Table of Contents
التعريف بالتوائم الرقمية في نظم الطاقة
التوائم الرقمية تعيد تشكيل المشهد الطبيعي لتحليل نظام الطاقة من خلال توفير النظير الحي والتنفسي الافتراضي للهياكل الأساسية للشبكات المادية، بخلاف النماذج الثابتة التي تعتمد على الطلقات التاريخية، وبيانات التوائم الرقمية من أجهزة الاستشعار، وأجهزة القياس الذكية، ونظم الرقابة الاشرافية وحيازة البيانات، والاحتفاظ بتمثيل مستكمل باستمرار للمولدات، والمحولات، وخطوط النقل، والشحنات التي تحركها.
وتكمن القيمة الأساسية للتوائم الرقمي في قدرته على سد الفجوة بين البيانات التشغيلية والنماذج التحليلية، وتعتمد الدراسات التقليدية لتدفقات الحمولة على نماذج الشبكة الخارجية التي يجري تحديثها سنويا، وتصبح هذه النماذج سريعة التفوق مع التحول في الحمولة والعمر في البنية التحتية، ويقضي التوائم الرقمي على هذا الفارق من خلال الجمع بين النموذج الافتراضي وبين القياس الحي للشبكة، مما يتيح تقدير الدولة في الوقت الحقيقي و على دقة خط الأساس .
بنية التوائم الرقمية لطاقة المحاجر
ويتطلب بناء توأم رقمي فعال هيكلا مطبقا يربط بين الأصول المادية وشبكات الاتصالات ونظم إدارة البيانات ومحركات المحاكاة، وتشمل الطبقات المادية أجهزة استشعار للفولطية والحالية ودرجة الحرارة وغيرها من البارامترات الموجودة في المراكز الفرعية، وعلى طول ممرات النقل، وفي أماكن عمل العملاء، وكثيرا ما تُجرى بيانات أجهزة الاستشعار هذه على فترات تتراوح بين الثانية والدقيق، تبعا للحدث الذي يجري رصده.
في القاع، طبقة المحاكاة التوأم تُدار النماذج الكهربائية - مخططات خط واحد، بارامترات عنصرية، ومقاييس التوصيل التي تشكل أساس تدفق الحمولة والمحاكاة الدينامية، حيث أن التعليم الماكنة والبرمجيات المزودة بالمعلومات الفيزيائية تُطابق الحالة النموذجية مع القياسات الفعلية، وتُحدّد كميات الحافلات، وتُحدّدُ البصيرة، وقيم التحميل في الوقت الحقيقي القريب.
اقتناء البيانات في الوقت الحقيقي والتسلسل
إن تزامن البيانات يظل تحديا تقنيا لمعظم عمليات التنفيذ، إذ توفر وحدات قياس الفسور بيانات ذات استبانة عالية، بينما تقدم وحدات المحطات النائية تحديثات أبطأ، ويجب أن يدمج التوأم الرقمي هذه المجرى المفصل في تقدير متماسك، ويتم ذلك عادة من خلال أقل النقاط المربعة زيادة في تجهيزات التلويثولوجيا.
تعزيز تحليل تدفق القروض مع التوائم الرقمية
ولا يزال تحليل تدفق القروض يشكل حجر الزاوية في تخطيط وعمليات نظام الطاقة، إذ أن التوأم الرقمي يرفع هذا التحليل من الحسابات الدورية وغير المباشرة إلى التقييمات المستمرة، وبدلا من حل معادلة تدفق الطاقة مرة في اليوم مع الأشكال المفترضة للشحن، يمكن للمشغلين الوصول إلى حل لتدفق الطاقة في الوقت الحقيقي يُشكل عبئاً وبثاً للجيل، مما له آثار عميقة على إدارة الازدحام، وتنظيم التدفق، والتقليل إلى أدنى حد من الخسائر.
فعلى سبيل المثال، يمكن أن تستخدم التوائم الرقمي الذي يواجه زيادة في حجمه على خط ١٣٨ كيلوفولت في حفز أثر المولدات المولدة من جديد، أو تبديل مصارف الكابستر، أو تعديل متغيرات الصنابير، ورؤية النتائج على الفور، ولأن التوأم يشمل الوصل الفعلي للشبكة والتحكم في كل جهاز، فإن المحاكاة أكثر موثوقية من النموذج العام.
تحسين القدرات في مجال الاستحقاق والدينامي
وتتحمل نماذج تدفق الحمولة الثابتة قيما ثابتة بالنسبة لأحوال الحافلات ونواتج المولدات، ولكن تذبذب النظم الحقيقية في المرتبة الثانية. ويلتقط التوأم الرقمي هذه التقلبات باستكمال النموذج باستمرار مع البيانات المميتة، ويلتقط أيضاً السلوك الديناميكي من أجهزة مثل أجهزة تغيير الحمولات وأجهزة التحكم في الطاقة التفاعلية، مما يوفر صورة أدق من الهوامش التوائم.
وثمة ميزة أخرى تتمثل في القدرة على أداء تدفق حمولة السلاسل الزمنية عبر ساعات أو أيام، وفي حين أن تدفق الحمولة التقليدي هو صورة واحدة، فإن التوأم الرقمي يمكنه إعادة صياغة بيانات يومية سابقة أو محاكاة ملف للحمولة في المستقبل باستخدام بيانات متوقعة، ويكشف هذا التحليل عن تغيرات بطيئة في حجم المتغيرات، وعن تحميل معدات تتراكم تدريجيا، وعن الأثر التراكمي لتوليد ملامح متغيرات في مستويات الإنتاج.
محاكاة السيناريو وتحليل الطوارئ
ويتيح التوأم الرقمي إجراء تحليل سريع ومؤتمت للطوارئ، وبدلا من إجراء محاكاة من الدرجة الأولى لكل عرض يدوي ممكن، يمكن للتوائم أن يقيّم آلاف الحالات الطارئة في ثوان باستخدام مذيب مواز، ويصنف كل حالة طوارئ على حدة، ويبرز تلك الحالات التي تؤدي إلى الحد من الانتهاكات، والأهم من ذلك أن التوأم يمكن أن يقترح إجراءات تصحيحية - تُحمّل، أو تُعيد رسم مسارات تفاعلية، أو تُظهر البيئة المستديمة.
ويمتد التحليل الذي يُجرى على المدى الطويل أيضا إلى التخطيط الطويل، ويمكن للمهندسين استخدام التوأم الرقمي لتقييم أثر إضافة موارد جديدة موزعة للطاقة، مثل تخزين السقف بالطاقة الشمسية أو البطاريات، على تحميل المواد الفرعية وتنظيم الفولط، ويمكنهم اختبار هياكل تعريفية مختلفة تنقل حمولات الذروة أو تحفيز أثر الأسطول الكهربائي لشاحنات التسليم، وقدرة التوأم على إدراج توقعات تاريخية بأحوال تاريخية.
محاكاة نظام الطاقة وتحقيق الاستخدام الأمثل
فبعد تدفق الحمولة، يدعم التوأم الرقمي نظاماً إيكولوجياً أوسع نطاقاً للمحاكاة، بما في ذلك الاستقرار العابر، والتحولات الكهرومغناطيسية، وتقديرات الدولة، وهذه المحاكاة العالية التكوين، هي عادة مكثفة جداً من حيث الحاسبة للاستخدام في الوقت الحقيقي في غرفة المراقبة، ولكن التوأم يوفر ظروفاً حدودية ويضعها في البداية على سبيل المثال، فإن دراسة الاستقرار العابر للرحلات المتجهيزية تتطلب تلقائياً قيماً متزامنة.
كما أن روتينات التأقلم الأمثل تستفيد من البيانات الحية للتوائم، ويمكن لمذيبات تدفق الطاقة على الوجه الأمثل أن تستخدم حالة التوأم الحالية كبداية دافئة، وتقارب الحلول بسرعة أكبر وتحترم الحدود الفعلية للمعدات بدلا من الحدود المحسوبة بالتحفظ، ويمكن للتوائم أيضا أن يغذي البيانات في نماذج التعلم الآلاتي التي تنبئ بالدقائق التي تسبق الحمل أو الجيل، مما يتيح للضوابط الآلية المغلقة التي تكيف دون تدخّل بشري.
الصيانة الافتراضية وإدارة الأصول
ومن أكثر الاستخدامات تأثيراً للتوائم الرقمي الصيانة المتوقعة، إذ يمكن للتوائم أن يستنتجا تدهور المعدات، مثلاً، أن منحنى درجة الحرارة الداخلية للمحول قد ينتقص من النموذج الحراري، مما يشير إلى حدوث ضرر في الهواء أو تلوث بالنفط، ويمكن أن يربط التوأم سجلات الصيانة، وتاريخ التحميل، وتحليل الغازات التحويلية حسب الأولوية.
وتشمل إدارة الأصول أيضاً التخطيط لميزانيات بديلة، ويمكن للتوائم الرقمي أن يحفز سيناريوهات تحميل المستقبل قبل عقود، مع مراعاة نمو الطلب، واختراق وحدات خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات، والظروف المناخية، ثم يحدد أي من الكسرات والمحولات والسلوك يرجح أن يتجاوز تقديرهم، ويوصي بالجدول الزمني للاستثمارات الرأسمالية، ويتناقض هذا التخطيط القائم على البيانات مع النهج التقليدية لسيادة الإبهام، ويوفِّر ملايين الدولارات على المدى الطويل(10).
دمج مصادر الطاقة المتجددة
ويدخل التوليد المتجدد قدرا كبيرا من عدم اليقين والتقلب في نظم الطاقة، ويساعد التوأم الرقمي على إدارة ذلك عن طريق وضع نموذج للناتج الحقيقي للألواح الشمسية والاضطرابات الريحية القائمة على بيانات الطقس، والتنبؤات بالغطاء السحابي، وخطوط الطاقة المصممة على أساس التقلبات، ويمكن للتوائم أن يحفز سيناريوهات التقليص أو تقييمات خطية دينامية لتعظيم التغلغلغلّب في الهواء دون الإخلال بالحدود الحراري أو الحدّ من الأحداث الفولية.
أما دمج تخزين البطاريات فهو مجال آخر يمكن فيه أن يكون نموذجاً للشحن، وخسائر في الكفاءة، والخصائص الحرارية، ثم يجري عمليات روتينية على النحو الأمثل تحدد أكثر الجداول ربحاً في مجال الشحن/التشريد، ويمكن أيضاً أن يحفز التوائم على أثر التخزين على استقرار الطيف ودعم الطاقة التفاعلية، بما يكفل مساهمة البطاريات في موثوقية الشبكة مع احتساب إيرادات الكربون التي لا غنى عنها بنسبة 100 في المائة.
تحليل التكاليف والفوائد وتخطيط الاستثمار
وكثيرا ما تكافح المرافق لتبرير الاستثمار الرقمي المزدوج لأن التجاوزات التي تتجنبها الفوائد، وإرجاء المشاريع الرأسمالية، وتحسين الكفاءة التشغيلية أمر يصعب تحديده كميا، غير أن نموذجا رقميا محكم التنظيم يمكن استخدامه لبناء حالة تجارية، فعلى سبيل المثال، يمكن للتوائم أن يحفز فترة خمس سنوات مع قدراته ودونها، مع مراعاة عدد حالات الحمولة الزائدة، وانتهاكات الإبلاغ عن الأضرار، وتأخيرات في أداء العملة)٢٤(.
ومن ناحية التكلفة، يتطلب التوأم الاستثمار في أجهزة الاستشعار )وحدات الإزالة، والمتر الذكي(، والهياكل الأساسية لتكنولوجيا المعلومات )الحسابات الداخلية أو الحافة(، والأدوات التحليلية، غير أن التكلفة الإضافية التي تستخدمها هذه الأجهزة كثيراً ما تحل محل أو تقلل من الإنفاق على الدراسات الهندسية التقليدية، والاشتراكات في بيانات الطقس، وجمع البيانات يدوياً، وعلاوة على ذلك، يمكن توسيع نطاق التوأم ليشمل عدة فروع أو مناطق بأكملها، مما يؤدي إلى نشر التكاليف الثابتة على قاعدة متبادلة.
التحديات والاتجاهات المستقبلية
وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن الاعتماد الواسع النطاق للتوائم الرقمية في نظم الطاقة يواجه عقبات، فنوعية البيانات وأمن الفضاء الحاسوبي هما من الشواغل الرئيسية، وإذا كانت البيانات الحية التي تغذي التوأم مفسدة أو مؤجلة، فإن تقدير الدولة وتوصياتها التي تنجم عنها تصبح غير موثوقة، ويجب أن تستثمر المرافق في التحقق من صحة البيانات، والكشف عن الشذوذ، والتشفير القوي لحماية التوأم من التهديدات الإلكترونية، بالإضافة إلى ذلك، يمكن إدماج التوأم الرقمي مع النظم القديمة لإدارة المواد الغذائية ونظم التكيف في مجال الطاقة.
وثمة تحد آخر يتمثل في ضرورة أن يفهم الموظفون المهرة نظام الطاقة وعلوم البيانات على السواء، وتغلق الفجوة في القوة العاملة ببطء حيث تضيف الجامعات دورات عن التوأم الرقمي، وتبسط الباعة منابرها، وتوحيد جهود الهيئات مثل الفريق العامل المعني بالتوائم الرقمية التابع للمؤسسة في عام 2807، بهدف وضع نماذج موحدة للبيانات ومعايير قابلية التشغيل البيني التي ستتبادل المعلومات بين البائعين وتسمح بتبادلها.
وسيتضمن التوأم الرقمي في المستقبل معلومات استخباراتية أكثر اصطناعياً للاعتراف بالنمط، ومحاكاة دينامية عالية السرعة تستخدم فيها المذيبات القائمة على أساس نوع الجنس، وتوائم اتحادية تشمل مرافق متعددة أو مناطق أو حتى بلداناً بأكملها، وسيمكن الجمع بين التوأم الرقمي والاتصالات ذات النطاق الترددي المنخفض من إقامة حلقات مراقبة الشبكة تكون تلقائياً إعادة تشكيل شبكات التوزيع أثناء وقوع الأخطاء.