بررسی شبکه‌های غیر هوشمند :

• شبکه‌های غیر هوشمند برق

 سالیان طولانی (حدود ۱۰۰ سال) است که ساختار بنیادی و اولیه‌ی شبکه‌های برق، بدون تغییر باقی مانده است. شبکه‌های برق غیر هوشمند با روند سلسله مراتبی، برق را از طریق نیروگاه از محل تولید به محل مصرف منتقل می‌کنند. شکل زیر بیانگر شبکه برق معمولی است که دارای ساختار سلسله مراتبی است که نیروگاه‌های بزرگ (شامل نیروگاه‌های ذغالی/ گاز طبیعی، هسته‌ای، برق آبی) در بالاترین سطح و مصرف کنندگان در پائین‌ترین سطح این ساختار مشاهده می‌شوند. این شبکه‌ها در حالت کلی به صورت خط‌های توزیع یک‌طرفه‌ای هستند که تمام برق تولیدی را به مشترکین تحویل می‌دهند. در این ساختار، هیچ مسیر دوطرفه‌ای برای جریان برق و تبادل همزمان اطلاعات و تصمیم‌گیری در سطح سراسری شبکه برق وجود ندارد .

مهم‌ترین مشکلات در شبکه‌های برق موجود به شرح زیر قابل بررسی است :

• عدم کارآیی شبکه برق در مدیریت حداکثر تقاضا

حداکثر تقاضای بار، بیش از حد نیاز طراحی می‌شود. حداکثر دیماند به ندرت بیش از یک دوره کوتاه مدت در زمان رخ می‌دهد در حالی که شبکه‌ی برق باید همواره برای این حداکثر دیماند آماده باشد و این موضوع سبب ناکارآمدی سیستم قدرت خواهد شد. علاوه بر این، شبکه برق باید توانایی تولید یک میزان اضافی برق را داشته باشد که این مازاد در درجه اول بر عهده‌ی نیروگاه‌های توان فسیلی می‌باشد که تاثیراتی مانند بهره‌وری پائین‌تر، هزینه‌ی بالاتر تولید و تولید گازهای گلخانه‌ای بیشتر و در نتیجه آلودگی هوا و پیش رفتن به سوی گرمایش جهانی را در پی خواهد داشت.

علاوه بر این، برای پاسخ گویی به تقاضای انرژی بیشتر، شرکت‌های برق باید ظرفیت تولید خود را افزایش دهند. این افزایش ظرفیت با افزایش سریع نرخ سوخت فسیلی همراه است و در مجموع، هزینه‌ی زیادی را در پی خواهد داشت. با ساخت نیروگاه‌های بیشتر ممکن است این مشکل حل شود ولی ساخت نیروگاه بیشتر، رویکرد عاقلانه و خوشایندی از دیدگاه زیست محیطی برای تامین نیاز برق نیست.

• قابلیت محدود شبکه‌ی برق غیر هوشمند در استفاده از منابع تولید پراکنده و منابع انرژی تجدیدپذیر

برای تأمین انرژی در زمان‌های اوج مصرف می‌توان از منابع تولید انرژی دیگر مانند منابع انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده کرد. انرژی‌های تجدید‌پذیر که از منابع تولید انرژی پراکنده (DER) محسوب می‌شوند، به طور قابل توجهی در حال رشد می‌باشند ولی پشتیبانی شبکه‌ی توزیع برق غیر هوشمند در یکپارچه‌سازی این منابع دارای کفایت کافی نیستند. علت این امر وجود ساختار سلسله مراتبی و سبک و سیاق کنترل مرکزی است که برای شارش جریان برق دو طرفه‌ی طراحی نشده است.

• عدم توانایی شبکه در تبادل اطلاعات قابل اطمینان

برای سهولت در عیب یابی، تعمیر و نگه‌داری تجهیزات شرکت‌های برق که معمولاً گران‌قیمت می‌باشند، سطوح مختلفی برای ارسال فرمان و کنترل ایجاد می‌شود همانند سیستم “کنترل نظارتی و اخذ داده‌ها”. با محدودیت‌هایی که شرکت‌های کنترل توابع در سطح بالای شبکه‌های توزیع دارند، شرکت‌های توزیع در سطوح پایین، قادر به کنترل در زمان واقعی نیستند. این نقصان، در طرف مصرف کننده نیز مشاهده می‌شود و سبب می گردد مشترکین برق، به هیچ‌گونه اطلاعاتی در مورد نحوه قیمت‌گذاری برق خود و/یا میزان مصرف انرژی در هر لحظه از زمان دسترسی نداشته باشد و از این رو تمایل برای استفاده بهتر و کارآمد‌تر و پاسخ‌گویی به تقاضا کمتر می‌شود.

• مستعد بودن شبکه‌ی غیر هوشمند برای بروز خاموشی و اختلال کیفیت توان

افزایش روز افزون تقاضا برای انرژی الکتریکی که با ضعف و عقب‌ماندگی سرمایه گذاری در زیرساختارهای برق همراه شده است، پایداری و ثبات سیستم را کاهش داده است. هرگونه افزایش پیش بینی نشده در تقاضا و یا انحراف در سیستم‌های توزیع شبکه‌ی برق، می‌تواند منجر به خرابی تجهیزات و در نتیجه خاموشی سراسری گردد و این قضیه می‌تواند به ضرر و زیان‌های شدید اقتصادی منجر شود.

کارخانجات تولیدی با تکنولوژی بالا و زیرساخت‌های حیاتی هم‌چون شبکه‌های ارتباطی و خطوط لوله که به کیفیت بالای توان تکیه می‌کنند، در صورت عدم کیفیت توان شبکه‌های برق، عملکردشان مختل می‌شود. لذا کارخانجات مذکور برای مقابله با این بی کیفیتی توان باید تدابیری را اتخاذ کنند. این عدم اطمینان برای مصرف کنندگان میلیاردها دلار هزینه بر است.

• قدیمی و منسوخ بودن شبکه برق

بیش از ۱۰۰ سال است که از طراحی شبکه‌های برق می‌گذرد؛ مدت‌ها قبل از زمانی که فن‌آوری‌های دیجیتال که امروزه بسیار به آنها تکیه می‌شود بوجود آیند. سیستم‌های انتقال انرژی و شبکه‌های توزیع رایج، بسیار قدیمی هستند و در ساخت آنها از تکنولوژی‌های منسوخ شده بهره‌گیری شده است. زیرساخت‌های ارتباطی موجود به عواملی چون ناحیه پوشش، ظرفیت و توانایی محدود شده‌اند.

• آسیب پذیری شبکه‌های موجود بر اثر بلاهای طبیعی

شبکه‌های موجود برق در قبال بلاهای طبیعی هم‌چون زلزله آسیب پذیر هستند. طراحی شبکه‌های غیر هوشمند برق به گونه‌ای است که پس از بلایای طبیعی، بدون خاموشی سراسری نمی‌توان آن را بازیابی نمود. یک اتصال کوتاه تک‌فاز بر اثر یک حادثه طبیعی در شبکه برق، می‌تواند منجر به از دست رفتن میزان قابل توجهی از انرژی گردد. عدم وجود منابع تولید پراکنده مانند منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه‌ی سراسری برق منجر شده است آسیب پذیری این شبکه بر اثر بلایای طبیعی بیشتر گردد. این موارد به دلیل ساختار سلسله‌ای و کنترل مرکزی شبکه برق می باشد.

• ناکارآمدی شبکه با گسترش خودروهای الکتریکی و هیبرید الکتریکی  (EVs و PHEVs)

وسایل نقلیه سبز عموماً شامل وسایل نقلیه هیبرید الکتریکی و وسایل نقلیه تمام الکتریکی باتری‌دار می‌شود. تولید گازهای گلخانه‌ای کمتر (GHG) و هم‌چنین عدم تولید دیگر مواد آلاینده برترین مزیت این وسایل به نسبت خودروهای بنزین سوز با موتورهای احتراق داخلی است. با بکارگیری وسایل نقلیه الکتریکی هیبرید میزان آلایندگی هوا به میزان قابل توجهی کاهش یابد. تولید چشم‌گیری از ‌EVها در آینده‌ای نه چندان دور می تواند زیان‌های قابل توجهی برای شبکه‌های برق داشته باشد زیرا با شبکه‌های برق غیر هوشمند فعلی، این خودروها می‌توانند شبکه را با مشکلاتی مانند overloading یا اضافه بار مواجه کنند و همچنین کاربران این خودروها ممکن است اطلاعی از زمان بهینه برای شارژ باتری خودروی خود نداشته باشند.

شبکه‌های هوشمند توزیع برق

شبکه‌های هوشمند به تکامل و به‌روز شدن شبکه‌های موجود نسبت داده می‌شوند و شامل مونیتورینگ پیشرفته، اتوماسیون و کنترل تولید برق، انتقال و توزیع آن هستند. شبکه‌ی برق هوشمند از سه نقطه نظر قابل تعریف است:

• برای مصرف کننده Smart Grid بدین معنی است که آن‌ها می‌توانند بروی مصرف خود مدیریت هوشمندانه انجام دهند تا در ساعات پیک که قیمت انرژی گران می‌باشد، هزینه‌ی کمتری بپردازند
• برای کارشناسان محیط زیست، این شبکه بمعنی استفاده از تکنولوژی جهت کمک به حل تغییرات مضر آب و هوایی و اجتناب از تولید گازهای کربن بیش از اندازه می‌باشد
• برای همکاران صنعت برق پیک سایی و تصمیم‌گیری هوشمندانه و ارائه‌ی اطلاعات دقیق از وضعیت شبکه است.

شبکه‌های هوشمند توزیع انرژی الکتریکی یکی از جدیدترین تکنولوژی‌های روز دنیا و حاصل سعی و تلاش متخصصین جهت مدرنیزه نمودن شبکه‌های توزیع و ورود به قرن دیجیتال است. اصلی ترین هدف، تأمین برق مطمئن و پاسخگوئی به نیازهای رو به رشد مشتریان با کمترین خسارت به محیط زیست است. اولین شبکه هوشمند جهان در مارس ۲۰۰۸ معرفی گردید و شهر بالدر ایالت کلرادو آمریکا موفق به دریافت عنوان اولین شهر با شبکه توزیع برق هوشمند گردید هدف طراحان با بکارگیری تکنولوژی هوشمند حول سه محور اصلی مشترکین‌، تجهیزات و ارتباطات می‌باشد. تکنولوژی هوشمند توانایی ایجاد تغییرات اساسی در تولید، انتقال، توزیع و استفاده از انرژی الکتریکی به همراه منافع اقتصادی و محیطی دارد که در نهایت به برآورده نمودن نیازهای مشتریان و در دسترس بودن برق مطمئن و پایدار ختم می شود . از طرف دیگر سیستم می تواند با استفاده از اطلاعات جمع آوری شده در مواقع بحرانی، تصمیم گیری نماید و از خاموشی‌های ناخواسته جلوگیری کند.

افزایش استفاده از اطلاعات دیجیتال و فناوری‌های کنترل سبب می‌شود قابلیت اطمینان‌، امنیت و بهره‌وری از شبکه‌ی برق، و همچنین یکپارچگی تولید پراکنده، پاسخ به میزان تقاضا، و بهره‌وری انرژی بیشتر شود.

نتایجی که از راه اندازی شهر نمونه بدست آمده است به شرح ذیل است :

* کاهش سرمایه مورد نیاز در زیر ساخت‌های توزیع و پست‌ها حدود ۱,۲۰۰,۰۰۰ دلار در سال

* کاهش هزینه‌های نگهداری ترانس‌های توزیع حدود ۳,۰۰۰۰,۰۰۰ دلار در سال

* کاهش هزینه نگهداری ترانس‌های فشار ضعیف به میزان ۱,۰۰۰,۰۰۰ دلار در سال

کاربری‌های شبکه‌های برق هوشمند

به طور کلی برای شبکه‌های برق هوشمند ۶ کاربری اساسی تعریف می شود:

زیرساخت‌های اندازه گیری پیشرفته، پاسخ به تقاضا یا مدیریت سمت تقاضا، منابع تولید پراکنده و ذخیره سازی، اتوماسیون توزیع، آگاهی فراگیر از موقعیت منطقه، و حمل و نقل الکتریکی که در ادامه، به برخی از آن‌ها اشاره می‌گردد.

 قرائت خودکار دستگاه‌های اندازه گیری / زیرساخت‌های اندازه گیری پیشرفته (AMR/AMI)

سرمایه‌گذاری‌های اخیر بیشتر روی کنتورهای هوشمند که در سیستم توزیع برق قرار گرفته‌اند متمرکز شده است. پروژه‌های آزمایشی اغلب به معرفی قرائت خودکار کنتورهای اندازه گیری در سمت توزیع می پردازند. دستگاه‌های AMR با دارا بودن پورت ارتباطی یک طرفه در درجه اول به منظور صدور حساب ماهیانه مشترکین نصب و راه اندازی می شوند به گونه‌ای که دیگر نیازی به حضور فرد برای قرائت کنتور اندازه گیری هر مشترک نمی باشد. در فاز بعدی ‌AMI‌ها راه‌اندازی می‌شوند که یک مسیر ارتباطی دوطرفه بین مشترک و شرکت برق ایجاد می کنند. ساختار کنتورهای سنتی با کنتورهای هوشمند جایگزین می شوند که این امکان را برای شرکت‌های برق مهیا می‌کند که به جمع آوری، اندازه گیری و تجزیه و تحلیل اطلاعات مصرف انرژی به منظور مدیریت شبکه، اطلاع از خاموشی و صدور صورت حساب از طریق این ارتباط دوطرفه می پردازد. دستگاه‌های AMI ابزاری هستند که می‌توانند سابقه مصرف انرژی مشترک در بازه‌های مختلف زمانی را جمع آوری نموده، میزان مصرف انرژی مشترکین خانگی یکسان را مقایسه کرده و اطلاعات مربوط به قیمت گذاری پویا و روش‌های پیشنهادی برای کاهش بار پیک را از طریق صفحه نمایش خانه به اطلاع مشترک برساند. برای دست‌یابی به اهداف معینی از قبیل بازخورد داده‌ها در زمانی نزدیک به زمان‌ واقعی، تجزیه و تحلیل کامل مدیریت انرژی نیاز به نصب و راه اندازی  AMIها می باشیم.

مشخصه‌های اصلی شبکه‌های هوشمند

مشخصه‌های اصلی شبکه‌های برق هوشمند در واقع بیان ویژگی‌های این شبکه‌ها بر مبنای قابلیت آن‌هاست. شبکه‌های برق هوشمند به منظور از بین بردن معایب نامبرده از شبکه‌های موجود تعریف شدند و دارای مشخصات زیر هستند:

• مشارکت آگاهانه و فعالانه مصرف کنندگان در شبکه‌های برق هوشمند

مشارکت فعال مصرف کنندگان در بازارهای برق، دارای فواید عینی برای شبکه و شرکت‌های برق می باشد. شبکه‌های برق هوشمند اطلاعات لازم در زمینه الگوی مصرف و هزینه برق مصرفی را در اختیار مصرف کننده قرار می هند و این امکان فراهم می شود تا مشترکین در بازارهای جدید برق فعالیت کنند. اطلاع رسانی صحیح و درست به مصرف کنندگان سبب می شود آنها بتوانند میزان مصرف را بر اساس توازنی بین توان درخواستی و منابع تولید محلی و شبکه برق موجود تغییر دهند. توانایی کاهش و یا تغییر زمان اوج مصرف بار این امکان را برای تولیدکنندگان برق مهیا می‌سازد تا بتوانند هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی را کاهش دهند و این در حالی است که هم‌زمان منفعت‌های زیست محیطی با کاهش تلفات خط و به حداقل رساندن مدت زمان عمل‌کرد نیروگاه‌های با راندمان کم حاصل می‌شود.

• اصلاح تولید و میزان ذخیره

یک شبکه هوشمند برق دارای قابلیت بهره‌وری از نیروگاه‌های بزرگ و متمرکز و هم‌چنین منابع تولید انرژی پراکنده در محل مصرف‌کننده را داراست. با آنکه نیروگاه‌های بزرگ شامل نیروگاه‌های پیشرفته هسته‌ای هم‌چنان ایفاگر نقش اساسی در شبکه برق هوشمند هستند می توان تعداد زیادی از منابع تولید پراکنده کوچک را از قبیل سلول‌های فتوولتائیک، باد، باتری‌های پیشرفته ، پلاگین در خودروهای هیبریدی و سلول‌های سوختی را در این شبکه بکار برد. منابع پراکنده تولید به سادگی می‌توانند به شبکه برق متصل شوند و قابلیت بهره گیری آسان از انواع مختلف منابع با یکدیگر به‌صورت Plug and Play حاصل می شود.

• فراهم آوردن کیفیت توان مورد نیاز

مانیتورینگ و نظارت، تشخیص و عکس العمل به پائین بودن کیفیت توان منجر به کاهش چشم‌گیر ضرر و زیان مشترکین در مقایسه با حال حاضر خواهد شد. روش‌های کنترل پیشرفته‌ی نظارت بر منابع اصلی، امکان تشخیص سریع و راه‌کار مقابله با عواملی که سبب کاهش کیفیت توان شده‌اند، از قبیل رعد و برق، نوسانات شدید، خطاهای خط و منابع ‌هارمونیکی، را فراهم می‌آورد. با استفاده از شبکه‌های برق هوشمند می‌توان به سطوح مختلف کیفیت توان با قیمت‌های مختلف دست یافت.

• انعطاف پذیری در قبال اختلالات و بلایای طبیعی

شبکه‌های برق هوشمند قادر به مواجهه با رویدادهای غیرمنتظره هستند و می توانند قسمت مشکل زا را از شبکه جدا نمایند تا بقیه شبکه به حالت کار عادی برگردد. این تشخیص و عملکرد خودکار سبب می‌شود زمان قطع سرویس مشتریان کاهش یافته و مدیریت بهتری با زیرساخت‌های موجود برای تحویل توان توسط شرکت‌های برق ارائه گردد.

• محصولات جدید، خدمات جدید و بازار جدید

شبکه‌های برق هوشمند امکان ارتباط بین خریدار و فروشنده، از مصرف کننده تا شرکت‌های برق منطقه‌ای (RTO) ، را مهیا می‌سازد. این قابلیت سبب ایجاد بازارهای جدیدی می‌شود که دامنه آن از سطح مدیریت انرژی در محل مصرف‌کننده تا پیشنهاد فروش انرژی در آن سطح گسترده است. با افزایش مسیرهای انتقال و نصب منابع تولید انرژی در نزدیکی مصرف کننده سهم مشارکت مشترکین در بازار افزایش می یابد.

• کاربرد شبکه‌های هوشمند در راستای بهینه سازی استفاده از تجهیزات و راندمان بالاتر عملکرد

شبکه‌های هوشمند آخرین فن آوری‌ها را برای بهره وری مؤثرتر از تجهیزات بکار می برند. اثربخشی تعمیر و نگه‌داری با در نظر گرفتن شرایط انجام تعمیر و نگه‌داشت بهینه می‌شود به گونه‌ای که زمان دقیق و مورد نیاز برای تعمیر و نگه‌داری تجهیزات را بیان می‌کند. دستگاه‌های کنترل سیستم به گونه‌ای می‌توانند تنظیم شوند که میزان پرشدگی و تلفات خط را کاهش دهند. در این نوع دستگاه‌های کنترل امکان تحویل انرژی با حداقل هزینه به مصرف کنندگان نهایی امکان پذیر می باشد که در نهایت می تواند راندمان بهره برداری را افزایش دهد.

پروژه‌های شبکه‌های برق هوشمند در دنیا

شبکه‌های برق هوشمند به طور فراگیر در اروپا، امریکای شمالی و آسیا راه اندازی شده و یا در حال راه اندازی می‌باشند در حالی‌که در دیگر نقاط جهان روند اجرای این شبکه‌ها به صورت تدریجی درحال شکل گیری است. نصب و راه اندازی کاربری پاسخ به تقاضا و مدیریت سمت بار به صورت گسترده‌ای مورد قبول صنعت برق و نهادهای قانون‌گذار قرار گرفته است. سودمند بودن این مقوله برای تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان برق از دیدگاه ذخیره نمودن برق باعث شده است مقبولیت این کاربری رشد روزافزونی داشته باشد. امکان بهره‌وری از این کاربری به نهادینه کردن سیستم‌های قرائت زمان‌ حقیقی و زیرساخت‌های اندازه‌گیری پیشرفته بستگی دارد.

در آسیا، کشورهایی هم‌چون چین، کره جنوبی کاربری‌های AMI و پاسخ به تقاضا را بهره‌برداری کرده اند در حالی‌که کشورهایی نظیر پاکستان، سنگاپور ، هند و ترکیه به صورت پروژه‌های آزمایشی کاربری‌های مذکور را به اجرا گذاشته‌اند و در نظر دارند تا در آینده‌ای نزدیک بهره‌برداری کامل از این کاربری‌ها را در دستور کار خود قرار دهند.

باید به این نکته اشاره کرد که در شهرهایی همچون لس‌آنجلس، شانگهای و دهلی که از شبکه‌های برق HVDC استفاده می‌شود، تکنولوژی برق هوشمند همگام با شبکه‌ی HVDC پیش می‌روند.  «فشار-قوی جریان مستقیم یا اچ‌وی‌دی‌سی (به انگلیسی: High-voltage direct current یا HVDC) یا انتقال به صورت جریان مستقیم با ولتاژ بالا، نوعی سیستم انتقال انرژی الکتریکی است. این روش راهی نوین برای انتقال انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کلان است و در این زمینه جایگزین خوبی در مقابل روش سنتی (استفاده از جریان متناوب) به شمار می‌رود. فن‌آوری ساخت این نوع سیستم به دهه ۱۹۳۰ میلادی در سوئد بازمی‌گردد. از اولین خطوط ساخته شده با این تکنولوژی می‌توان خط انتقال بین مسکو و کاشیرا در اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۵۱ میلادی و سیستم انتقال ۱۰ تا ۲۰ مگاواتی واقع در سوئد را نام برد که در سال ۱۹۵۴ میلادی به بهره‌برداری رسید.