التوجيه المدرك للطاقة الكهربائية ضمن المدن الذكية AMI

أصبحت البنية التحتية المتقدمة للقياس (AMI) جزءاً حيوياً من شبكات توزيع المرافق، مما يسمح بتطوير المدن الذكية، بحيث تتكون (AMI) من عدادات ذكية للكهرباء والغاز والمياه والأجهزة محدودة للغاية من حيث البطارية وقوة المعالجة والذاكرة، كما يتطلب النشر والاحتياجات التشغيلية للبنى التحتية للشبكات المقيدة.

أهمية التوجيه المدرك للطاقة الكهربائية ضمن المدن الذكية AMI

الشبكة الذكية هي مفهوم جديد يتعلق بشبكة الطاقة القديمة، وبشكل أساسي يتكون من شبكة تدمج تكنولوجيا الاتصالات مع البنى التحتية للطاقة الكهربائية، كما يمكن لهذه البنية أن تحسن بشكل كبير من متانة وكفاءة توليد ونقل وتوزيع الأنظمة الكهربائية، بحيث تلعب الشبكة الذكية دوراً مهماً في المدينة الذكية من خلال تحديث أنظمة الطاقة والاستخدام الفعال للطاقة وتوفير تكامل موثوق لموارد الطاقة المتجددة.

لذلك تجعل هذه الأدوار الشبكات الذكية لا تقدر بثمن بالنسبة للمدن الذكية، كذلك (AMI) هي عنصر أساسي في الشبكة الذكية، مما يسمح بالاتصال ثنائي الاتجاه بين عدادات الكهرباء والغاز والمياه وشركات المرافق الحضرية، كذلك العداد الذكي هو المكون الأساسي لشبكات (AMI) الذكية للشبكات، كما تستخدم المدينة الذكية التكنولوجيا الرقمية لتحسين الإنتاجية الإجمالية وتحسين استخدام الموارد مثل الكهرباء والغاز والمياه.

كم أنه يمكن أن تمتد نفس فكرة (AMI) إلى المرافق العامة الأخرى مثل الغاز والمياه، وفي مرافق المياه والغاز، بحيث تعمل العدادات كعقد ورقية في شبكة استشعار، كما تجمع القياسات وترسلها إلى وحدة التجميع، وفي المدن الذكية ستتدفق بيانات مكثفة من عدة مصادر، والتي سيتم تنفيذها عبر العديد من شبكات الاتصال لتحليلها ودمجها لتوفير المنفعة للجميع في المدن الذكية.

نطاق شبكات الاتصالات في تعزيز الطاقة الكهربائية للمدن الذكية

نظرت شركات المرافق في تقنيات الاتصالات السلكية واللاسلكية على حد سواء لبناء شبكات (AMI)، بحيث تعتبر التقنيات السلكية أفضل من التقنيات اللاسلكية، وذلك من حيث الموثوقية والأمان وعرض النطاق الترددي، لأن حماية الكابلات أسهل من التداخل والتنصت، وعلاوة على ذلك؛ فإن المعدات السلكية أرخص بشكل عام من المعدات اللاسلكية.

ومن ناحية أخرى توفر الشبكات اللاسلكية تكاليف تثبيت منخفضة وتمكن من النشر السريع، وذلك حتى على مساحات كبيرة، كما توفر التطورات الحديثة في التقنيات اللاسلكية ذات النطاق العريض معدلات بيانات وقدرات شبكة تضاهي تلك الخاصة بالشبكات السلكية الشائعة، ولهذه الأسباب من المقبول عموماً من قبل شركات المرافق أن أجزاء متزايدة من أنظمة (AMI) الخاصة بها يمكن أن تعتمد على تقنيات الاتصال اللاسلكي.

مساهمة العدادات الذكية في عملية معالجة تحزين الطاقة

العدادات الذكية النموذجية هي أجهزة مقيدة بالموارد ومدمجة ذات قدرة معالجة وقدرات تخزين محدودة، وفي شبكات (AMI)، بحيث تتميز الروابط بين الأجهزة عموماً بمعدلات فقدان الحزمة العالية وعرض النطاق الترددي المنخفض وعدم الاستقرار بسبب عمليات نشر الشبكة الكهربائية غير المخطط لها واستخدام تقنيات طبقة الارتباط منخفضة الطاقة، مثل (IEEE 802.15.4g ، IEEE 802.15.4).

وفي السنوات الأخيرة تم اقتراح العديد من “بروتوكولات التوجيه” لهذه الفئة من الشبكات، ومع ذلك؛ فإن الحل الأكثر نضجاً والأكثر قابلية للتطبيق تجارياً هو بروتوكول التوجيه لـ [LLN (RPL)]، وذلك مع استكمال التقييس بواسطة فريق عمل هندسة الإنترنت (IETF) في مارس (2012)م، بحيث يهدف (RPL) إلى تلبية متطلبات مجموعة واسعة من مجالات تطبيقات (LLN)، بما في ذلك أتمتة المباني وشبكات الاستشعار الحضرية وأنظمة (AMI) واسعة النطاق.

بروتوكول التوجيه الخاص بأجهزة الاستشعار الكهربائي لـ LLN -RPL

(RPL) هو بروتوكول توجيه قياسي لـ (LLNs)، كما تتكون شبكات (LLN)، وذلك من ما يصل إلى الآلاف من أجهزة الاستشعار المضمنة والمحدودة من حيث الموارد من حيث قدرة المعالجة والذاكرة ونطاق الإرسال وعمر البطارية، أما في (LLNs) تنتشر مئات إلى آلاف من الذرات في البيئة وتشكل شبكة متعددة القفزات تستشعر وتجمع وتنقل المعلومات إلى نقطة أو عدة نقاط متصلة بالإنترنت.

ومن خلال الإنترنت؛ فإنه يتم إعادة توجيه البيانات إلى نظام إدارة بيانات العداد (MDMS)، والذي يمكن أن يكون موجوداً في محطة الطاقة الفرعية كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث يشير (MDMS) إلى البرنامج الذي يقوم بتخزين البيانات وإدارتها لكمية كبيرة من البيانات المقدمة بواسطة أنظمة القياس الذكية.

مقياس التوجيه المدرك للطاقة الكهربائية والازدحام (ECRM)

في هذا القسم، يتم توضيح ميزات المخطط المقترح، بحيث يتم توفير الدافع لهذه الدراسة، وبعد ذلك تم اقتراح مخطط جديد يشكل الهدف الأساس، كما يتمثل الهدف النهائي للمخطط المقترح في تحسين أداء الشبكة من حيث عمر الشبكة و (PDR) من خلال اختيار العقدة الرئيسية المناسبة التي تحتوي على طاقة متبقية أكبر وازدحام أقل في قائمة الانتظار من غيرها.

كذلك يمكن توضيح الدافع باستخدام مثال موضح في الشكل التالي (2)، بحيث يوضح الشكل مثالاً على تكوين الشبكة وكيف يتم إنشاء توجيه (DAG) بناءً على قيم الرتبة و (ETX) كما تحتوي العقدة (C ،D) على العقدة (A ،B) كأفضل عقدتين مرشح رئيسي، وفي النهاية تختار كلا العقدتين العقدة (B) كأفضل عقدة أصل، وعلى فرض أن العقدة (C) اختارت العقدة (B) كأفضل عقدة رئيسية في البداية ثم فعلت (Node D).

ولاحقاً وفي النهاية تقوم العقدة (C ، D) بنقل بياناتهما الخاصة أو إعادة توجيه بيانات العقد الفرعية الخاصة بهما إلى العقدة (B)، ومع ذلك إذا كانت الطاقة المتبقية للعقدة (B) أقل بكثير من تلك الموجودة في العقدة (A)؛ فإن الاتصالات بين العقدة (C / D ، B)، لذلك سوف يتم قطع الاتصال بسبب استنفاد طاقة العقدة (B)، ونتيجة لذلك؛ ستبدأ العقدة (C و D) في عملية البحث عن أفضل العقدة الأصلية وتعيينها، مما يتسبب في زيادة غير مرغوب فيها في الشبكة الكهربائية.

وبدلاً من اختيار (Node B)، قد تكون (Node A) هي الخيار الأفضل لأفضل عقدة أصل منها، وبالتالي قد لا تقوم الشبكة بتشغيل آلية إصلاح محلية أو عالمية لإعادة تشكيل الهيكل، ونتيجة لذلك سيكون أداء الشبكة أفضل، إلى جانب مشكلة الطاقة المتبقية؛ قد تؤثر حالة قائمة الانتظار لأفضل عقدة أصل على أداء الشبكة، وعلى سبيل المثال، ونظراً لأن العقدة (B) هي العقدة الأصلية لكل من العقدة (C ، D).

وأخيراً فقد تكون قائمة انتظار العقدة (B) مزدحمة، خاصةً إذا حددت المزيد من العقد في الشبكة العقدة (B) كعقدة رئيسية؛ فإن قائمة انتظار العقدة (B) قد تجاوزت الازدحام وقد يتم إسقاط الحزم بسبب تجاوز قائمة الانتظار، لذلك إذا تم تحديد العقدة الأخرى (في المثال ، العقدة A) ذات حالة قائمة انتظار أقل ازدحاماً كعقدة رئيسية، بحيث كان من الممكن تجنب إسقاط الحزمة.

وباختصار، وكما تم وصفه أعلاه في الشكل (2)؛ فإنه من أجل تحسين أداء الشبكة ويجب مراعاة حالة الطاقة المتبقية وقوائم الانتظار الخاصة بالعقد الرئيسية المرشحة من أجل اختيار أفضل عقدة أصل، لذلك؛ فإن الهدف من المخطط المقترح في هذه الورقة هو توفير طريقة لتحسين أداء الشبكة من خلال النظر في كلا العاملين.