طراحی و اجرای بهینه سیستم‌های نظارت بر توان در زیرстанسیون‌های هوشمند

با توجه به پیشرفت سریع صنعت برق، زیرстанسیون‌های هوشمند نقشی فزاینده و حیاتی در سیستم‌های برقی ایفا می‌کنند. سیستم‌های نظارت بر توان آنها کلیدی برای تضمین عملکرد ایمن، پایدار و کارآمد شبکه برق هستند. سیستم‌های نظارت بر توان زیرستانسیون‌های سنتی دیگر نمی‌توانند نیازهای روزافزون مصرف برق یا استانداردهای ساخت شبکه‌های هوشمند را برآورده کنند.

با توجه به مزایای فناوری پیشرفته خود، سیستم‌های نظارت بر توان در زیرستانسیون‌های هوشمند امکان نظارت دقیق در زمان واقعی و کنترل مؤثر سیستم‌های برقی را فراهم می‌کنند و راه‌حل‌های جدیدی برای افزایش ایمنی و پایداری سیستم ارائه می‌دهند. با این حال، در طول توسعه خود، این سیستم‌ها با چالش‌های متعددی مواجه می‌شوند، از قبیل یکپارچه‌سازی سیستم پیچیده، بار داده‌پردازی و ارتباطات سنگین، محافظت ضعیف امنیتی و دشواری مدیریت عملیاتی. 

این مشکلات به شدت محدودیت‌هایی برای تحقق کامل مزایای سیستم‌های نظارت بر توان زیرستانسیون‌های هوشمند ایجاد می‌کنند. بنابراین، انجام تحقیقات عمیق در راهبردهای کاربردی و تدوین تدابیر بهینه‌سازی مؤثر از اهمیت عملی قابل توجهی برای پیشرفت هوشمندسازی صنعت برق و تأمین برق قابل اعتماد برخوردار است.

۱. اهمیت سیستم‌های نظارت بر توان در زیرستانسیون‌های هوشمند

۱.۱ افزایش توانایی‌های نظارت در زمان واقعی

زیرستانسیون‌های هوشمند با تعداد زیادی از سنسورهای هوشمند با دقت بالا مجهز شده‌اند که می‌توانند پارامترهای عملکردی تجهیزات برقی، مانند ولتاژ، جریان و توان را به طور مکرر جمع‌آوری کرده و این داده‌ها را در زمان واقعی به سیستم نظارت منتقل کنند. در مقایسه با زیرستانسیون‌های سنتی، جمع‌آوری داده‌ها جامع‌تر است و شامل نه تنها تجهیزات اصلی بلکه اطلاعات وضعیتی از تجهیزات ثانویه نیز می‌شود که امکان نظارت در زمان واقعی کامل و بدون نقطه‌عمیق بر کل سیستم برقی را فراهم می‌کند.

با استفاده از شبکه‌های ارتباطی با سرعت بالا، سیستم نظارت به طور مؤثر حجم عظیمی از داده‌ها را پردازش کرده و وضعیت عملکردی واقعی سیستم برق را دقیقاً منعکس می‌کند. این به اپراتورها کمک می‌کند تا ناهماهنگی‌های تجهیزات و خرابی‌های بالقوه را به طور زودهنگام تشخیص دهند و مداخله‌های لازم را انجام دهند تا تأثیر خرابی‌ها را به حداقل برسانند. در نتیجه، قابلیت اطمینان و ایمنی عملیات سیستم برق به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد و تأمین پیوسته و پایدار برق و تأمین برق با کیفیت بالا برای جامعه مدرن تضمین می‌شود.

۱.۲ تقویت امنیت و پایداری سیستم

سیستم‌های نظارت بر توان در زیرستانسیون‌های هوشمند می‌توانند ریسک‌های امنیتی بالقوه را با نظارت مستمر بر وضعیت عملکردی سیستم برق شناسایی و هشدارهای اولیه‌ای صادر کنند. به عنوان مثال، هنگامی که سیستم بار زیاد، کوتاه شدن مدار یا افزایش غیرعادی دما در خطوط انتقال یا تجهیزات را تشخیص می‌دهد، به طور فوری هشدار صادر می‌کند و محل دقیق خرابی را مشخص می‌کند و اطلاعات دقیق خرابی را به پرسنل تعمیر و نگهداری ارائه می‌دهد تا پاسخ سریع دهند.

این امر از ادامه خرابی‌ها جلوگیری می‌کند و عملکرد ایمن و پایدار کل سیستم برق را تضمین می‌کند. علاوه بر این، زیرستانسیون‌های هوشمند توانایی کنترل خودکار را دارند. هنگام وقوع خرابی، سیستم می‌تواند سریعاً منطقه تحت تأثیر را جدا کرده و به طور خودکار مود عملکردی خود را بر اساس استراتژی‌های پیش‌فرض تنظیم کند، به تعادل خودسرانه دست یابد. این امر مدت و محدوده قطع برق را کاهش می‌دهد، توانایی پاسخگویی سیستم در مقابل حوادث را افزایش می‌دهد، احتمال بروز قطع برق‌های گسترده را کاهش می‌دهد و پشتیبانی برق محکمی برای عملیات اقتصادی و اجتماعی عادی فراهم می‌کند و در نتیجه توسعه پایدار در صنعت برق را ترویج می‌کند.

۱.۳ بهینه‌سازی مدیریت عملیات و نگهداری

سیستم نظارت بر توان در زیرستانسیون‌های هوشمند تغییرات انقلابی در مدیریت عملیات و نگهداری (O&M) ایجاد می‌کند. با تجمع و تحلیل عمیق داده‌های عملکردی طولانی‌مدت تجهیزات برق، مدل‌های ارزیابی سلامت می‌توانند احتمال خرابی تجهیزات و عمر مانده آنها را به طور دقیق پیش‌بینی کنند. این امر موجب تغییر از نگهداری برنامه‌ریزی شده سنتی به نگهداری پیش‌بینی‌شده بر اساس وضعیت واقعی تجهیزات می‌شود.

این رویکرد نه تنها از تلف شدن نیروی انسانی و منابع ناشی از نگهداری بیش از حد جلوگیری می‌کند، بلکه امکان تشخیص زودهنگام مشکلات را فراهم می‌کند، تا تعمیرات را به طور پیش‌بینی‌شده برنامه‌ریزی کنند، خطر خرابی‌های غیرمنتظره را کاهش دهند و از بهره‌وری و قابلیت اطمینان تجهیزات افزایش می‌دهد. علاوه بر این، سیستم نظارت می‌تواند کارکرد O&M را با تخصیص هوشمندانه وظایف و راهنمایی دوردست بهینه کند، کیفیت و کارایی O&M را بهبود بخشد و هزینه‌ها را کاهش دهد. این امر سودآوری اقتصادی و رقابت‌پذیری بازار شرکت‌های برق را افزایش می‌دهد و پشتیبانی قوی برای O&M کارآمد فراهم می‌کند و انتقال صنعت برق به مدیریت هوشمند و دقیق را ترویج می‌کند.

۲. چالش‌های اصلی مواجهه با سیستم‌های نظارت بر توان در زیرستانسیون‌های هوشمند

۲.۱ مشکلات یکپارچه‌سازی و سازگاری سیستم

سیستم‌های نظارت بر توان در زیرستانسیون‌های هوشمند تعداد زیادی از دستگاه‌ها و نرم‌افزارهای مختلف از سازندگان و مدل‌های متفاوت را یکپارچه می‌کنند، از جمله تجهیزات اصلی هوشمند، دستگاه‌های حفاظت ثانویه، واحدهای اندازه‌گیری و کنترل و پلتفرم‌های نظارت نرم‌افزاری مختلف. این اجزا غالباً از استانداردهای طراحی و مشخصات مختلف پیروی می‌کنند و یک چارچوب یکپارچه و استاندارد رابط ندارند.

این امر منجر به عدم سازگاری پروتکل‌های ارتباطی، عدم تبادل پذیری داده‌ها و عدم توانایی دستیابی به اشتراک‌گذاری اطلاعات بی‌پرتقال در یکپارچه‌سازی سیستم می‌شود. به عنوان مثال، برخی از دستگاه‌های هوشمند از پروتکل‌های ارتباطی اختصاصی استفاده می‌کنند که با پروتکل‌های عمومی سیستم‌های نظارت سازگار نیستند و نیاز به تبدیل پیچیده و سازگاری پروتکل دارند. این امر نه تنها بار و دشواری یکپارچه‌سازی سیستم را افزایش می‌دهد، بلکه ممکن است خطاهای انتقال داده و تأخیر ایجاد کند و عملکرد و پایداری کلی سیستم نظارت را تحت تأثیر قرار دهد. علاوه بر این، با پیشرفت فناوری برق، مشکلات سازگاری بین تجهیزات جدید و سیستم‌های قدیمی برجسته‌تر می‌شود و پیچیدگی یکپارچه‌سازی را افزایش می‌دهد و از استفاده کامل از قابلیت‌ها و مزایای هوشمندی سیستم می‌گیرد.

۲.۲ دامنه‌های داده‌پردازی و ارتباطات

حجم داده‌ها در زیرستانسیون‌های هوشمند به طور نمایی افزایش می‌یابد، از جمله حجم عظیمی از داده‌های عملکردی زنده، داده‌های نظارت بر وضعیت تجهیزات و داده‌های ضبط خرابی‌ها که همه نیاز به پردازش و انتقال سریع دارند. با این حال، سیستم‌های نظارت بر توان فعلی با دامنه‌های واضح در توانایی پردازش داده و پهنای باند ارتباطی مواجه هستند. از یکسو، پیکربندی‌های سخت‌افزاری در مراکز پردازش داده ممکن است برای رسیدگی به نیازهای محاسبات زنده برای مجموعه داده‌های بزرگ کافی نباشد و الگوریتم‌های پردازش داده نیاز به بهبود دارند، که منجر به تأخیر در پردازش و جلوگیری از ارائه به موقع اطلاعات پشتیبان تصمیم‌گیری دقیق به اپراتورها می‌شود.

از سوی دیگر، محدودیت پهنای باند شبکه ارتباطی می‌تواند در دوره‌های اوج انتقال منجر به ترافیک شدن. هنگام وقوع خرابی، جمعی از داده‌ها به طور همزمان به مرکز نظارت می‌رسند که ممکن است منجر به از دست دادن بسته، تأخیر یا حتی قطع ارتباط شود. این امر به شدت توانایی سیستم نظارت در درک وضعیت سیستم زنده و پاسخ سریع به خرابی‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. علاوه بر این، قابلیت اعتماد شبکه ارتباطی همچنان نگرانی است؛ شرایط آب و هوایی نامساعد و تداخل الکترومغناطیسی ممکن است منجر به خرابی ارتباط شود و توانایی انتقال داده را کاهش دهد و خطرات بالقوه‌ای برای عملکرد ایمن و پایدار سیستم برق ایجاد کند.

۲.۳ عدم کافی بودن تدابیر امنیتی و محافظتی سیستم

سیستم‌های نظارت بر توان در زیرستانسیون‌های هوشمند تمام جنبه‌های تولید برق را متصل می‌کنند. اگر مورد حمله قرار گیرند، می‌توانند حوادث ایمنی برقی جدی ایجاد کنند و عملیات جامعه را مختل کنند. با این حال، تدابیر امنیتی و محافظتی فعلی هنوز کافی نیستند. ابتدا، محافظت از مرز شبکه ضعیف است و جداسازی بین شبکه‌های خارجی و شبکه‌های داخلی زیرستانسیون‌ها کافی نیست، که خطرات ورود غیرمجاز را ایجاد می‌کند.

به عنوان مثال، پیکربندی‌های دیوار آتش در برخی از زیرستانسیون‌ها کامل نیستند و قادر به مقاومت موثر در برابر تهدیدات سایبری نوظهور مانند تهدیدات پایدار پیشرفته (APT) نیستند. دوم، مکانیزم‌های احراز هویت امنیتی داخلی کم‌توسعه هستند و آسیب‌پذیری‌هایی در تأیید هویت کاربر و کنترل دسترسی وجود دارد که سیستم را در معرض خطاها یا تحریف داده‌های خلافکارانه قرار می‌دهد و عملکرد و کاملیت داده‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. سوم، رمزگذاری برای انتقال و ذخیره‌سازی داده‌ها اغلب نادیده گرفته می‌شود و اطلاعات حساس در طول انتقال یا ذخیره‌سازی در معرض دزدی یا تغییر قرار می‌گیرد و امنیت سیستم را در معرض خطر قرار می‌دهد.

در نهایت، تکنولوژی‌های محافظت امنیتی پشت سر تکنیک‌های حمله‌ی نوظهور می‌مانند و توانایی تشخیص و هشدار اولیه موثر در برابر تهدیدات جدید را ندارند. بنابراین، سیستم‌های نظارت بر توان زیرستانسیون‌های هوشمند ظاهری ناکافی برای مقابله با محیط‌های سایبری امنیتی پیچیده‌تر و تضمین امنیت اطلاعات و عملکرد پایدار دارند.

۲.۴ افزایش پیچیدگی مدیریت عملیات و نگهداری

سطح بالای هوشمندی و خودکارسازی در زیرستانسیون‌های هوشمند به طور قابل توجهی پیچیدگی مدیریت عملیات و نگهداری (O&M) را افزایش داده است. از یکسو، تنوع وسیعی از دستگاه‌های هوشمند و به‌روزرسانی‌های فناوری سریع نیازمند آن است که پرسنل O&M مهارت‌های عملیاتی و نگهداری متنوعی را تسلط کنند و از توانایی‌های حرفه‌ای آنها تقاضاهای بالاتری کنند. به عنوان مثال، روش‌های پیکربندی و تست دستگاه‌های ثانویه هوشمند جدید پیچیده‌تر از دستگاه‌های سنتی هستند و نیاز دارند تا پرسنل O&M زمان و تلاش بیشتری را صرف یادگیری و سازگاری کنند. 

از سوی دیگر، فرآیندهای O&M پیچیده‌تر شده‌اند و شامل مراحل متعددی مانند نظارت بر وضعیت تجهیزات، تحلیل داده‌ها، تشخیص خرابی، برنامه‌ریزی نگهداری و عملیات دوردست است. هماهنگی بین این مراحل چالش‌برانگیز است. علاوه بر این، با افزایش مقیاس زیرستانسیون‌های هوشمند، محدوده O&M نیز افزایش می‌یابد. دستیابی به مدیریت متمرکز و کارآمد در چندین زیرستانسیون به چالشی بزرگ تبدیل می‌شود. علاوه بر این، پلتفرم‌های نرم‌افزاری و ابزارهای مختلف در سیستم O&M با مشکلات سازگاری و قابلیت استفاده مواجه هستند که ممکن است عملیات واقعی را مختل کرده و کارایی و کیفیت O&M را تحت تأثیر قرار دهند. این امر هزینه‌های O&M و ریسک‌ها را افزایش می‌دهد و عملکرد پایدار و توسعه پایدار بلندمدت سیستم‌های نظارت بر توان زیرستانسیون‌های هوشمند را زیر سؤال می‌برد.

۳. استراتژی‌های بهینه‌سازی سیستم‌های نظارت بر توان بر اساس زیرستانسیون‌های هوشمند

۳.۱ بهبود یکپارچه‌سازی و استانداردسازی سیستم

برای مقابله مؤثر با چالش‌های یکپارچه‌سازی و سازگاری، باید تمرکز بر تقویت یکپارچه‌سازی و استانداردسازی سیستم باشد. ابتدا، باید استانداردهای چارچوب سیستم یکپارچه تعریف شود و نقش‌های عملکردی و مشخصات رابط هر دستگاه و زیرسیستم در چارچوب نظارت مشخص شود تا اتصال بی‌پرتقال و عملکرد هماهنگ بین تجهیزات از سازندگان مختلف تضمین شود.

دوم، باید یک سیستم گواهی‌بخشی تجهیزات جامع توسعه یابد تا فقط دستگاه‌های مطابق با استاندارد به بازار برسند و در زیرستانسیون‌های هوشمند نصب شوند، که از منبع سازگاری را تضمین می‌کند. در طول اجرای پروژه، یکپارچه‌کنندگان سیستم باید نقش رهبری را ایفا کنند، تمام منابع را هماهنگ کرده و انتخاب، نصب، تست و تست مشترک تجهیزات را در کل فرآیند مدیریت کنند. این امر کیفیت یکپارچه‌سازی و پایداری سیستم را تضمین می‌کند، یک کل یکپارچه و هماهنگ بالا را تشکیل می‌دهد که مزایای زیرستانسیون‌های هوشمند را به طور کامل بهره‌برداری می‌کند، کارایی عملیاتی و سطح مدیریت را بهبود می‌بخشد و پایه‌ای محکم برای تأمین برق قابل اعتماد و پایدار فراهم می‌کند.

۳.۲ افزایش توانایی پردازش داده و کارایی ارتباطات

برای مقابله با دامنه‌های پردازش داده و ارتباطات، به‌روزرسانی سخت‌افزاری مراکز پردازش داده ضروری است. باید خوشه‌های سرور با کارایی بالا، سیستم‌های ذخیره‌سازی توزیع‌شده و تکنولوژی‌های محاسبات موازی پیشرفته معرفی شوند تا توانایی پردازش داده‌ها به طور قابل توجهی افزایش یابد و پردازش سریع داده‌های برق عظیم را تضمین کند. همزمان، الگوریتم‌های پردازش داده باید بهینه شوند.

باید از تکنولوژی‌هایی مانند داده‌کاوی و یادگیری ماشین برای تحلیل عمیق داده‌های عملکردی زنده و نظارت بر تجهیزات استفاده شود تا بینش‌های ارزشمندی را استخراج کند و تصمیم‌گیری دقیق O&M را پشتیبانی کند. از سوی ارتباطات، باید زیرساخت شبکه تقویت شود با گسترش پهنای باند و استقرار تکنولوژی‌های انتقال با سرعت و قابلیت اطمینان بالا مانند ارتباطات فیبر نوری برای ساخت پیوندهای ارتباطی مازاد، بهبود قابلیت اطمینان و توانایی مقاومت در برابر تداخل.

به عنوان مثال، استقرار اترنت صنعتی با سرعت بالا در زیرستانسیون‌ها امکان انتقال سریع داده‌ها را فراهم می‌کند، در حالی که بهینه‌سازی توپولوژی و استراتژی‌های مسیریابی شبکه می‌تواند تأخیر و ترافیک را کاهش دهد. علاوه بر این، تکنولوژی‌های ارتباطات بی‌سیم می‌توانند پوشش را برای نقاط نظارت دوردست یا موقت تکمیل کنند، که امکان به دست آوردن و انتقال انواع مختلف داده‌ها به طور زنده و دقیق را برای سیستم نظارت بر توان فراهم می‌کند و آگاهی از وضعیت را افزایش می‌دهد و عملکرد ایمن و پایدار سیستم را پشتیبانی می‌کند.

۳.۳ تقویت امنیت سایبری و حفاظت از اطلاعات

با توجه به چالش‌های امنیت سایبری شدیدی که سیستم‌های نظارت بر توان زیرستانسیون‌های هوشمند با آن مواجه هستند، باید یک سیستم دفاعی امنیتی چندلایه و جامع ایجاد شود. برای محافظت از مرز شبکه، باید دیوارهای آتش با کارایی بالا، سیستم‌های تشخیص نفوذ (IDS) و سیستم‌های پیشگیری از نفوذ (IPS) نصب شوند تا به طور دقیق ترافیک بین شبکه‌های خارجی و داخلی را نظارت و فیلتر کرده و دسترسی و حملات غیرمجاز را مسدود کنند.

به عنوان مثال، دیوارهای آتش مبتنی بر فناوری بازبینی عمی