طراحی و اجرای بهینه سیستم‌های نظارت بر توان در زیرстанسیون‌های هوشمند
با پیشرفت سریع صنعت برق، زیرстанسیون‌های هوشمند نقشی به طور مداوم مهم‌تر در سیستم‌های توزیع برق ایفا می‌کنند. سیستم‌های نظارت بر قدرت آنها کلیدی برای تضمین عملکرد ایمن، پایدار و کارآمد شبکه برق هستند. سیستم‌های نظارت بر قدرت زیرستانسیون‌های سنتی دیگر قادر به تامین نیازهای روزافزون مصرف برق یا استانداردهای ساخت شبکه‌های هوشمند نیستند.
با وجود مزایای فناوری پیشرفته، سیستم‌های نظارت بر قدرت در زیرستانسیون‌های هوشمند امکان نظارت دقیق و به موقع و کنترل موثر سیستم‌های برق 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، مانند یکپارچه‌سازی سیستم پیچیده، حجم بالای پردازش و ارتباطات داده، محافظت ضعیف امنیتی و دشواری مدیریت عملیاتی.
این مشکلات به شدت محدودیت‌هایی را برای تحقق کامل مزایای سیستم‌های نظارت بر قدرت زیرستانسیون‌های هوشمند ایجاد می‌کنند. بنابراین، انجام تحقیقات عمیق در راهبردهای کاربردی و تعیین اقدامات بهینه‌سازی مؤثر اهمیت عملی قابل توجهی برای پیشبرد هوشمندی صنعت برق و تأمین تامین قدرت مطمئن دارد.
۱. اهمیت سیستم‌های نظارت بر قدرت در زیرستانسیون‌های هوشمند
۱.۱ افزایش توانایی‌های نظارت به موقع
زیرستانسیون‌های هوشمند با تعداد زیادی از سنسورهای هوشمند با دقت بالا مجهز شده‌اند که می‌توانند به طور مکرر پارامترهای عملیاتی تجهیزات برق مانند ولتاژ، جریان و قدرت را جمع‌آوری کرده و این داده‌ها را به طور واقعی به سیستم نظارت منتقل کنند. در مقایسه با زیرستانسیون‌های سنتی، جمع‌آوری داده‌ها به طور جامع‌تری انجام می‌شود و شامل نه تنها تجهیزات اصلی بلکه اطلاعات وضعیت تجهیزات ثانویه نیز می‌شود، که امکان نظارت به موقع و بدون نقص روی کل سیستم برق را فراهم می‌کند.
با استفاده از شبکه‌های ارتباطی با سرعت بالا، سیستم نظارت به طور کارآمد حجم عظیمی از داده‌ها را پردازش می‌کند و به طور دقیق وضعیت عملیاتی واقعی سیستم برق را منعکس می‌کند. این به اپراتورها کمک می‌کند تا به طور سریع خرابی‌های تجهیزات و خطرات بالقوه را تشخیص دهند و مداخله به موقع انجام دهند تا تأثیر خرابی‌ها را به حداقل برسانند. به این ترتیب، قابلیت اطمینان و ایمنی عملیات سیستم برق به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد، تأمین پیوسته و پایدار قدرت را تضمین می‌کند و نیاز جامعه مدرن به برق با کیفیت بالا را تأمین می‌کند.
۱.۲ تقویت امنیت و پایداری سیستم
سیستم‌های نظارت بر قدرت در زیرستانسیون‌های هوشمند می‌توانند خطرات امنیتی بالقوه را تشخیص داده و هشدارهای اولیه از آنها صادر کنند با نظارت مستمر بر وضعیت عملیاتی سیستم برق. به عنوان مثال، هنگامی که سیستم بار بیش از حد، کوتاه شدن مدار یا افزایش غیرعادی دما در خطوط انتقال یا تجهیزات را تشخیص می‌دهد، فوراً هشدار می‌دهد و محل خرابی را به طور دقیق مشخص می‌کند و اطلاعات دقیق خرابی را به پرسنل تعمیر ارائه می‌دهد تا پاسخ سریع دهند.
این امر مانع از افزایش بیشتر خرابی‌ها می‌شود و ایمنی و پایداری عملیات کل سیستم برق را تضمین می‌کند. علاوه بر این، زیرستانسیون‌های هوشمند دارای قابلیت‌های کنترل خودکار هستند. هنگامی که خرابی رخ می‌دهد، سیستم می‌تواند سریعاً منطقه تحت تأثیر را جدا کرده و با توجه به استراتژی‌های پیش‌فرض، حالت عملیاتی خود را تنظیم کند و به خودبهسازی سریع دست یابد. این موجب کاهش مدت و محدوده قطع برق می‌شود، قابلیت پاسخگویی سیستم به حوادث را افزایش می‌دهد، احتمال قطع برق در مقیاس بزرگ را کاهش می‌دهد و پشتیبانی قدرت محکمی برای عملیات اقتصادی و اجتماعی عادی ارائه می‌دهد، که در نتیجه ترویج پایداری در صنعت برق ایجاد می‌کند.
۱.۳ بهینه‌سازی مدیریت عملیات و نگهداری
سیستم نظارت بر قدرت در زیرستانسیون‌های هوشمند تغییرات انقلابی در مدیریت عملیات و نگهداری (O&M) ایجاد می‌کند. با تجمع و تجزیه و تحلیل عمیق داده‌های عملیاتی طولانی مدت تجهیزات برق، مدل‌های ارزیابی سلامتی می‌توانند برای پیش‌بینی دقیق احتمال خرابی تجهیزات و عمر ماندگار آنها ایجاد شوند. این امر امکان تغییر از نگهداری برنامه‌ریزی شده سنتی به نگهداری پیش‌بینی‌شده بر اساس وضعیت واقعی تجهیزات را فراهم می‌کند.
این رویکرد نه تنها مانع از تلف شدن نیروی انسانی و منابع به دلیل نگهداری بیش از حد می‌شود، بلکه امکان تشخیص زودهنگام مشکلات را فراهم می‌کند، برنامه‌ریزی پیش‌بینی‌شده تعمیرات را امکان‌پذیر می‌کند، خطر خرابی‌های غیرمنتظره را کاهش می‌دهد و قابلیت استفاده و قابلیت اطمینان تجهیزات را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، سیستم نظارت می‌تواند بهینه‌سازی فرآیندهای O&M را با امکان تخصیص هوشمند وظایف و راهنمایی دوردست فراهم کند، که کارایی و کیفیت O&M را افزایش می‌دهد و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد. این موجب افزایش سودآوری و رقابت‌پذیری بازار شرکت‌های برق می‌شود و پشتیبانی قوی برای O&M کارآمد ارائه می‌دهد و ترویج تغییر صنعت برق به مدیریت هوشمند و دقیق را تسهیل می‌کند.
۲. چالش‌های اصلی مواجهه با سیستم‌های نظارت بر قدرت در زیرستانسیون‌های هوشمند
۲.۱ مشکلات یکپارچه‌سازی و سازگاری سیستم
سیستم‌های نظارت بر قدرت در زیرستانسیون‌های هوشمند شامل تعداد زیادی دستگاه و نرم‌افزار از سازندگان و مدل‌های مختلف می‌شود، از جمله تجهیزات هوشمند اصلی، دستگاه‌های محافظت ثانویه، واحد‌های اندازه‌گیری و کنترل و پلتفرم‌های نرم‌افزاری مختلف نظارت. این اجزا اغلب به استانداردهای و مشخصات طراحی مختلفی پایبند هستند و فاقد یک معماری یکپارچه و استاندارد رابط مشترک هستند.
این امر منجر به پروتکل‌های ارتباطی ناسازگار، عدم تبادل داده‌های کارآمد و عدم توانایی به اشتراک گذاری اطلاعات بدون وقفه در طی یکپارچه‌سازی سیستم می‌شود. به عنوان مثال، برخی از دستگاه‌های هوشمند از پروتکل‌های ارتباطی اختصاصی استفاده می‌کنند که با پروتکل‌های عمومی استفاده شده در سیستم‌های نظارت سازگار نیستند، که نیاز به تبدیل و سازگاری پروتکل‌های پیچیده را می‌طلبد. این امر نه تنها کار و دشواری یکپارچه‌سازی سیستم را افزایش می‌دهد، بلکه ممکن است خطاهای انتقال داده و تأخیر را معرفی 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 به طور چشمگیری برجسته می‌شوند و پیچیدگی یکپارچه‌سازی را افزایش می‌دهند و از استفاده کامل از قابلیت‌ها و مزایای هوشمند سیستم ممانعت می‌کنند.
۲.۲ مشکلات پردازش داده و ارتباطات
حجم داده‌ها در زیرستانسیون‌های هوشمند به طور نمایی افزایش می‌یابد، که شامل مجموعه عظیمی از داده‌های عملیاتی واقعی، داده‌های نظارت بر وضعیت تجهیزات و داده‌های ضبط خرابی‌ها می‌شود، که همه آنها نیاز به پردازش و انتقال سریع دارند. با این حال، سیستم‌های نظارت بر قدرت فعلی با مشکلات واضح در ظرفیت پردازش داده و پهنای باند ارتباطات مواجه هستند. از یک طرف، پیکربندی‌های سخت‌افزاری در مراکز پردازش داده ممکن است برای تامین نیازهای محاسباتی به موقع 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 تصمیم‌گیری دقیق به اپراتورها می‌شود.
از طرف دیگر، پهنای باند محدود شبکه ارتباطی می‌تواند منجر به ترافیک در ساعات اوج شود. هنگامی که خرابی رخ می‌دهد، حجم عظیمی از داده‌ها به طور همزمان به مرکز نظارت سیال می‌شود، که ممکن است باعث از دست دادن بسته، تأخیر یا حتی قطع ارتباط شود. این امر به شدت توانایی سیستم نظارت در درک وضعیت واقعی سیستم و پاسخ به موقع به خرابی‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. علاوه بر این، قابلیت اطمینان شبکه ارتباطی همچنان مورد نگرانی است؛ شرایط آب و هوایی نامساعد و تداخل الکترومغناطیسی می‌توانند باعث خرابی ارتباطات شوند و قابلیت انتقال داده را کاهش دهند و خطرات بالقوه‌ای را برای عملیات ایمن و پایدار سیستم برق ایجاد کنند.
۲.۳ ناکافی بودن اقدامات امنیتی و محافظت سیستم
سیستم‌های نظارت بر قدرت در زیرستانسیون‌های هوشمند تمام جنبه‌های تولید برق را متصل می‌کنند. اگر مورد حمله قرار گیرند، می‌توانند حوادث ایمنی جدی برقی را ایجاد کنند و عملیات جامعه را مختل کنند. با این حال، اقدامات امنیتی و محافظت فعلی هنوز کافی نیستند. ابتدا، محافظت مرز شبکه ضعیف است، با جداسازی ناکافی بین شبکه‌های خارجی و شبکه‌های داخلی زیرستانسیون، خطرات ورود غیرمجاز را ایجاد می‌کند.
به عنوان مثال، پیکربندی‌های دیوار آتش در برخی زیرستانسیون‌ها ناقص است و قادر به مقاومت مؤثر در برابر تهدیدات سایبری جدید مانند تهدیدات پیشرفته پایدار (APT) نیست. دوم، مکانیسم‌های احراز هویت داخلی کم‌کارکرد دارند، با آسیب‌پذیری‌هایی در تأیید هویت کاربر و کنترل دسترسی، سیستم را در معرض خطاها یا تحریف داده‌های خلافکارانه قرار می‌دهند و عملیات عادی و کاملیت داده را تحت تأثیر قرار می‌دهند. سوم، رمزنگاری برای انتقال و ذخیره‌سازی داده‌ها اغلب نادیده گرفته می‌شود، که اطلاعات حساس را در معرض دزدی یا تغییر در طول انتقال یا ذخیره‌سازی قرار می‌دهد و امنیت سیستم را به خطر می‌اندازد.
در نهایت، فناوری‌های محافظت امنیتی پشت سر تکنیک‌های حمله در حال تکامل باقی می‌مانند و ناکافی در ارائه توانایی‌های تشخیص و هشدار اولیه در برابر تهدیدات جدید. در نتیجه، سیستم‌های نظارت بر قدرت زیرستانسیون‌های هوشمند ظاهری ناکافی برای مقابله با محیط‌های سایبری امنیتی پیچیده‌تر دارند و دچار مشکل در تأمین امنیت اطلاعاتی و عملیات پایدار هستند.
۲.۴ افزایش پیچیدگی مدیریت عملیات و نگهداری
سطح بالای هوشمندی و خودکاری در زیرستانسیون‌های هوشمند به طور قابل توجهی پیچیدگی مدیریت عملیات و نگهداری (O&M) را افزایش داده است. از یک طرف، تنوع گسترده دستگاه‌های هوشمند و به روز رسانی‌های فناوری سریع نیاز دارند که پرسنل O&M مهارت‌های عملیاتی و نگهداری متنوع را فرا بگیرند، که نیازهای بالاتری را از لحاظ تخصص آنها می‌طلبد. به عنوان مثال، روش‌های پیکربندی و اشکال‌زدایی دستگاه‌های ثانویه هوشمند جدید پیچیده‌تر از دستگاه‌های سنتی هستند و نیاز دارند که پرسنل O&M وقت و تلاش بیشتری را صرف یادگیری و سازگاری کنند.
از طرف دیگر، فرآیندهای O&M پیچیده‌تر شده‌اند، شامل مراحل متعددی مانند نظارت بر وضعیت تجهیزات، تجزیه و تحلیل داده‌ها، تشخیص خرابی، برنامه‌ریزی نگهداری و عملیات دوردست. هماهنگی بین این مراحل چالش‌برانگیز است. علاوه بر این، با افزایش مقیاس زیرستانسیون‌های هوشمند، محدوده O&M نیز افزایش می‌یابد. تامین مدیریت متمرکز و کارآمد در چندین زیرستانسیون چالش بزرگی است. علاوه بر این، پلتفرم‌های 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 عملیات پایدار و توسعه پایدار بلندمدت سیستم‌های نظارت بر قدرت زیرستانسیون‌های هوشمند را زیر سؤال می‌برد.
۳. استراتژی‌های بهینه‌سازی سیستم‌های نظارت بر قدرت بر اساس زیرستانسیون‌های هوشمند
۳.۱ بهبود یکپارچه‌سازی و استانداردسازی سیستم
برای مقابله مؤثر با چالش‌های یکپارچه‌سازی و سازگاری، تلاش‌ها باید بر تقویت یکپارچه‌سازی و استانداردسازی سیستم تمرکز کنند. ابتدا، باید استانداردهای معماری سیستم یکپارچه ایجاد شود که نقش‌های عملکردی و مشخصات رابط هر دستگاه و زیرسیستم در چارچوب نظارت را به طور واضح تعریف کند، تا اتصال بی‌وقفه و عملکرد همکاری بین تجهیزات از سازندگان مختلف تضمین شود.
دوم، باید یک سیستم تصدیق تجهیزات جامع توسعه یابد تا تضمین شود فقط دستگاه‌های مطابق با استانداردها وارد بازار شده و در زیرستانسیون‌های هوشمند نصب شوند، که سازگاری را از منبع تضمین می‌کند. در طی اجرای پروژه، ادغام‌کنندگان سیستم باید نقش رهبری داشته باشند، تمام منابع را هماهنگ کنند و مدیریت انتخاب، نصب، اجرا و تست مشترک تجهیزات را در طول فرآیند انجام دهند. این امر کیفیت یکپارچه‌سازی و پایداری سیستم را تضمین می‌کند، یک کل یکپارچه و هماهنگ بالا را ایجاد می‌کند که مزایای زیرستانسیون‌های هوشمند را به طور کامل بهره‌برداری می‌کند، کارایی عملیاتی و سطح مدیریت را افزایش می‌دهد و پایه‌ای محکم برای تأمین قدرت مطمئن و پایدار ایجاد می‌کند.
۳.۲ افزایش ظرفیت پردازش داده و کارایی ارتباطات
برای مقابله با مشکلات پردازش داده و ارتباطات، به‌روزرسانی سخت‌افزار مرکز پردازش داده ضروری است. باید خوشه‌های سرور با کارایی بالا، سیستم‌های ذخیره‌سازی توزیع‌شده و فناوری‌های پیشرفته محاسبات موازی معرفی شوند تا ظرفیت پردازش داده به طور قابل توجهی افزایش یابد و پردازش سریع داده‌های برق عظیم مطمئن شود. همزمان، باید الگوریتم‌های پردازش داده بهینه شوند.
باید از فناوری‌های مانند داده‌کاوی و یادگیری ماشین برای تجزیه و تحلیل عمیق داده‌های عملیاتی واقعی و نظارت بر تجهیزات استفاده شود تا بینش‌های با ارزشی برای پشتیبانی از تصمیم‌گیری دقیق O&M استخراج شود. از نظر ارتباطات، باید زیرساخت‌های شبکه تقویت شود با گسترش پهنای باند و استقرار فناوری‌های انتقال سریع و قابل اعتماد مانند ارتباطات لیزری برای ساخت لینک‌های ارتباطی مازاد، بهبود قابلیت اطمینان شبکه 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 می‌تواند تأخیر و ترافیک را کاهش دهد. علاوه بر این، فناوری‌های ارتباطی بی‌سیم می‌توانند پوشش را برای نقاط نظارت دور یا موقت تکمیل کنند، تا سیستم نظارت بر قدرت بتواند انواع مختلفی از داده‌ها را به طور واقعی و دقیق جمع‌آوری و انتقال کند، درک وضعیت را افزایش دهد و عملیات ایمن و پایدار سیستم را پشتیبانی کند.
۳.۳ تقویت امنیت سایبری و حفاظت از اطلاعات
با توجه به چالش‌های امنیت سایبری جدی که سیستم‌های نظارت بر قدرت زیرستانسیون‌های هوشمند با آنها مواجه هستند، باید یک سیستم دفاعی امنیتی جامع و چندلایه ایجاد شود. برای محافظت مرز شبکه، باید دیوارهای آتش با کارایی بالا، سیستم‌های تشخیص نفوذ (IDS) و سیستم‌های پیشگیری از نفوذ (IPS) نصب شوند تا ترافیک بین شبکه‌های خارجی و داخلی را به طور دقیق نظارت و فیلتر کنند و دسترسی و حملات غیرمجاز را مسدود کنند.
به عنوان مثال، دیوارهای
