مقدمة

وتشهد شبكات الكهرباء الحديثة تحولاً أساسياً، إذ تتحول من توصيل الطاقة عبر الطرق إلى شبكات اتصالات نشطة ذات اتجاهين - يشار إليها عادة بشبكات ذكية - تتطلب بيانات دقيقة ومباشرة في كل مكان من أركان النظام، وفي جوهر طبقة اقتناء البيانات هذه هي مترجمين ، مما يجعل من الصعب اتخاذ تدابير في مجال الضغط المادي والرقمي.

وتعتمد نظم إدارة الطاقة في الشبكة الذكية على البيانات التي يولدها المترجمون على النحو الأمثل للتوليد، والإرسال، والتوزيع، والاستهلاك، وتستكشف هذه المادة الدور الأساسي للمترجمين، وتصنف الأنواع الأكثر انتشارا، وتشرح تطبيقاتها في وظائف الشبكات الحيوية، وتبرز الفوائد التي تقدمها، وتدرك كيف يعمل المترجمون، وحيثما يلائمون الهيكل الذكي للشبكة، والمهندسين، واختيار النظامي، وأخصائيي الطاقة.

Understanding Transducers in the Smart Grid Context

المبادئ الأساسية

(أ) أي جهاز يحول شكلاً من أشكال الطاقة إلى آخر في سياق نظم الطاقة الكهربائية، يقوم المترجمون عادة بتحويل الكميات المادية - مثل البروتج، أو التيار، أو درجة الحرارة، أو الضغط، أو الطاقة - إلى إشارات كهربائية موحدة (مثل 4-20 ميلاً، أو 0-10 V، أو المنتجات الرقمية مثل برنامج مودبوئير، ثم يقرأ هذا النظام.

ويجب أن تكون عملية التحويل متتالية وقابلة للتكرار على نطاق تشغيل المترجم، إذ تحدد الاستحقاق بمعالم مثل الخطأ المقابل، وخطأ الكسب، وعدم الترسيم، وبالنسبة لتطبيقات الشبكة الذكية، كثيرا ما تحدد مترجمو البيانات بدرجات دقيقة (مثل 0.2 في المائة أو 0.5 في المائة) لتلبية الاحتياجات التنظيمية والموثوقية، ويكفل المقياس على المعايير القابلة للتعقب أن تظل القياسات قابلة للاعتماد على مر الزمن.

مترجمون ضد شركة Sensors

وفي حين أن المصطلحات تستخدم أحياناً بطريقة متبادلة، فإن جهاز الاستشعار هو نوع محدد من المتحولين الذين يستجيبون لحافز مادي وينتجون ناتجاً ذا صلة، وجميع أجهزة الاستشعار هي مترجمات، ولكن ليس جميع المترجمين هم أجهزة استشعار، مثل متحولين محركات يحوّلون الطاقة الكهربائية إلى آلية هامة.

الأنواع المشتركة للمترجمين في إدارة الطاقة في سمارت

المترجمون الحاليون

(أ) يمكن أن يقاس المترجمون الدوارون () التيار الحالي أو التدفق المباشر للمبنى عن طريق خطوط الكهرباء، والمغذيات، والحمولات الفردية، ولا غنى عنها لرصد الحمولة، وكشف الأخطاء، وتحليل نوعية الطاقة، وفي نظم AC، تستخدم المحولات الحالية (التي غالبا ما تكون مختصرة بمركبات الكربون الكلورية فلورية) على نطاق واسع.

وكثيراً ما تدمج مترجمات حديثة حالياً تجهيز الإشارات الرقمية في إنتاج قيم حقيقية لنظم الإدارة، ومحتويات الوئام، بل وحتى في عمليات التقاط الصور الموجية لأغراض التحليل العابر، وهي تؤدي دوراً رئيسياً في برامج التلقيم ] وذلك بتمكين المرافق من رصد ملامح الحمولة في الوقت الحقيقي وتعديل التعريفات أو الجداول الزمنية للتقليص تبعاً لذلك.

مترجمو فولتاج

(ه) يقيس مترجمو الفولط الفرق المحتمل بين الموصلات أو بين موصل وأرض، وكما هو الحال بالنسبة للمترجمين الحاليين، فإن محولي فولتاج (محولات مواقع، أو مركبات PT) تستخدم في نظم AC لتقليل الكميات القانونية المرتفعة إلى مستوى آمن (مثل 120 V أو 100 V).

كما يمكن مترجمو التذبذب ] من رصد جودة الطاقة عن طريق التقاط النسيج والزهور والمزلاج والمواءمة، وعند اقترانها بالقياسات الحالية، فإنها تتيح حساب الطاقة النشطة والردية (استخدام المضاعفات الرقمية أو مضاعفات الميكروفونات) وهذا الجمع هو أساس القياسات الذكية والهياكل الأساسية المتقدمة للتنق (AMI).

المترجمون المؤقتون

فالتذبذب هو معيار حرج لصحة الأصول، إذ أن المحولات والبرق والالكابل والإلكترونيات الكهربائية تولد جميعها حرارة؛ ويزيد من القيود المقيدة من سرعة العزلة ويمكن أن يسبب إخفاقات كارثية. ] ومنتجات التكاثر ] في الشبكات الذكية تشمل العزلة (Type K, T, JT.T.

وتغذي البيانات المستمدة من متحولي درجة الحرارة الصيانة الافتراضية الخوارزميات، مثلاً، إذا ارتفعت درجة الحرارة المتحركة بشكل غير عادي تحت حمولة دائمة، يمكن أن تطلق دائرة إدارة الطاقة إنذاراً أو تقلل من الحمولة أو إرسال طاقم إصلاح، كما أن رصد درجة الحرارة ضروري لنظم تخزين الطاقة بالبطارية، حيث يجب أن تكون الركض الحراري.

مترجمو الضغط

وعلى الرغم من أن المتحولين الكهربائيين أقل شيوعاً، فإن مترجمي الضغط ] موجودون في مفاتيح مجهزة بالغاز، حيث يجب أن يُبقي ضغط سداسي فلوريد الكبريت داخل نافذة ضيقة للحفاظ على قوة الديليكتري، كما يُستخدمون في محطات كبسة هيدروليكية لقياس ضغط جهاز ضغط جهاز ضغط جهاز كشف ضغط الدم.

مترجمو الطاقة

وفي حين يمكن استخلاص الطاقة من فولتات منفصلة وقياسات جارية، فإن مترجمي الطاقة المكرسين ] يدمجون كلا من المدخلات والنواتج نموذجا واحدا أو إشارة رقمية تناسب الطاقة النشطة (الجرعات)، أو الطاقة الرجعية (VARs)، أو الطاقة الظاهرية (VA) وتستخدم على نطاق واسع في عمليات التحميل الصناعية ونظم إدارة الطاقة التي تحتاج إليها 420.

كيف يمكن للمنتجين أن يُصبحوا من الذكاء

رصد ومراقبة الوقت الحقيقي

ويتوقف مفهوم الشبكة الذكية على وضوح التوقيت الحقيقي ].() وتولد المترجمون الذين يتم نشرهم في المراكز الفرعية، ونقاط الإطعام، وأماكن الاستهلاك مسارات بيانات مستمرة، وتجمع هذه البيانات بواسطة نظام الرصد البيئي الذي يقارن تقديرات الدولة، وتدفق الطاقة، وهوامش استقرار النظام.() ومع بروتوكولات متزامنة دون الثانية(18)

كما تعتمد حلقات المراقبة في الوقت الحقيقي على تغذية المترجمين، فعلى سبيل المثال، يستخدم جهاز التحكم في الاستجابة فولتاجياً مترجماً فولتياً لتعديل متغيرات النوافذ أو مصارف الخزانات.() وبالمثل، يمكن [] أن يقلل من الحمولات غير الحرجة عند اتباع نهج مغاير.

كشف الخزنة والعزل

والمترجمون هم خط الدفاع الأول ضد حالات الخروج، وعندما يحدث خطأ (مثلاً، الدائرة القصيرة أو خطأ الأرض)، يسجل المترجمون الحاليون زيادة حادة؛ ويظهر مترجمو الفولط انخفاضاً.

وفي نظم أكثر تقدماً، تمكن المترجمون من شبكات التلقين الذاتي ] وباستخدام الاستخبارات الموزعة، يمكن لنظام الرصد البيئي إعادة تشكيل الشبكة التي تعزل تلقائياً القسم المصاب بالخطأ وتعيد الخدمة إلى الأقسام الصحية عن طريق طرق بديلة، وتعتمد هذه القدرة على شبكة كثيفة من المترجمين الذين يقدمون بيانات دقيقة ومتزامنة زمنياً من نقاط متعددة.

تحقيق التوازن بين الطلب والاستجابة له

ويتطلب تحقيق التوازن بين القروض معرفة بالحاضر الذي يرسمه كل مغذي ومحول، وتقدم المترجمون هذه البيانات على أساس الرضا عن فرادى الدوائر أو حتى أجهزة الاستخدام النهائي. ] نماذج التنبؤ باللواد ] تستهلك بيانات مترجم تاريخي للتنبؤ بأنماط الطلب في المستقبل.

In demand response] programs, transducers on client premises detect when usage exceeds a threshold. The EMS can then send signals toelli thermostats, water heaters, or industrial processes to shed load. The accuracy of the transducer directly affects the fairness and effectiveness of these programs.

دمج مصادر الطاقة المتجددة

ويُحدث توليد الطاقة الشمسية والريحية تقلباً وعدم يقيناً، إذ تُقيس مُنتجات الطاقة في الوقت الحقيقي والفولط، وتستخدم هذه البيانات بواسطة ] مُراقبي المُنتقصات لإدارة الدعم الرجعي للطاقة والحدود القصوى للأسعار، وحماية مكافحة الإغراق، دون أن تُوزع أجهزة نقل دقيقة، لا يمكن للشبكة أن تُعالج بشكل آمن موارد عالية.

كما يمكن المترجمون محطات توليد الطاقة الإلكترونية عن طريق تجميع البيانات من العديد من وحدات خفض الانبعاثات الصغيرة وتقديم كيان واحد قابل للتحكم إلى مشغل الشبكة، ويتوقف أداء هذه النظم على القراءة المتزامنة والموثوقة لآلاف المترجمين.

أهم مزايا المترجمين في نظم إدارة الطاقة

الاستحقاق والاعتماد

ويعرض المترجمون الحديثون استحقاقات قياس تبلغ 0.1 في المائة أو أفضل، وتتجاوز بكثير متطلبات معظم التطبيقات الشبكية، وتدعم هذه الدقة وضع فواتير دقيقة، واتجار للطاقة بكفاءة، وإجراءات رقابة دقيقة. ] الموثوقية هي أيضاً حاسمة: يجب أن تعمل أجهزة الإنذار على نطاقات حرارة واسعة، في إطار حقول الكهرومغناطيسية العالية، وتشمل عقوداً كثيرة من دون أن تُج.

Scalability and Flexibility

وتأتي المترجمات في شكل مختلف العوامل - من نوع مصغر من أجهزة البث المطبوعة إلى أنواع مبسطة من الضواحي الخارجية، مما يتيح للمشغلين القيام بتصنيف كل مستوى من الشبكة، من العمود الخلفي إلى دوائر منزلية فردية. ]

الكفاءة في التكاليف

وعلى الرغم من أن المترجمين الذين يكثرون من الدقة يمثلون استثماراً رئيسياً، فإنهم يدفعون أنفسهم من خلال ما يلي:

  • Reduced outages:] Early fault detection minimizes downtime and repair costs.
  • ] Useptimized asset utilization:] Real-time data allows utilities to push equipment closer to its safe limits without overstressing it.
  • Deferred capital expenditure:] better monitoring can extend the life of aging transformers and cables.
  • Energy savings:] Precise voltage and power factor control reduce line losses.

وقدرت دراسة موثوقة أجراها معهد بحوث الطاقة الكهربائية أن انتشار مترجمين ومنظومات رصد على نطاق واسع يمكن أن ينقذ بلايين الدولارات من المرافق الأمريكية سنويا من خلال تحسين الكفاءة التشغيلية.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

The transducer landscape is rapidly evolved. Fiber-optic current and voltage sensors] (based on the Faraday effect and Pockels effect) offer inherent galvanic isolation, immunity to saturation, and wide bandwidth, making them ideal for high-voltage substations and HVDC links. [FrsroT:2]

وتسمح عملية دمج البيانات من مترجمين متعددين، مقترنة بالتعلم الآلي، بالتوأم الديجي ] من الشبكة، ولا يمكن للآليات الكشف إلا عن أنماط فرعية - مثل التوقيع المتسق على إنذار دائري مبدئي - يفتقده مشغلي البشر، كما أن المترجمين يتحولون إلى أكثر ذكاء، مع فرض حدود على التجهيز الأولي، يمكن أن يكونوا قادرين على ذلك.

وتستمر منظمات المعايير مثل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في وضع أطر التشغيل المتبادل (مثل إطار غريد النجمي الوطني) التي تضمن للمترجمين من مختلف الجهات المصنعة تبادل البيانات بلاسقة. وقد نشرت [[FIEE عدة معايير تحولية.

وثمة تطور واعد آخر يتمثل في إدماج بيانات بشأن التحويل مع مجموعات من الطاقة ] لأغراض مراجعة حسابات الطاقة تتسم بالشفافية وتحميها التلاعب، وهي مهمة بصفة خاصة بالنسبة للاتجار في الطاقة بين الأقران في الأحجار الصغرى، وفي حين أن هذه النظم لا تزال تجريبية، فإنها تعتمد على قياسات موثوق بها عالية الجودة كأساس للمعاملات المالية.

خاتمة

والمترجمون هم النظام العصبي الحس للشبكة الذكية، إذ من المحولين الحاليين والفولطيين في محطات فرعية ذات نفوذ عال إلى أجهزة استشعار درجة الحرارة الصغيرة في أجهزة كسر الدوائر، يقدمون البيانات الأولية التي تحتاج نظم إدارة الطاقة إلى العمل بشكل موثوق به وفعال ومستدام، وبما أن الشبكة تواصل إدماج المتغيرات المتجددة والمركبات الكهربائية والتخزين الموزع، فإن الطلب على أجهزة نقل دقيقة وقابلة للقياس ومكثفة ومتداخلة.

وفي الوقت نفسه، فإن التكنولوجيات الناشئة - مثل أجهزة الاستشعار الألياف الضوئية، وأجهزة القياس المتعددة الأطراف، وأجهزة الاستخبارات الحادة تجعل من المتحولين أكثر ذكاء وأكثر مرونة، وبالنسبة للمرافق، ومشغلي النظم، ومديري الطاقة، فإن الاستثمار في البنية التحتية للمنتجين ذوي الجودة العالية ليس مجرد خيار تقني بل ضرورة استراتيجية لتحقيق أهداف إزالة الكربون مع الحفاظ على موثوقية الخدمات.

To stay informed about the latest developments in intelligence grid sensors, visit the U.S. Department of Energy’s Smart Grid page ] and follow publications from the ]IEE Power & Energy Society . The future of energy management will be built on the foundation of precise, ubiquitous trans.