تطوير نظم الصيانة المستقلة للمتحولين عن السلطة

وقد تسارعت عملية تطوير هذه النظم بسبب انخفاض تكلفة أجهزة الاستشعار، وانتشار شبكة الإنترنت الصناعية للأشياء، والتقدم المحرز في التعلم الآلاتي، ووفقا لتقرير 2023 IEEEE()، أفادت المرافق التي نشرت تشخيصات مستقلة عن المحولات الحرجة بحدوث انخفاض بنسبة تتراوح بين 40 و60 في المائة في الأرقام المتعلقة بالإكراه على الإجازات، وانخفاض في نفقات الصيانة بنسبة تتراوح بين 25 و35 في المائة.

العناصر الرئيسية للنفقة المستقلة

ويدمج هيكل الصيانة المستقلة من نهاية إلى نهاية عدة طبقات تكنولوجية، يؤدي كل منها دورا متميزا في تشخيص إجراءات الصيانة والتنبؤ بها وتنفيذها.

1- تكنولوجيات الاستشعار المتقدمة

وتجهز المحولات الحديثة بمجموعة من أجهزة الاستشعار التي تتجاوز بكثير درجة الحرارة الأساسية ورصد مستوى النفط وتشمل تكنولوجيات الاستشعار الرئيسية ما يلي:

• Dissolved Gas Analysisors [DGA] sensors]: Real-time monitoring of gases such as hydrogen, methane, acetylene, and ethylene, which indicate arcing, corona, or overheating inside the transformer tank.
• Partial Discharge (PD) sensors: High-frequency current transformers or acoustic sensors that detect partial discharge activity, a leading indicator of insulation degradation.
• Fiber-optic temperature sensors: embedded in windings and core to provide precise hotspot temperatures, enabling accurate thermal modeling.
• Moisture and oil quality sensors: Measure water content, acidity, and dielectric strength of the insulating oil.
• Bushing monitoring sensors: Capacitance and power factor measurements that reveal bushing deterioration.

وتتدفق جميع هذه أجهزة الاستشعار إلى منصة تجميع مركزية عبر بروتوكولات مثل IEC 61850 أو DNP3، وكثيرا ما تكون بها أجهزة حاسوبية حافة تؤدي التصفية الأولية وكشف الشذوذ.

2 - تحليل البيانات وحسابات AI

بيانات الاستشعار الخام ضخمة ومزعجة، وتعتمد النظم المستقلة على تحليلات متطورة لتحويلها إلى معلومات استخبارية قابلة للتنفيذ، وتُستخدم فئتان رئيسيان من الخوارزميات:

• Anomaly detection models] (مثل غابات العزلة، والسيارات) التي يحرف العلم عن أنماط التشغيل العادية.
• النماذج الادّعاءية ] التي تقدّر الحياة النافعّة المتبقية (RUL) باستخدام تقنيات مثل شبكات الذاكرة القصيرة الأجل الطويلة الأجل، أو تعزيز التدرج، أو شبكات الفيزياء المستنيرة.

فعلى سبيل المثال، أظهرت دراسة أجريت في عام 2022 من CIGRÉ] أن مجموعة من نماذج الإدارة العليا للتعلم السلس والقائمة على أساس الـ ديغا يمكن أن تتنبأ بالأخطاء الافتراضية قبل أكثر من 92 في المائة من الدقة، وهذه الخوارزميات تدور على حافة الإنذارات المنخفضة التردد وفي السحابة لإعادة التدريب والتعلم عبر الكبريت.

3 - نظم التفتيش الآلية والآلية

وتمتد أعمال الصيانة المستقلة إلى ما يتجاوز الرصد إلى التدخل المادي، وهناك عدة منابر آلية تستخدم حاليا أو قيد التطوير:

• Internal inspectionroids]: Small, insect-likeroids that enter the transformer tank through an access port, navigate through windings, and visually inspect insulation surfaces or collect oil samples.
• Exterior drones]: UAVs equipped with thermal cameras, ultrasonic microphones, and gas sniffers that survey transformer yard equipment, especially useful for hard-to-reach bushings and radiators.
• Automated oil sample analyzers: Inline units that periodically take and analyze oil, then trigger oil regeneration or replacement if thresholds are beyond.
• On-load tap changer (OLTC) maintenanceroids]: Specialized systems that replace contacts, clean oil, and verify altering performance.

وهذه الأدوات الآلية تحد من الحاجة إلى دخول البشر إلى المناطق الشديدة الخطورة وتتيح إجراء عمليات تفتيش أكثر تواترا واتساقا.

استحقاقات نظم الصيانة المستقلة

ويؤدي نشر الصيانة المستقلة إلى مزايا كبيرة عبر السلامة والموثوقية والتكاليف والاستخبارات التشغيلية.

تعزيز السلامة

(د) كثيراً ما تنطوي صيانة أجهزة التحويل على العمل بالقرب من المعدات ذات التأثير العالي، والأماكن المحصورة، والزيت المسبب للخطر.() وتخفض النظم المستقلة ذاتياً تعرض الإنسان عن طريق عمليات التفتيش الآلية وعمليات التشخيص عن بعد() مثلاً، وتقضي أجهزة الاستشعار الضوئية الغازية التي يتم تركيبها خارج الصهريج على الحاجة إلى أخذ العينات اليدوية.() وبالمثل، تزيل عمليات التفتيش عن طريق الطائرات الآلية المخاطر المرتبطة بالمتحولات الآلية أو باستخدام أجهزة الصمامات.()

زيادة الموثوقية والتوافر

ومن خلال التتبع المستمر للمؤشرات الصحية، يمكن للنظم المستقلة أن تكتشف حالات الفشل قبل وقوع حادث كارثي بأسبوعين، مما يتيح لأفرقة الصيانة تحديد مواعيد التدخلات خلال فترات التجاوز المقررة بدلا من الاستجابة لحالات الفشل غير المتوقعة، وتخفض الصيانة الافتراضية الوقت اللازم لإصلاحها، ويزيد من فعالية المعدات عموما، وعلى سبيل المثال، فإن المرافق الأوروبية الرئيسية تستخدم نموذجا للشبكة العصبية الهجينة لرصد تغيرات الصنابير().

الوفورات في التكاليف

وفي حين أن الاستثمار الأولي في أجهزة الاستشعار ومنابر التحليل والآليات يمكن أن يكون كبيرا، فإن العائدات الطويلة الأجل تكون مُلحة، وتأتي الوفورات من عدة سبل:

• خفض تكاليف العمل لعمليات التفتيش والمهام الروتينية.
• العمر الممتد للمحولين بسبب التوقيت الأمثل للنفقة
• وتفادي التكاليف الناجمة عن الفشل الكارثي (يمكن لمحولي الاستبدال أن يكلفوا ما بين 1 و5 ملايين دولار لكل منهم).
• انخفاض أقساط التأمين بسبب تحسين إدارة المخاطر.

وقدرت دراسة أجراها معهد بحوث الطاقة الكهربائية أن الفائدة التي تبلغ ٠٠٠ ١ من المحولات الكبيرة للطاقة يمكن أن تنقذ ما بين ١٢ و ١٨ مليون دولار سنويا بالتحول من الصيانة الذاتية القائمة على الوقت إلى الصيانة المستقلة القائمة على الظروف.

صنع القرار

وتولد النظم المستقلة تدفقاً مستمراً من البيانات ذات الاستبانة العالية التي لا تدعم مجرد الصيانة بل تدعم أيضاً استراتيجية الأصول والمشتريات وتحسين التصميم، ويمكن للمهندسين تحليل أنماط الفشل عبر أساطيل المحولات، وتربط الأحداث بملامح الحمولة أو بيانات الطقس، وتصقل بارامترات التشغيل، ويمكن أن تغذي هذه البيانات أيضاً إلى التوأم الرقمية

التحديات والحواجز أمام التبني

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن الطريق إلى الصيانة المستقلة الواسعة النطاق لا يُعيق، بل يجب على المنظمات أن تُنقِل العقبات التقنية والمالية والتنظيمية.

الاستثمار الأولي المرتفع

وتحتاج إعادة تجهيز المحولات بأجهزة استشعار شاملة، وتحسين الهياكل الأساسية للاتصالات، ونشر منابر التحليل إلى رأس مال كبير، إذ تعمل العديد من المرافق على ميزانيات ضيقة ويجب أن تبرر عملية التطهير على مدى سنوات متعددة، غير أن انخفاض تكلفة أجهزة الاستشعار (مثل أجهزة الاستشعار القائمة على نظام إدارة الشركات المتعددة الأطراف، تبلغ تكلفتها الآن أقل من 000 2 دولار للوحدة الواحدة، أي أقل من 000 10 دولار قبل عقد) وتوافر خدمات السحب.

تعقيد التكامل

وكثيرا ما يفتقر المتحولون الذين تم تركيبهم منذ عقود إلى موانئ رقمية، وتستخدم نظم الرقابة فيها بروتوكولات الملكية، حيث يمكن أن يكون تكامل الرصد المستقل مع نظم التقييم الذاتي المشترك وإدارة الأصول وتخطيط الموارد في المؤسسة معقدا ومكلفة، كما أن جهود توحيد المعايير مثل العقدين المنطقيين للمحولين، الذي يضم 61850 ماركا، تساعد على تحقيق ذلك، ولكن قابلية التشغيل المتبادل الكامل لا تزال تمثل عملا جاريا.

مخاطر الأمن السيبرى

(ب) إن النظم المستقلة تزيد من سطح الهجوم على شبكة الطاقة، ويمكن أن تصبح أجهزة الاستشعار وأجهزة الحواف والوصلات السحابية نقاط دخول للخصوم السيبرانية بهدف تعطيل العمليات أو استخراج البيانات، وحماية سلامة بيانات الاستشعار ونماذج أجهزة الاستنشاق أمر حاسم، ويجري حالياً استكشاف تقنيات مثل التحقق من البيانات القائمة على سلسلة من السلسلة، ووحدات الأمن الحاسوبية، والهيكلات الصفرية للتكنولوجيا.

نوعية البيانات والقابلية النموذجية

ولا تكون نماذج التعلم من الآلات سوى جيدة مثل البيانات التي يتم تدريبها عليها، وكثيرا ما تعمل المحولات في ظروف مختلفة، كما أن أحداث الفشل نادرا ما يصعب جمع مجموعات تدريبية متوازنة، وقد تعاني النماذج من إيجابيات زائفة (التنبيهات غير الضرورية) أو سلبية زائفة (فقدان أخطاء حقيقية) ومن أجل التخفيف من ذلك، يقوم الباحثون بوضع نماذج للفيزياء تُدمج نماذج للتعلم في حجم الحرارة وفي تقنيات تحويلات.

القوى العاملة والتغيير التنظيمي

ويتطلب التحول إلى الصيانة المستقلة علماء جدد في مجال المهارات - ومهندسين آليين وأخصائيين في مجال أمن الفضاء الإلكتروني - قد لا يكونون متاحين بسهولة في القوى العاملة التقليدية في مجال المنافع، كما أن المقاومة الثقافية من الفنيين البيطريين الذين يثقون في أذنيهم وخبراتهم على الخوارزمية يمكن أن تبطئ أيضاً من التبني، كما أن البرامج الناجحة تستثمر في إدارة التغيير والتدريب الشامل وتظهر بوضوح قيمة القرارات التي تدعمها الوكالة.

التوجيهات والبحوث المستقبلية

ويتسارع تطور الصيانة المستقلة، الذي تقوده التكنولوجيات الناشئة واتحادات الصناعة، وهناك عدة اتجاهات رئيسية تشكل الجيل القادم من النظم.

التوائم الرقمية والحياكة

(ب) أن التوائم الرقمية - التواؤم العالي - الافتراضية التي تعكس سلوك المحولات في الزمن الحقيقي تصبح حجر الزاوية في الصيانة المستقلة، ومن خلال الجمع بين بيانات الاستشعار والنماذج الفيزيائية، يمكن للمشغلين أن يديروا سيناريوهات ما إذا كان أثر زيادة في الحمولة المفاجئة أو فشل نظام التبريد.() كما أن التوأم الرقمية تتيح تحقيق الاستخدام الأمثل، حيث يقترح النظام اعتماد مستويات من التحميل أو تغييرات تشغيلية.

5 زاي وحساب إدج لمراقبة الجرائم

فالبطولة المنخفضة والزوارق العالية لشبكات الترددات الخمسية تتيح في الوقت الحقيقي تدفق بيانات التواتر العالية للضغط والهتز، فضلا عن التحكم عن بعد في أسلحة التفتيش الآلي، ويمكن للأجهزة الحاسوبية أن تجهز الإنذارات الحرجة في الألف ثانية، مما يتيح للنظم المستقلة أن تحفز إجراءات وقائية فورية - مثل الحد من الحمولة أو بدء تشغيل مضخات التبريد - دون انتظار سعة السحب من السحب.

Blockchain for Data Integrity and Sharing

وعندما يقوم أصحاب المصلحة المتعددون - أصحاب الأسهم، ومتعهدو الصيانة، ومؤمنو التأمين - الذين يحتاجون إلى الثقة في تاريخ صيانة المحولات، يقدم هذا الشعار دفتر حسابات غير قابلة للتعديل، وتقارير التفتيش، والإجراءات المتخذة، وقد أظهرت عدة مشاريع رائدة (لا سيما في برنامج الاتحاد الأوروبي المتعلق بأفق الأفق 2020) سجلات صيانة قائمة على سلسلة من القطع تعزز الشفافية وإمكانية مراجعة الحسابات، وهذا أمر له أهمية خاصة بالنسبة للترابط بين القوى عبر الحدود.

أجهزة الدفع الآلي المتقدمة والطائرات العمودية

ومن المرجح أن تشمل أعمال الصيانة المستقلة في المستقبل أفرقة منسقة من الروبوتات، ويمكن للأحزام العازلة أن تقوم بدوريات في مهبط كامل، مع بعض الوحدات التي تحمل أجهزة استشعار الغاز بينما تقوم وحدات أخرى بعمليات تفتيش بصري أو حتى نقل وحدة أرضية آلية إلى محول محدد، وفي داخل الصهريج، يمكن للآليين والزجاجات الدقيقة أن تفتش أماكن ضيقة دون صرف نفط مبردة.

ألف - التفسير والقبول التنظيمي

ونظراً لأن النظم المستقلة تتخذ قرارات تؤثر على موثوقية الشبكة، فإن المرافق والمنظمين تطلب تفسيرات لتوصيات التنفيذ المشترك، كما أن التقنيات الجديدة التي يمكن تفسيرها في مجال التنفيذ المباشر - مثل قيم النهج المنسق وآليات الاهتمام في الشبكات العصبية - مهندسو المساعدة العصبية، تفهم لماذا يُعَلَم نموذجاً بطريقة غير عادية، مما يُنشئ الثقة وييسر الامتثال لمعايير مثل المبادئ التوجيهية المتعلقة بصيانة المواد الكيميائية IEEEEC57.104 (DGA.I).

خاتمة

إن تطوير نظم صيانة مستقلة لمحولي الطاقة ليس مجرد تحسين تدريجي - بل يمثل إعادة تصميم أساسية لكيفية إدارة أحد أكثر الأصول تكلفة وحرجا في الشبكة الكهربائية - من خلال إدماج أجهزة الاستشعار المتقدمة، ومحللي الطاقة، والتدخل الآلي، يمكن لهذه النظم أن تحسن بشكل كبير السلامة والموثوقية وفعالية التكلفة، مع التمكين من وضع استراتيجيات محركة للبيانات تكون مستحيلة في المستقبل، ولا سيما التحولات التي لا تزال قائمة منذ عقد.