اندازه گیری کیفیت توان و پایش پست‌ها با VPN و رکوردر ALTRA

اندازه گیری کیفیت توان در پست‌ها و نقاط توزیع زمانی ارزش عملیاتی پیدا می‌کند که داده‌ها به‌شکلی قابل اتکا، پیوسته و از راه دور به مرکز کنترل برسند. در تاسیسات برق پراکنده، به‌ویژه پست‌های فاقد اپراتور دائم، ترکیب رکوردرهای دیجیتال با ارتباط بی‌سیم و شبکه خصوصی مجازی (VPN) یکی از راه‌حل‌های عملی برای پایش، تحلیل رخدادها و بهبود تصمیم‌گیری بهره‌برداری است.

در بسیاری از شبکه‌های قدرت، فاصله میان مراکز دیسپاچینگ و تاسیسات به ده‌ها یا حتی صدها کیلومتر می‌رسد. همین پراکندگی جغرافیایی، همراه با نبود پرسنل ثابت در شمار زیادی از پست‌ها و نقاط توزیع، باعث شده است که روش‌های سنتی تله‌مکانیک به‌تدریج جای خود را به سامانه‌های دیجیتال بی‌سیم و معماری‌های ارتباطی مدرن‌تر بدهند.

چرا پایش از راه دور در تاسیسات برق ضروری است؟

شبکه قدرت ذاتا سامانه‌ای گسترده و پراکنده از نظر جغرافیایی است. نیروگاه‌ها، پست‌ها و نقاط توزیع در سطح وسیعی قرار گرفته‌اند و کنترل آن‌ها معمولا از مراکز دیسپاچینگ یا کنترل مرکزی انجام می‌شود؛ مراکزی که ممکن است صدها کیلومتر با تجهیز مورد نظر فاصله داشته باشند.

ویژگی مهم دیگر، نبود نیروی بهره‌بردار مستقر در بسیاری از سایت‌ها است. این وضعیت به‌خصوص در پست‌ها و نقاط توزیع با ولتاژ نامی تا ۱۱۰ کیلوولت بسیار رایج است. در چنین نقاطی، بهره‌برداری یا توسط تیم‌های عملیاتی سیار انجام می‌شود یا به‌صورت دورکار و مبتنی بر سامانه‌های تله‌مکانیکی و دیجیتال.

در عمل، هرچه شبکه بزرگ‌تر و پراکنده‌تر باشد، نیاز به مشاهده لحظه‌ای وضعیت، ثبت رخداد، تحلیل کیفیت انرژی و بررسی وضعیت کلیدزنی بیشتر می‌شود. اگر داده‌ها در زمان مناسب به مرکز کنترل نرسند، ارزش تشخیصی آن‌ها کاهش می‌یابد؛ به‌ویژه در خطاهای گذرا، افت ولتاژ، اضافه‌بارهای لحظه‌ای یا عملکرد نامطلوب حفاظت.

از تله‌مکانیک سنتی تا ارتباطات دیجیتال بی‌سیم

سال‌ها تبادل اطلاعات میان مراکز کنترل و تاسیسات قدرت از طریق کانال‌های تله‌مکانیک انجام می‌شد. این روش هنوز هم در برخی شبکه‌ها فعال است، اما روند جهانی به‌سمت پیاده‌سازی فناوری‌های اندازه‌گیری گسترده بی‌سیم و ارتباطات دیجیتال حرکت کرده است.

وقتی تجهیزات اتوماسیون پست شامل کنترل، حفاظت رله‌ای، سیگنالینگ و اندازه‌گیری دیجیتال می‌شوند، طبیعی است که بستر ارتباطی هم از مدل‌های قدیمی فاصله بگیرد. در چنین معماری‌ای، ارتباطات دیجیتال بی‌سیم می‌توانند بخشی از نقش کانال‌های سنتی تله‌مکانیک را بر عهده بگیرند؛ البته به این شرط که ملاحظات امنیت، پایداری لینک، تاخیر و صحت داده به‌درستی در طراحی دیده شده باشد.

برای شرکت‌هایی که در حوزه بهبود کیفیت توان، فیلترهای هارمونیک و دستگاه‌های آنالیزور کیفیت توان فعالیت می‌کنند، این نکته بسیار مهم است: بدون زیرساخت ارتباطی مناسب، حتی بهترین داده‌های اندازه‌گیری هم به تصمیم عملیاتی مفید تبدیل نمی‌شوند. در پروژه‌های واقعی، بخش قابل توجهی از موفقیت طرح به انتخاب معماری ارتباط، مدیریت دسترسی و یکپارچگی داده وابسته است.

اندازه گیری کیفیت توان و کمیت‌های عملیاتی دقیقا شامل چه چیزهایی است؟

یکی از وظایف اصلی مرکز دیسپاچینگ یا بهره‌برداری، دریافت و تحلیل کمیت‌های الکتریکی از نیروگاه‌ها، پست‌ها و نقاط توزیع است. این کمیت‌ها فقط به ولتاژ و جریان محدود نمی‌شوند، بلکه مجموعه‌ای از اطلاعات پیوسته و رخدادی را در بر می‌گیرند.

• ولتاژ باس‌بار یا شین
• جریان فیدرها و انشعاب‌ها
• خروجی‌های باینری سنسورهای وضعیت تجهیزات الکتریکی
• وضعیت کلیدها و تجهیزات سوئیچینگ
• داده‌های لازم برای تحلیل رخداد و ترنزینت

برای این منظور، در سایت‌های قدرت از دستگاه‌های ثبت‌کننده یا رکوردر استفاده می‌شود. بسته به نوع تجهیز، این دستگاه ممکن است فقط ثبت‌کننده رخداد باشد، یا علاوه بر ثبت، محاسبه و نمایش کمیت‌های RMS، توان‌ها و ضریب توان را هم انجام دهد.

تفاوت رکوردر رخداد با یک آنالیزور کامل کیفیت توان را باید دقیق درک کرد. هر رکوردر دیجیتال الزاما همه شاخص‌های استاندارد کیفیت توان، مانند فلیکر، عدم تعادل، هارمونیک‌های مرتبه بالا یا وقفه‌های طبقه‌بندی‌شده را ارائه نمی‌دهد. با این حال، در بسیاری از کاربردهای پست، همین رکوردرها نقشی کلیدی در ثبت گذراها، تشخیص خطا و بازسازی توالی وقایع دارند.

رکوردر دیجیتال ALTRA چیست و چه کاربردی دارد؟

در یک نمونه توسعه‌یافته برای تاسیسات قدرت، خانواده‌ای از تجهیزات دیجیتال با نام ALTRA برای ثبت کمیت‌های عملیاتی و رخدادهای شبکه طراحی شده است. این دستگاه‌ها برای پایش ولتاژها، جریان‌ها و همچنین سیگنال‌های باینری مرتبط با وضعیت تجهیزات و حفاظت رله‌ای، هم در شرایط عادی بهره‌برداری و هم هنگام وقوع حادثه یا خطا به کار می‌روند.

چنین رکوردرهایی در عمل برای این سناریوها مفید هستند: تشخیص علت عملکرد رله، بررسی افت یا تغییرات شدید ولتاژ، تحلیل توالی باز و بسته شدن کلیدها، مشاهده رفتار فیدر در لحظه خطا و ثبت نوسانات گذرای الکتریکی. هرچند تمرکز اصلی این مقاله فعلا بر ساختار پایش و ثبت داده است، همین داده‌ها در ادامه می‌توانند مبنای ارتقای کیفیت توان یا انتخاب راهکارهایی مانند فیلتر هارمونیک اکتیو و فیلتر هارمونیک پسیو قرار بگیرند.

وظایف اصلی رکوردر ALTRA

این نوع رکوردر دیجیتال مجموعه‌ای از قابلیت‌های مهم را به‌صورت هم‌زمان ارائه می‌دهد:

• ثبت اسیلوگرام‌های دیجیتال کمیت‌های الکتریکی در رخدادهای گذرای اضطراری
• پایش و کنترل وضعیت خروجی‌های باینری سنسورها و تجهیزات الکتریکی
• ذخیره اطلاعات رخدادهای اضطراری در حافظه غیرفرار
• محاسبه و نمایش مقادیر موثر یا RMS همه کمیت‌های ثبت‌شده روی نمایشگر کریستال مایع
• امکان مشاهده ویژگی‌ها و مشخصات رخدادهای اضطراری روی همان نمایشگر

این مجموعه قابلیت‌ها نشان می‌دهد که ALTRA صرفا یک دیتالاگر ساده نیست. دستگاه هم نقش ثبت‌کننده رخداد را ایفا می‌کند و هم در سطح محلی به بهره‌بردار امکان مشاهده مقادیر و مرور مشخصات رخداد را می‌دهد. این موضوع در سایت‌هایی که دسترسی حضوری به آن‌ها محدود است، اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

ورودی‌های دستگاه و آنچه واقعا اندازه می‌گیرد

رکوردر ALTRA دارای ورودی‌های آنالوگ و ورودی‌های باینری است. ورودی‌های آنالوگ برای پایش سیگنال‌های بیرونی مانند ولتاژ و جریان به‌کار می‌روند و ورودی‌های باینری برای دریافت وضعیت منطقی تجهیزات، کنتاکت‌ها، سیگنال‌های حفاظتی یا وضعیت کلیدزنی استفاده می‌شوند.

در یک آرایش نمونه، اتصال دستگاه به مدارهای خارجی به‌گونه‌ای انجام می‌شود که وضعیت عملیاتی سه خط و همچنین یک سکشن باس‌بار پست زیر نظر باشد. این نکته از نظر مهندسی مهم است، چون نشان می‌دهد دستگاه فقط یک نقطه ساده را نمی‌بیند، بلکه می‌تواند در یک مقطع عملیاتی از پست، چند فیدر و یک بخش شین را به‌طور هم‌زمان رصد کند.

در پروژه‌های اجرایی، طراحی صحیح CT و VT، نسبت ترانس‌های اندازه‌گیری، نوع ایزولاسیون، کلاس دقت، زمین‌کردن مناسب و محافظت در برابر اضافه‌ولتاژهای گذرا، اثر مستقیم بر کیفیت داده‌های دریافتی دارند. اگر این موارد رعایت نشوند، حتی بهترین الگوریتم محاسباتی هم خروجی قابل اتکا نخواهد داشت.

چه کمیت‌هایی مستقیما اندازه‌گیری نمی‌شوند اما از داده‌های نمونه‌برداری‌شده به دست می‌آیند؟

همه کمیت‌های مورد نیاز بهره‌برداری مستقیما از سنسور یا ورودی آنالوگ خوانده نمی‌شوند. بخشی از آن‌ها بر پایه مقادیر لحظه‌ای نمونه‌برداری‌شده از ولتاژهای فاز باس‌بار و جریان‌های فاز فیدرها محاسبه می‌شوند. این رویکرد در سامانه‌های دیجیتال کاملا رایج است و اگر نمونه‌برداری و پردازش به‌درستی انجام شود، دقت و انعطاف‌پذیری خوبی فراهم می‌کند.

در این ساختار، دستگاه با استفاده از مقادیر لحظه‌ای گسسته‌شده می‌تواند کمیت‌های زیر را محاسبه کند:

• توان اکتیو، توان راکتیو و توان ظاهری برای هر فاز به‌صورت جداگانه
• ضریب توان برای هر فاز
• توان اکتیو، راکتیو و ظاهری کل
• ضریب توان کل

از دید کاربردی، این کمیت‌ها فقط برای نمایش چند عدد نیستند. تحلیل روند آن‌ها می‌تواند نشانه‌هایی از بار نامتعادل، عملکرد نامناسب بانک خازنی، کاهش ضریب توان، اشباع احتمالی ترانس جریان، خطای سیم‌بندی یا آغاز شرایط غیرعادی در فیدر را آشکار کند. در پروژه‌های بهبود کیفیت توان، این داده‌ها نقطه شروع تصمیم‌گیری محسوب می‌شوند.

محاسبه مقدار موثر یا RMS در رکوردر چگونه انجام می‌شود؟

مقدار موثر یا RMS یکی از بنیادی‌ترین کمیت‌ها در اندازه گیری کیفیت توان است، زیرا مستقیما با اثر حرارتی و سطح واقعی ولتاژ یا جریان ارتباط دارد. در سامانه‌های دیجیتال، RMS معمولا بر اساس نمونه‌های گسسته در یک بازه زمانی مشخص محاسبه می‌شود.

در این روش، مقدار موثر پارامتر Y بر پایه مقادیر گسسته‌ای که در طول یک سیکل فرکانس قدرت اندازه‌گیری شده‌اند به دست می‌آید. دوره تناوب T مربوط به فرکانس شبکه است و برای شبکه ۵۰ هرتز، یک سیکل همان دوره فرکانس توان محسوب می‌شود. اگر در هر سیکل، تعداد N بازه نمونه‌برداری داشته باشیم، گام نمونه‌برداری برابر h = T / N خواهد بود.

در این محاسبه، y_k و y_k+1 مقادیر لحظه‌ای کمیت عملیاتی، مانند ولتاژ یا جریان، در نقاط نمونه‌برداری k و k+۱ هستند. نتیجه نهایی RMS از تجمیع این نمونه‌ها در طول یک سیکل به دست می‌آید. مزیت این رویکرد آن است که دستگاه به‌جای اتکا به مدارهای آنالوگ قدیمی، می‌تواند محاسبات را به‌صورت نرم‌افزاری و بازتولیدپذیر انجام دهد.

در عمل، انتخاب تعداد نمونه در هر سیکل بسیار تعیین‌کننده است. اگر نرخ نمونه‌برداری پایین باشد، شکل موج به‌خوبی بازسازی نمی‌شود و خطای محاسبه بالا می‌رود؛ اگر این نرخ بیش از حد بالا انتخاب شود، حجم داده و بار پردازشی افزایش پیدا می‌کند. مقدار مناسب به هدف کاربرد بستگی دارد: پایش ساده بهره‌برداری، ثبت رخداد سریع یا تحلیل دقیق‌تر اعوجاج و مولفه‌های هارمونیکی.

نکات عملی درباره RMS که اغلب نادیده گرفته می‌شوند

• RMS یک عدد میانگین ساده نیست؛ ریشه میانگین مربعات است و برای شکل موج‌های غیرسینوسی اهمیت ویژه‌ای دارد.
• در حضور هارمونیک، RMS می‌تواند بالا بماند حتی وقتی مولفه اصلی افت کرده است؛ بنابراین تفسیر آن باید در کنار تحلیل هارمونیکی انجام شود.
• اگر پنجره محاسبه دقیقا با سیکل فرکانس شبکه هم‌راستا نباشد، خطا یا نوسان در خروجی RMS بیشتر می‌شود.
• در شبکه‌های واقعی، انحراف جزئی فرکانس از ۵۰ هرتز ممکن است بر دقت الگوریتم‌های مبتنی بر یک سیکل ثابت اثر بگذارد.

محاسبه توان اکتیو و راکتیو بر پایه مولفه‌های فوریه

برای محاسبه توان اکتیو و توان راکتیو در سامانه‌های دیجیتال، اتکا به مقادیر خام لحظه‌ای همیشه بهترین روش نیست؛ به‌خصوص زمانی که بخواهیم سهم مولفه اصلی و مولفه‌های هارمونیکی را از هم تفکیک کنیم. در اینجا از تبدیل فوریه (Fourier Transform) برای استخراج مولفه‌های سینوسی و کسینوسی ولتاژ و جریان استفاده می‌شود.

در این روش، توان‌های اکتیو و راکتیو بر مبنای مولفه‌های سینوسی و کسینوسی ولتاژها و جریان‌های فازی محاسبه می‌شوند. به بیان ساده، دستگاه ابتدا شکل موج نمونه‌برداری‌شده را به مولفه‌های هارمونیکی تجزیه می‌کند و سپس از مولفه‌های مناسب برای محاسبه توان بهره می‌گیرد.

مولفه‌های سینوسی و کسینوسی ولتاژ و جریان برای هارمونیک iام شامل کمیت‌هایی مانند Usi، Isi، Uci و Ici هستند. این مولفه‌ها از روابط محاسباتی مبتنی بر فوریه به دست می‌آیند و مبنای استخراج توان در هر فاز قرار می‌گیرند.

از نظر مهندسی قدرت، این نکته بسیار مهم است که وقتی شکل موج‌ها غیرسینوسی باشند، محاسبه توان دیگر به سادگی حاصل‌ضرب RMS در ضریب کسینوس زاویه فاز نیست. حضور هارمونیک‌ها، نامتعادلی و اعوجاج باعث می‌شود تحلیل دقیق‌تری لازم باشد. به همین دلیل، استفاده از مؤلفه‌های فوریه در رکوردرها و آنالیزورها، پایه‌ای برای ارزیابی دقیق‌تر افت کیفیت توان و ریشه‌یابی آن به شمار می‌آید.

این روش در عمل چه مزیتی دارد؟

• امکان جداسازی سهم مولفه اصلی از هارمونیک‌ها
• محاسبه دقیق‌تر توان در شرایط غیرسینوسی
• مناسب برای تحلیل رخدادهایی که شکل موج را دچار اعوجاج می‌کنند
• قابل استفاده برای بررسی علل کاهش ضریب توان و تصمیم‌گیری برای جبران‌سازی

البته باید توجه داشت که رکوردر رخداد با دستگاه تخصصی تحلیل هارمونیک یکسان نیست. اگر هدف شما انتخاب دقیق فیلترهای هارمونیک یا تطبیق با استانداردهای فیلتر هارمونیک باشد، علاوه بر این داده‌ها به تحلیل کامل طیف هارمونیکی، بارهای غیرخطی، وضعیت بانک‌های خازنی و شرایط شبکه بالادست نیز نیاز خواهید داشت.

نقش VPN در پایش تاسیسات قدرت چیست؟

وقتی رکوردر یا دستگاه اندازه‌گیری در یک پست بدون اپراتور نصب می‌شود، چالش بعدی رساندن داده به کاربر یا مرکز کنترل است. شبکه خصوصی مجازی یا VPN راهکاری رایج برای برقراری ارتباط امن میان تجهیزات میدانی و سامانه مرکزی است؛ به‌ویژه زمانی که بستر انتقال بر پایه شبکه‌های بی‌سیم یا زیرساخت عمومی مخابراتی باشد.

در معماری کلاینت-سرور، تجهیز میدانی یا گیت‌وی محلی می‌تواند به‌عنوان کلاینت به سرور مرکزی متصل شود و داده‌های اندازه‌گیری، رخدادها یا فایل‌های ثبت‌شده را منتقل کند. مزیت کلیدی این مدل، افزایش امنیت دسترسی، تفکیک منطقی ترافیک و امکان مدیریت متمرکز است. برای تاسیسات قدرت که داده‌های آن‌ها حساس و عملیاتی هستند، این موضوع اهمیت حیاتی دارد.

البته استفاده از VPN به‌خودی‌خود به معنای امنیت کامل نیست. در پروژه‌های واقعی باید به رمزنگاری، احراز هویت، مدیریت گواهی‌ها، کنترل دسترسی کاربران، ثبت لاگ، افزونگی لینک و تفکیک شبکه عملیاتی از شبکه اداری نیز توجه کرد. همچنین هرجا محدودیت تاخیر و قابلیت دسترس‌پذیری جنبه بحرانی داشته باشد، طراحی باید با حساسیت بیشتری انجام شود.

رکوردر دیجیتال، آنالیزور کیفیت توان یا هر دو؟

برای کاربر صنعتی یا بهره‌بردار پست، این پرسش رایج است که آیا یک رکوردر مانند ALTRA کافی است یا باید به سراغ آنالیزور کیفیت توان مستقل رفت. پاسخ، به هدف پروژه بستگی دارد.

در بسیاری از پروژه‌ها، ترکیب این دو دسته تجهیز بهترین نتیجه را می‌دهد: رکوردر برای ثبت دقیق رخداد و توالی عملکردها، و آنالیزور برای ارزیابی کامل استانداردهای کیفیت توان، هارمونیک‌ها، فلیکر، نامتعادلی و روندهای بلندمدت.

اگر هدف شما ارتقای کیفیت توان است، این داده‌ها چگونه به تصمیم تبدیل می‌شوند؟

اندازه‌گیری بدون تحلیل، ارزش محدودی دارد. داده‌های به‌دست‌آمده از ولتاژ باس‌بار، جریان فیدرها، توان‌های فازی و کل، ضریب توان و رخدادهای ثبت‌شده باید به اقدامی مشخص تبدیل شوند. برای مثال، اگر کاهش ضریب توان به‌طور مستمر مشاهده شود، ممکن است نیاز به جبران‌سازی راکتیو مطرح باشد. اگر اعوجاج شکل موج یا رفتار غیرعادی بارهای غیرخطی دیده شود، بررسی فیلتر هارمونیک اکتیو یا فیلتر هارمونیک پسیو در دستور کار قرار می‌گیرد.

اگر رخدادها نشان دهند افت ولتاژها هم‌زمان با راه‌اندازی بارهای سنگین یا تغییر وضعیت کلیدها رخ می‌دهد، مسئله می‌تواند به امپدانس شبکه، تنظیمات ترانسفورماتور یا ترتیب بهره‌برداری مربوط باشد. اگر سیگنال‌های باینری با مقادیر الکتریکی همبستگی نداشته باشند، احتمال خطای سیم‌بندی، تنظیم نادرست ورودی‌ها یا اشکال در تجهیزات میانی وجود دارد.

برای رسیدن به ارتقای کیفیت توان، همیشه از ثبت داده شروع می‌کنیم، اما کار به همان‌جا ختم نمی‌شود. باید بدانیم چه چیزی را اندازه گرفته‌ایم، با چه دقتی، در چه بازه زمانی، و در پاسخ به کدام سوال بهره‌برداری.

چک‌لیست طراحی یک سامانه پایش از راه دور برای پست یا سایت صنعتی

1. هدف پروژه را مشخص کنید: ثبت رخداد، اندازه گیری کیفیت توان، یا هر دو.
2. کمیت‌های مورد نیاز را فهرست کنید: ولتاژ، جریان، ورودی‌های باینری، توان‌ها، رخدادها.
3. سطح ولتاژ و تعداد فیدرها را تعیین کنید؛ در بسیاری از پست‌های تا ۱۱۰ کیلوولت، نیازمندی‌ها با سایت‌های بزرگ‌تر متفاوت است.
4. نسبت CT و VT، کلاس دقت و روش اتصال را بازبینی کنید.
5. نرخ نمونه‌برداری و طول پنجره محاسبه RMS و ثبت رخداد را متناسب با کاربرد انتخاب کنید.
6. معماری ارتباطی را مشخص کنید: سیمی، بی‌سیم، یا بی‌سیم همراه با VPN کلاینت-سرور.
7. برای امنیت، احراز هویت، سطح دسترسی، ثبت رویدادها و جداسازی شبکه برنامه داشته باشید.
8. نحوه ذخیره‌سازی محلی و مرکزی داده‌ها را مشخص کنید؛ حافظه غیرفرار در سطح تجهیز مزیت مهمی است.
9. روش بازیابی و تحلیل فایل‌های رخداد را از قبل تعریف کنید.
10. اگر هدف نهایی کاهش هارمونیک یا بهبود ضریب توان است، از ابتدا داده‌های لازم برای آن تحلیل را جمع‌آوری کنید.

خطاهای رایج در پروژه‌های پایش و اندازه گیری کیفیت توان

• فرض کردن اینکه هر دستگاه ثبت‌کننده، همه شاخص‌های کیفیت توان را هم اندازه می‌گیرد.
• بی‌توجهی به کیفیت ترانس‌های اندازه‌گیری و در نتیجه اعتماد به داده‌های نادقیق.
• اتکا به یک لینک ارتباطی بدون طرح پشتیبان برای سایت‌های حیاتی.
• پیاده‌سازی VPN بدون سیاست روشن برای امنیت کاربری و دسترسی.
• تفسیر توان و ضریب توان بدون توجه به هارمونیک‌ها و غیرسینوسی بودن شکل موج.
• جمع‌آوری داده زیاد بدون تعریف شاخص تصمیم‌گیری و سناریوی اقدام.

در عمل، موفق‌ترین سامانه‌ها آن‌هایی هستند که از ابتدا با هدفی روشن طراحی می‌شوند: مثلا بررسی عملکرد حفاظت، کاهش خاموشی، شناسایی افت کیفیت توان یا آماده‌سازی داده برای انتخاب راهکارهای اصلاحی. هرچه سوال بهره‌برداری دقیق‌تر تعریف شود، انتخاب تجهیز و معماری نیز دقیق‌تر خواهد بود.

سیستم پایش مبتنی بر VPN

یک شبکه اطلاعاتی برای برقراری ارتباط بی‌سیم با استفاده از فناوری مشتری-سرور Virtual Private Network (VPN) طراحی شده است که به‌عنوان جایگزینی برای سیستم‌های ارتباطی موجود عمل می‌کند. پروتکل Secure Shell (SSH) برای کنترل از راه دور و حفاظت از اطلاعات در این شبکه به کار می‌رود. در این زمینه، کتابخانه OpenSSH به عنوان ابزاری برای پیاده‌سازی این پروتکل استفاده می‌شود.

استفاده از فناوری VPN نسبت به حالت داده‌های سوئیچ شده مدار (CSD) مزایای چشمگیری دارد؛ از جمله قابلیت اتصال بالا، سرعت بیشتر و ارتباط آنلاین و دائمی. همچنین، آینده فناوری CSD در نزدیکی افق تیره است، چرا که اپراتورهای تلفن همراه به‌زودی از آن پشتیبانی نخواهند کرد و کیفیت ارتباط در این حالت به وضوح ناکافی به نظر می‌رسد. ارتباط بی‌سیم بر پایه VPN در شبکه GSM از طریق استانداردهای GPRS، 3G یا 4G انجام می‌پذیرد.

شکل ۲ نمودار پیکربندی سیستم ارتباطی با فناوری VPN را نشان می‌دهد. این شبکه اطلاعاتی دارای ساختاری دو سطحی است که در سطح پایین، دستگاه‌های دیجیتال ALTRA به‌طور مستقیم بر روی شیء قرار گرفته‌اند.

ساختار شبکه و دستگاه‌ها

این دستگاه‌ها از طریق خط ارتباطی دو سیمه “جفت پیچیده” با استفاده از رابط RS ۴۸۵ به شبکه محلی متصل شده‌اند. دسترسی به دستگاه‌های ALTRA بر اساس Hub سازماندهی می‌شود. Hub از یک کامپیوتر داخلی، ماژول GPS و مودم GSM تشکیل شده و اطلاعات را از تمامی دستگاه‌های ALTRA نصب‌شده در تأسیسات جمع‌آوری، آرشیو و زمان را همگام‌سازی کرده و به سطح بالاتر هرم کنترلی منتقل می‌نماید.

سطح بالای شبکه اطلاعاتی شامل ALTRA-Server و یک ایستگاه کار خودکار (AWS) از متصدی سایت برق است که به شبکه کامپیوتری محلی متصل می‌باشند.

ALTRA-Server از یک کامپیوتر داخلی و یک مودم GSM تشکیل شده و اطلاعات را از Hubs موجود در سطح پایین جمع‌آوری کرده و به AWS متصدی برای تجزیه و تحلیل ارسال می‌کند. این سرور دارای یک آدرس IP ثابت است که می‌توان از یک سیم‌کارت با آدرس IP ثابت برای آن استفاده کرد. در زمینه کنترل، ALTRA-Server به‌عنوان یک دستگاه غیرفعال عمل می‌کند. دستورات Hubs برای انتقال اطلاعات به و از ALTRA-Server از طریق دستورات ایستگاه کار اجرا می‌شود.

ایستگاه کار متصدی بر روی یک کامپیوتر شخصی (PC) و با استفاده از نرم‌افزار ویژه‌ای پیاده‌سازی شده است. این نرم‌افزار نمودار نمونیک اشیاء مدیریت‌شده (مانند ایستگاه قدرت و پست برق) را بر روی نمایشگر کامپیوتر نمایان می‌سازد. بدین ترتیب، متصدی قادر به کنترل دستگاه‌های دیجیتال ALTRA و تجزیه و تحلیل اطلاعات ثبت شده با آنان خواهد بود. همچنین امکان استفاده از چندین ایستگاه کار متصدی در سیستم کنترل وجود دارد.

Hub و ALTRA-Server بر روی پلتفرم سیستم‌عامل لینوکس توسعه یافته‌اند، در حالی که AWS متصدی بر روی پلتفرم ویندوز پیاده‌سازی شده است.

ایمنی و حفاظت اطلاعات

پروتکل SSH بر اساس اتصال TCP، یک تونل امن بین Hubs و ALTRA-Server برای دسترسی ایمن به اطلاعات ایجاد می‌کند. این فناوری از رمزنگاری نامتقارن، شامل یک جفت کلید بسته و باز، برای رمزگذاری و رمزگشایی اطلاعات استفاده می‌نماید. این ساختار اطمینان حاصل می‌کند که انتقال داده‌ها به‌طور قابل‌اعتمادی صورت گرفته و حداکثر حفاظت در برابر دسترسی غیرمجاز تأمین می‌شود.

برای ایمنی بیشتر شبکه محلی، دسترسی به ALTRA Server تنها از طریق پورت‌های مشخصی انجام می‌شود و دسترسی به شبکه محلی سایت تحت فرمان ALTRA-Server ممنوع است.

شکل ۳ نمودار جریان اطلاعات شبکه اطلاعاتی بر روی پلتفرم ALTRA Server را ارائه می‌دهد. Hub فایل‌های اوسیلوگرام دیجیتال را از دستگاه‌های ALTRA می‌خواند و پس از آن اطلاعات را با استفاده از پروتکل SSH به ALTRA Server منتقل می‌کند. این داده‌ها به‌طور دوره‌ای و از طریق همان پروتکل به AWS متصدی ارسال می‌شوند.

فرکانس‌های نمونه‌برداری

فرکانس‌های نمونه‌برداری مجاز برای ضبط سیگنال‌های الکتریکی در دستگاه ALTRA در تنظیمات آن بین ۱۵۰۰ Hz تا ۴۸۰۰۰ Hz قابل تنظیم است. براساس تجربیات میدانی، نرخ نمونه‌برداری مناسب برای بیشتر تغییرات گذرا در سیستم، با در نظر گرفتن خطاهای آلیاسینگ و استفاده از حافظه و نرخ انتقال داده، ۳۰۰۰ Hz یا ۶۰ نمونه برای هر سیکل فرکانس صنعتی تعیین شده است. اما اگر نیاز به ضبط تغییرات گذرای با فرکانس بالا در سیستم برق وجود داشته باشد، می‌توان نرخ نمونه‌برداری را تا ۴۸ kHz افزایش داد. شکل ۴، مثالی از رفتار گذرا تحت نرخ نمونه‌برداری ۳۰۰۰ Hz را نمایش می‌دهد.

عملکردهای اصلی کنترل دستگاه ALTRA، شامل خواندن و نوشتن تنظیمات، انجام تست‌ها و پیکربندی یک Hub، از طریق AWS متصدی و از طریق VPN با استفاده از دستورات تأمین شده برای احراز هویت انجام می‌شود.

این شبکه اطلاعاتی که برای ارتباط بی‌سیم بر پایه فناوری مشتری-سرور VPN توسعه یافته، به‌طور موفقیت‌آمیزی در بسیاری از اشیاء سیستم برق در اوکراین به بهره‌برداری رسیده است.

استفاده از فناوری VPN در اندازه‌گیری کیفیت توان

در اوکراین، قوانین فعلی محدودیتی برای استفاده از خدمات VPN نمی‌گذارند، به شرطی که این استفاده حقوق شخص ثالث را نقض نکند و به امنیت ملی آسیب نزند. از این رو، فناوری VPN به عنوان یک ابزار قانونی در زمینه حفاظت از داده‌های شخصی شناخته می‌شود. تجربیات عملی در این حوزه نشان‌دهنده قابلیت اعتماد، امنیت و کارایی بالای انتقال داده‌ها است.

نتایج

استفاده از دستگاه‌های ALTRA در تاسیسات برق امکان ضبط دیجیتالی شرایط عملیاتی، ثبت رویدادها در سیستم‌های محافظت رله‌ای و قطع‌کننده‌ها و همچنین انتقال داده‌ها به ایستگاه کاری اتوماتیک دیسپاچر را فراهم می‌آورد.

اجرای فناوری VPN در شبکه اطلاعاتی اشیای سیستم قدرت، افزون بر تأمین امنیت و قابلیت اطمینان، نیازی به تجهیزات فنی اضافی ندارد.

اوسیلوگرام‌های دیجیتال مرتبط با رویدادهای اضطراری به‌صورت خودکار به مانیتور کامپیوتر ایستگاه کار اتوماتیک دیسپاچر منتقل می‌شوند و همراه با تمامی اطلاعات مربوط به این رویدادها عرضه می‌گردند.

راه‌اندازی شبکه‌های اطلاعاتی با فناوری VPN، نه تنها برای نگهداری و کنترل عملیاتی تاسیسات سیستم قدرت مفید است، بلکه به توسعه پست‌های دیجیتال نیز کمک می‌کند.

قدردانی

این تحقیق با حمایت مالی وزارت علوم و آموزش عالی لهستان (گرنت AGH ۱۶.۱۶.۲۱۰.۴۷۶) انجام شده است.

مراجع

• F. Salim, K. M. Nor, D. M. Said، “تجربه در نظارت آنلاین کیفیت توان از طریق VPN”، کنفرانس بین‌المللی IEEE در هارمونیک‌ها و کیفیت توان، ص. ۴۸۲-۴۸۵، ۲۰۱۲.
• D. Karlsson, M. Hemmingsson, S. Lindahl، نظارت و کنترل سیستم‌های وسیع. مجله IEEE Power & Energy، شماره ۲(۵)، ص. ۶۸-۷۶، ۲۰۰۴.
• K. E. Holbert, G. T. Heydt، و Hui Ni، “استفاده از فناوری‌های ماهواره‌ای برای اندازه‌گیری، فرمان و کنترل در سیستم‌های قدرت”، مقالات IEEE، جلد ۹۳، شماره ۵، ص. ۹۴۷-۹۵۵، ۲۰۰۵.
• Sun FengJie, QI Qi, Fan JieQing، “تحلیل زمان تأخیر سیگنال در زمان واقعی WAMS مبتنی بر فناوری VPN MPLS”، کنفرانس بین‌المللی در خودکارسازی و حفاظت پیشرفته سیستم قدرت، ص. ۱۰۸۹-۱۰۹۳، ۲۰۱۱.
• V.I. Vasilchenko, O.G. Hryb، و O.V. Leleka، “پست دیجیتال به عنوان یک جزء از سیستم Smart Grid”، مهندسی برق و الکترومکانیک، شماره ۶، ص. ۷۲-۷۶، ۲۰۱۴.(به زبان اوکراینی)
• V.G Glovatsky, I.V. Ponomarev، “وسایل مدرن حفاظت و اتوماسیون رله‌ای شبکه‌های الکتریکی”، Energomashvin، ۲۰۰۳، ۵۳۵ صفحه. (به زبان روسی)
• M.V. Bazylevych, R.S. Bozhyk، و I.O. Sabadash، “سیستم اطلاعات-تشخیصی میکروپردازنده ALTRA برای شناسایی انتخابی فاز تغذیه شده زمین”، مهندسی انرژی و برقی کردن، کی‌یف، شماره ۷، ص. ۹۱-۹۵، ۲۰۰۳. (به زبان اوکراینی)
• P.M. Baran, V.P. Kidyba, I.O. Sabadash، و M.V. Bazylevych، “کاربرد دستگاه‌های دیجیتال ALTRA در کنترل عملیاتی و دیسپچری پست‌ها”، شبکه‌ها و سیستم‌های برقی، شماره ۴-۵، ص. ۴۲-۴۵، ۲۰۱۶. (به زبان اوکراینی)
• M.V. Bazylevych, P.М. Baran, V.P. Kidyba, G.M. Lysiak، و I.O. Sabadash، “مدل فیزیکی سیستم تل مکانیکی برای کنترل عملیاتی و دیسپچری پست‌ها”، بولتن دانشگاه فنی ملی لوتسف، سیستم‌های قدرت و الکترومکانیک، شماره ۸۷۰، ص. ۳-۸، ۲۰۱۷. (به زبان اوکراینی)
• I.V. Gorbaty, А.P. Bondarev، سیستم‌ها و شبکه‌های مخابراتی. اصول کار، فناوری‌ها و پروتکل‌ها: کتاب درسی. لوتسف، ۲۰۱۶. (به زبان اوکراینی)
• V.I. Popov، مبانی ارتباطات سیار استاندارد GSM، مسکو: Eco-Trends، ۲۰۰۵. (به زبان روسی)
• O. Kolesnikov, B. Hatch، Linux: ایجاد شبکه‌های خصوصی مجازی (VPN): ترجمه از انگلیسی، مسکو: Kudic-Obraz، ۲۰۰۴. (به زبان روسی)
• D.J. Barrett, R. Silverman، SSH، شل امن: راهنمای نهایی، O’Reilly، ۲۰۰۱.
• M. W. Lucas، تسلط بر SSH: OpenSSH، PuTTY، تونل‌ها و کلیدها، Tilted Windmill Press؛ ویرایش دوم، ۲۰۱۸.

نویسندگان

استاد یارسان و دکتر پیتر باران، دانشگاه Polytechnic ملی لوتسف، ایمیل: petro.m.baran@lpnu.ua؛ استاد یارسان و دکتر ویکتور کیدیبا، دانشگاه Polytechnic ملی لوتسف، ایمیل: viktor.p.kidyba@lpnu.ua؛ استاد یارسان و دکتر یاروسلاوا پریشلیک، دانشگاه Polytechnic ملی لوتسف، ایمیل: yaroslava.d.pryshliak@lpnu.ua؛ استاد یارسان و دکتر ایگور ساباداش، دانشگاه Polytechnic ملی لوتسف، ایمیل: ihor.o.sabadash@lpnu.ua؛ الکساندر فرانچوک، موسسه سیستم‌های کنترل میکروپردازنده برای اشیای سیستم قدرت، لوتسف، اوکراین، ایمیل: olexandr@imskoe.org.ua؛ پروفسور دکتر یوری وراتسکی، دانشگاه AGH علم و فناوری، ایمیل: jwarecki@agh.edu.pl

منبع و شناسه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، R. ۹۸ NR ۵/۲۰۲۲. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۲.۰۵.۰۳

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق