ويعود التطور السريع لتكنولوجيا الاتصالات السلكية واللاسلكية إلى إعادة تشكيل الهياكل الأساسية الحيوية في جميع أنحاء العالم، ويستفيد قطاع الطاقة استفادة عميقة من بدء تشغيل الشبكات اللاسلكية الجيل الخامس، التي تعرف ببساطة بـ 5 زاي، وتُنتج هذه المعايير الوصلية بسرعة، ومستويات التساهل، وكثافة الأجهزة، والموثوقية التي تتجاوز شبكاتها السابقة، وعندما تطبق على الشبكة الكهربائية، فإن 5 زاي تتيح طبقة جديدة من نظم الاستهلاك الذكية والمستجيبة والمرنة.

فهم الجريمتين الذكية

ولا تشكل شبكة ذكية جزءاً واحداً من التكنولوجيا بل هي تحديث شامل للشبكة الكهربائية التقليدية، وتعمل الشبكات التقليدية بشكل محدود في ما يحدث خارج نطاق الاختبارات الفرعية ومقاييس العملاء، وتفتقر إلى الاستشعار في الوقت الحقيقي، والسيطرة الآلية، والقدرة على التوازن الدينامي بين العرض والطلب المتباين، وتعالج الشبكات الذكية هذه أوجه القصور عن طريق دمج الاتصالات الرقمية، والمجسات، والهياكل الأساسية المتقدمة لقياس الطاقة (AMI)، ووحدات قياس الموارد الموزعة على مراحل.

وتشمل الأهداف الأساسية لشبكة ذكية ما يلي:

  • Enhanced reliable and self-healing:] Automatic fault detection and isolation reduce outage durations.
  • Integration of renewable energy:] Solar, wind, and bat storage can be sented and managed at scale.
  • Demand-side management:] Utilities can communicate with smart appliances to shift load away from top periods.
  • Improved energy efficiency:] Real-time data allows for finer control of voltage and reactive power, reducing losses.
  • Consumer empowerment:] Home energy management systems provide usage insights and price signals.

ولتحقيق هذه الأهداف، تعتمد شبكة ذكية على شبكة اتصالات قوية وآمنة وخفيضة الدقة تربط ملايين النقاط النهائية - من أجهزة الاستشعار عن طريق خطوط النقل إلى أجهزة القياس الذكية السكنية - ومن الناحية التاريخية، تعتمد هذه الاتصالات على مجموعة من التكنولوجيات تشمل الألياف الضوئية، وناقلات خطوط الكهرباء، وشبكة الإنترنت، ومعايير الخلايا القديمة (3G, 4G LT) التي تفتقر إلى القيود:

تطور الاتصالات المظلمة

من 4G LTE إلى 5G: A Generational Leap

أما شبكات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات التي تبلغ الجيل الرابع فقد كانت العمود الفقري للمشاريع التجريبية للشبكة الذكية المبكرة، وقد وفرت هذه الشبكات عرضا كافيا للقراءات الدورية، والإشارة الأساسية للمراقبة والإشراف واقتناء البيانات، غير أنه نظرا لأن هياكل الشبكات أصبحت أكثر لا مركزية مع محطات الشحن الشمسية والكهربائية، وخزن البطاريات، فإن متطلبات تصاعدية من حيث الاحتياجات من خدمات الحماية والتحكم في الشبكات، مثل الحماية المتباينة للجزر.

5 زاي يعالج هذه الاحتياجات من خلال ثلاث فئات من الخدمات الأولية يحددها الاتحاد الدولي للاتصالات السلكية واللاسلكية، ومعايير 3GPP:

  • Enhanced Mobile Broadband (eMB):] Provides high data rates (up to 10 Gbps) for applications like video-based drone inspections of transmission lines.
  • Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLC):] Targets end-to-end latency under 1 millisecond and 99.99% reliable - essential for real-time grid protection.
  • Massive Machine-Type Communications (mMTC):] Supports up to 1 million devices per square kilometer, enabling dense sensor networks across distribution grids.

وبالإضافة إلى ذلك، يقوم 5G بإدخال قطع الشبكة - القدرة على إنشاء وحدات شبكية افتراضية ومنعزلة ذات معايير أداء مضمونة - ويمكن أن تعمل فائدة على شريحة مخصصة لمدد الحماية (الدرجة الأولى)، وفرع آخر للتعديل الذكي (الكثافة العالية، وقلة النطاق الترددي)، وثانيهما لمراقبة أشرطة الفيديو (الصفوف العالية) - وكل ذلك يتعلق بالهياكل الأساسية المادية السابقة ذات الـ 5 زاي.

كيف 5G Transforms Smart Grid Communications

نقل البيانات في الوقت الحقيقي ومراقبتها

ويتمثل الأثر الأكثر إلحاحا لخمسة آلاف على الشبكات الذكية في الحد من الرطوبة، حيث يمكن لمديري المراقبة من خلال قدرات خمسة آلاف وأربعة آلاف أن تصل إلى الأجهزة الميدانية في أقل من ثانية، مما يجعل من الممكن تنفيذ استراتيجيات سريعة لتحقيق الاستقرار في الشبكة، مثل:

  • Adaptive protection schemes:] Protective relays can communicate with each other and with central controllers to isolate faults before they cascade into blackouts.
  • Distributed energy resource management:] Inverters connected to solar panels or battery banks can receive real-time dispatch commands to support voltage and frequency regulation.
  • Load shedding and demand response:] During emergency events, 5G-enabled shiftes can shed non-critical loads in milliseconds, far faster than traditional schemes that rely on under-frequency relays.

جهاز الاتصال بالأجهزة اللاسلكية

إن شبكة التوزيع غير مرصدة إلى حد كبير اليوم. فإمكانية استخدام أجهزة الاستشعار ذات التكلفة المتوسطة في إطار شبكة الترددات المتوسطة الحجم تجعل من الممكن اقتصاديا نشر آلاف أجهزة الاستشعار المنخفضة التكلفة على خطوط الكهرباء والمحولات والأعمدة، ويمكن لهذه أجهزة الاستشعار أن تقيس درجة الحرارة والهزات والحاضر والفولط وحتى الظروف الجوية، وتغذي البيانات المستمدة من هذه أجهزة الاستشعار نماذج رقمية وأجهزة تحليلية تنبأ بفشل المعدات قبل أن تحدث آثارا.

تعزيز الأمن والقدرة على التكيف

ويكتسي الأمن أهمية قصوى بالنسبة للهياكل الأساسية الحيوية للطاقة.

  • Subscriber identity protection:] User and tool identities are encrypted over the air, reducing the risk of tracking or spoofing.
  • Network slicing security isolation:] Each slice can have its own encryption keys, authentication, and integrity protection, preventing a compromise in one slice from affecting another.
  • End-to-end encryption:] Data from sensors to utility control centers can be encrypted without mediums decrypting the payload.

وعلاوة على ذلك، فإن ضعف درجة حرارة 5G وارتفاع مستوى الموثوقية يتيحان الكشف بسرعة عن تدخلات الفضاء الإلكتروني والعزلة الآلية للشرائح المهددة، مما يقلل من سطح الهجوم، وقد أصدرت هيئات المعايير مثل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا واللجنة الدولية للكهرباء مبادئ توجيهية لأمن 5G في سياقات الشبكات الذكية، ويمكن للمرافق أن تستغل هذه الأطر لبناء هياكل مرنة.

توزيع الشبكات على الخدمات المختلفة

وربما يكون قطع الشبكات هو أكثر السمات ثورية للمرافق، ويمكن تقسيم شبكة ولوحات إذاعية واحدة من طراز 5G إلى شبكات منطقية متعددة، كل منها مصمم حسب صورة محددة للأداء، على سبيل المثال:

  • Slice A (URLC): ] For protection relays, coincidehrophasors, and fault interruption devices — requiring guaranteed low latency and high reliable.
  • Slice B (mMTC): ] For millions of intelligence meters and distribution sensors - optimized for devices density and low power consumption.
  • Slice C (eMB): ] For high-bandwidth applications such as drone video feeds for line inspections or virtual reality training for field crews.

وتتيح هذه القدرة على قطع الخدمات للمرافق تجنب الإفراط في عرض الشبكة بالنسبة للسيناريوهات الأسوأ، ويمكنها شراء أو استئجار نوعية الخدمات التي تحتاجها تحديدا، مع خفض التكاليف التشغيلية مع الوفاء بالمتطلبات التنظيمية، وقد حددت هيئات المعايير مثل 3GPP ووكالة الخدمات والخدمات والخدمات والخدمات البيئية وصلات بينية بينية بينية بينية بينية لإدارة الشبكتين تتكامل مع نظم دعم عمليات المرافق العامة.

الفوائد الرئيسية لخمسة جي - إنبلد غريدز

تحسين الموثوقية والحد من حالات الخروج

ويستفيد نظاما تحديد المواقع والعزلة وإعادة الخدمات بصورة مباشرة من الاتصالات المنخفضة التردد، حيث يمكن الكشف عن خطأ في مغذي التوزيع وعزله في أقل من ١٠٠ ميلي ثانية، ويمكن إعادة الخدمة إلى الأقسام غير المتأثرة عن طريق طرق بديلة في غضون ثوان، وقد أظهرت الدراسات التي أجرتها المرافق مثل شبكة إنتيل وشركة الجنوب أن الـ ٥ جي - جي - LISR يمكن أن تقلل من عدد الدقائق التي تقطعها الشركة إلى ٥٠ سنة.

تعزيز تكامل الطاقة المتجددة

فالمصادر المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية متغيرة بطبيعتها. ويتيح هذا النظام رصدا فوريا لنواتج الجيل ومراقبة دقيقة للمتحولين الذكيين للحفاظ على استقرار الشبكة، وعلى سبيل المثال، يمكن لنظام تخزين البطاريات المترابط بـ 5 جي/جي/جي/جي/جي/إحداث انخفاض مفاجئ في توليد الطاقة الشمسية في غضون ثواني، مما يجعل هذه القدرة حرجة مع تحديد أهداف طموحة للتسرب الكهربائي.

الوفورات في التكاليف التشغيلية

فالتأهيل والصيانة التنبؤية تحد من الحاجة إلى إجراء عمليات تفتيش يدوية وإصلاحات طارئة، مثلا، بدلا من إرسال طاقم إلى كل محول بصرية سنويا، يمكن للمرافق أن تعتمد على بيانات الاستشعار المستمر التي تحللها خوارزميات التعلم الآلي، مما يقلل تكاليف العمل، ووقود المركبات، وانبعاثات الكربون، بالإضافة إلى تنظيم دقيق للفولط عن طريق 5 مصارف لتوزيع الأسرى و 35 في المائة من المصانع الكهربائية.

المؤجرون المزودون بزمالات ونماذج الأعمال الجديدة

ويمكن للمستهلكين أن يقدموا بيانات استخدامية في وقت قريب من الزمن، مما يتيح تحديد أسعار الاستخدام وتحويلات التلقائية، ويمكن لشحنات المركبات الكهربائية أن تتصل بالشبكة لتحديد مواعيد الشحن خلال ساعات العمل غير العادية أو حتى أن تنسحب إلى الشبكة (العاملة في البداية، V2G)، وهذا يفتح مسارات الإيرادات لمالكي المركبات الإلكترونية ويساعد المرافق التي تعد بالفعل على بلوغ ذروتها)

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

المشاريع الرائدة والنشرات

  • E.ON and Ericsson (Germany): ] A 5G trial in the city of Darmstadt demonstrated real-time monitoring and control of distributed energy resources. The network achieved latency below 5 milliseconds, enabling seamless integration of solar, storage, and EV chargers.
  • State Grid Corporation of China (SGCC):] SGCC has deployed 5G base stations at several substations to support remote inspection drones and high-definition video surveillance. The URLC slice is used for differential protection between adjacent substations, reducing fault clearance times.
  • Pacific Gas and Electric (PGE) (USA):] PGE is exploring 5G for wildfire mitigation. Sensors on transmission towers monitor weather conditions and vegetation near, while network slicing ensures priority for emergency communications during public safety power shutoffs.

النظام الإيكولوجي ومعايير البائعين

ويقدم بائعو معدات الاتصالات الرئيسية مثل نوكيا وإريكسون وهواوي (حيثما يسمح) حلولاً مخصصة لخمسة جي للخدمات، وتشمل هذه الحلول محطات قاعدية معززة وشبكات أساسية أمثلت في الرقابة الصناعية، ومؤسسات متكاملة تضم برامجيات خدمة الطاقة الصغيرة جداً وبرامج إدارة الموارد البشرية، وبالإضافة إلى ذلك، نشرت هذه الشبكة العالمية الإصدار 17 و18 تحسينات خاصة بالشبكات غير العامة، مما يسمح بتشغيل المرافق الخاصة بها.

التحديات والنظر في النشر

تكاليف الهياكل الأساسية وتغطيتها

أما شبكة توزيع 5G على المناطق الريفية أو النائية الواسعة فلا تزال باهظة التكلفة، وقد تحتاج المرافق إلى إقامة شراكة مع مشغلي الشبكات المتنقلة أو الاستثمار في البنية التحتية الخاصة 5G، وتسمح تكلفة محطات القاعدة، والوصلات الخلفية، وترخيص الطيف، غير أن الشبكات الخاصة 5G التي تستخدم الطيف المشترك (مثلاً، محطة الإذاعة والتلفزيون في الولايات المتحدة) توفر نقطة دخول أقل تكلفة.

نظم التشغيل البيني والإرث

وهناك العديد من المرافق التي تعمل بمعدات قديمة منذ عقود، باستخدام بروتوكولات الاتصالات الخاصة بممتلكات مثل DNP3 و IEC 61850, و Modbus، ويتطلب إدماج 5G بوابات يمكن أن تترجم بين هذه البروتوكولات وشبكات 5G القائمة على أساس الملكية الفكرية، ومن حسن الحظ أن معايير الصناعة مثل IEC 61850-90-2 تحدد كيفية رسم خرائط لرسائل التشغيل الآلي على نظام IP، ومع ذلك يقوم البائعون بتطوير وحدات طرفية متنوية قادرة على النتائج.

الأمن والتنظيم

وفي حين أن 5G توفر سمات أمنية معززة، فإن اتساع سطح الهجوم - أي أجهزة أكثر، وأكثر من البيانات، والوصلات البينية الشبكية - يتطلب ممارسات صارمة لأمن الفضاء الحاسوبي، ويجب على المرافق أن تنفذ هياكل لا توجد فيها الثقة، وأن تصلح برامج البرمجيات، وأن تجري اختبارا للتغلغل، كما أن الهيئات التنظيمية مثل هيئة أمريكا الشمالية للكهرباء، في الولايات المتحدة، لديها معايير صارمة لحماية الهياكل الأساسية الحرجة تنطبق على شبكات الاتصال التي تخدم نظما للشحن.

وبالإضافة إلى ذلك، تختلف سياسات الطيف حسب البلد، ففي بعض المناطق، يمكن للمرافق أن تحصل على طيف مرخص خصيصا للاتصالات السلكية واللاسلكية الذكية، بينما يجب عليها في مناطق أخرى أن تعتمد على نظام الاتصال المتعدد الوسائط، ويسعى التعاون الدولي من خلال منظمات مثل الاتحاد الدولي للاتصالات السلكية واللاسلكية والنظام العالمي للاتصالات المتنقلة إلى تحقيق المواءمة بين نطاقات الطيف بالنسبة للوقود الصناعية، ولكن التقدم المحرز غير متساو.

الاعتبارات البيئية والصحية

ويثير نشر آلاف الخلايا الصغيرة بالقرب من المناطق السكنية شواغل بشأن التعرض للميدان الكهرومغناطيسي، ويجب أن تمتثل المرافق للوائح المحلية وأن تشرك أصحاب المصلحة في المجتمع المحلي في معالجة الشواغل، وتشير الدراسات التي أجرتها منظمة الصحة العالمية إلى أن مستويات قوة الطوارئ البيئية لا تزال دون الحدود المقررة للسلامة، ولكن التصور العام يمكن أن يظل بطيئا في عمليات النشر، ويمكن أن يساعد الاتصال عبر الحدود والرصد المستقل على تخفيف حدة المعارضة.

The Future of 5G and Smart Grids

نحو 6 زاي وما بعده

ويجري بالفعل إجراء بحوث في الجيل السادس )الجيل السادس( من الشبكات اللاسلكية، مما يبشر بتأخر أقل )الثانية الفرعية(، وارتفاع معدلات البيانات )المجموعة الثانية(، وإدماج قدرات الاستشعار والاتصال، وبالنسبة للشبكات الذكية، يمكن أن يتيح الفريق ٦ زاي التشغيل المستقل حقا للشبكة حيث يشارك كل عنصر - من المولدات إلى أجهزة المستعملين النهائيين - في نظام إيكولوجي للطاقة يتسم بالتنظيم الذاتي، غير أن انتشار الغازات العضوية الثابتة لا يزال في مراحله الأساسية القصوى الحالية، وبالتالي.

التوائم الرقمية والإدماج

5 زاي سيعمل كجهاز عصبي للمنصات الرقمية التوأمة التي تحاكي الشبكة بأكملها في الوقت الحقيقي، وهذه التوأم التي تغنّي بيانات الاستشعار عن طريق 5G وتستخدم مؤشراً عالياً للتنبؤ بالفشل، وتحفز تدفقات الطاقة، وتحفز سيناريوهات الطوارئ، وتجعل مجموعة المرافق ذات النطاق العالي (لبيانات المحاكاة الغنية) وقلة المرونة (للمكاتب الأوروبية لمراقبة الوقت الحقيقي) مؤازرة بـ 5G في عام 2020.

دور في التحرير والتدبير

ومع كهربة النقل والتدفئة والعمليات الصناعية، ستواجه الشبكة نموا غير مسبوق في الحمولة. وستكون الشبكات الذكية التي يمكن تشغيلها على نطاق واسع ضرورية لإدارة هذا الطلب دون زيادة هائلة في القدرة على توليد الطاقة ونقلها.() ويمكن لإدارة الحمولة الدينامية وتنسيق الشحنات الإلكترونية والتسعير في الوقت الحقيقي أن تعتمد كلها على قدرات الاتصال التي يوفرها فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي.() وتقدر الوكالة الدولية للطاقة أن رقمية انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العالم، بما في ذلك ٥ جيغاونات(.

خاتمة

إن إدماج الاتصال بشبكة 5G في الاتصالات الذكية ليس مجرد تحسين تدريجي - بل يمثل تحولا أساسيا في كيفية تصميم الشبكات الكهربائية وتشغيلها وتوسيع نطاقها، مع وجود درجة عالية من الكفاءة وكثافة كبيرة في الأجهزة، وتقسيم الشبكات، وتعزيز الأمن، فإن 5 زاي تمكن المرافق من مواجهة تحديات التكامل المتجددة، والبنى التحتية الناشئة، والطلب المتزايد على الكهرباء الموثوق بها.