מחקר: ערפל מחשבים במערכות אנרגיה מתחדשת

מבוא ל- Fog Computing

מחשוב פוג מייצג תשתית מחשוב מבוזרת שממעבדת נתונים ליד המקור שלה ולא להסתמך רק על מרכזי נתונים מרכזיים בענן.מטבעה על ידי סיסקו בשנת 2014, המונח "פוג" מתייחס לשכבה בין ענן ומכשירי קצה, המביאה חישוב, אחסון ורשתות קרוב יותר לחיישנים שיוצרים נתונים ומבצעים.אדריכלות זו נועדה במיוחד לטפל בנתוני מסיבי המיוצרים על ידי האינטרנט של הדברים (IoT) כולל מכשירים מתחדשים במערכות אנרגיה.

בניגוד למחשוב ענן מסורתי, אשר שולח את כל הנתונים לשרתים מרוחקים, מחשוב ערפל מאפשר קבלת ההחלטות המקומית.זה מקטין את החדירה העגולה, מצמצם את צריכת רוחב הפס, ותומכת בניתוח בזמן אמת.עבור אנרגיה מתחדשת - שבו לוחות סולאריים, טורבינות רוח ומערכות אחסון סוללות מופצות גיאוגרפית ומייצרות נתונים רגישים לזמן - מחשוב מציע דרך מעשית לנהל גמישות ולשמור על יציבות רשת פתוחה, כגון תכונות רלוונטיות של יכולת תקשורתית, כגון תכונות מתקדמות, כגון תכונות רלוונטיות, כגון תפוצה מודרנית, תכונות מתקדמות, תמיכה גאוגרפית, תכונות מתקדמות, תמיכה, תכונות מתקדמות, תכונות מתקדמות, כגון גמישות, תכונות רלוונטיות, תמיכה של יכולת תקשורתית, כגון סודיות גיאוגרפיות, כגון סודיות, כגון סודיות, תכונות רלוונטיות, תכונות רלוונטיות, תכונות מתקדמות, כגון סודיות גיאוגרפית, תכונות מתקדמות, תכונות מתקדמות, תכונות רלוונטיות של יכולת תקשורתית, סודיות גיאוגרפיות, כגון , סודיות גיאוגרפיות, כגון , תכונות מתקדמות, תכונות מתקדמות, מערכת יחסים של יכולת תקשורתית, כגון סודיות גיאוגרפית, תכונות מתקדמות של יכולת תקשורתית, כגון סודיות, תכונות מתקדמות של יכולת תקשורתית, מערכת יחסים עם יכולת תקשורתית, תכונות מתקדמות של יכולת תקשורתית, מערכת יחסים של יכולת תקשורתית, תכונות מתקדמות,

במהות, מחשוב ערפל פועל כשכבה בינונית שמקדמת מידע ומסננים לפני שליחת תובנות רלוונטיות בלבד לענן.גישה זו חשובה במיוחד עבור פעולות אנרגיה מתחדשות, שבו מילימטרים יכולים להיות ההבדל בין מיקרוגרידי יציב לבין שיתוק קלוש (Crecading Outage) עבור סקירה סמכותית, המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) מספק הגדרה מפורטת של ערפל ומחשובים (flasts:0IST).

אדריכלות של Fog Computing במערכות אנרגיה

ערפל נושך ומקומות

ארכיטקטורת מחשוב ערפל טיפוסית עבור מערכות אנרגיה מתחדשות מורכבת משלושה שכבות: שכבת המכשיר (רגישים, פועלים), שכבת הערפל (כבישים, שרתים קצה, בקרים מקומיים), ושכבת הענן.ערפל נודס ממוקמים אסטרטגית בתת-תרמיות, משחתות רוח סולריות, תאי טורבינות רוח, ובחדרי בקרה מיקרוגרידים.

ערפל אלה מתקשרים אחד עם השני באמצעות פרוטוקולים כגון MQTT, OPC-UA, או DDS, הבטחת זרימת נתונים אמינה אפילו בתנאי רשת לסירוגין.על ידי עיבוד נתונים באופן מקומי, ערפל יכול להטיל פקודות לפעולת מתאמים - לדוגמה, התאמת המגרש של להב טורבינות רוח או הפעלת כוח ממערכת אחסון סוללות - עם מ"מ לשנייה, ללא המתנה לסיבוב ענן.

שילוב עם עננים וצוק

מחשוב פוג אינו מחליף את הענן; הוא משלים אותו.ענן נשאר חיוני לאחסון נתונים לטווח ארוך, למידת מכונות אימון מודל ואופטימיזציה גלובלית של המערכת. Fog nodes להתמודד עם פעולות קריטיות בזמן ושולח נתונים מסומנים או מסוננים למעלה.זה עיצוב היררכי ממאזן מהירות עם יכולת יתר.עבור מפעילי אנרגיה מתחדשת, זה אומר כי צמח סולארי יכול להמשיך לתפקד באופן אופטימלי גם אם הקשר לאינטרנט לענן הוא באופן זמני, כי ערפל מקומי איבד באופן זמני.

יישום מחשוב פוג במערכות אנרגיה מתחדשת

פיקוח על כוח השמש ואופטימיזציה

מערך פוטו-וולטאי (PV) סולארי מייצר נתונים מכל פאנל, מתווך מיתר, חיישן סביבתי. חווה שמש אחת 100 מגה-וואט יכולה לייצר עשרות אלפי נקודות נתונים לשנייה.מחשוב פוג מאפשר ניתוח בזמן אמת ברמת המערך. ערפל מקומי לא יכול לזהות אדמה, מתפתל, או להפחתת כבל באופן מיידי ולהוביל רובוטים ניקוי או להסתגל ללא מעורבות בענן.

Wind Turbine Condition Monitoring

טורבינות רוח מודרניות מצוידות במאות חיישנים המדיקים רטט, טמפרטורה, מומנט, ו-להב מעבדים את הנתונים האלה בענן מציג עיכובים שיכולים להחמיץ תקלות מכניות בלתי מוגבלות.ערפל נודז מותקנות בתוך תא טורבינות יכול להפעיל אלגוריתמי ניתוח רטט בזמן אמת, להשוות נתונים נגד תבניות בסיס, ועריעני צוותי תחזוקה באופן מיידי.

מיקרוגרייד ו- Energy Storage Management

מיקרוגרואידים שמשלבים סולריות, רוח, אחסון סוללות, ו גנרטורים דיזל דורשים איזון מהיר של אספקה וביקוש.מחשוב פוג מאפשר לבקרים ברמה המיקרוגרידי לבצע החלטות אי, לשפוך, ועלויות טעינה סוללה / טעינה בזמן אמת.לדוגמה, אם ענן פתאום מכסה מערך סולארי, ערפל לא יכול להורות לסוללה לשמור על יציבות תדירות ללא המתנה לשרת מרוחק זה הוא מיקרואקטיביות עבור microgilience מקומית.

בנוסף, מחשוב ערפל יכול לתאם מספר רב של משאבי אנרגיה מבוזרים (DERs) ברחבי האזור.על ידי הגבלת נתונים מאלפי מערכות סולאריות גג, ערפל יכול לספק מפעילי רשת עם חשיפה מדויקת לתוך הדור מבוזר, המאפשר תגובה טובה יותר הביקוש ותקנות המתח.ה IEEE מספק מחקר נרחב על שליטה מיקרוגרידית מבוססת ערפל (FLT:0IEEEEE על מחשוב עבור מיקרוגרימה 1LT).

מערכות הידרואלקטריות וג'ותרמאליות

למרות שפחות נפוץ דנו, צמחי הידרואלקטריק וגיאו-תרמי נהנים גם מ מחשוב ערפל.במתקנים הידרואלקטריים, בלוטות ערפל יכולות לפקח על רטט טורבינות, קצב זרימת המים, ועמדות השער באופן מקומי כדי למנוע את הזיקוקציה ואופטימיזציה של ייצור חשמל. עבור צמחים גיאוותרמאליים, ניתוח בזמן אמת של לחץ קיטור וקומפוזיציה כימית מסייע לשמור על יעילות החילוץ.

מחקר: Fog Computing in a Service-Scale Solar Power Plant

תגית: Plant

שקול תחנת כוח סולארית 150 מ"ג הממוקמת בדרום מערב ארצות הברית, המשתרעת על פני 1,000 דונם.הצמח כולל 500 אלף לוחות PV, 2,500 מופנים מיתרים, ו-250 קופסאות משילוב של ארגזים לפני יישום מחשוב ערפל, כל נתוני החיישן נשלחו לפלטפורמת ניטור מבוססת ענן באמצעות מודמים סלולריים, וכתוצאה מכך קצבה מקצה לקצה ממוצע של 2 עד 5 שניות.

ערפל מחשוב עומק

המפעל פרוס 50 ערפל צומת, כל אחד מופעל על ידי מעבד מבוסס ARM עם 8 GB RAM ו אחסון SSD המקומי. הרץ אלה הוצבו בקבינטות משילוב ותחנות מזג אוויר.כל ערפל אסף נתונים מחוט המסופק שלה ב -100 , מבוצע עיבוד אותות בזמן אמת (למשל, מהיר יותר שינוי לניתוח הרמוני), ומאוחסן 24 שעות ביממה לשלוח דוחות קישוריות רק 5 דקות.

תוצאות והטבות

• (ב) הפחתה של טוהר:0 (FLT:1) התגלו אירועים קריטיים ונענו בתוך 50 מ"ט שניות, מה שמאפשר למפעל לצאת לחוטים פגומים באופן מיידי ולהימנע מכישלונות קדמיים.
• (FLT:0) חיסכון בינדנדנדנדנדנדנדנד: העברת נתונים 1:1 לענן צנחה ב-95%, מ-300 GB ליום ועד 15 GB ליום, תוך צמצום עלויות הנתונים התאיים ב-20,000 דולר בשנה.
• (FLT:0) תחזוקה מוקדמת: FLT:1 ערפל זיהה סימנים מוקדמים של הידרדרות מעכבת capacitor ופאנל הקרקע, המוביל לניקוי ממוקד ומחליפים רכיב שיפרו את יעילות הצמח הכוללת ב 3.2%.
• (ב) [15], ⁇ תפעולית: 1) במהלך שירות ענן גדול היוצא מטווח של שש שעות, שכבת הערפל שמרה על יכולות ניטור ובקרה מלאות, ולהבטיח שהצמח המשיך לייצר יכולת.

מקרה זה מראה כי מחשוב ערפל לא רק משפר את הכלכלה של פעולות צמחי השמש, אלא גם מספק רמה של אוטונומיה חיונית לדור מתחדש במשרה גבוהה.פרטים נוספים על יישום בעולם האמיתי דומה ניתן למצוא בספריה מקרה השימוש של OpenFog Consortium (איור:0 OpenFog Use CasesFLT:1).

היתרונות של ערפל מחשוב במערכות אנרגיה מתחדשת

צמצום השקיפות והשליטה בזמן אמת

היתרון המיידי ביותר של מחשוב ערפל הוא ההפחתה דרסטית של מהירויות עיבוד נתונים. במערכות אנרגיה מתחדשת, זה מאפשר תגובות תת-שניות להפרעות רשת, כגון מתח, סצינות תדירות, או כישלונות בלתי-מסובכים.לאות בקרה מקומיות מהירות יכולות לשמור על איכות הכוח ולמנוע נזק בציוד, שהוא קריטי במיוחד כאשר חדירה מתחדשת גבוהה ובתוך המערכת היא נמוכה.

אמינות מוגברת וחוססן

מחשוב פוג מספק מידה של אוטונומיה; צמתים מקומיים יכולים להמשיך לפעול גם כאשר רשת רחבה או קישוריות בענן אבודה.תכונה זו חיונית עבור חוות רוח מרוחקות, מתקני שמש offshore, ומיקרו-grids מאוישים. על ידי חלוקת מודיעין ברחבי הרשת, מערכת האנרגיה כולה הופכת פחות פגיעת נקודות בודדות של כשל.

Bandwidth ו- Cost Optimization

מערכות אנרגיה מתחדשת מייצרות כמויות עצומות של נתונים טלמטאריים.העברת כל זה לענן הוא יקר ולעתים קרובות מיותר. ערפל שכבות מצטברות, דחוסות ופילטר נתונים באופן מקומי, שולחות רק תובנות רלוונטיות.זה מקטין את צריכת רוחב הפס הסלולרי או הלווין על ידי 80-95%, ומתרגם לחיסכון תפעולי משמעותי עבור צמחים בקנה מידה גדול.

שיפור אבטחת המידע ופרטיות

עיבוד נתונים תפעוליים רגישים - כגון אלגוריתמים של שליטה קניינית, פלט חשמל בזמן אמת, או ביצועים היסטוריים - בקצה מצמצם את החשיפה להתקפות סייבר במהלך שידור. פוג נודס יכול גם להפעיל יישומים מקומיים, כגון מערכות זיהוי חדירה, ללא שיתוף נתונים גולמיים חיצונית.עבור תשתיות אנרגיה קריטיות, גישה זו סוללת אבטחה מיישרת עם הנחיות NERC CIP.

סקאביה לדיסטריט אנרגיה

ככל שאימוץ השמש והרוח גדל, הכלים חייבים לנהל מיליוני נכסים מבוזרים.מחשוב פוג מאפשר למפעילים לפקח על משקל ושליטה על ידי הוספת יותר ערפלים.כל אחד מהם מטפל במצע מקומי של מכשירים, הימנעות מצוואר הבקבוק של שרת מרכזי.מודל מבוזר זה תומך במעבר לרשת גמישה יותר.

אתגרים ושיקולים ל- Fog Computing Implementation

חששות לגבי צוק

בעוד מחשוב ערפל משפר את אבטחת המידע בדרכים מסוימות, הוא גם מציג משטחים חדשים של התקפות.ערפל עלול להיחשף פיזית ל טמפרינג, ותוכנה שלהם חייבת להיות מעודכנת באופן קבוע כדי ללקות פרצות. חברות אנרגיה חייבות ליישם אימות חזק, הצפנה, ומבחן מרחוק לכל מכשירי הערפל. Secureחול ועוגן אמון בחומרה מומלץ.

ניהול ותזמורת מורכבות

ניהול מאות או אלפי ערפל ברחבי אזור גיאוגרפי רחב דורש כלי תזמורת חזקים. המפעילים צריכים לפרוס, לפקח, לעדכן, ו decommission nodes באופן אמין. Solutions כמו Kubernetes בקצה מתעוררים, אבל הם מוסיפים ביצועים תפעוליים של מוטציות ומודלים נתונים עדיין מתפתח, אשר יכול להוביל לנעוץ-אין.

שילוב עם Legacy Systems

צמחים אנרגיה מתחדשת רבים משתמשים במערכות בקרה פיקוח ובקרה ישנות יותר (SCADA) שלא נועדו למחשוב מבוזר. ערפל החלט עשוי לדרוש תרגום פרוטוקול וphasing זהירה כדי למנוע הפרעות. גישה הגירה הדרגתית, שבו נודים ערפל מאשר להחליף בקרים קיימים, הוא לעתים קרובות הדרך המעשית ביותר.

כוח של ערפל

ערפל עצמו לצרוך חשמל.עבור מתקני אנרגיה משוחררים או מרוחקים, יש למזער את האנרגיה מעל פני הקרקע.התקדמות במעבדים בעלי כוח נמוך וטכניקות של הפחתת אנרגיה מטפלות בבעיה זו.כאשר יושבות נודים ערפל, מעצבים צריכים למזער מקומות עם כוח מקומי, כגון ארונות לא מופרכות שכבר יש 24V אספקת.

עתידו של פוג באנרגיה מתחדשת

ההתכנסות של מחשוב ערפל עם רשתות 5G, בינה מלאכותית וטכנולוגיה תאום דיגיטלי יפתחו רמות חדשות של אופטימיזציה עבור מערכות אנרגיה מתחדשת. תקשורת אולטרה-בטחון נמוכה (URLLC) תגביר את התיאום ערפל-לפוגן, שיאפשר למיקרואורגניזמים אוטונומיים לשתף משאבים בזמן אמת. AI inference מנועים על ערפל יעברו מעבר לגילוי פשוט מבוסס-כלל לדגמים מתוחכמות ושינויים מונעים על מזג אוויר.

תאומים דיגיטליים – העתקים וירטואליים של נכסי אנרגיה פיזיים – יכולים להתבצע באופן חלקי בשכבה הערפל כדי לדמות תרחישים עם משוב אפס-לג.זה מאפשר למפעילים לבחון אסטרטגיות בקרה מבלי להשפיע על ציוד אמיתי.שילוב של ערפל, 5G, ו-AI יהיה אבן הפינה של הרשת החכמה, מה שיאפשר לעשרות אלפי מקורות אנרגיה מתחדשת מבוזרים לפעול כרשת קוהשבית, עצמית.

תקני התעשייה גם מזורים.סטנדרט IEEE P1934 עבור מחשוב ערפל ואדריכלות ההתייחסות של האינטרנט התעשייתי מספקים קווים מנחים ברורים עבור יכולת הדדית.כפי שסטנדרטים אלה מקבלים אימוץ, שילוב בין נביחות ערפל של ספקים שונים ופלטפורמות ענן יהפכו חלקה, צמצום העלות הכוללת של בעלות עבור מפעילי אנרגיה מתחדשת.

מסקנה

מחשוב פוג צמח כטכנולוגיה טרנספורמטיבית עבור מגזר האנרגיה המתחדש.על ידי עיבוד נתונים בקצה, הוא מתייחס לאתגרים הבסיסיים של שקיפות, רוחב פס, אמינות וביטחון המגיפה גישות בלבד לענן בעולם האמיתי, כגון תחנת הכוח הסולארית שתוארה לעיל, מאשרת יתרונות מוחשיים: עלויות נמוכות יותר, יעילות גבוהה יותר, ושיפור חוסן.

מפעילי ושימושים המעוניינים לחדש את תשתיות ניטור ובקרה שלהם צריך להעריך מחשוב ערפל כהשקעה אסטרטגית.בעוד שאתגרי יישום קיימים, היתרונות הרבה יותר עולים על המכשולים, במיוחד בעידן שבו יציבות רשת ודהקרביזציה הם קריטיים.