Understanding Smart Grid Technology

وتمثل تكنولوجيا الشبكة الذكية تحولا أساسيا في كيفية تشغيل شبكات الكهرباء، وخلافا للشبكات التقليدية التي توفر الطاقة في اتجاه واحد من النباتات المركزية إلى المستهلكين، تدمج الشبكات الذكية أجهزة الاستشعار الرقمية، والاتصالات ذات الاتجاهين، والضوابط الآلية لإنشاء نظام للطاقة الذكية والمستجيبة، مما يتيح للمرافق رصد الظروف السائدة في الوقت الحقيقي، والتنبؤ بتقلبات الطلب، وتكييف كل مصادر الطاقة وتوزيعها على الفور.

وقد ظهر هذا المفهوم في أوائل العقد الأول من القرن الماضي حيث كافح نظام الطاقة العصري مع انقطاع الكهرباء وارتفاع التكاليف والضغوط البيئية، وتركز المشاريع الرائدة المبكرة على تحسين التشغيل الآلي للتكييف والتوزيع، واليوم، تشكل الشبكة الذكية نظاما إيكولوجيا متعدد المستويات يشمل محطات فرعية ذكية ووحدات قياس للشبكة، ونظم إدارة التوزيع، وبوابات تحديد أسعار العملاء، حيث تبلغ نسبة الاستثمارات في النظام الموحد للمدة القصوى ٢٠.

العناصر الرئيسية والإصلاحات الهندسية

ويتطلب تنفيذ شبكة ذكية إجراء إصلاحات هندسية منسقة عبر الأجهزة والبرامجيات والسياسات، وتفصل الأقسام الفرعية التالية العناصر الحاسمة التي تمكن من هذا التحول.

الهياكل الأساسية المتقدمة للمعدات

أما المتر الذكي فهو أكثر رموز الشبكة الذكية وضوحا، فخلافا للمعدات المشابهة، تسجل نظم AMI الاستهلاك على فترات زمنية قصيرة تصل إلى 15 دقيقة، وتحيل البيانات إلى المرافق بأمان، وهذه البيانات الجذعية تتيح تحديد الوقت اللازم للاستخدام، وإدارة جانب الطلب، والكشف السريع عن المسافات، وقد كان الانتقال من القراءة اليدوية إلى شركة AMI واحدا من أكبر مشاريع رأس المال المستفيد على الصعيد العالمي، حيث أن أكثر من 100 مليون متر.

توزيع الطاقتين الآليتين وشركة الصحة الذاتية

فالأجهزة الإلكترونية الذكية والمفاتيح التي يتم التحكم فيها عن بعد تتيح للشبكة إعادة تشكيل نفسها تلقائياً عند حدوث خطأ، فعلى سبيل المثال، قد يؤدي انخفاض أطراف الأشجار إلى حدوث خطأ في جزء واحد؛ ويعزل آليا التوزيع فوراً القطاع المتأثر ويعيد توجيه الطاقة من أجهزة تغذية بديلة، ويعيد في كثير من الأحيان خدمة العملاء غير المتضررين في أقل من دقيقة، وهذه القدرة تقلل بدرجة كبيرة من عدد العملاء الذين يُعادون إلى خارجها.

شبكات الاتصالات وأمن الفضاء الحاسوبي

فالتواصل الموثوق به والمنخفض هو النظام العصبي للشبكة الذكية، إذ تستخدم المرافق بصورة متزايدة مزيجا من شبكات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات الخاصة، و5G، واللياف الضوئية لربط أجهزة الاستشعار، والمراكز الفرعية، ومراكز المراقبة، بيد أن هذا الدور المتزايد للتواصل يوسع أيضا سطح الهجوم، كما أن الوصلات الإلكترونية على الهياكل الأساسية الحيوية قد زادت بشكل حاد في عام 2015 على شبكة الطاقة في أوكرانيا وإطار العمل الخاص بالمعايير الدولية للاستعمار لعام 2021.

ومن بين النهج الناشئ استخدام شبكات محددة للبرامجيات لقطع حركة المرور على الشبكة وعزل الأجهزة المهددة بالخطر، وبالإضافة إلى ذلك، يجري استكشاف سبل التسجيل المأمون والمقن للمعاملات المتعلقة بالطاقة في مخططات التجارة بين الأقران، وفي حين أن هذه الابتكارات لا تزال في وقت مبكر، فإنها تعد بتقويض الشبكة ضد التهديدات الإلكترونية والمادية على حد سواء.

دمج تخزين الطاقة

إن نظم تخزين الطاقة في البطاريات هي عامل حاسم في التمكين من المرونة في الشبكة الذكية، ويمكن أن تستوعب البطاريات الكبيرة التي تستخدم الليثيوم - الأسيون زيادة في الطاقة المتجددة عندما يتجاوز الجيل الطلب وينفذها خلال ساعات الذروة، ويُغذى منحنى الحمل ويُرجِّل رفع مستوى تكاليف خطوط النقل إلى مستويات أعلى من دورة التكفير/التخفيف إلى أقصى حد ممكن، ويُدير المحركات التي تُعدُّل في عام 2020

Renewable Energy Integration and Microgrids

إن شبكات الذكاء ضرورية لإدارة تقلب الطاقة الشمسية والريحية، وتجمع أدوات التنبؤ المتقدمة بين البيانات المتعلقة بالطقس والتعلم الآلي للتنبؤ بدقائق إنتاج الجيل إلى أيام قادمة، وتستعين مشغلي نظم الضبط بالزمن الحقيقي في الحد من الجيل المتجدد الزائد عند الضرورة، أو تطلب موارد مرنة مثل الاستجابة المضخة للهيدرو أو الطلب لسد الثغرات، وعلى الصعيد المحلي، توفر شبكات البرمجيات الصغرى التي يمكن أن تعمل بصورة مستقلة عن شبكات التحكم بالشبكتين الرئيسيتين.

منافع تكنولوجيا الخضروات

ويتطلب تحديد قيمة فوائد الشبكات الذكية النظر عبر الأبعاد الاقتصادية والبيئية والموثوقية، وتتوسع الفروع التالية في المزايا الرئيسية.

تعزيز كفاءة الطاقة

ومن خلال تقديم ردود الفعل في الوقت الحقيقي للمستهلكين، ووضع نظام آلي للفولط، فإن الشبكات الذكية تقلل من الاستهلاك الإجمالي للكهرباء بنسبة ٥-١٥ في المائة، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تؤدي عملية التكييف الأمثل للفولط التي يتم تسليمها إلى العملاء إلى أدنى مستوى آمن، وتخفض الخسائر في الطوابق واستخدام الطاقة دون المساس بنوعية الخدمات، وتشير الدراسات التي أجراها معهد بحوث الطاقة الكهربائية إلى أن انتشارا واسع النطاق في خفض حجم الاستهلاك من الحفظ.

تحسين الموثوقية والقدرة على التكيف

وتخفض شبكات الذكاء من تواتر فترات انقطاع الكهرباء ومدتها، وتسمح التشغيل الآلي للتوزيع بكشف الموقع والعزلة وإعادة الخدمة في ثوان بدلا من ساعات، وفي المناطق التي تكثر فيها العواصف أو حرائقها، يمكن أن يحد التجزؤ الذكي من المناطق الصغيرة ويمنع الفشل في شبكات الاتصال، وتفيد إدارة المعلومات في الولايات المتحدة بأن المرافق التي لديها شبكات ذكائية متقدمة تشهد انقطاعا في الهياكل الأساسية بنسبة 40 في المائة.

Integration of Distributed Energy Resources (DERs)

فبإمكانيات توزيع موارد الطاقة - تعطل الطاقة الشمسية، وتربينات الرياح الصغيرة، والمركبات الكهربائية، والبطاريات المنزلية - تتكاثر بسرعة، وبدون شبكة ذكية، يمكن أن يتسبب ارتفاع معدل الاختراق في وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة في تقلبات الفولط، وتدفقات الطاقة العكسية، ومشاكل تنسيق الحماية.

وفورات في التكاليف في المرافق والمستهلكين

ويقلل التلقائية من الحاجة إلى إرسالات ميدانية يدوية، وقطع العمليات والصيانة (OO-M) - ويحدد التحليل الافتراضي معدات الفشل قبل فشلها، ويقلل من الإصلاحات الطارئة الباهظة التكلفة، ويستفيد الزبائن من معدلات الدفن التي تشجع على تحويل الاستهلاك إلى فترات غير مكتملة، وتخفض فواتيرهم، وتقدر وزارة الطاقة التي تدفعها الولايات المتحدة بأن النشر الكامل للشبكة الذكية يمكن أن يحقق فوائد صافية تتجاوز ٣٠١ دولارا.

المنافع البيئية

ومن خلال التمكين من اختراق الطاقة المتجددة وتحسين الكفاءة، تشكل الشبكات الذكية أداة رئيسية لتحقيق الأهداف المناخية، وتتوقع وكالة الطاقة الدولية أن تكنولوجيات الشبكات الذكية يمكن أن تسهم في تخفيض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (2) ] من خلال انبعاثات 2.1 غيغاتون سنوياً تعادل تقريباً الانبعاثات السنوية للهند.

التحديات والحلول

ورغم الفوائد الجبارة، فإن الطريق إلى اعتماد الشبكة الذكية العالمية محفوف بالعقبات، وتتطلب معالجة هذه التحديات الابتكار التقني وإصلاح السياسات على حد سواء.

التكاليف العليا

ويحتاج نشر أجهزة القياس الذكية وشبكات الاتصالات ومعدات التشغيل الآلي إلى بلايين من النفقات الرأسمالية، وبالنسبة للعديد من المرافق في البلدان النامية، يصعب إغلاق حالة الأعمال التجارية دون تقديم إعانات حكومية أو آليات تمويل مبتكرة، وتشمل الحلول شراكات بين القطاعين العام والخاص، وتنظيما قائما على الأداء يكافئ المرافق على تحسين الموثوقية، ويعزز البائعين من أطراف ثالثة على نماذج " الخدمات " التي تستأجر فيها المعدات بدلا من شرائها.

الشواغل المتعلقة بالأمن والسلامة الشخصية

ومع تزايد عدد الشبكات الرقمية، فإنها تصبح أكثر عرضة للهجمات الإلكترونية، وتزداد تطور الجهات الفاعلة التي ترعاها الدولة، وتستلزم الاستثمار المستمر في تحديثات الأمن، وتدريب الموظفين، والتخطيط لمواجهة الحوادث، والخصوصية هي شاغل آخر: يمكن أن تكشف بيانات الاستهلاك التفصيلية عن وجود القاطنين في المنازل، وما هي الأجهزة التي تستخدمها، بل وحتى الظروف الطبية، ويجب على المرافق اعتماد تقنيات توزيع البيانات على الناتج المحلي الإجمالي، وتعطي الشركات خيارات مُلزمة للتبادلات الكهرباء.

الحواجز التنظيمية والقوى العاملة

أما نماذج الأعمال التجارية القديمة التي تكافئ على بيع المزيد من الطاقة (غير إدارة الطلب) فيمكن أن تثبط استثمارات الشبكة الذكية، ويتعين على الجهات التنظيمية اعتماد آليات " تفصل بين أرباح المنافع من مبيعات الكيلوغرامات/الساعة، كما هو الحال في عدة ولايات في الولايات المتحدة، وفي الوقت نفسه، توجد قوة عاملة ماهرة مؤهلة في مجال تحليل البيانات، والأمن الإلكتروني، والالكترونيات الكهربائية في عدد قليل من الجامعات.

قابلية التشغيل البيني والمعايير

ويجب أن تكون أجهزة الشبكة الذكية من مختلف الجهات المصنعة قادرة على الاتصال دون هوادة، وقد أدى عدم وجود معايير عالمية إلى قفل البائعين وإصابة الصداع في الاندماج، وقد وضعت منظمات مثل الشبكة الدولية للطاقة الذرية (2030) ومعايير السلسلة (المجموعة 1) واتفاقية التجارة الدولية (61850 بروتوكولا) وتحالف البلدان الأفريقية للحد من الكوارث المفتوحة أطراً للعمل المشترك، ولكن الاعتماد غير متكافئ، وينبغي أن تتوافق المرافق مع المعايير المفتوحة في عقود الشراء والمشاركة في مشاريع بيانية اختبارية متعددة الأجناس.

Global Smart Grid Initiatives

ويمضي نشر شبكة الذكاء بوتيرة مختلفة في جميع أنحاء العالم، وتبرز الأمثلة التالية مختلف النهج والدروس المستفادة.

الولايات المتحدة

وقد استثمرت الولايات المتحدة ما يزيد على 8 بلايين دولار في البنية التحتية للشبكات الذكية من خلال برنامج منحة الاستثمار في الجريمتين (Smart Grid Investment Grant) والمبادرات اللاحقة، كما أن المرافق الرائدة مثل الكومنولث إيديسون (ComEd) في إلينوي قد نشرت التشغيل الآلي للتوزيع الشامل، مما أدى إلى تخفيض بنسبة 50 في المائة في فترة الاستبعاد، وقد حددت ولاية كاليفورنيا أهدافا طموحة لإدماج وحدات الطاقة الشمسية الجديدة في عمليات البرمجيات الذكية، غير أن تباطؤ في عمليات التجزئة النظام.

الاتحاد الأوروبي

ويقود عملية نشر شبكة الطاقة النظيفة في أوروبا مجموعة الطاقة النظيفة التابعة للاتحاد الأوروبي، التي تُكلف بمدارات ذكية لـ 80 في المائة من المستهلكين بحلول عام 2024 (التي تم بالفعل تلبيتها في بلدان مثل السويد وفنلندا) وينسق منهاج التكنولوجيا الأوروبي لشركات " سمار " البحوث، بينما يمول برنامج هوريزون أوروبا مظاهرات واسعة النطاق، ويعتمد " الطاقة المتجددة " اعتماداً كبيراً على الشبكات الذكية لإدارة عمليات الانتقال بالطاقة الشمسية والريحة.

الصين

إن الصين أكبر مستثمر في شبكات الطاقة في العالم، حيث تشكل تكنولوجيا الشبكة الذكية دعامة مركزية من عناصر خطتها الخمسية الرابعة عشرة، وقد نشرت شركة غريد الحكومية في الصين أكثر من 500 مليون متر ذكي، وتقوم ببناء شبكة من أكبر شبكات الفولط العالي لنقل الطاقة المتجددة من الغرب إلى الشرق، كما أن تركيز الصين على " الشبكات الذكية " يدمج نقل المعدات الكهربائية ذات النطاق العالي.

الهند

ويواجه قطاع الطاقة في الهند تحديات تتمثل في ارتفاع الخسائر في النقل (التي تتجاوز في كثير من الأحيان 20 في المائة) وحالات انقطاع الكهرباء المتكررة، ويعالج نظام تطوير الطاقة المتكاملة في الحكومة، ومشروع " ديندايال أوباديا غرام جيوتي يوجانا " (DUGJY) مشاريع رائدة في مجال إدارة الإمدادات في 20 مدينة.

مستقبل (سمارت جريدز)

وستزيد التكنولوجيات الناشئة من سرعة تطور الشبكات الذكية، مما يحولها إلى نظم مستقلة تماما وقائمة على الاعتماد على الذات.

Artificial Intelligence and Machine Learning:] AI algorithms can analyze petabytes of data from sensors and meters to predict equipment failures, optimize energy trading, and enable real-time pricing.

Blockchain for Peer-to-Peer Energy Trading: In local energy markets, prosumers with solar panels can sell excess power directly to neighbourss without going through a utility. Blockchain provides a transparent, secure bookger for these transactions. Pilot projects in Brooklyn, New York, and Perth, Australia, have demonstrated feasibility technical hurdles, though

Edge Computing:] instead of sending all data to a central cloud, edge devices process information locally, enabling sub-second response for grid protection and functioning. This is particularly important for controlling millions of distributed inverters and chargers without overwhelming communication networks.

Vehicle-to-Grid (V2G):] Electric vehicles can act as mobile batteries, deliver power back to the grid during top hours while their owners earn revenue. Advances in bidirectional charging and aggregation platforms are turning V2G into a commercial frequency. The UK’s “eGrid” project demonstrated that a fleet of 320

ومع تقارب هذه التكنولوجيات، ستتطور الشبكة الذكية إلى منبر يتسم بقدر كبير من المرونة والتوجه نحو السوق يوازن على الوجه الأمثل بين العرض والطلب على جميع المستويات، وسيتطلب الانتقال استثمارا مستداما وتعاونا بين القطاعات، وبيئة تنظيمية تكافئ الابتكار والموثوقية، والشبكة الذكية ليست مجرد أساس لمستقبل الطاقة المستدامة.