[ez-toc]

وضعیت و آینده شبکه توزیع گاز در جهان | مقایسه بین‌المللی با فناوری‌های نوین

شبکه توزیع گاز، یکی از حیاتی‌ترین اجزای زیرساخت انرژی در هر کشور به‌شمار می‌رود. این شبکه مسئول رساندن گاز طبیعی از ایستگاه‌های انتقال به مصرف‌کنندگان خانگی، تجاری و صنعتی است و نقش کلیدی در تأمین پایدار و ایمن انرژی ایفا می‌کند. در دهه اخیر، با رشد فناوری‌های هوشمند مانند اینترنت اشیا (IoT)، رایانش ابری، و هوش مصنوعی، کشورهای پیشرفته مسیر تحول دیجیتال در شبکه‌های گاز را آغاز کرده‌اند.

این مقاله با تمرکز بر کلمه کلیدی شبکه توزیع گاز، به بررسی ساختار، وضعیت فعلی، رویکردهای نوآورانه، و فناوری‌های نوین در کشورهای پیشرو مانند آمریکا، آلمان، ژاپن، انگلیس و ایتالیا می‌پردازد. همچنین روند هوشمندسازی، پروتکل‌های ارتباطی، بسترهای مخابراتی و نرم‌افزارهای مورد استفاده در این شبکه‌ها به صورت جدول‌بندی و مقایسه‌ای تحلیل می‌شود.

مقدمه‌ای بر شبکه توزیع گاز

در بررسی وضعیت شبکه توزیع گاز در جهان، فارغ از میزان گستردگی، شبکه‎ه ای گاز کشورهای مختلف ساختار نسبتاً مشابه‌ای دارند که از یک شبکه انتقال گاز فشار بالا شروع شده، در شبکه توزیع اصلی ادامه یافته و با شبکه توزیع سمت مصرف‌کنندگان نهایی خاتمه می‌یابد. هر کدام از این شبکه‌ها اپراتور اختصاصی خود را دارد به عنوان نمونه اپراتور شبکه انتقال، اپراتور توزیع ملی و بعضاً اپراتور توزیع محلی و منطقه‌ای. در بین کشورهای بررسی شده، فقط ژاپن ساختار شبکه متفاوتی دارد که بخش عمده‌ای از شبکه انتقال و توزیع آن بصورت حمل و نقل جاده‌ای و ریلی و توسط کامیون‌های مخزن‌دار انجام می‌شود.

البته ژاپن برای همین شبکه انتقال و توزیع حمل و نقلی خود نیز یک سیستم مدیریت و کنترل ویژه دارد. از نظر میزان گستردگی شبکه توزیع گاز در سطح کشور آلمان، انگليس و فرانسه بعد از آمریکا، شبکه‌های نسبتاً  بزرگی دارند. شبکه‎های گاز آلمان و انگليس بعد از امريكا بيشترين طول شبكه توزيع گاز را دارا می‌باشند، در حالیکه طول این شبکه در استرالیا و ایتالیا حدود 74.000، انگلیس 36500 و ژاپن فقط 2350 کیلومتر می‌باشد. جدول زیر خلاصه‌ای از وضعیت گستردگی شبکه گاز کشورهای مورد مطالعه را نمایش می‌د‌هد.

مقایسه طول شبکه توزیع گاز در کشورهای مختلف

برنامه‌های توسعه شبکه توزیع گاز در جهان

مسلماً در کشورهای پیشرفته، پروژه‌های بزرگ و مهمی مانند هوشمندسازی اندازه‌گیری گاز بدون برنامه مدون اجرا نمی‌شود، ولی بر اساس جستجوها و بررسی‌های بعمل آمده برای همه کشورها برنامه تفصیلی یافت نشده است. در برخی کشورها اجرای این پروژه بر اساس یک روند تکاملی پیش رفته است. به طور نمونه در فرانسه با طرح اولیه GRDF شروع شده و با اجرای پایلوت و تخصيص مشاور به منظور بازبینی برنامه اولیه ادامه یافته است.

در آمریکا روند تکاملی نسلهای اسکادا، منجر به اسکادای نسل چهارم (تلفیق اسکادا با IIoT) و به زودی نسل پنجم مبتنی بر محاسبات ابری در هسته شده است.

در انگلیس نیز روند هوشمندسازی شبکه گاز در 2 مرحله پیش رفته که از پروژه SMETS1 به پروژه SMETS2 رسیده‌اند. از نظر برنامه نیز کشورهای اتحادیه اروپا در مواردی بطور خاص مانند توسعه شبکه انتقال از برنامه‌های اتحادیه اروپا (برای گسترش شبکه انتقال یا نحوه سرمایه‌گذاری) تبعیت مي‎كنند. در ایتالیا و فرانسه طی سیاست ملی اتخاذ شده، نصب تجهیزات هوشمندسازی اندازه‌گیری گاز الزامی و اجباری بوده است (حتی در سطح مشترکین جزء). در حالیکه این موضوع برای انگلیس اختیاری است.

در واقع در انگلیس رویکرد کاملاً متفاوتی وجود دارد و ضمن بهره‌مندی از اندازه گیری هوشمند در شبکه فعلی، کلاً سیاست انگلیس حذف مصرف گاز در سیستم گرمایشی خانگی و تجاری تا سال 2025 است.

در فرانسه برای توسعه شبکه هوشمند گاز 1 میلیارد یورو و در استرالیا هم 2.6 میلیون دلار برای تغییر نسل و مهاجرت به سمت شبکه گاز هوشمند مبتنی بر ابر سرمایه‌گذاری شده است.

روند هوشمندسازی شبکه توزیع گاز

بر اساس مطالعات و بررسی‌های بعمل آمده، آمار و اطلاعات دقیقی در خصوص روند پیشرفت اجرای هوشمندسازی شبکه گاز بصورت تفکیک شده بر حسب نوع مشترکین یافت نشد. با این حال آمارهایی در خصوص چند کشور بطور کلی وجود دارد. به عنوان مثال در ایتالیا ادعا می‌شود که تا سال 2018، 80% پروژه هوشمندسازی گاز تحقق پیدا کرده و پیش بینی می‌شود تا سال2026 شبکه هوشمند گاز بطور 100% و مجهز هوش مصنوعی محقق گردد. در فرانسه نیز GRDF مدعی است که تاکنون 6 میلیون کنتور از 11 میلیون (شامل خانگی) را مجهز به تجهیزات اندازه‌گیری هوشمند کرده است.

در ژاپن نیز ادعا شده که تا سال 2024، 37% شبکه گاز کشور هوشمند خواهد شد. جدول زیر خلاصه‌ای از وضعیت برنامه هوشمندسازی کشورهای مورد مطالعه را نمایش می‌دهد.

نوآوری‌ها در اندازه‌گیری گاز

بر اساس مطالعات بعمل آمده اولویت نخست کشورها استفاده از تجهیزات بومی است که در این خصوص کشورهای آمریکا، آلمان و ایتالیا قوی‌تر و پیشرفته‌تر هستند و طیف گسترده ای از تجهیزات مرتبط را تولید مي‎كنند. در آلمان بطور خاص زیمنس در اولويت است و در رده‎هاي بعدي تجهيزاتي مانند Honneywell، زیمنس، ABB، اشنایدر و امرسون در حوزه تجهیزات اندازه‌گیری گاز باسابقه تر بوده و محصولات خاص هوشمند نیز ارائه می‌دهند. در مواردی نیز مانند فرانسه برندهای داخلی راه حل‎های جامع برای کل ایستگاه‎های رگولاتوری و تقلیل فشار را بصورت پکیج کامل و تجمیع شده دارند.

موارد ذیل از مصادیق رویکردهای نوآورانه در اندازه‌گیری هوشمند گاز در کشورهای بررسی شده می‌باشد :

• در آمریکا – محاسبات لبه در RTU و نیز هوش مصنوعی برای محاسبات و سنسورهای ایمنی تشخیص نشت گاز در ایستگاه،
• در ژاپن -معماری متمرکز، سوئیچینگ بسته و شبکه بدون IP،
• در استرالیا- استفاده از قابلیت هوش مصنوعی در پلتفرم و تجزیه و تحلیل ابری،
• در انگلیس – کنترل لبه در RTU،
• در ایتالیا -استفاده از هوش مصنوعی و فناوری‌های پردازش سریع و رایانش ابری لبه.

همانطور که مشاهده می‌شود، استفاده از هوش مصنوعی در آینده شبکه‎های هوشمد گاز اجتناب ناپذیر است، ضمن اینکه محاسبات لبه نیز یکی از رویکردهای مهم نوآورانه در شبکه هوشمند مي‎باشد.

جدول زیر خلاصه‌ای از روند بکارگیری فناوری‌های نوین در شبکه هوشمند گاز در کشورهای مورد مطالعه را نمایش می‌دهد.

پروتکل‌ها و بستر مخابراتی در شبکه توزیع گاز

در آمریکا از بسترهای مخابراتی سلولی 2G/3G/4G برای ارسال اطلاعات به مرکز و در مواردی از LPWAN (شامل Lora، NB-IoT و Sigfox) به عنوان بستر مخابراتی بالادست استفاده مي‎شود و ارتباط RTU با مودم/روتر بصورت بی‎سیم (با فناوری‌های Zigbee، بلوتوث و غيره) یا سیمی مستقیم انجام می‎پذیرد. پروتکل ارتباطی بکار رفته در شبکه هوشمند گاز آمریکا OPC-UA، MQTT و TCP/IP و مشتقات آن برای بالادست و HART و مودباس برای پایین دست مي‎باشد. ضمناً در آمریکا از کنترل لبه نیز استفاده می‌شود. در اين حالت RTU نقش پردازشگر کنترل لبه را دارد که مجهز به مودم داخلی SGVPN 4G-LTE است.

ژاپن از نظر شبکه مخابراتی نیز متفاوت و خاص مي‎باشد و از یک شبکه بیسیم چند‎هاپ U-bus Air (یک شبکه 2 لایه شامل شبکه گسترده WAN و PHS و Pu-NCU) استفاده مي‎شود که یک فناوری بی‎سیم کم مصرف مختص توسعه یافته در این کشور است که در چند کشور آسیای شرقی دیگر هم بکار رفته است. در استرالیا از LTE 4G و نیز 5G که IoT را پشتیبانی مي‎كند، استفاده مي‎شود.

البته قسمت عمده شبکه در اين كشورها از 3G/4G استفاده مي‎كنند که به دليل مشکلات امنیتی قرار است با  بستر 4G خاص که مستقیما به VPN امن متصل هست جایگزین شود. برای پروتکل ارتباطی نیز IEC104 و در موارد کمتری از MQTT و نیز انواع پروتکل‌های TCP/IP استفاده مي‎شود. برند بکار رفته برای مودم/روتر Telstvc و Honneywell می‌باشد. در ایتالیا نیز از شبکه مخابرات سلولی 2G/3G/4G به اضافه LPWAN استفاده مي‎شود. در حالیکه در انگلیس از بستر ارتباطی GPRS و شبکه امن SM-WAN (با رمزنگاری AES) استفاده مي‎شود. در آلمان نیز مانند انگلیس از بستر مخابراتی GPRS و پروتکل‌های ارتباطی MQTT، IEC 60870-5-104 و TCP/IP استفاده مي‎شود.

همانطور که مشاهده مي‎شود بستر مخابراتی غالب شبکه هوشمند گاز در کشورهای مختلف، مخابرات سلولی و عمدتا نسل‎های 2G/3G/4G و GPRS می‎باشد. اگرچه در مواردی مانند آمریکا از LPWAN نیز استفاده شده است. در خصوص پروتکل نیز، پروتکل‌های ارتباطی رایج OPC-UA، IEC104 و MQTT مي‎باشند. جدول زیر خلاصه‌ای از وضعیت بسترهای مخابراتی و پروتکل‌های ارتباطی شبکه هوشمند گاز مشترکین صنعتی در کشورهای مورد مطالعه را نمایش می‌دهد.

پلتفرم‌های نرم‌افزاری در شبکه هوشمند گاز

در حوزه پلتفرم به دليل حساسیت عمدتا محصولات بومی مورد استفاده قرار می‎گیرند. به عنوان مثال در استرالیا از پلتفرم WDC و پلتفرم ملی APA که یک پلتفرم مبتنی بر ابر است و در ایتالیا از ابر هیبرید و پلتفرم SAC و پلتفرم تحت وب Overland استفاده مي‎شود. در آلمان از نرم افزار Metis برای قرائت کنتور  و پلتفرم ماژولار Modam برای مدیریت شبکه و نیز نرم‌افزار جامع مبتنی بر وب GMDM استفاده مي‎شود و پلتفرم‎های بکار رفته در شبکه گاز فرانسه محصول برندهای ABB و اشنایدر هستند.

در خصوص کشورهای بررسی شده همگی بستر پردازشی و ذخیره سازی خود را بر روی فناوری رایانش ابری ایجاد کرده اند. در  کشور ایتالیا، SGAM به عنوان پیشروترین و بزرگترین اپراتور توزیع گاز ایتالیا که در زمینه هوشمندسازی شبکه توزیع گاز از سال 2018 شرع به فعالیت کرده است، با همکاری شرکت مایکروسافت  از ابزار رایانش ابری Azure از بستر منابع خصوصي شرکت SGAM بهره گرفته است. سایر کشورها که در زمینه رایانش ابری پیشروتر هستند و از سال‎ها قبل در این زمینه اقدام کرده اند مانند آمریکا، انگستان، آلمان و حتی ژاپن و فرانسه، ساختار ابری خاص به نام ابر دولتی یا G-Cloud و یا Trusted Cloud وجود دارد.

در اين كشورها تمامی بخشهای دولتی که با داده های حساس، دولتی و مردمی سروکار دارند از این سامانه‎ها استفاده می‎کنند. این ابرها از استاندارهای بالای فنی، امنیتی و قابلیت اطمینان بالا پیروی می‌کنند. در خصوص سیستم‎های اندازه گیری هوشمند مانند شبکه توزیع برق، گاز و آب استفاده از ساختار FOG Computing (سلسه مراتبی – توزیع شده)  نیز مشاهده شده است که هسته اصلی پردازشی و ذخیره سازی در این ساختار به صورت رایانش ابری بوده و از محاسبات لبه نیز بهره گرفته اند.

مقایسه کشورهای پیشرفته در زمینه شبکه توزیع گاز

بر اساس کلیه اطلاعات موجود و در دسترس، جمع بندی این موضوع در جدول زیر خلاصه شده است.

جمع‌بندی و تحلیل آینده شبکه توزیع گاز

با بررسی شبکه توزیع گاز در کشورهای مختلف می‌توان نتیجه گرفت که آینده این حوزه به‌طور قطع در گرو هوشمندسازی و دیجیتال‌سازی است. ترکیب فناوری‌هایی مانند رایانش ابری، محاسبات لبه، هوش مصنوعی، پروتکل‌های مدرن مانند MQTT و OPC-UA و پلتفرم‌های نرم‌افزاری بومی، روند بهره‌برداری از شبکه گاز را به‌سمت افزایش بهره‌وری، کاهش تلفات، و ایمنی بیشتر هدایت کرده‌اند.

در این میان، کشورهایی مانند آمریکا و آلمان با سرمایه‌گذاری‌های بزرگ و اجرای پروژه‌های نسل چهارم و پنجم اسکادا، تبدیل به الگوهایی برای سایر کشورها شده‌اند. از سوی دیگر، کشورهایی نظیر ژاپن با رویکردهای خاص خود در طراحی شبکه‌های ارتباطی نیز مسیر متفاوتی را طی کرده‌اند.

در نهایت، روشن است که برای دستیابی به شبکه توزیع گاز کارآمد، پایدار و ایمن، به‌کارگیری فناوری‌های نوین، برنامه‌ریزی منسجم و سرمایه‌گذاری هوشمندانه، اجتناب‌ناپذیر است.

سوالات متداول درباره شبکه توزیع گاز

۱. شبکه توزیع گاز چیست؟
شبکه‌ای متشکل از خطوط لوله و ایستگاه‌هاست که گاز طبیعی را از شبکه انتقال به مشترکین نهایی می‌رساند.

۲. آیا در کشورهای پیشرفته، شبکه گاز هوشمند شده است؟
بله، بسیاری از کشورها مانند آمریکا، ایتالیا، و آلمان به سمت هوشمندسازی با فناوری‌هایی مانند RTU، رایانش ابری و AI رفته‌اند.

۳. چه تفاوتی میان شبکه انتقال و توزیع گاز وجود دارد؟
شبکه انتقال فشار بالاتر و خطوط بزرگ‌تری دارد و وظیفه رساندن گاز از مراکز تولید به شهرها را دارد، در حالی که شبکه توزیع گاز وظیفه پخش گاز در سطح شهری و بین مصرف‌کننده‌ها را دارد.

۴. مهم‌ترین پروتکل‌های ارتباطی در شبکه توزیع گاز چیست؟
MQTT، OPC-UA، IEC104 از جمله پرکاربردترین پروتکل‌ها در این شبکه هستند.

۵. چه کشورهایی در هوشمندسازی شبکه توزیع گاز پیشتاز هستند؟
آمریکا، آلمان، فرانسه و ایتالیا از جمله کشورهایی هستند که با سرمایه‌گذاری قابل توجه، ساختار هوشمند را پیاده‌سازی کرده‌اند.