البنية التحتية المعتمدة على تقنية توصيل الطاقة الكهربائية

تم اقتراح تقنيات اتصال مختلفة لتطوير ربط اتصالات الشبكة الذكية، ومن بين تقنيات الاتصال هذه تم استخدام اتصالات خطوط الطاقة (PLC) على نطاق واسع، حيث تتمتع بنطاق تغطية كبير ويمكنها الوصول إلى المناطق النائية باستخدام البنى التحتية الحالية.

تحليل البنية التحتية وربطها بتقنية توصيل الطاقة الكهربائية

أحد التطبيقات الرئيسية لتكنولوجيا اتصالات الشبكة الذكية هو البنية التحتية المتقدمة للقياس (AMI)، وفي (AMI) يعتبر الهدف هو مراقبة العدادات الذكية (SMs) والتحكم فيها عن بُعد. وفقاً لمجموعة المتطلبات التي حددتها وزارة الطاقة الأمريكية، كما تعتبر الموثوقية الهدف الرئيسي لـ (AMI) وقبولها ضروري للتشغيل الناجح للبنية التحتية الكهربائية.

ومن أجل تسهيل الاتصال داخل (AMI)؛ فإن هناك العديد من الحلول مثل التقنيات اللاسلكية بعيدة المدى، على سبيل المثال (WiMAX) والشبكات الخلوية، كذلك هناك تقنيات لاسلكية ذات معدل بيانات منخفض قصير المدى، مثل (IEEE 802.15.4g)، بحيث تم استخدام تقنية شبكة المرافق الذكية (SUN) والحلول السلكية المتعددة واتصال خط الطاقة (PLC).

أهمية الربط بين بيانات البنية التحتية ومرافق توصيل الطاقة

يعد وضع نقاط اكتساب البيانات الوسيطة (DAPs) بين (SMs) ومركز التحكم في المرافق أمراً ضرورياً لتجنب الاحتمال الكبير للازدحام بين تدفقات حركة المرور المتولدة من الآلاف من (SMs)، لذلك يعد وضع (DAPs) مفيداً أيضاً في تقليل المسافة إلى مركز التحكم في المرافق وبالتالي تحقيق نسبة نجاح أعلى للحزم والإنتاجية في (SMs).

في (PLC AMI)؛ فإنه يتم تثبيت (DAPs) على محولات التوزيع الموجودة على أعمدة المرافق أو المحولات المثبتة على الهيكل الشبكي عند استخدام بنية تحتية لخط طاقة علوي أو تحت الأرض على التوالي، وفي بلدان أمريكا الشمالية، يتم تقديم عدد قليل فقط من (SMs) بواسطة محول توزيع واحد وسيكون من المكلف تثبيت (DAPs) عليها جميعاً.

ولتقليل تكلفة التركيب والصيانة؛ فإنه يتم وضع (DAPs) على جانب الجهد الكهربائي المتوسط ​​لمحول التوزيع بحيث يمكن أن تشترك (SMs) التي تخدمها المحولات الأخرى في نفس (DAP)، وهذا موضح في الشكل التالي (1)، بحيث يعد اختيار موقع (DAPs) أمراً بالغ الأهمية للوفاء بمتطلبات جودة الخدمة (QoS) المرتبطة بأنواع حركة المرور المختلفة، أي قراءة العدادات العادية وإخطارات التنبيه وجودة الطاقة و قراءة العداد عند الطلب.

نموذج النظام الخاص بربط البنية التحتية لشبكة الطاقة الكهربائية

في هذا القسم، يتم وصف جميع الافتراضات التي وردت في الاعتبار للبنية التحتية لشبكة الطاقة، وكذلك لنموذج المرور ثم نصف إجراء مخطط (CSMA / CA) الذي استخدمناه لجدولة حركة المرور، وأخيراً نقدم النموذج الذي طبقناه لتقدير سلوك القناة داخل شبكة (PLC).

البنية التحتية لشبكة الطاقة وافتراضات حركة المرور

ترتبط البنية التحتية لشبكة الطاقة مع محولات (NSM SMs) و (Ntr) أو محولات علوية مثبتة على لوحة (Ntr)، والتي يتم توصيلها معاً من خلال شبكة خطوط طاقة موجودة، بحيث تفترض أن الاتصال بين (SMs) و (DAPs) يتم من خلال تقنية (PRIME PLC) بطريقة القفزة الواحدة أو قفزة متعددة، كما تعمل تقنية (PRIME) ضمن نطاق التردد الكهربائي من (41) كيلو هرتز إلى (471) كيلو هرتز.

لذلك يتم فصل هذا النطاق الترددي إلى ثماني قنوات فرعية، بحيث يجوز لكل جهاز الاتصال عبر واحد أو (Nch) من هذه القنوات الفرعية، كما يتم الإرسال عبر كل قناة فرعية من خلال (97) موجة حاملة فرعية متباعدة بشكل متساوٍ باستخدام تعدد إرسال بتقسيم التردد المتعامد (OFDM)، بحيث يعتمد وضع (SMs ، DAPs) على جوانب مختلفة من المحولات بشكل طبيعي على حقيقة أن إشارات (PRIME PLC).

النموذج التحليلي لموثوقية الحوسبة الخاصة بالشبكة الكهربائية

يتم تعريف موثوقية إرسال بيانات الشبكة الذكية على أنها احتمالية أن يتم استلام حزمة بيانات بنجاح في الوجهة ضمن زمن الانتقال المطلوب، لذلك تعتمد الموثوقية على كل من العاملين الخبرة وجودة المسار، أي نسبة الإشارة إلى الضوضاء التي تم الحصول عليها ومعدل خطأ الحزمة على الطريق، ووفقاً لذلك في هذا القسم؛ فإنها تظهر أولاً احتمالية الرضا عن زمن الوصول بناءً على خصائص الوصول المتوسط لتقنية (PRIME).

• نموذج التأخير: هناك العديد من المكونات التي تؤثر على مقدار التأخير الذي تواجهه الحزمة في كل قفزة، وهي تشمل تأخير الاصطفاف وتأخر الوصول المتوسط وتأخير الإرسال وتأخر الانتشار، أما تأخير الانتشار له قيمة صغيرة جداً وعادة ما يتم تجاهل تأثيره، وهنا يتم أولاً تأخير الاصطفاف لكل أولوية حركة عند العقدة الخاصة في الفواصل الزمنية، وبعد ذلك تُخصم مهلة الانتظار والإرسال من الموعد النهائي لإجمالي الحزمة ونحسب احتمال أن تتمكن الحزمة من الوصول إلى الوسيط بنجاح خلال الموعد النهائي.

• جودة الطريق: هنا يتم الحصول على جودة المسار من خلال ضرب معدلات خطأ حزمة الارتباط على المسار بأكمله، وتحقيقاً لهذه الغاية، يتم بالبداية حساب (SINR)، والذي تم الحصول عليه لكل رابط ثم نترجمه إلى معدل خطأ الحزمة (PER).

• درجة المصداقية: يتم الحصول على الموثوقية على المسار بأكمله من خلال مضاعفة اعتمادات الارتباط، والتي يتم حساب كل منها على أنها مضاعفة احتمالية الرضا عن زمن الوصول واحتمال نجاح استقبال الحزمة عند كل ارتباط.

مشكلة التحسين المرتبطة بموثوقية تنفيذ البنية التحتية للطاقة

في هذا القسم، تتم صياغة مشكلة تحسين لحساب الحد الأدنى المطلوب من (DAPs) ومواقعها المُحسَّنة، بحيث يتم تقليل تكلفة التثبيت إلى الحد الأدنى ويمكن تلبية متطلبات الموثوقية التي تم اشتقاقها في القسم السابق، بحيث يعد وضع مجمعي البيانات في مواقع معينة لعقد الشبكة مشكلة برمجية عدد صحيح.

بينما يمكن حل هذه المشكلات بكفاءة باستخدام برنامج (IBM CPLEX 8)، وعندما تكون مساحة الحل صغيرة، على سبيل المثال للقيود الخطية مع عدد صغير من المتغيرات والقيود وللسيناريوهات ذات القيود غير الخطية، والتي تتضمن البحث عن مساحة أكبر لفحص التعارضات، وهناك وعدد كبير من المتغيرات بحيث نحتاج عادةً إلى طريقة إرشادية منخفضة التعقيد للحصول على حل.

وفي نهاية هذا البحث؛ تم القيام بتطوير البنية التحتية للاتصالات (PLC) لـ (AMI) باستخدام تقنية (PRIME)، بحيث يتم إجراء تخطيط الشبكة بحيث يتم استيفاء متطلبات جودة الخدمة للشبكة الذكية أي الموثوقية، وفي نفس الوقت يتم تقليل العدد المطلوب من (DAPs)، لذلك تم الشروع بصياغة قيد الموثوقية الكهربائية بناءً على خصائص (MAC) لتقنية (PRIME) وتقديم طريقة إرشادية تمكن من حل السيناريوهات واسعة النطاق باستخدام برنامج (IBM CPLEX).

كما تم حل المشكلة لعدة طوبولوجيا واقعية لمواقع (SM) والمحولات الكهربائية في مختلف المناطق، بحيث تشير مقارنة نتائج خوارزمية وضع (DAP) الخاصة بنا مع الحد الأدنى إلى أن طريقتنا تعرض حلولاً شبه مثالية، وفيما بعد تمت ملاحظة أن استخدام نظام الوصول إلى القنوات على أساس الأولوية مفيد في جدولة العقد الأكبر ضمن زمن الانتقال المطلوب.