اینترنت اشیا (IoT) مفهومیجدید در دنیای فناوری اطلاعات و ارتباطات است که قابلیت ارسال و دریافت داده از طریق شبکههای ارتباطی را فراهم میکند. به بیان ساده اینترنت اشیا به ارتباط اشیای مختلف از طریق اینترنت و برقراری ارتباط آنها با یکدیگر اشاره دارد. فناوری اینترنت اشیا نقش بسزایی در توسعه و ارتقاء شبکههای هوشمند برق دارد. مفهوم اینترنت اشیاء در خصوص تعامل و همکاری اشیا با یکدیگر در محیط هاي مختلف به منظور دستیابی به هدفی مشترک است که به واسطه آن جهان فیزیکی به یک سیستم اطلاعاتی بزرگ مبدل میشود.
بر این اساس اشیا به گونه ای هوشمندانه بر اساس شناسه منحصر به فرد و پروتکل اینترنتی مشخص قابل تشخیص و شناسایی بوده و قادر به ارسال و دریافت داده میباشند. در این حالت آنها به اطلاعات جمع آوری شده توسط دیگر اشیا در مجموعه نیز دسترسی دارند که توسط ابزارهای مختلف هوشمند از قبیل گوشیهای تلفن همراه، رایانهها و تبلتها قابل مشاهده خواهند بود. به عبارت ساده تر طراحی دستگاههای مختلف با قابلیت ارتباط بی سیم به منظور ردیابی و کنترل از طریق اینترنت و برنامههای کاربردی مختص ابزارهای هوشمند بیانگر مفهوم اینترنت اشیا است. ارتباطات ماشین به ماشین(M2M)، شبکههای خودکار، دادهکاوی و تصمیمگیری، امنیت و حفاظت از حریم خصوصی، رایانش ابری و فناوریهای مربوط به سنجش و تحریک پیشرفته از مهمترین فناوریهای مطرح در اینترنت اشیا هستند.

کوین اشتون (Kevin Ashton) در سال ۱۹۹۹ در نشریه RFID برای اولین بار به مفهوم اینترنت اشیا اشاره کرد. وی در مقاله خود به رایانههای هوشمندی اشاره کرد که بدون هیچ کمکی از سوی انسان به صورت هوشمندانه به جمع آوری دادهها پرداخته و از آنها استفاده میکردند. اشتون با ارائه این مسئله عنوان کرد در این صورت میتوانستیم همه چیز را ردگیری و اندازهگیری کنیم و تا حد زیادی از اتلاف وقت، انرژی و هزینه جلوگیری کنیم.
شبکه توزیع هوشمند سازمان انرژی ایالات متحده امریکا شبکه هوشمند را یک شبکه گسترده انرژی خودکار معرفی کرده است که انتقال توان الکتریکی و تبادل اطلاعات به صورت دو طرفه صورت میگیرد. این شبکه قابلیت پایش و پاسخگویی به هر نوع تغییرات در شبکه از منابع تولید تا مصرفکنندگان و تجهیزات را دارد. پایش بلادرنگ مصرف و مدلسازی دقیقتر منابع تولید موجب بهرهبردای بهینه و اقتصادی از شبکه و در نتیجه کاهش هزینههای مصرفکنندگان میشود. شناسایی و خروج وسایلی که در شبکه منجر به خطا شده و همچنین تشخیص سریع جریان نشتی از ویژگیهای بارز شبکههای توزیع هوشمند است. علاوه بر این تشخیص سریع مشترکین خارج از سرویس منجر به افزایش بازده عملکرد میشود. مصرف کنندگان این شبکهها با مدیریت هوشمندانه مصرف قادر به حذف هزینههای انرژی گران خواهند بود. در واقع شبکههای هوشمند با بهرهگیری از فناوریهای مخابراتی و دیجیتالی ارتباط دو طرفهای را بین تولید کننده و مصرفکننده برق در طول خطوط انتقال فراهم میکنند.

به کارگیری فناوریهای نوین ارتباطات و اطلاعات با توجه به الزامات شبکه توزیع یکی از مسائل اساسی در شبکههای هوشمند برق است. استفاده از زیر ساختهای ارتباطی در سیستمهای توزیع در کلیه بخش های تولید، انتقال، توزیع و مصرف ضروری است. اینترنت اشیا با اتصال فیزیکی و مجازی اشیا و به کار گیری فناوریهای سازگار موجود و در حال پیشرفت ارتباطات و اطلاعات در تمامیحوزههای انرژی، حمل و نقل، تولید، سلامت و بسیاری زمینههای دیگر به عنوان یک مفهوم در گسترش و ایجاد یک جهان هوشمند گزینه مناسبی برای ارائه سرویسهای پیشرفته است. در این فناوری بر اساس شناسایی، ضبط و ذخیره داده، پردازش و ارتباطات اشیا، ارائه خدمات مختلف توسط انواع برنامههای کاربردی با ضریب اطمینان بالا و امنیت امکان پذیر است.
شبکههای برق هوشمند به طور کلی شامل زیر ساختارهای قدرت، اطلاعات و ارتباطات بوده که مستلزم ردیابی، کنترل و تبادل اطلاعات و ارتباطات مخابراتی دوطرفه در کل شبکه توزیع هستند. لذا در توسعه شبکههای برق به سمت شبکههای هوشمند باید از پروتکلهای یکپارچه و شبکه ارتباطی گسترده با کیفیت مناسب بهره برد.
در این زمینه میتوان به مفهوم اینترنت انرژی اشاره نمود که به عنوان شبکهای مبتنی بر استانداردهای زیر ساخت، ارتباطات سازگار فرستنده و گیرنده، گذرگاهها و پروتکلهای استاندارد در خصوص توزیع انرژی مطرح است. اینترنت انرژی مبتنی بر فناوریهای نوین شرایط بهینه و مناسبی را در خصوص توزیع قدرت، ذخیره انرژی، نظارت بر شبکه و ارتباطات فراهم میکند. همچنین امکان نظارت بر مصرف برق در تمام سطوح از دستگاههای فردی، محلی و حتی ملی و بین المللی را میسر میکند. با آگاه ساختن مصرفکنندگان در خصوص مصرف انرژی لحظهای و اندازهگیری هوشمندانه امکان مدیریت انرژی را فراهم نموده و کاربران با شناسایی دستگاههایی که دارای هدر رفت انرژی هستند قادر به حذف آنها و در نتیجه استفاده بهینه انرژی و کاهش هزینههای مصرفی خواهند بود.

به طور کلی در خصوص شبکههای توزیع هوشمند میتوان به موارد ذیل اشاره نمود:
• پارامترهای حاکم بر نرمافزارهای کاربردی در یک فضای انرژی مجازی تاثیر بسزایی بر قیمت و سفارش انرژی دارد.
• سنجش تقاضا توسط شبکه هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا به منظور ارائه انرژی به مناطق مسکونی و در امتداد جادهای بر اساس پیشبینی ترافیک
• تمهیدات لازم در خصوص امنیت دادهها و ارتباطی کاملا ایمن
• فیلترکردن دادهها، داده کاوی، پردازش رویهها و طراحی سیستمی منعطف به منظور کنترل و نظارت بر حجم انبوه دادههای خام ارائه شده توسط میلیاردها منبع اطلاعاتی
• شناسایی و نظارت بر عناصر حیاتی سیستم
• تشخیص شرایط بحرانی سیستم
• تمهیدات لازم در خصوص مهار آسیبها و خود ترمیمسازی سیستم
• واکنش پذیری بالا و صحیح در خصوص نوسانات برق ناشی از منابع انرژی تجدیدپذیر از قبیل باد و خورشید
• برنامهریزی برای مدیریت شبکه در شرایط احتمالی شکست سیستم ساختار شبکههای هوشمند بر اساس اینترنت اشیا به طورکلی معماری شبکههای هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا شامل سه لایه اصلی ادراک، شبکه و کاربرد است.

موسسه استاندارد مخابرات اروپا (ETSI) برای شبکه هوشمند برق این مدل سه لایهای را به صورت لایه انرژی، لایه کنترل و ارتباطات و لایه سرویس تعریف کرده است:
لایه انرژی شامل بخشهای تولید، منابع انرژی پراکنده، انتقال و توزیع است.
پاسخگویی به بار، فناوریهای ارتباطات و اطلاعات مخابراتی در لایه کنترل وارتباطات امکان پذیر است.
در نهایت لایه سرویس مختص اپراتورها و مصرف کنندگان برق است.
در این معماری شبکه هوشمند برق به طور نظیر به نظیر با معماری M2M منطبق است که در نتیجه آن ارتباط دستگاههای مختلف بدون دخالت انسان امکان پذیر است. در این مدل از طریق نرم افزارهای کاربردی میتوان به هر حسگری در جهان از طریق URI لایه کاربرد دسترسی پیدا کرد.
در شبکههای هوشمند واحد مدیریت توان (PMU) شامل مجموعهای از تجهیزات وظیفه کنترل و حفاظت شبکه را بر اساس اطلاعات دریافتی از شبکه به عهده دارد. پایش توان مصرفی بر اساس اطلاعات جامع دریافتی از شبکه به کمک فناوری اینترنت اشیا مقدور بوده که متشکل از سیستم پایش توان، متمرکزکنندههای شبکه، پردازشگرها، پایانههای ادغام اطلاعات شبکه و مرکز کنترل است و امکان نظارت از راه دور مصرف برق تجهیزات الکتریکی کارخانهها، شرکتها و موسسات و اماکن مسکونی را فراهم میسازد. همچنین این واحد قادر به ارسال فرامین کنترلی از راه دور به تجهیزات بوده که مدیریت پاسخگویی بار شبکه را امکان پذیر میکند.
یکی دیگر از مسائل مهم در شبکههای هوشمند برقراری امنیت شبکه بوده که وابسته به عملکرد دقیق کلیه اجزای شبکه و دکلها و خطوط انتقال است. اینترنت اشیا در حوزه پایش و حفاظت خطوط انتقال برق از لحاظ مکانیکی، شرایط محیطی، وضعیت الکتریکی و تامین امنیت فیزیکی این خطوط گزینه مناسبی است. با نصب حسگرهای مخصوص پایش خطوط و ایجاد شبکه ارتباطی و مخابراتی مناسب با تشخیص عوامل مخرب و تهدیدکننده خطوط انتقال ناشی از حوادث طبیعی و غیر طبیعی میتوان شرایط بهینه و مساعدی در جهت بهرهبرداری، نگهداری و امنیت شبکه توزیع فراهم نمود. در نهایت در خصوص شبکههای توزیع مبتنی بر اینترنت اشیا موارد ذیل قابل تامل هستند:

• ارائه سرویسهای خانه هوشمند که یکی از مهمترین کاربردهای اینترنت اشیا در صنعت برق است. در این حالت دستگاههای مجهز به کنتورهای هوشمند با برقراری یک ارتباط دو طرفه اطلاعات بار مصرفی را به واحد تامین کننده برق مخابره میکنند که در نتیجه آن امکان مدیریت شبکه و پاسخگویی به بار مصرفی به شایستگی فراهم میشود. از سوی دیگر مصرف کننده نیز با آگاهی قادر به تغییر تعرفه مصرفی خواهد بود.
• امکان بهرهگیری از وسایل نقلیه الکتریکی به عنوان ذخیرهکنندههای انرژی
• مدیریت اموال شبکه توزیع به واسطه شناسنامه دار نمودن تجهیزات و ثبت بر چسب اطلاعات، به کمک فناوری اینترنت اشیا با پایش اطلاعات ثبت شده میتوان در کوتاه ترین زمان در خصوص عملکرد دستگاهها تصمیم گیریهای لازم را اتخاذ نمود. همچنین شناساسی و ردیابی تجهیزات مسروقه نیز امکان پذیر است.
• در توسعه شبکههای سنتی به سمت شبکههای هوشمند اغلب گزینههای مطرح در لایههای زیرین نیازمند تغییرات بستر اینترنت است که هزینه بر بوده لذا از پارامترهای مطرح در لایه کاربرد برای ارتباط بین قطعات هوشمند استفاده میشود.
• در خصوص طراحی و پیاده سازی یک شبکه توزیع هوشمند بهتر است مهندسین علاوه بر شناخت فناوریهای نوین به تحلیل و بررسی پایلوتهای اجرا شده از حیطههای نرمافزاری و سختافرازی مختلف بپردازند.
• شناسایی نیازهای حاکم، انتخاب و ارائه معماری مناسب با توجه به نیازهای مطرح، شناسایی زیرساختهای مخابراتی نوین و تعیین نحوه تعامل آن با شبکههای مخابراتی صنعت برق از مهمترین وظایف مهندسین در فاز اولیه پروژه است.
گردآوري و تدوين توسط : كميته صنعت ، معدن و تجارت كانون
مهندسين دانشكده فني دانشگاه تهران
تابستان ١٤٠٠