پروژه پایانی: شبكه های عصبي و كاربردش در صنعت برق

فایل زیر شامل

۱- عدد فایل ورد(قابل ویرایش) پایان نامه کارشناسی به همراه فایل پی دی اف به تعداد ۷۰ صفحه است

(نوشته دارای نظم نگارشی و  فرمبندی کامل همچنین رفرنس نویس کامل است )

پایان‌نامه کارشناسی

رشته مهندسی برق

شبكه های عصبي و كاربردش در صنعت برق

چكيده

در دنیای امروزی دو مفهوم اینترنت اشیاء و شهر هوشمند دارای نقش کلیدی می باشند. گسترش روزافزون اینترنت اشیاء موجب ورود هوشمندانه در تمامی جنبه های زندگی شده است. پیاده سازی شبکه‌های هوشمند توزیع برق نتایج و مزیتهای بسیار چشم گیری خواهند. مورد اول مدیریت آنی فرایندها مانند تجزیه و تحلیل به موقع داده ها و ارائه بینش و دستورالعمل جدید، تجزیه و تحلیل به موقع داده ها به منظور ارائه تصمیمات مهم و حیاتی، تجزیه و تحلیل به موقع جهت پیش بینی های آتی در نگهداری انرژی میباشد و مورد دوم افزایش بهره وری مانند ایجاد موج جدید در تقویت خدمات در چند بعد اساسی در اقتصاد، قادر ساختن مصرف کنندگان در مدیریت انرژی و همچنین ایجاد ارزش افزوده در ارائه خدمات و کسب درآمد. به کارگیری اینترنت اشیا در سیستم های برق قدرت 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.ارایه یک مدل مفهومی برای سیستمهای برق قدرت مبتنی بر اینترنت اشیا به مطالعه هر چه بهتر این تکنولوژی نو ظهور ، بررسی چالشهای پیش روی ان و یافتن راه حل های مناسب برای مقابله با این چالشها کمک به سزایی میکند.

 

واژه‌های کلیدی:

کلیدواژه اول، …اینترنت اشیا، برق قدرت، شبکه قدرت

 

فهرست مطالب صفحه

۱-         فصل اول کلیات تحقیق.. ۸

۱-۱- مقدمه. ۹

۱-۲- شبکه های هوشمند برق.. ۹

۱-۳- کاربردهای شبکه هوشمند برق.. ۱۰

۱-۴- مشکلات شبکه برق سنتی.. ۱۰

۱-۵- اجزای سیستم های هوشمند انرژِی.. ۱۱

۱-۶- ۱-۶- مزایای شبکه های هوشمند برق.. ۱۵

۱-۷- ۱-۷- چالش های شبکه های هوشمند برق: ۱۶

۱-۸- ۱-۸- رایانش ابری.. ۱۶

۱-۹- ۱-۹- هوش مصنوعی.. ۱۶

۱-۱۰- ۱-۱۰- کاربردهای هوش مصنوعی.. ۱۷

۱-۱۱- کاربرد استفاده از فناوری هوش مصنوعی در شبکه هوشمند برق: ۱۸

۱-۱۲- شبکه های هوشمند برق مبتنی بر هوش مصنوعی در ایران.. ۱۸

۱-۱۳- معماری لایه ای  شبکه. ۲۰

۱-۱۴- پرسش پژوهش…. ۲۱

۱-۱۵- فرضیه های پژوهش…. ۲۱

۱-۱۶- اهداف پژوهش…. ۲۱

۱-۱۷- جنبه های نو اوری پژوهش…. ۲۲

۲-         فصل دوم ادبیات و پیشینه تحقیق.. ۲۳

۲-۱- مقدمه. ۲۴

۲-۲- هوشمند سازی منابع انرژی توزیع شده (DER) 24

۲-۳- هوشمند سازی شبکه انتقال و توزیع برق (T&D) 25

۲-۴- هوشمند سازی  مصرف برق.. ۲۶

۲-۵- تأثیر اقتصادی، محیطی و اجتماعی سیستم های برق قدرت و انرژی مبتنی بر هوش مصنوعی.. ۳۳

۲-۵-۱- تأثیر اقتصادی.. ۳۳

۲-۵-۲- تأثیرات زیست محیطی.. ۳۳

۲-۵-۳- تأثیر اجتماعی.. ۳۴

۲-۶- بهره برداری از هوش مصنوعی در مدیریت انرژی هوشمند. ۳۵

۲-۷- معماری چند لایه. ۳۶

۲-۸- بررسی معماری های چندلایه IOT : 40

۲-۹- معماری سه لایه. ۴۰

۲-۱۰- معماری چهار لایه. ۴۲

۲-۱۰-۱- لایه حسگرها ۴۳

۲-۱۰-۲- لایه شبکه. ۴۴

۲-۱۰-۳- لایه مدیریت خدمات.. ۴۴

۲-۱۰-۴- لایه برنامه. ۴۴

۲-۱۱- معماری ۵ لایه. ۴۴

۲-۱۱-۱- لایه ادراک… ۴۴

۲-۱۱-۲- لایه شبکه. ۴۵

۲-۱۱-۳- لایه میان افزار ۴۵

۲-۱۱-۴- لایه اپلیکیشن.. ۴۵

۳-         فصل سوم روش تحقیق.. ۴۶

۳-۱- مقدمه. ۴۷

۳-۲- روش تحقیق کتابخانه ای چیست؟ ۴۷

۳-۳- مراحل تحقیق کتابخانه ای.. ۴۸

۳-۳-۱- بررسی کلمات کلیدی و اصطلاحات تحقیق.. ۴۸

۳-۳-۲- دانلود مقالات و پایان نامه‌های مرتبط با موضوع مقاله. ۴۸

۳-۳-۳- یادداشت اطلاعات مربوط به مسئله تحقیق و سوال پژوهش…. ۴۹

۳-۳-۴- تجزیه و تحلیل اطلاعات.. ۵۰

۳-۴- مرور سیستماتیک… ۵۰

۳-۴-۱- متاآناليز. ۵۰

۳-۴-۲- تاريخچه مرور سيستماتيك… ۵۰

۳-۴-۳- اصول و مراحل انجام مرور سيستماتيك در روند کار ۵۱

۴-         فصل چهارم مدل پیشنهادی، یافته ها و نتایج.. ۵۲

۴-۱- مقدمه. ۵۳

۴-۲- معماری پیشنهادی.. ۵۳

۴-۳- مقایسه معماری ارایه شده در این پایان نامه با معماری های ارایه شده در مرور ادبیات: ۵۹

۴-۴- بررسی لایه ای چالش ها و راه حل پیشنهادی برای رفع انها: ۵۹

۵-         فصل پنجم نتیجه گیری و پیشنهادت.. ۶۴

۵-۱- نتیجه گیری.. ۶۵

۵-۲- پیشنهادات.. ۶۶

منابع. ۶۷

 

 

فهرست اشكال صفحه

شکل ‏۱‑۱ تجهیزات هوشمند انرژی.. ۱۲

شکل ‏۱‑۲  کابل ها و خطوط انتقال در تجهیزات هوشمند انرژی.. ۱۲

شکل ‏۱‑۳  سوئیچ های هوشمند. ۱۳

شکل ‏۱‑۴ پست های هوشمند. ۱۳

شکل ‏۱‑۵  مخابرات مجتمع. ۱۴

شکل ‏۱‑۶ سرویس ها و کاربردهای هوش مصنوعی.. ۱۸

شکل ‏۱‑۷ سیستم های ارتباطی لایه ای.. ۲۰

شکل ‏۲‑۱ کاربردهای هوش مصنوعی.. ۲۴

شکل ‏۲‑۲ خانه های هوشمند. ۲۶

شکل ‏۲‑۳ پارک های هوشمند. ۲۷

شکل ‏۲‑۴ حسگرها و فعال کننده های خانه هوشمند. ۲۷

شکل ‏۲‑۵ معماری چندلایه. ۳۷

شکل ‏۲‑۶ مقایسه دو مدل معماری شبکه. ۳۹

شکل ‏۲‑۷ معماری سه لایه. ۴۲

شکل ‏۲‑۸ معماری چهارلایه. ۴۲

شکل ‏۲‑۹ نوعی دیگر از معماری چهارلایه. ۴۳

 شکل ‏۳‑۱ فازهای روش تحقیق.. ۴۷

شکل ‏۴‑۱ کاربردهای هوش مصنوعی در سیستم های برق قدرت.. ۵۸

 

فهرست جداول صفحه

جدول ‏۱‑۱ مقایسه بين شبكه ی هوشمند و شبكه های برق.. ۱۵

جدول ‏۴‑۱معماری پیشنهادی.. ۵۴

جدول ‏۴‑۲مقایسه بین معماری ارایه شده در این پایان نامه و معماری های ارایه شده در مرور ادبیات.. ۵۹

 

 

 

 

 

۱-        فصل اول
کلیات تحقیق

 

 

۱-۱-  مقدمه

یکی از مسایل مهم در شبکه های هوشمند برق، بررسی امکان به کارگیری فنآوری های نوین اطلاعات و ارتباطات با توجه به الزامات شبکه برق است . به طور کلی افزایش سطح اطلاعات سیستم قدرت و بهبود میزان بهره وری استفاده از زیرساخت های ارتباطی در سیستمهای برق موجود در کلیه مراحل تولید، انتقال، توزیع و مصرف در صنعت برق مورد نیاز است . فن آوری هوش مصنوعیء(IoT)  یکی از فنآوری هایی است که می تواند در توسعه و ارتقاء شبکه های هوشمند برق نقش مؤثری داشته باشد.

امروزه نفوذ اشيا هوشمند در زندگي مردم نسبت به سالهاي قبل قابل مقايسه نيست و پيشرفت تكنولوژي بشر را به سمتي سوق داده كه ميتوان در محل كار وسايل درون خانه را كنترل كرد. اين موضوع مفهوم اينترنت اشيا را در ذهن تداعي ميكند. اتحاديه بين المللي ارتباطات ،اينترنت اشيا را شبكه هایي از اشيا فيزيكي بيان ميكند كه به حسگرها، نرم افزارها، قطعات الكترونيكي و اتصالات شبكه مجهز ميباشند و امكان جمع آوري و تبادل اطلاعات را دارند. نحوه ارتباط اشيا معمولا به دو صورت در نظر گرفته ميشود. ارتباط اشيا فيزيكي با انسان كه اين اختيار را به شخص ميدهد تا بر روي آن كنترل داشته باشد و نوع ديگري از ارتباط كه بيانگر ارتباط اشيا با يكديگر است و با استفاده از نرم افزارهاي مختلف اين قابليت فراهم مي شود [۳-۱]. كوين اشتون نخستين فردي بود كه اين ايده را در سال ۱۹۹۹مطرح كرد. او به اين موضوع اشاره كرد كه به کمک هوش مصنوعی میتوان نه تنها انسانها را از طریق اینترنت به اشیا وصل کرد بلکه میتوان این اشیا بیجان را به یکدیگر نیز متصل نمود.

 

۱-۲-  شبکه های هوشمند برق

اولین شبکه برق در دهه ۱۸۹۵-۱۸۸۵ ساخته شد و سیستم انرژی الکتریکی برای مدت‌ها تغییر خاصی نکرده بود، اما امروزه وارد دنیای جدیدی شده است. با گذشت زمان، تعداد شبکه‌های برق افزایش یافته است، تا جایی که امروزه بیش از ۹۲۰۰ شبکه در سراسر جهان وجود دارد و این شبکه‌ها حدود یک میلیون مگاوات توان مورد نیاز مصرف‌کنندگان را تأمین می‌کنند. از آنجایی که پیشرفت شبکه برق، مانند سایر فناوری‌ها، رابطه مستقیمی با گذشت زمان دارد، امروزه برای افزایش کارآمدی شبکه، فناوری دیجیتال در حال ترکیب شدن با آن است. این فناوری دیجیتال جدید ارتباط دوطرفه را میسر کرده است و ارتباط مستقیم بین تولید و مصرف را تضمین می‌کند. همین پیوند میان فناوری‌های دیجیتال و شبکه برق، منجر به مفهوم جدیدی به نام «شبکه هوشمند[۱]» شده است.

در واقع این شبکه ها یک نوع شبکه برق مبتنی بر تکنولوژی دیجیتالی هستند که با هدف غلبه بر نقاط ضعف شبکه های برق معمولی با استفاده از متریک های هوشمند جهت تامین برق از طریق ارتباطات دیجیتالی دو طرفه استفاده می شوند [۴].

 

۱-۳- کاربردهای شبکه هوشمند برق

شبکه هوشمند برق کاربرد وسیعی دارد و در واقع همه جنبه های سیستمهای برق قدرت مدرن ، سیستمهای مرتبط با انرژی های تجدید پذیر، و به طر کلی زندگی مدرن را تحت تاثیر خود قرار داده است. از نیروگاه های تولید انرژی مانند نیروگاه های خورشیدی و بادی در فاز تولید گرفته تا خانه های هوشمند و ماشین های الکتریکی در فاز مصرف ، همه بخش کوچکی از کاربردهای این شبکه هاست. شکل ۱-۱ بخشی از این کاربردها را بخوبی نمایش میدهد.

 

شکل ۱-۱- کاربردهای شبکه هوشمند برق

 

۱-۴-  مشکلات شبکه برق سنتی

امروزه شرکت های برق در سراسر جهان با مشکلات زیادی روبرو می باشند به عنوان مثال امروزه تنها یک سوم از انرژی سوخت مورد استفاده به انرژی الکتریکی تبدیل می شود و گرمای تلف شده نیز بازیابی نمی گردد. ۸% از خروجی توان نیروگاه ها در حین انتقال به بارها تلف می شود.۳۰% از ظرفیت نیروگاهی فقط برای ساعات اوج بار مورد استفاده قرار می گیرند (دوره ی اوج در ۵% از کل زمان رخ می دهد.) همچنین کمبودهای انرژی و آلاینده های زیست محیطی از جمله ی این مشکلات می باشند که باوجود شبکه برق فعلی قابل حل نخواهند بود. پیش بینی  ها نشان می دهد که تا سال ۲۰۲۵ میزان تقاضا سه برابر مصرف کنونی خواهد شد. بنابراین، نیاز مبرم شبکه قدرت امروزی، تغییر در ساختار، برای روشن نگاه داشتن چراغ خانه مشترکان است.

شبکه های برق سنتی با روند سلسله مراتبی، برق را از طریق نیروگاه از محل تولید به محل مصرف منتقل می کنند. این شبکه ها در حالت کلی به صورت خط های توزیع یک طرفه ای هستند که تمام برق تولیدی را به مشترکین تحویل می دهند. در این ساختار، هیچ مسیر دوطرفه ای برای جریان برق و تبادل همزمان اطلاعات و تصمیم گیری در سطح سراسری شبکه برق وجود ندارد.

مهم ترین مشکلات در شبکه های برق موجود به شرح زیر قابل بررسی است:

  • عدم کارآیی شبکه برق در مدیریت حداکثر تقاضا
  • عدم توانایی شبکه در تبادل اطلاعات قابل اطمینان
  • قابلیت محدود شبکه­ ی برق غیر هوشمند در استفاده از منابع تولید پراکنده و منابع انرژی تجدیدپذیر
  • ناکارآمدی شبکه با گسترش خودروهای الکتریکی و هیبرید الکتریکی مستعد بودن شبکه­ ی غیر هوشمند برای بروز خاموشی و اختلال کیفیت توان
  • آسیب پذیری شبکه های موجود بر اثر بلاهای طبیعی

 

۱-۵-  اجزای سیستم های هوشمند انرژِی

یک شبکه هوشمند را می‌توان به عنوان شبکه‌‌ای الکتریکی در نظر گرفت که از ترکیب شبکه برق و فناوری مخابرات دیجیتال تشکیل شده است. شبکه هوشمند این قابلیت را دارد که توان الکتریکی را از منابع پراکنده مانند توربین‌های بادی، سیستم‌های فتوولتائیک و خودروهای الکتریکی نیز تغذیه کند. برای دستیابی به یک شبکه هوشمند مدرن، باید طیف گسترده‌ای از فناوری‌ها را ایجاد و پیاده‌سازی کرد. این فناوری‌ها عموماً شامل موارد زیر هستند:

  1. تجهیزات هوشمند: تجهیزات هوشمندی که قادر به تعامل با شبکه هوشمند هستند؛ مانند دستگاه‌های هوشمند تهویه هوا، سیستم‌های گرمایشی هوشمند و … این تجهیزات قابلیت تصمیم‌گیری مصرف انرژی را بر اساس تنظیمات از پیش تعیین شده مصرف‌کننده دارند. این قابلیت به کاهش پیک بار می‌انجامد و بر کم شدن هزینه‌های تولید اثر مثبت دارد. برای مثال، سنسورهای هوشمند، مانند سنسورهای دمایی که برای کنترل دمای بویلرها مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توانند هدر رفت انرژی را کاهش دهند. (شکل ۱-۱) [۵]

شکل ‏۱‑۱ تجهیزات هوشمند انرژی

 

این ابزارها، نقش مهمی در فهمیدن رفتار شبکه دارند. در این بخش، تمرکز بر روی حوزه‌های نوینی مانند ابررسانایی، الکترونیک قدرت، شیمی، مواد و میکروالکترونیک است. هدف از ان بهبود تشخیص‌های بلادرنگ و افزایش پایداری و اعتماد به سیستم است. تکنولوژی‌های اصلی این بخش عبارتند از:

  • کابل‌هاو خطوط انتقال: از این کابل‌ها در خطوط انتقال طولانی و ابزار پایش و تحلیل که قابلیت آشکارسازی خطا دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند.(شکل ۱-۲)

 

شکل ‏۱‑۲  کابل ها و خطوط انتقال در تجهیزات هوشمند انرژی

  • سوئیچ‌های هوشمند:این تجهیزات کنترل کننده سوئیچ برای کانالهای روشنایی و انواع تجهیزات الکترونیکی میباشند. توسط این دستگاه میتوان  گروه های مستقل روشنایی و دیگر تجهیزات را به صورت سوئیچ (روشن/ خاموش) کنترل نمود. ارتباط این دستگاه با سایر کنترل ها و همچنین پنل های فرمان، به صورت کاملا بی سیم بوده ( آشنایی با پروتکل بی سیم اِن پی )  و میتواند با حداکثر ریموت کنترل و پنل فرمان رجیستر شود.(شکل ۱-۳)

شکل ‏۱‑۳  سوئیچ های هوشمند

  • میکروگریدها : از پیوستن تولیدات کوچک و مدولار و ذخیره‌ی انرژی در سیستم‌های ولتاژ پایین یا متوسط نوع جدیدی از سیستم قدرت را به نام میکروگرید شکل می گیرد. سیستم‌های میکروگرید در سایز‌ها و شکل‌های مختلفی هستند و می‌توانند به شبکه‌ی قدرت اصلی متصل شوند و یا به طور مستقل، مشابه سیستم‌های قدرتی که در جزیره‌های طبیعی وجود دارد مورد بهره برداری قرار بگیرند. به عبارت دیگر سیستم میکروگرید یک

تجمع از بار‌ها و منابع میکرو فرض می‌شود که به صورت یک سیستم تنها برای ایجاد توان و گرما فعالیت می‌کنند

  1. پست‌های هوشمند: پست‌های برق شامل داده‌های عملیاتی بحرانی و غیربحرانی کنترل و پایش مانند وضعیت توان، عملکرد ضریب توان، مدارشکن، داده‌های امنیتی، وضعیت ترانسفورماتور و… هستند. از پست‌‌های برق برای تبدیل ولتاژ‌ در سطوح مختلف و در مکان‌های مختلف و در جهت‌های گوناگون پخش بار استفاده می‌شود. در پست‌ها تجهیزات بزرگ و بسیار گرانی از قبیل ترانسفورماتورها، کلید‌ها، بانک‌های خازنی، مدارشکن‌ها، رله‌های حفاظتی و… وجود دارد. (شکل ۱-۴)

 

شکل ‏۱‑۴ پست های هوشمند

 

 

  1. مخابرات مجتمع: پایه اصلی شبکه هوشمند، مخابرات مجتمع است. این بخش از شبکه هوشمند باید به اندازه کافی سریع باشد و بتواند به نیازهای آنی پاسخ دهد. بسته به نیاز، فناوری‌های مختلفی در مخابرات شبکه هوشمند به کار گرفته می‌شود؛ از جمله: کنترل‌کننده منطقی برنامه‌پذیر PLC، فناوری بی‌سیم، مخابرات مولکولی، اسکادا (سامانه سرپرستی و گردآوری داده) و خطوط برق پهن‌باند .BPL(شکل ۱-۵)

 

شکل ‏۱‑۵  مخابرات مجتمع

 

مقایسه شبکه های هوشمند برق با شبکه های برق سنتی

در جدول ۱-۱ یك مقایسه کلی بين شبكه ی هوشمند و شبكه های برق فعلی آورده شده است[۶].

 

 

جدول ‏۱‑۱ مقایسه بين شبكه ی هوشمند و شبكه های برق

 

۱-۶-  مزایای شبکه های هوشمند برق

  • انتقال قدرت بیشتر از برق
  • انتقال و توزیع بهینه توان الکتریکی
  • برقراری سریع توان پس از قطع ناشی از خطای سیستم
  • هزینه پایین عملکرد، تعمیر و نگهداری
  • تعرفه پایین‌تر برق به دلیل کاهش تقاضای پیک
  • تسهیل ادغام منابع تجدیدپذیر به در شبکه
  • افزایش تطبیق‌پذیری خطوط انتقال
  • کاهش گازهای گلخانه‌ای
  • بازیابی سریع بعد از هرگونه اغتشاش و مشکل ناگهانی در خطوط و فیدرها
  • مدیریت حفاظتی شبکه در شرایط اضطراری
  • پاسخ تقاضای بهتر
  • کاهش گازهای گلخانه‌ای
  • عملیات کاهش و هزینه های مدیریت برای خدمات، و در نهایت هزینه های انرژی برای مصرف کنندگان کاهش می یابد.
  • افزایش ادغام سیستم های انرژی تجدید پذیر در مقیاس بزرگ
  • یکپارچه سازی بهتر از سیستم های تولید برق از مشتری، از جمله سیستم های انرژی تجدید پذیر
  • بهبود امنیت

 

۱-۷- چالش های شبکه های هوشمند برق:

  • مسائل مربوط به حریم خصوصی
  • نوسانات شبکه
  • عدم آگاهی طراحان از استانداردها
  • چالش های فنی

 

۱-۸-  رایانش ابری

رایانش ابری، به ارائه خدمات محاسباتی مبتنی بر تقاضا، از برنامه‌های کاربردی گرفته تا فضای ذخیره‌سازی و قدرت محاسباتی ، از طریق اینترنت و با روش پرداخت بر مبنای مصرف گفته می‌شود. در این روش ،شرکت‌ها بدون اینکه زیرساخت با  مراکز داده  خود را داشته باشند، می‌توانند دسترسی به هر چیزی از برنامه‌های کاربردی گرفته تا فضای ذخیره‌سازی را از یک  ارائه‌دهنده خدمات ابری  اجاره کنند. یکی از مزایای رایانش ابری آن است که شرکت‌ها می‌توانند از هزینه‌ها و پیچیدگی رو به افزایش مالکیت و نگهداری زیرساخت‌های فناوری‌اطلاعات خود اجتناب کنند و به جای آن، برای چیزی که استفاده می‌کنند و در زمان مصرف، پرداخت داشته باشند. از سوی دیگر، تامین‌کنندگان خدمات ابری نیز می‌توانند از مزایای اقتصادی قابل توجهی که به واسطه ارائه یک خدمت مشابه به طیف وسیعی از مشتریان فراهم می‌شود، بهره‌مند شوند.

 

۱-۹-  هوش مصنوعی

اصطلاح “هوش مصنوعی” اولین بار توسط کوین اشتون در سال ۱۹۹۹ در شرکت پروکتر و گمبل ارائه شد و ایده آن، ایجاد پیوند میان فناوری جدید RFID و موضوع بسیار داغ اینترنت در زنجیره تأمین شرکت پروکتر و گمبل بود که مورد ‌توجه مدیران اجرایی قرار گرفت. بعدازآن، مرکز MIT Auto-ID چشم‌انداز هوش مصنوعی خود را در سال ۲۰۰۱ ارائه کرد و سپس اتحادیه بین‌المللی مخابرات ITUدر طی یک گزارش، این فناوری را در سال ۲۰۰۵ به‌صورت رسمی معرفی نمود.

هوش مصنوعی دیدگاهی نوین در صنعت فناوری اطلاعات است که تمامی مفاهیم فنی، اجتماعی و اقتصادی را شامل می­ شود. در این دیدگاه محصولات، کالاهای مصرفی، خودروها و کامیون‌ها، تجهیزات صنعتی و صنایع (برق، تلفن و …)، حسگرها و دیگر مؤلفه‌ها؛ هر روزه توسط اتصالات اینترنتی و همچنین قابلیت‌های قدرتمند تحلیلی داده‌ها با یکدیگر ترکیب‌ شده‌اند تا نحوه کارکرد و زندگی ما را دگرگون کنند. پروژه‌ های انجام‌ شده در هوش مصنوعی بر اینترنت و اقتصاد، تاثیر بسیار چشمگیری داشته؛ به نحوی که پیش­ بینی ها نشان می دهد تا سال ۲۰۲۵ در حدود ۱۰۰ میلیارد شئ متصل به هوش مصنوعی خواهیم داشت که این اتصالات تأثیر بیش از ۱۱ تریلیون دلاری در اقتصاد جهان دارد. درواقع هوش مصنوعی ممکن است به‌عنوان یک شبکه از عناصر فیزیکی که توسط موارد زیر فعال می‌گردد، در نظر گرفته شود:

  • حسگرها: جهت جمع‌ آوری اطلاعات
  • شناسه‌ها: برای شناسایی منبع داده (به‌عنوان‌مثال، حسگرها و دستگاه‌ها)
  • نرم‌افزار: جهت تجزیه‌ و تحلیل داده‌ها
  • اتصال به اینترنت: جهت برقراری ارتباط و اطلاع‌رسانی.

با در نظر گرفتن تمام عناصر ذکرشده در بالا، هوش مصنوعی، شبکه‌ای از اشیا با قابلیت شناسایی واضح عناصر است که به کمک هوش نرم‌افزاری و حسگرها، امکان اتصال از هر مکان به اینترنت را داشته و با استفاده از زیرساخت‌های مخابراتی اینترنت، چیزها یا اشیا را برای تبادل اطلاعات با تولیدکننده، اپراتور و یا سایر دستگاه‌های متصل، توانمند می‌سازد. این فناوری به اشیاب فیزیکی (برای ارائه اطلاعات خاص)، اجازه درک کردن و کنترل از راه دور از طریق اینترنت را می‌دهد و فرصت‌ هایی برای یکپارچه‌سازی بیشتر بین دنیای فیزیکی و سیستم‌های کامپیوتری به وجود آورده که موجب بهبود کارایی، دقت و سود اقتصادی می‌شود. در هوش مصنوعی هر شی با استفاده از سیستم محاسباتیِ طراحی‌شده، به‌طور منحصربه‌فرد شناسایی می‌شود و می‌تواند با زیرساخت‌های موجود در اینترنت همکاری کند

 

۱-۱۰-  کاربردهای هوش مصنوعی

همانطور که در شکل ۱-۶ نشان داده شده است، سرویس ها و کاربردهای هوش مصنوعی در حوزه های متنوعی مطرح هستند، که از آن جمله می‌توان به این موارد اشاره کرد: ساختمان، انرژی، خانه و مشتری، سلامت، صنعت، حمل و نقل، خرده‌فروشی، امنیت عمومی، شبکه و فناوری اطلاعات. همچنین در این شکل، (۱)کاربردهای مذکور در گروه‌‌های مختلف دسته‌بندی شده‌اند (برای مثال در حوزه خانه هوشمند، گروه‌های زیرساخت، امنیت، تسهیلات رفاهی و سرگرمی وجود دارند)، (۲) نمونه‌هایی برای هر یک از این گروه‌ها آورده شده است (برای مثال در زیرگروه زیرساخت خانه هوشمند، مدیریت انرژی وجود دارد) و (۳) در نهایت تجهیزات مورد استفاده بیان شده است (برای مثال در حوزه خانه هوشمند، دوربین دیجیتال وجود دارد) [۷].

 

شکل ‏۱‑۶ سرویس ها و کاربردهای هوش مصنوعی

 

۱-۱۱-  کاربرد استفاده از فناوری هوش مصنوعی در شبکه هوشمند برق:

یک رویکرد مهم برای سرعت بخشیدن به سیستم اطلاعاتی شبکه برق است و برای مدیریت موثر زیرساخت شبکه شبکه سودمند است. جلوگیری از حوادث و کاهش خط انتقال برق یکی از مهمترین زمینه های کاربردی هوش مصنوعی است. فناوری پیشرفته سنجش و ارتباطات هوش مصنوعی می تواند به طور موثر از آسیب های بلایای طبیعی به خطوط انتقال جلوگیری کند و یا آن را کاهش دهد، قابلیت اطمینان انتقال قدرت را افزایش دهد و باعث کاهش ضررهای اقتصادی شود.یک نظرسنجی که توسط SAS انجام شده است نشان داده است که در ایالات متحده ۴۳ درصد از خدمات آب و برق در حال حاضر از هوش مصنوعی برای مدیریت خرابی استفاده می کنند.

 

۱-۱۲- شبکه های هوشمند برق مبتنی بر هوش مصنوعی در ایران

شبکه‌های هوشمند در کشورهای مختلف متناسب با ساختار شبکه قدیمی موجود، با روش‌های متفاوتی پیاده‌سازی شده است. در کشور ما هم این موضوع در حوزه‌های مختلف در حال پیگیری است و یکی از این حوزه‌ها طرح کلان ملی شبکه هوشمند (یکی از طرح‌های شورای عتف) است و مرکز توسعه شبکه هوشمند پژوهشگاه وزارت نیرو نیز مجری اجرای این طرح در کشور است. شبکه هوشمند، شامل بخش‌های مختلفی مثل کنتورهای هوشمند و ژنراتورهاست که هر کدام جداگانه در حال توسعه و پیاده‌سازی در کشور است. وزارت نیرو نیز متصدی یکپارچه‌سازی این بخش‌هاست تا از پتانسیل‌هایی استفاده شود که به صورت موازی پیاده‌سازی شده است. به این ترتیب می‌توانیم شبکه‌ای در کشور داشته باشیم که تولید پراکنده را تقویت و این صنعت را به سمت مصرف بهینه هدایت کند.

بیانیه چشم انداز شبکه هوشمند برق با نظر خبرگان به صورت زیر تدوین شد:

جمهوری اسلامی ایران در یک افق زمانی ده ساله تا سال ۱۳۳۳، با ایجاد و توسعه شبکه هوشمند برق به عنوان شبکه ای کارا، امن، منعطف و پایدار که برق باکیفیت و با قابلیت اطمینان بالا را در اختیار مشترکین و ذینفعان قرار میدهد و ارتقاء فناورانه شبکه انرژی کشور را با استفاده از فناوری های اطلاعات و ارتباطات، سامانه های هوشمند مدیریت و نیز تکنولوژی های شبکه قدرت به گونه ای فراهم می کند که موجب تعامل عناصر و بازیگران کل سیستم انرژی و نیز مدیریت بهینه عرضه و تقاضا می گردد. دستیابی به چنین شبکه هوشمند ای با ایجاد قابلیت یکپارچه سازی مولدهای تولید همزمان برق و حرارت و تجدیدپذیر، ضامن ارتقاء و تثبیت جایگاه ایران به عنوان کشور اول منطقه در توسعه فناوری و پیاده سازی شبکه هوشمند برق خواهد بود.

وقتی صحبت از هوشمندسازی می‌شود، این فناوری مبتنی بر هوش مصنوعی خواهد بود. پیاده‌سازی شهر هوشمند، شبکه هوشمند برق یا آب به کمک هوش مصنوعی ممکن است و اشیای مختلف در این شبکه با یکدیگر در تماس هستند؛ بنابراین استفاده از هوش مصنوعی به ایجاد ارتباط مناسب اجزای این شبکه کمک می‌کند. در مواردی این اشیا از طریق اینترنت به یکدیگر متصل می‌شوند و در جای دیگر پروتکل‌هایی مثل شبکه‌های کم‌مصرف با دامنه وسیع[۲] به ایجاد زیرساخت ارتباطی اشیا کمک می‌کنند.

امروز در حوزه هوش مصنوعی، پیشرفت‌های زیادی در کشور داشته‌ایم. در قسمت اشیا، حسگرهای مختلف ساخت داخل و خارج از ایران، بخش‌های مختلف خانه‌های هوشمند را پوشش داده‌اند و می‌توان تعدادی از فرمان‌های هوشمند را به کمک آنها پیاده‌سازی کرد. از نظر حسگرها که اشیای این شبکه هوشمند هستند، پیشرفت خوبی در کشور داشته‌ایم. با این حال در بستر مخابراتی و ارتباط بین حسگرها و عملگرها و ارسال داده‌ها، هزینه‌ها بسیار بالاست. اما اگر از بسترهای جدید مختص هوش مصنوعی و پروتکل‌هایی مثل LPWAN استفاده شود، هزینه و مصرف کمتر می‌شود. این بسترها حدود شش ماه است در شهرهای بزرگ برای استفاده در قسمت‌هایی مثل کنتورهای هوشمند آب پیاده‌سازی شده است. شهرداری‌ها نیز در زمینه شهر هوشمند در حال انجام طرح‌هایی مرتبط با هوش مصنوعی هستند. به نظر می‌رسد در آینده‌ای نه‌چندان دور بتوانیم از مزایای شبکه هوشمند برق در کشور بهره‌مند شویم.

 

۱-۱۳-  معماری لایه ای  شبکه

مهندسی شبکه کار بسیار پیچیده ای شامل مهندسی نرم افزار، سیستم عامل و سطح تراشه ها، سخت افزار، و پالس الکتریکی است. برای سهولت در مهندسی شبکه، کل مفهوم شبکه به لایه های چندگانه تقسیم شده است. هر لایه درگیر کارهای خاصی است و مستقل از همه لایه های دیگر عمل می کند. اما به طور کلی، تقریبا تمام کارهای شبکه به فعالیت های این لایه ها بستگی دارد. لایه ها روی یکدیگر قرار می گیرند و اشتراک گذاری داده ها را بصورت بین لایه ای انجام داده و به یکدیگر وابسته هستند طوری که هر لایه داده های ورودی را گرفته و داده های خروجی را به لایه های در معماری لایه ای مربوط به مدل های شبکه، کل فرایند شبکه به وظایف کوچک تقسیم شده است. هر کار کوچک به یک لایه خاص اختصاص داده شده و هر لایه طوری کار می کند که تنها همان کار خاص را انجام دهد.

در سیستم های ارتباطی لایه ای، یک لایه از یک میزبان با لایه های همکار خود در همان سطح در میزبان راه دور به انجام کار خاص می پردازد. این کار ممکن است از لایه های پایین ترین سطح و یا سطوح بالا آغاز شود. اگر کار توسط بالا ترین لایه آغاز شود، آن را برای پردازش بیشتر به لایه زیرین خود می فرستد. لایه های پایین تر نیز همین کار را انجام می دهند، کار را پردازش کرده و آن را به لایه زیرین خود می فرستند. اگر کار با پایین ترین لایه آغاز شود، مسیر معکوس به سمت لایه های بالاتر طی می شود. بعدی ارسال می کند. (شکل ۱-۷)

شکل ‏۱‑۷ سیستم های ارتباطی لایه ای

 

۱-۱۴-  پرسش پژوهش

  • هوش مصنوعی در شبکه های هوشمند برق چه کاربردی دارد.
  • چگونگی پیاده سازی هوش مصنوعی در سیستمهای برق قدرت
  • بررسی کاربردهای سیستمهای برق قدرت مبتنی بر هوش مصنوعی
  • بررسی معماری های موجود هوش مصنوعی و سیستم های برق مبتنی بر هوش مصنوعی و اینکه ایا این معماری ها جوابگوی نیاز های این سیستم ها هستند
  • چگونگی طراحی یک معماری لایه برای بررسی محدودیت ها و راه حل های مناسب جهت رفع این محدودیت ها

 

۱-۱۵-  فرضیه های پژوهش

  • به کارگیری هوش مصنوعی در سیستم های برق قدرت 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.
  • ارایه یک مدل مفهومی برای سیستمهای برق قدرت مبتنی بر هوش مصنوعی به مطالعه هر چه بهتر این تکنولوژی نو ظهور ، بررسی چالشهای پیش روی ان و یافتن راه حل های مناسب برای مقابله با این چالشها کمک به سزایی میکند.

۱-۱۶-  اهداف پژوهش

اصلی ترین هدف تحقیق ارایه یک مدل مفهومی برای سیستمهای برق قدرت مبتنی بر هوش مصنوعی است که در راستاي رسيدن به آن، اهداف زير دنبال خواهد شد:

  • یافتن شرایط بهینه و مناسب در خصوص توزیع قدرت، ذخیره انرژی، نظارت بر شبکه و ارتباطات
  • یافتن چالشهای پیش روی این سیستم ها و یافتن راه حل های مناسب برای مقابله با این چالشها
  • کاهش هزینه های تولیدو توزیع برق
  • کاهش اثرات مخرب زیست محیطی سیستمهای برق قدرت
  • ارایه خدمات بهتر و امن تر در خصوص توزیع برق
  • مطالعه هر چه بهتر سیستمهای برق قدرت مبتنی بر هوش مصنوعی

 

۱-۱۷-  جنبه های نو اوری پژوهش

  1. بررسی نقش اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی سیستمهای مذکور
  2. بررسی کاربرد و نحوه پیاده سازی هوش مصنوعی موضوعی نسبتا جدید است که تا کنون چندان به ان پرداخته نشده. این مطالعه علاوه بر نو بودن ان جامع بوده و به مطالعات اینده کمک به سزایی میکند. علاوه بر این مطالعه ان نیازمند یک معماری مناسب هست که در این کار یک معماری چند لایه معرفی شده. علاوه بر موارد مذکور مواری زیر نیز از جنبه های نو اوری این کار میباشد:
  • بیان محدودیت موجود در سیستمهای برق قدرت مبتنی بر هوش مصنوعی-
  • مرور جامع و گسترده کاربردهای این سیستم ها

 

 

۲-۱- ws مقدمه

در این فصل نگاهی به کاربرد هوش مصنوعی در شبکه های هوشمند برق و سیستمهای برق قدرت انداخته شده. هوش مصنوعی در شبکه های هوشمند انرِ کاربرد گسترده ای دارن.( شکل ۱-۲ )بخشی از این کاربردها را از فاز تولید گرفته تا فاز توزیع و مصرف نمایش میدهد. بعد از ان به معرفی معماری های سیستمها (لایه ای و غیر لایه ای) و بر مبنای ان مطالعه مروری بر معماری های ارایه شده برای سیستمهای مبتنی بر هوش مصنوعی  صورت گرفته که بعدا در فصل چهارم با توجه به مطالعه صورت گرفته معماری جدیدی معرفی خواهد شد.

 

شکل ‏۲‑۱ کاربردهای هوش مصنوعی

 

۲-۲- هوشمند سازی منابع انرژی توزیع شده (DER)[3]

نسلDER  به عنوان زیرساخت تولید برق جدید غالب خواهد شد. هوش مصنوعی می تواند بهره وری  نسل DER را بهبود بخشد و بنابراین باید در تمام فازهای تولید برق یعنی، طراحی نمونه کارها نیروگاه، مکان، عملیات، نگهداری و بهینه سازی مستقر شود. علاوه بر این، استقرار هوش مصنوعی در تولید برق، قابلیت اطمینان، مقرون به صرفه بودن و دسترسی ایمن به نیرو  را تضمین می کند. برای حفظ تعادل بهینه نمونه کارها تولید نیروگاه برق و عملیات EPES هوشمند، جمع آوری داده ها از هر دو شبکه موجود انتقال و توزیع  برق مهم است و این داده ها متعاقبا نیاز دارند تا برای پیش بینی بار، وضعیت و کنترل توزیع EPES تحلیل شوند [۸]. این داده ها میتوانند با استفاده از دستگاه های IOT مانند کنتور هوشمند، تغذیه کننده های هوشمند، واحد های اندازه گیری فازور میکرو(PMUs)، جمع آوری شوند [۹].

از آنجایی که خروجی تولید برق می تواند بسته به پارامترهایی مانند ابرهای مرتبط به شدت تابش خورشید(برای نیروگاه های خورشیدی) و الگوهای بادی (برای نیروگاه های بادی)، نوسان داشته باشد، محل نیروگاه به طور ویژه ای برای نیروگاه های انرژی تجدید پذیر مهم است. نرم افزار IOT شامل محاسبات ابری، بار پیشرفته و الگوریتم های شبیه سازی آب و هوا  چاره ای است برای گزارش چنین نوساناتی. راه حل های سخت افزاری IOT شامل پیمایش کننده ها، توربین های ماژولار و ذخیره کننده های برق می شود [۸].

فناوری های IOT از تجزیه و تحلیل های پیشرفته مبتنی بر ابر استفاده می کند، به صورت مثال یک IT جامع و چشم انداز ترانسپوندر نوری برای فراهم کردن یه بینش بلادرنگ، درون عملیات نیروگاه برق و در نتیجه بهبود دید در سراسر نیروگاه موجود. این بهینه سازی عملیات نیروگاه برق، تولید پایدار و پیش بینی یا تعمیر و نگهداری به موقع را تضمین می کند [۸]. یک مثال تولید برق دیجیتالی نیروگاه برق مجازی یا دوقولو توسعه یافته توسط جنرال الکتریک (GE) با استفاده از  Predix، یک پلت فرم هوش مصنوعی مبتنی بر ابر است [۱۰].

 

۲-۳-  هوشمند سازی شبکه انتقال و توزیع برق (T&D)[4]

شبکه T&D برق موجود با یک تعداد از چالش ها شامل زمان های پاسخ قطع برق معوق، تلفات برق، سرقت داده ها و ادغام DER ، مواجه است. دیجیتال سازی شبکه T&D برق موجود با IOT می تواند این چالش ها را کم کند. هوش مصنوعی شبکه T&D برق موجود را از قابلیت های کنترل و نظارت هوشمند بهره مند می سازد، که اپراتورهای T&D را  برای پاسخ فعالانه به قطع برق، نگرانی های آدرس مشتری و گزارش بهتر برای ادغام DER ،توانمند می سازد. بعلاوه،  هوش مصنوعی میتواند به کاهش تلفات نیرو و سرقت داده ها در طول انتقال و توزیع به ترتیب به وسیله تنظیم پارامترهای الکتریکی (ولتاژ، جریان، توان، و فاز) به صورت بلادرنگ و به وسیله ی ردیابی منبع سرقت، کمک کند. شبکه T&D برق میتواند با هوش مصنوعی به صورت موثر تر و قابل اعتماد تر تحویل برق بهینه را تضمین کند. مثال هایی از دستگاه ها و فناوری های هوش مصنوعی در شبکه های برقی T&D عبارتند از کنتورهای هوشمند، اینورتر های هوشمند، و حسگرهای شبکه توزیع برق [۸].

۲-۴-  هوشمند سازی  مصرف برق

فناوری ها و دستگاه های هوش مصنوعی (به عنوان مثال حسگرهای هوش مصنوعی)گرداننده های اصلی همکاری برای رشد میکرو شبکه ها یا نانو شبکه ها، خانه های هوشمند با عملکردهای هوشمند، انتقال الکتریکی و سیستم های ذخیره انرژی توزیع شده هستند. در نتیجه ِ این رشد، نقش مشتری ها در حال تحول هستند. اکنون مشتری ها قادرندبه صورت محلی از منایع تجدید پذیر برای رفع نیاز های خود برق تولید کند و می تواند در تبادل برق با شبکه های برق مشارکت کند. و استفاده از داده ها که به ایشان کمک می کند به صورت موثرتر از نیرو استفاده کنند، اتلاف نیرو را کاهش دهند و هزینه ها را کنترل کنند. سیستم های ذخیره سازی برق توزیع شده به لحاظ برخورداری از انعطاف پذیری بیشتر، کنترل بهتر، مقیاس پذیری و قابلیت اطمینان افزون تر ، مزیت بیشتری نسبت به سیستم های ذخیره سازی متمرکز دارند [۱۱]. سیستم های ذخیره سازی برق توزیع شده، مانند یک باتری و خودروهای های الکتروینک برای گزارش هر نوسان در تولید برق از منابع تجدید پذیر دچار بحران هستند. اگر تولید کمتر از تقاضا شود، باتری یا خودروهای های الکتروینک می تواند کمبود را جبران کند. از سوی دیگر، تولید اضافی از منابع تجدید پذیر می تواند در باتری یا خودروی های الکتروینک ذخیره شود یا می تواند به شبکه های برق عرضه شود. مثال هایی از سناریوهایی که در آن مشتریان می توانند برای شرکت در مبادلات برق با شبکه برق شامل محیط هوشمند خانه (شکل ۲-۲) [۱۲] و پارک های هوشمند (شکل ۲-۳) [۱۳]. طرح های نوآورانه قیمت گذاری [۱۴] و مدل های تجاری استراتژیک نیاز دارد از طریق خدمات رفاهی برای سود حداکثر استخراج از این سناریوها انجام شود [۱۵]، [۸].

 

شکل ‏۲‑۲ خانه های هوشمند

[۱] Smart Grid

[۲] Low Power Wide Area Network

[۳] Distributed Energy Resource

[۴] Transmission and Distribution

برچسبها
محصولات مرتبط

دیدگاهی بنویسید.

0