zajemanje podatkov, omrežja za prenos podatkov, platforme za nadzor in upravljanje ter mehanizmov za opozarjanje in odziv. Enote za zajemanje podatkov zbirajo operativne podatke iz različnega električnega opremo, kot so generatorji, transformatorji in distribucijska naprava, vključno z ključnimi parametri, kot so napetost, tok, frekvenca in faktor moči.

Zbrane podatke nato prenašajo preko stabilnih in varnih komunikacijskih omrežij (npr. vlaknen optične vlakne, brezžični prenos) do centra za nadzor. Učinkovito omrežje za prenos podatkov zagotavlja pravočasnost in celovitost informacij, kar prinaša zanesljivo osnovo za nadaljnjo analizo. Platforma za nadzor in upravljanje opravlja časovno spremljanje in analizo zbranih podatkov, ki izkorišča tehnologije, kot so analiza velikih podatkov in oblak računalništva, da zagotovi vizualne vmesnike in podporo pri odločanju, ki pomaga operatorjem pri učinkovitem odločanju.

2. Načrtovanje sistema

2.1 Arhitektura sistema

Arhitektura inteligentnega sistema za spremljanje energije je prikazana v Tabeli 1.

V arhitekturi inteligentnega sistema za spremljanje energije se funkcije posameznih slojev dopolnjujejo s svojimi ključnimi tehnologijami, s čimer tvorijo učinkovit operativni okvir. Perceptivna sloj pridobiva časovne podatke preko senzorjev in pametnih merilnikov, ki predstavljajo temelj in predpogoj delovanja sistema. Natančnost in pravočasnost podatkov neposredno vplivata na kakovost nadaljnjih analiz.

Omrežna sloj deluje kot prenosni center podatkov, ki uporablja napredne tehnologije, kot so optične vlakne in brezžična komunikacija, da zagotovi hitro in zanesljivo prenos podatkov do centra za nadzor. Prav tako mora zagotoviti celovitost in varnost podatkov, da prepreči izgubo ali kršenje med prenosom. Aplikacijska sloj je odgovorna za globoko analizo in vizualizacijo podatkov, ki izkorišča napredne algoritme za obdelavo podatkov in tehnologije velikih podatkov, da preoblikuje ogromne množice podatkov v dragocene vpoglede, ki podpirajo upravitelje pri natančnem odločanju.

2.2 Izbor strojne opreme

Strojne komponente sistema in njihove glavne zmogljivosti so prikazane v Tabeli 2.

2.3 Strategija komunikacije podatkov

2.3.1 Zbiranje in prenos podatkov

Zbiranje in prenos podatkov sta ključni sestavni deli inteligentnega sistema za spremljanje energije, ki neposredno vplivata na časovno delovanje in učinkovitost sistema. V tem procesu različni senzorji in naprave za spremljanje v perceptivni sloji zbirajo ključne operativne podatke iz sistema z električno energijo, kot so napetost, tok, moč in frekvenca, kot tudi informacije o stanju operacij iz distribuiranih virov proizvodnje.

Za zagotavljanje natančnosti podatkov morajo naprave za zajemanje imeti visoko natančnost in visoko zanesljivost [10]. Po zbiranju so podatki preneseni v omrežno sloj, predvsem z uporabo modernih komunikacijskih tehnologij, kot so komunikacija preko optičnih vlaken, brezžična komunikacija in tehnologije interneta stvari (IoT). Komunikacija preko optičnih vlaken, s svojo visoko propusnostjo in nizko zakasnitvijo, je primerna za scenarije prenosa velikih množic podatkov. Brezžična komunikacija ponuja prilagodljivost in enostavnost, učinkovito pokriva različne točke za spremljanje preko brezžičnih signalov.

2.3.2 Varnostne mere

V inteligentnih sistemih za spremljanje energije varnostne mere, kot so šifriranje podatkov, zaščita omrežja in nadzor dostopa, tvorijo večslojni varnostni okvir. Ta okvir učinkovito zmanjša zunanjih napadov in notranjih tveganj, kar prinaša varno osnovo za izvajanje inteligentnega upravljanja energije. Implementacija močnih algoritmov za šifriranje med prenosom podatkov preprečuje, da bi podatki bili uhajeni ali spremenjeni. Uporaba simetričnih algoritmov za šifriranje, kot je napredni standard za šifriranje (AES), zagotavlja, da lahko le uporabniki z pravilnim ključem za dešifriranje dostopajo do podatkov, s čimer se zaščitijo integriteta in zasebnost občutljivih informacij in se zagotovi, da podatki ostanejo nespremenjeni med prenosom. Glede zaščite omrežja interkonekcija več naprav in sistemov znatno poveča tveganje za kibernetske napade. Zato omogoča namestitve varnostnih naprav, kot so zapori, Sistemi za zaznavanje napadov (IDS) in Sistemi za preprečevanje napadov (IPS), časovno spremljanje prometa v omrežju, identifikacijo in blokiranje sumljivih dejavnosti, preprečevanje, da bi malicijni napadi vplivali na sistem in izboljšanje skupne varnosti. Mere za nadzor dostopa uporabnikov in mehanizmi overitve, kot je nadzor dostopa na podlagi vlog (RBAC), zagotavljajo, da le ovlasteni uporabniki lahko dostopajo do določenih funkcij in podatkov sistema. To zmanjša tveganje notranjih utrkinov podatkov, izboljša varnost sistema in učinkovito preprečuje neovlaščen dostop.

3. Metodologija raziskave

3.1 Načrtovanje raziskave

Ta raziskava uporablja kombinirani pristop eksperimentalnih in simulacijskih metod, ki integrira realne tržne podatke o električni energiji s simuliranim povpraševanjem po električni energiji, da ustvari več eksperimentalnih situacij.

Te situacije omogočajo celovito testiranje in ocenjevanje sistema. V načrtovanju poskusa se glavno fokusira na merila, kot so učinkovitost razporejanja, izkoriščenost virov in čas odziva. S konfiguracijo različnih obremenitev, dodelitve virov in načinov proizvodnje se simulira delovanje sistema v različnih operativnih pogoji. Ocena varnosti pa se fokusira na odpor sistema proti nenaznanjenim dogodkom, kot so kibernetski napadi, odpadi sistema in utrki podatkov.

Za celovito oceno učinkovitosti inteligentnega sistema za spremljanje energije je bil zasnovan znanstveni ocenitveni okvir in sistem kazalcev, ki vključujejo merila učinkovitosti, kot so čas odziva, stopnja uspešnosti razporejanja, izkoriščenost virov in stabilnost sistema, ter varnostna merila, kot so stopnja zaznavanja napadov, čas popravljanja ranjivosti in moč šifriranja podatkov.

3.2 Ocenjevanje učinkovitosti

Ocena učinkovitosti inteligentnega sistema za spremljanje energije v optimiziranem nadzoru distribuirane proizvodnje je prikazana v Tabeli 3.

Varnostna merila v Tabeli 4 prinašajo celovite zaščitne ukrepe za inteligentni sistem za spremljanje energije. Ta merila zajemajo vidike, kot so šifriranje podatkov, zaznavanje napadov, nadzor dostopa, popravljanje ranjivosti in zaščita pred zlonamerne programske opreme, s čimer se zagotovi, da sistem lahko učinkovito odziva na potencialne grožnje, vključno s kibernetskimi napadi, utrki podatkov in zlonamerne programske opreme.

Na primer, raven šifriranja podatkov zahteva uporabo AES-256 ali višjih standardov za šifriranje, da se zagotovi varnost prenosa in shranjevanja podatkov; ciljna stopnja zaznavanja napadov je nad 95%, s čimer se zagotovi, da sistem lahko učinkovito prepozna in odziva na neobičajne dostope ali napade. Učinkovitost nadzora dostopa mora doseči 100% skladnost, s čimer se zagotovi, da upravljanje dovolenj uporabnikov strogo upošteva varnostne politike. Cilj za čas popravljanja varnostnih ranjivosti je znotraj 24 ur, s čimer se omogoči hitro reševanje zaznanih ranjivosti.

4. Rezultati poskusa

4.1 Rezultati testa učinkovitosti

Rezultati testa učinkovitosti so prikazani v Tabeli 5.

V tem testu učinkovitosti vsi kazalci sistema dobro delovali, dosegle ali presegli predpostavljene ciljne vrednosti. Čas odziva sistema je bil 1.8 s, kar je zadovoljilo zahtevo <2.0 s, kar kaže na visoko učinkovitost razporejanja. Hitrost obdelave podatkov je dosegla 2,200 zapise na sekundo, presegla zahtevo 2,000 zapisi/s, kar kaže na močno sposobnost časovne obdelave podatkov. Dostopnost sistema je bila 99.98%, višja od ciljne vrednosti 99.95%, kar kaže na odlično stabilnost in zanesljivost. Stopnja izgub energije je bila 2.5%, nižja od ciljne vrednosti 3.0%, kar optimizira učinkovitost prenosa energije. Stopnja uspešnosti optimiziranega razporejanja je dosegla 92%, učink