إدارة الطاقة الكهربائية الذكية القائمة على إنترنت الأشياء

أهمية إدارة الطاقة الكهربائية الذكية القائمة على إنترنت الأشياء

أدت الزيادة الهائلة في التنمية الحضرية إلى مشكلة صعبة تتعلق بإدارة استهلاك الطاقة في قطاع الطاقة الكهربائية، وعلى وجه الخصوص في البلدان التي تكون فيها درجات الحرارة مرتفعة للغاية، كما تستهلك أجهزة مثل تكييف الهواء طاقة هائلة، مما يخلق حالة أكثر صعوبة لقطاع الطاقة لإدارة الطلب من جانب المستهلك، وفي السنوات الأخيرة، تم اقتراح الكثير من الحلول الذكية للتغلب على مشكلة إدارة الطاقة في جانب الطلب.

كما تشمل هذه الحلول تصميم أنظمة إدارة الطاقة (EMS) باستخدام مجموعة من الأساليب المختلفة مثل الشبكات الصغيرة القائمة على الموارد المتجددة (RES) والشبكات الذكية والتحكم الذكي في أجهزة المستهلك باستخدام شبكات المنطقة المحلية (LAN) أو إنترنت الأشياء (IoT) وما إلى ذلك، ومع تضمين إنترنت الأشياء في (EMS)؛ فقد ولدت (EMS) الذكية (SEMS) حيث يمكن التحكم في الأجهزة التي تدعم إنترنت الأشياء بذكاء من أي مكان في العالم.

وبالنسبة الى الشبكة الذكية (SG)؛ فإنها ليست فقط مجموعة من عدادات الطاقة الذكية المشاركة في توليد الطاقة ولكنها مجموعة من التقنيات والأدوات المختلفة التي تسمح بالتكامل والتفاعل والتحكم في جميع العناصر من المرافق إلى جانب المستهلك من أجل التدفق السلس من القوة، لأنه يمكّن (SG) من المراقبة في الوقت الفعلي لنظام الطاقة من خلال تصور جميع المعلومات الضرورية ثم يعمل وفقاً لذلك من أجل تشغيله السلس، على سبيل المثال الموازنة الفورية للطلب والعرض والتدفق ثنائي الاتجاه للكهرباء.

كما تتكون الشبكات الذكية من مصادر التوليد الموزعة (مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والوقود الأحفوري وما إلى ذلك) الأحمال المتعددة (مثل المباني والمنازل والصناعات)، وذلك جنباً إلى جنب مع مركز البيانات الذي يمكنه التعامل مع شبكة الطاقة بأكملها، كما تحتاج البنية التحتية لتلبية متطلبات الأمن والخصوصية والاستدامة والموثوقية للنظام، بحيث  يوضح الشكل التالي (1) البنية العامة للشبكة الذكية بمكونها الرئيسي.

كما يمكن تعريف (SG) على أنه نظام يمكنه تتبع وتنظيم وحماية أنظمة توليد الكهرباء ونقلها وتوزيعها بشكل فعال، وبهذه الطريقة؛ فهي تساعد في إدارة الطاقة من خلال مراقبة وموازنة منحنى العرض والطلب، وهو أمر مهم للغاية لأنه في كثير من الأحيان لا تلبي قدرة توليد الطاقة طلب المستهلك على الطاقة، علاوة على ذلك؛ فإن سرقة الكهرباء والتعامل المخزي مع بيانات العملاء يساهم أيضاً في حدوث أضرار كبيرة تؤدي إلى فواتير أعلى للمستخدمين النهائيين.

كما يتطلب (SG) معلومات حقيقية وموثوقة عن استهلاك الطاقة من جانب الطلب لأداء إدارة جانب الطلب (DSM)، بحيث تساعد (SMs) في (SGs) المستهلك على الاندماج في الشبكة من خلال تقديم اتصال ثنائي الاتجاه، وهذا يضمن نظام توصيل فعال للمرافق وجودة أكثر للمستخدمين النهائيين، ونظراً لأن توازن العرض والطلب يحتاج إلى تبادل معلومات في الوقت الفعلي، لذلك يجب اعتماد تقنيات حديثة وفعالة لتسهيل تكامل النظام وتمكين صنع القرار الفعال.

نطاق العداد الكهربائي الذكي وأهميته في انترنت الأشياء

أدى تطور الواقع التكنولوجي إلى الاستخدام المسؤول للطاقة، حيث إن تضمين تقنيات مبتكرة لشبكات الطاقة يجعلها أكثر كفاءة في هذا الصدد، لذلك من الضروري استخدام عدادات الطاقة الذكية لأنها جزء أساسي من البنية التحتية للاتصالات في (SG)، حيث إن (SM)، وذلك اعتبارها جزءاً من (SG)، كما تكثف الاتصال ثنائي الاتجاه من حيث تشغيل الأوامر للأجهزة الذكية وتدفق المعلومات لتوليد الطاقة واستهلاكها.

كما يسجل استخدام الطاقة وينقل البيانات إلى خادم البيانات المركزي بشكل دوري لغرض المراقبة والتحكم والتحليل، وعلاوة على ذلك وعلى عكس العدادات العادية؛ فإنها لا تقتصر (SMs) على قياس استهلاك الطاقة فحسب؛ بل يمكنها أيضاً قياس مجموعة واسعة من المتغيرات الكهربائية مثل التيار والجهد والتردد الكهربائي والطاقة وعامل الطاقة.

كما تلعب هذه المتغيرات الكهربائية دوراً حيوياً في إدارة الأحمال الكهربائية وتحليل الأعطال وتوصيف الحمل، كما يعتمد اختيار (SM) على وظائفها الإضافية وتكلفتها المنخفضة، بحيث يتيح استخدام (SMs) مع (IoT) الكثير من الاحتمالات لأن هذا يمكّن (SG) من العمل على نطاق أكبر بدلاً من النطاق المحلي بسبب استخدام خدمات الإنترنت السحابية.

كما تبرز أدوار إنترنت الأشياء كشريك رئيسي لإدارة الطاقة والموارد في بيئات الأنظمة الذكية، بحيث يسمح بإدارة وتكامل المعدات في طريقة تتبع وربط والاستجابة لمختلف التطبيقات، كما أنه يتيح الاتصال ثنائي الاتجاه بين الأجهزة والشبكات وأجهزة الاستشعار مع أو بدون تدخل بشري، وهو أمر بالغ الأهمية لبيئة ذكية مصممة لاستخدام الموارد بفعالية وحل التحديات المرتبطة بها.

لذلك تتيح تقنيات إنترنت الأشياء للمعدات الداخلية التواصل مع البيئة الخارجية وقد تؤثر على الإجراء المتخذ، بحيث يعمل نظام (SM) القائم على إنترنت الأشياء بشكل أساسي على زيادة دقة وإنتاجية شركة (SG) من خلال تعزيز موثوقيتها، كما يوفر جمع وتحليل بيانات الأجهزة النشطة من (SG) فرصة للتحكم للمستهلكين والموردين من حيث استخدام موارد الطاقة بأي طريقة مرغوبة.

وبالتطرق الى المساهمات الحقيقية التي يؤمنها هذا المجال؛ فإنه يطور عمل وتصميم وتنفيذ (SEMS)، وذلك استناداً إلى حل إنترنت الأشياء الذي يتضمن (SMs) وبرمجيات حاسوبية وسيطة لإنترنت الأشياء لتحليل البيانات وإدارتها بكفاءة، كما أنه يتم نشر الحل المقترح لدى المستهلك في الجدول التالي مواقع مختلفة لصناعة خاصة معروفة في باكستان، مثل (Stylo Pvt. Ltd) الواردة في الجدول التالي.

كما يدمج الحل عمليات إنترنت الأشياء ويوفر مراقبة فعالة للطاقة المزودة، بحيث يمكن تلخيص المساهمات الرئيسية لهذه الورقة على النحو التالي:

• يتم تحديد وتوفير المعايير البيئية الأكثر أهمية حيث يجب نشر عدادات الطاقة الذكية.

• مناقشة الخلفية والتطور وأنواع العدادات جنباً إلى جنب مع الميزات الوظيفية للنماذج الصغيرة.

• اقتراح لمعالجة معضلة افتقار المستخدمين إلى المعرفة بشأن استخدام الطاقة.

• بنية النظام وتصميمه وتكامله مع (SMs) بما في ذلك وحدة البرامج الوسيطة لإنترنت الأشياء.

• يتم توفير العرض التوضيحي وتقييم الأداء والتحقق من صحة الحل الكامل متبوعاً بدراسة الحالة.

وأخيراً؛ فإن الهدف الرئيسي من هذا البحث هو تطوير وتخطيط وبناء وإثبات والتحقق من صحة حل (SEMS) منخفض السعر لتتبع الاستخدام اليومي للكهرباء باستخدام تقنية قائمة على إنترنت الأشياء، وذلك باستخدام بروتوكولات اتصال إنترنت الأشياء، بحيث يقوم بجمع البيانات التي تم جمعها ونقلها إلى وحدة البرامج الوسيطة، والتي تدير وتزود المستخدمين بمعلومات استخدام الكهرباء الخاصة بهم عبر تطبيق المستهلك.

ولجمع البيانات في الوقت الفعلي، تعمل (SMs) المثبتة عبر الإنترنت، كما يمكن تركيب النظام المقدم في المنازل الذكية أو في البيئات الذكية الأخرى التي تتطلب استهلاكاً يومياً للكهرباء، وفي العادة، يراقب الناس استخدامهم للكهرباء يدوياً أو يعتمدون على القياسات التي تتخذها الشركات المزودة لخدمة الكهرباء، والتي عادة ما تكون خاطئة أو بها عيوب.