[ez-toc]

اهمیت هوشمندسازی صنعت گاز

در عصر تحول دیجیتال، هوشمندسازی صنعت گاز به عنوان یکی از ارکان اصلی مدیریت بهینه منابع انرژی، نقش مهمی در توسعه پایدار ایفا می‌کند. کشورهایی مانند استرالیا با رویکردی راهبردی و استفاده از فناوری‌های نوین مانند کنتورهای هوشمند اولتراسونیک، اینترنت اشیاء (IoT)، و پلتفرم‌های ابری، توانسته‌اند زیرساخت سنتی توزیع گاز را به شبکه‌ای هوشمند، پایدار و قابل‌مدیریت تبدیل کنند.

این مقاله به بررسی دقیق اقدامات انجام‌شده در هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا می‌پردازد و نشان می‌دهد چگونه این کشور توانسته با استفاده از راهکارهای فنی، نرم‌افزاری و امنیتی، مصرف انرژی را کاهش داده و کیفیت خدمات را به شکل چشمگیری ارتقاء دهد.

هوشمندسازی صنعت گاز یکی از راهکارهای مهم برای کاهش مصرف انرژی، بهینه‌سازی هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری شبکه توزیع گاز است. در این مسیر، کشورهایی مانند استرالیا با بهره‌گیری از فناوری اینترنت اشیاء (IoT)، کنتورهای اولتراسونیک پیشرفته، و زیرساخت ارتباطی NB-IoT توانسته‌اند گام‌های مؤثری در تحول دیجیتال حوزه انرژی بردارند.

در پروژه‌های اجراشده، از استاندارد DLMS/COSEM برای ارتباط امن و دقیق بین کنتورهای گاز و Gateway صنعتی استفاده شده است. داده‌برداری از راه دور و اتصال به پلتفرم‌های ابری مانند Azure IoT و EDMI Cloud، امکان مدیریت هوشمند مصرف گاز و پیش‌بینی الگوهای مصرف را فراهم کرده‌اند.

از سوی دیگر، استفاده از سیستم‌های Edge Analytics در کنار هوش مصنوعی، به تحلیل داده‌های لحظه‌ای برای کشف نشت گاز و تصمیم‌گیری بلادرنگ کمک کرده است. این تحول نه تنها موجب افزایش ایمنی شبکه گاز شهری شده، بلکه توانسته رضایت مصرف‌کنندگان را نیز افزایش دهد. در آینده، با توسعه سامانه‌های اندازه‌گیری هوشمند و زیرساخت امن ارتباطی، انتظار می‌رود صنعت گاز دیجیتال به یکی از ارکان کلیدی مدیریت انرژی در جهان تبدیل شود.

اقدامات کلیدی استرالیا در راستای هوشمندسازی صنعت گاز

هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا مانند سایر کشورهای پیشرو در صنعت گاز ابتدا از مشترکین صنعتی آغاز شده و در انتها به مشترکین کوچک خانگی و تجاری منتهی شده است که در ادامه با جزئیات اقدامات صورت گرفته در هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا آورد شده است

هوشمندسازی مشترکین صنعتی پرمصرف در صنعت گاز استرالیا

در کشور استرالیا براي كاهش هزينه‌ها به جاي تعويض كنتور و قرار دادن كنتور هوشمند يكپارچه، ماژول‌هاي هوشمندكننده و فرستنده به كنتور اضافه كرده‌اند. در محيط‌هايي كه صرفه تجاري داشته است، كنتور را به طور كامل تعويض كرده‌اند.

Jemena ، از ثبت‌کننده‌های داده‌های کنتور (MDL) (تهیه‌شده توسط Jemena)، راه حل 4G، استفاده كرده است. نوع كنتورها و ديتالاگر مجهز به مودم در جدول زیر آمده است.

اجزاء	برند
كنتور تجاري و صنعتي: I&C diaphragm meters	كنتور‌هاي تجاري و صنعتي ديافراگمي
ديتالاگر و فرستنده	نام: Honeywell CNI-2s data logger ويژگي‌ها: 3G/4G transceiver
براي مكان‌هايي كه مجهز به ديتالاگر Honeywell  نيستند	فرستنده: Radio frequency (RF) technology

Jemena ذاتاً اصول طراحی و پیاده‌سازی مشابهی را در ارتقاء بعدی راه‌حل‌ها، نصب و اصلاح در سیستم‌های اندازه‌گیری تجاري و صنعتي، مسکونی و مسکونی با تراکم متوسط / بالا اعمال خواهد کرد. يعني اين ساختارها نيز به راه حل‌هايي با زيرساخت ارتباطي جديد مانند NB-IoT و … در مركز جمع­آوري داده و راه­حل‌هاي APN بعد از آن تغيير خواهند كرد.

اجرای پروژه‌های هوشمندسازی گاز در مشترکین تجاری استرالی

نمونه­اي از هوشمندسازي كنتورهاي بزرگ تجاري در دانشگاه‌ها ]18[ در دانشگاه سيدني انجام شده است که موارد زير در هوشمندسازي كنتورهاي گاز به همراه كنتورهاي ديگر در نظر گرفته شده است. تمام تجهیزات و مواد نصب شده در سیستم‌های گاز طبیعی باید در صورت لزوم برای استفاده توسط Jemena تایید شده باشد. بريرهاي ايزوله­سازي داخلی باید مطابق با الزامات Jemena برای کنتورهای خرده­فروشی ارائه شود. کنتورهای خصوصی باید دارای ایزوله ذاتی باشند، مگر اینکه ارزیابی خطر توسط شخص واجد شرایطی انجام شود که تشخیص دهد ايزوله‌سازي لازم نیست.

کنتورهای گاز طبیعی باید بر اساس الزامات این دستورالعمل و الزامات نظارتی مشخص شوند. کنتورها باید دارای یک خروجی پالس (خروجی کلکتور بدون ولتاژ یا باز) مناسب برای اتصال به سيستم هوشمند دانشگاه باشند. حداقل وضوح پالس‌ها باید 0.1 متر مکعب و حداکثر وضوح 1 متر مکعب در هر پالس باشد.

مصرف انرژی گاز طبیعی باید بر اساس مصرف ثبت شده ضربدر ضریب فشار كنتور و مقدار گرمایش محاسبه شود. فاکتورهای فشار کنتور و مقادیر گرمایش گاز باید به عنوان بخشی از مشخصات پروژه در سيستم هوشمند دانشگاه بر اساس هر كنتور برنامه­ریزی شوند.

در جایی که کنتورهای گاز به سيستم هوشمند دانشگاه متصل می‌شوند، باید یک برير ذاتاً ایمن یا گواهی مناسب از مشاور منطقه پرخطر که طبقه­بندی منطقه/نصب را تأیید می‌کند، ارائه شود.

تجهیزات و فناوری‌های اندازه‌گیری در هوشمندسازی شبکه گاز استرالیا

• كنتورهای گاز

این کنتورها باید مجهز به پورت‌های Modbus باشند و داده‌های Modbus از طریق گيت­وي سریال به اترنت مشخص شده با اتصال کنتور به نزدیک‌ترین دروازه سریال به اترنت در دسترس باشد. این مسئولیت پروژه/پیمانکار است که با ارائه دهنده كنتور مرجع تامین، اتصال Modbus را برای اتصال AUMS (Advanced Utility Metering System) سازماندهی کند.

برای کنتورهای گاز، پیمانکاران باید یک دستگاه اندازه‌گیری پالس را در کنتور قرار دهند که پالس‌های بدون ولت کنتور (حداقل 100 هرتز، سیکل کار 25 درصد) را به یک مقدار Modbus تبدیل کند که به گيت­وي ساختمان متصل شود.

اندازه‌گیری‌های پالس از کنتورهای گاز باید به شمارنده‌های پالس Modbus/TCP متصل شوند که پالس‌ها را به یک ثبات Modbus ارسال می‌کنند تا توسط Smart Gateway بررسی شوند.

در جایی که کنتورهای گاز ساختمان موجود از طریق کنترل‌کننده‌های BMCS BACnet  در دسترس هستند، کنترل سرور هوشمند دانشگاه برای دسترسی مستقیم به این متغیرهای BACnet از طریق نزدیک‌ترین کنترل‌کننده/روتر BMS پیکربندی می‌شود.

• گیت‌وی‌های هوشمند مورد استفاده در شبکه گاز استرالیا

در این دستگاه­ها از فناوری Tridium Niagara برای ادغام داده­های اندازه‌گیری با سرور استفاده می‌شود. گيت‌وي‌هايي که مطابقت دارند، Tridium Niagara JACE 8000 یا بالاتر با سیستم عامل AX V3.8.X هستند. JACES باید حداقل با درایورهای یکپارچه‌سازی زیر ارائه شود:

الف. درایور Tridium BACnet IP / MSTP

ب. Tridium Modbus TCP /RTU

ج. Haystack Tridium nHaystack AX v1.3

سیستم بی­سیم در محدوده محصولات بی­سیم Halytech است. ایستگاه پایه رادیویی داده‌ها را از فرستنده‌ها جمع­آوری کرده و در اختیار Jace قرار می‌دهد. داده‌ها هر 6 ساعت از فرستنده‌هایی که داده‌های فاصله 15 دقیقه­ای را جمع­آوری می‌کنند، ارسال می‌شود. ایستگاه پایه باید قابلیت جمع‌آوری داده‌های سه روزه را بدون برق شهری داشته باشد و داده‌های شش روزه را بدون اتصال به شبکه ذخیره کند.

پس از اتصال مجدد به شبکه، داده‌ها به صورت خودکار آپلود می‌شوند. ایستگاه پایه/فرستنده‌ها باید طوری تنظیم شوند که امکان استعلام باتري از فرستنده برای داده‌های آن به سرور برای مشاهده فراهم شود. شکل زیر معماری سیستم بی­سیم را نشان می‌دهد.

آدرس­دهی کنتورها باید مطابق با الزامات واحد مهندسی UI و پایداری پیکربندی شود تا اطمینان حاصل شود که تمام کنتورها به طور منحصر به فرد شناسایی می‌شوند. قرارداد نامگذاری مورد استفاده برای شناسایی کنتورها باید مطابق با UI استاندارد شود. تمام برچسب‌های روی کنتورها باید منعکس‌کننده این استاندارد باشند.

جمع‌بندی و نتایج اجرای پروژه‌های هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا

توزیع‌کننده ­های گاز در استرالیا، مالک خطوط لوله و کنتورهای گاز هستند که گاز را به خانه‌ها و مشاغل در سراسر استرالیای جنوبی می‌رسانند. نصب کنتورهای هوشمند مشترکین جزء به همراه رعایت استانداردهای نصب و ساختار، انتخاب برند، انتخاب فناوری ارتباطی و پروتکل­ها بر عهده شرکت­های گاز عمده فروش است.

پيش­بيني كه AusNet و اكثر شركت­هاي گاز به همراه دولت ايالت­ها انجام داده­اند اين است كه با هوشمندسازي كنتورهاي گاز، کاهش 50 درصدی مصرف گاز خانگی و تجاری و کاهش 30 درصدی مصارف صنعتی تا پایان سال 2030 در استراليا اتفاق خواهد افتاد. ساير قوانين حقوقي و عمومي مورد تاکید کمیسیون بازار انرژی استرالیا (AER) عبارتند از:

• نیازی به ارتقای سیستماتیک کنتورهای گاز برای خواندن از راه دور وجود ندارد (يعني نيازي نيست تمامي كنتورهاي گاز و تمامي تجهيزات شبكه گاز در سمت جزء به يكباره تغيير كنند).
• اپراتور شبکه (یعنی توزیع­کننده) وظیفه نصب و قرائت کنتور از جمله محاسبه برآوردها را بر عهده دارد. هیچ الزامی برای توزیع­کننده برای نصب نوع خاصی از کنتور (مانند کنتور خواندن از راه دور) برای مشتریان کوچک وجود ندارد.

• تجهيزات شبكه گاز در استراليا، قبل از هوشمندسازي هم دوره­اي برای بهسازی داشته­اند كه بعد از اتمام دوره بايد بهسازي يا تعويض شوند. GSSSR 2000 (قسمت 3 – اندازه‌گیری: بخش 16) اپراتور شبکه را ملزم می­کند تا اطمینان حاصل کند که تمام کنتورهای تجاری نصب شده در فواصل زمانی تعیین شده تعویض می­شوند.

تمام کارهای انجام شده در هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا برای نصب یا جایگزینی تمام یا بخشی از تجهیزات اندازه­گیری گاز طبیعی باید مطابق با AS/NZ 5601 (تاسیسات گاز)، سایر استانداردهای مرتبط در کشور استرالیا، مقررات تامین گاز (مدیریت ایمنی و شبکه) 2013 و قوانین اپراتور شبکه باشد.

فناوری­های ارتباطی موجود در شبکه هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا از کنتورهای گاز تا گیت­وی عبارتند از:

FlexNet™ communication system ((RF Mesh, RF Mesh IP در باند فرکانسی 500 مگاهرتز،
NB-IoT، Silver   Springs Networks (SSN) Radio Mesh، LoRa / NNNCo، LTE-M، WiMAX 2.4 GHz point-to-point.

ديگر فناوري­هاي ارتباطي موجود بين گيت‌وي و بالادست در هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا ، (3G/4G) Cellular WAN backhauls، LTE-M (LPWAN Technology)، RF FlexNet با توان و برد بيشتر براي ارتباط بين گيت­وي و مركز.

پروتکل­های ارتباطی  هوشمندسازی شبکه گاز مرسوم بین کنتور و گیت‌وی در استرالیا DLMS/COSEM (EN 62056-21,47,53,61,62)، Wireless M-Bus،   LoRaWANمي‎باشند DLMS/COSEM یک پروتکل استاندارد و بسیار مورد پذيرش در استرالیا است. این استاندارد توسط طیف گسترده­ای از فروشندگان کنتور بین­المللی پشتیبانی می­شود.

در پروژه جدید AGN دو نوع کنتور گاز دیجیتال (EDMI و Itron) نصب شده است که هر دو کنتورهای هوشمند ultrasonic هستند،  (Sonix IQ) Sensus gas meter، G480 Ultrasonic Smart Gas Meter (EDMI)، Helios G6000 digital Ultrasonic gas meter،  Ultrasonic GR-8BU (EDMI)و Intelis Gas Meter (Itron) مي باشد.  در استرالیا در همان ابتدای هوشمندسازی بیش از 90 درصد از کنتورها Ultrasonic هوشمند بوده‌اند. از جمله مهم‌ترین امکانات این کنتورها شیر قطع و شیر ایمنی گاز از راه دور است.

ساير امكانات عبارتند از: هشدار فلوی بالا، تشخیص دستکاری و آلارم: دستکاری ارتباطات و پوشش باتری، هشدارهای ثبت شده در گزارش رویداد، هشدار تشخیص دستکاری الکترونیکی قابل تنظیم، پیام‌رسانی همزمان پیش‌پرداخت، هشدار کاهش بحرانی باتری (تشخیص دستکاری و آلارم شامل موارد: برداشتن پوشش باتری، جریان معکوس، مازاد ظرفیت با آستانه قابل تنظیم و ظرفیت باتری کم). فواصل اندازه­گیری قابل تنظیم: 15/30/60 دقیقه  مي­باشند و زمان ارسال هر سي دقيقه يكبار براي ارزيابي مصرف انرژي (خواندن‌هاي برحسب تقاضاي كنتور) است.

از جمله کنتورهای تجاری و صنعتی ظرفیت بالا نیز می­توان به GC-25AU Commercial Ultrasonic Smart Gas Meter(Meter capacity: 25m³/h) اشاره کرد. فناوری ارتباطی در این کنتور LTE-M1 و
NB-IoT مي­باشند و پروتکل ارتباطی DLMS/COSEM است.

گیت‌وی کنتور هوشمند باید بدون USB، نیاز به تعمیر و نگهداری کم و ظرفیت کافی داشته باشد. هر گیت­وی باید ظرفیت جمع­آوری داده‌های گزارش را از حداقل 1000 کنتور در فواصل زمانی 15 دقیقه به مدت 7 روز در حالت آفلاین از شبکه WAN داشته و دارای قابلیت عملیات Multi master باشد. این بدان معناست که سرور ممکن است در پاسخ به یک درخواست گرافیکی کاربر، گیت‌وی را برای داده‌های آنی استعلام کند. گیت­وی­ها باید بتوانند به طور مستقل با باتری‌های محلی به مدت حداقل 5 دقیقه در هنگام قطع برق اصلی کار کنند. از جمله گيت­وي­هاي استفاده شده در کشور استرالیا LoRaWAN KONA Macro IoT Gateway، SensusRF Gateway، N2400/N2450 Network Gateway مي­باشند.

پلتفرم به عنوان سرویس (PaaS) و پيشنهاداتي مانند Microsoft Azure IoT Suite تا نرم‌افزار به عنوان سرویس (SaaS)  با یک پلتفرم کاملاً یکپارچه برای جمع‌آوری و مدیریت داده‌ها، و توانایی نظارت بر کنتور از راه دور، باعث می­شوند تا شرکت‌های گاز بتوانند اندازه‌گیری مقدار مصرف گاز را بهبود بخشند. پلتفرم­های استفاده شده در استرالیا Itron’s DI platform است که هم از هوش مصنوعی و هم از فناوری لبه استفاده کرده است. Azure cloud platform برای شرکت EDMI (دارای بالاترین امنیت)، EDMI Energy Cloud، پلتفرم X2M IoT می‌باشد.

پلتفرم‌هاي نام برده داراي ويژگي‌هاي زير مي­باشند: رابط مشتری وب بصری و قابل تنظیم، نظارت زمان واقعی با الگوهای صفحه نمایش از پیش تعریف شده، گزارش‌های استاندارد و پیشرفته انرژی برای تجزیه و تحلیل مصرف و مدیریت هزینه، پشتیبانی کامل WAGES (آب، هوا، گاز، برق، بخار) (داشبورد، گزارش و صفحه نمایش) در ابزارهای نرم‌افزاری، مدیریت هشدار از پیش تعریف شده یا سفارشی شده، پشتیبانی از اندازه­گیری ورودی، ثبت خودکار پایگاه داده، کاملاً با فناوری ION سازگار است.

• برخی پلتفرم‌ها از نرم‌افزار PowerLogic ION Enterprise و انتقال نرم‌افزار System Manager پشتیبانی می‌کند.

با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین، سیستم‌های هوش مصنوعی می‌توانند الگوها و ناهنجاری‌ها را در داده‌های مصرف گاز شناسایی کنند، که می‌تواند به شرکت‌های گاز کمک کند تا نشت‌ها را شناسایی کنند، تقاضای آینده را پیش‌بینی کنند و شبکه‌های توزیع خود را بهینه کنند.  شرکت‌های زیادی هوش مصنوعی را روی سیستم‌ها و پلتفرم خود پیاده­سازی کرده­اند. AEMO روی پروژه­ای کار می‌کند که هدف آن استفاده از هوش مصنوعی برای بهبود دقت پیش­بینی و زمان­بندی شبکه گاز است.

این پروژه شامل توسعه الگوریتم‌های یادگیری ماشینی است که می‌تواند داده‌های گازسنج، حسگرهای آب‌ و هوا و سایر منابع را برای پیش‌بینی تقاضای گاز و تنظیم عرضه بر اساس آن تجزیه و تحلیل کند.

سیستم‌های نظارت از راه دور هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا بايد دارای ارتباط ایمن هستند(یعنی استفاده از اصول اولیه امنیتی رمزگذاری، احراز هویت، یکپارچگی و عدم انکار). دیگر اقدامات امنیتی انجام شده در شرکت‌های گاز به شرح زیر است:

• خدمات زیرساخت کلید عمومی (PKI) و کلید مشترک (PSK) پیاده­سازی شود.
• مدیریت شناسایی دستگاه انجام شود.
• خدمات امضای دیجیتال و اصالت، مدیریت شود.

در اواخر سال 2020، شرکت‌هاي هوشمندسازي گاز استراليايي یک سیستم مدیریت امنیت اطلاعات (ISMS) را پیاده­سازی کرده­اند که در سراسر گروه شرکت فعالیت می‌کند. این شرکت‌ها از این سیاست‌ها و رویه‌ها برای بررسی و گزارش در برابر اقدامات امنیت اطلاعاتي، امنیت سایبری و حفاظت از داده‌ها استفاده می‌کنند.

نتیجه‌گیری

استرالیا با اجرای گام‌به‌گام پروژه‌های هوشمندسازی شبکه گاز طبیعی، توانسته الگویی موفق در بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته مانند NB-IoT، DLMS/COSEM، پلتفرم‌های مبتنی بر Azure و الگوریتم‌های هوش مصنوعی ارائه دهد. این اقدامات باعث شده‌اند تا بهره‌وری شبکه افزایش یافته، هزینه‌ها کاهش یابد و ایمنی و شفافیت در مصرف انرژی بهبود پیدا کند. پیش‌بینی کاهش ۵۰ درصدی مصرف گاز خانگی تا سال ۲۰۳۰ گواهی بر کارایی بالای این سیستم است. تجربه استرالیا نشان می‌دهد که سرمایه‌گذاری هوشمندانه در حوزه زیرساخت هوشمند گاز نه‌تنها بهینه‌سازی مصرف، بلکه افزایش امنیت سایبری و رضایت مشترکین را نیز به دنبال دارد. سایر کشورها می‌توانند از این مسیر به عنوان یک نقشه راه دقیق برای هوشمندسازی شبکه‌های انرژی خود استفاده کنند.

سوالات متداول؟

1. هدف از هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا چیست؟

افزایش بهره‌وری، کاهش مصرف گاز، بهبود نظارت و ایمنی و ارتقاء خدمات به مشتریان.

2. چه فناوری‌هایی در شبکه هوشمند گاز استرالیا استفاده شده است؟

فناوری‌هایی مانند NB-IoT، LoRaWAN، FlexNet، و پلتفرم‌های Azure و Itron DI.

3. چه نوع کنتورهایی در این پروژه به کار رفته‌اند؟

کنتورهای اولتراسونیک هوشمند با قابلیت قطع و وصل از راه دور و گزارش‌گیری آنی.

4. آیا امنیت سایبری در سیستم گاز هوشمند لحاظ شده است؟

بله، شامل PKI، PSK، ISMS و مکانیزم‌های رمزنگاری و احراز هویت است.

5. چه دستاوردهایی از هوشمندسازی صنعت گاز در استرالیا پیش‌بینی شده است؟

کاهش 50 درصدی مصرف خانگی و تجاری و 30 درصدی مصرف صنعتی تا سال 2030.