تطوير نظم رقابة ذكية على نظام الطاقة في الخضروات المهيمنة

The Growing Footprint of Wind Energy and Grid Stability Challenges

وقد تجاوزت القدرة العالمية على الريح 900 غوناً في عام 2023، وتشير التوقعات الواردة من الوكالة الدولية للطاقة إلى أن هذا الرقم يمكن أن يتجاوز 000 2 غيغاواط في العقد القادم، وفي الأسواق الرائدة مثل الدانمرك وأيرلندا ومنطقة تشغيل النظام المستقل في منتصف القارات في الولايات المتحدة، يتجاوز التغلُّب الفوري للريح بصورة غير مشروعة 50 في المائة ويتجاوز أحياناً 70 في المائة.

ومن الشواغل الرئيسية فقدان التداخل تدريجيا، حيث أن البخار التقليدي، والهيدرو، وترك الطاقة الحركية في المولدات الكهربائية ذات الترددات العالية، والكهرباء المتحركة، والزيادات المتأصلة في نظام الضبط الكهربائي، والزيادات المتزامنة التي تُغيّر من خلال نظام الضبط الآلي، هي عوامل لا تُقاوم تغيرات التواتر بعد حدوث اضطراب.

كما أن التحكم في التقلبات وإدارة الطاقة الاستباقية أصبحتا متعاقبتين في ظل ارتفاع معدل التغلغل في الرياح، وكثيرا ما يتم تحديد مواقع المجموعات الفائزة في المناطق النائية ذات القدرة المحدودة على الانتقال، وذلك عن طريق الممرات الطويلة التي يكون فيها توازن القوى التفاعلية هشا، ويمكن أن تؤدي الطبيعة المتغيرة وغير المؤكدة لنواتج الطاقة الريحية إلى حدوث تجاوزات كبيرة، كما أن متطلبات التركوب من خلال الترددات لا تزال مرتبطة بالأخطاء في الشبكة، كما أنها لا تزال قائمة على طريق الاستجابة السريعة.

ويزداد استقرار الديناميات تعقيداً بفعل عمليات التذبذب فيما بين المناطق والتفاعلات الفرعية في مجال المراقبة، إذ تتطلب تفاعلات دون متزامنة بين أجهزة التحكم في التربين، وخطوط النقل المصحوبة بسلاسل، وضعف ظروف الشبكة، مما أدى إلى حدوث أضرار في المعدات وحدث تقليص قسري في نظم الطاقة الكهربائية التابعة للسوق المشتركة لشرق أوروبا وشرقي آسيا وزينجيانغ، ومن الصعب استيعاب هذه الظواهر باستخدام ضوابط غير خطية تقليدية تستند إلى نماذج محولة.

كما أن تقلب الطاقة الريحية في العمليات يضغط على التزام الوحدة وعمليات الإرسال الاقتصادي، ويجب أن تشكل الجداول اليومية مجموعة واسعة من مسارات التحميل الصافية المحتملة، ويجب أن تُعمد الاحتياجات من الاحتياطي التشغيلي بصورة دينامية على أساس الظروف السائدة بدلا من القواعد الثابتة، وتوفر نظم الرقابة الذكية إطارا حسابيا لإدارة هذه المشاكل ذات الاستخدام الأمثل المتعدد الوقت عن طريق وضع نماذج مستمدة من الفيزياء ذات نظرة ثاقبة عالية.

هيكل نظم الرقابة الذكية

إن نظم الرقابة الذكية للشبكات المهيمنة للرياح ليست جهازا واحدا أو خوارزميا، فهي تمثل إطارا إلكترونيا فيزيائيا يقوم باستمرار برصد ظروف الشبكات، ويتعلم السلوك المتطور للنظام، وينفذ بشكل مستقل إجراءات تصحيحية، ويتبع الهيكل نموذجا في تحليل الحس مع حلقات التغذية المرتدة تعمل عبر المواقع المحلية والريحية، وعمليات اقتناء البيانات على الصعيد الإقليمي.

رصد الوقت الحقيقي واحتياز البيانات

وتشكل طبقة الاستشعار أساس الرقابة الذكية، إذ توزع وحدات قياس الفوار في نقاط الترابط والثبات الفرعية الرئيسية المتزامنة للتدفقات، والبيانات الحالية، وبيانات التردد بمعدلات تتراوح بين 30 و 120 عينة في الثانية، مما يمثل تحسنا كبيرا على النظم التقليدية للمسح الضوئي الذي يلوث البيانات كل ثانيتين إلى أربع ثوان.

وتشتمل النظم الذكية على عقد مواضع حاسوبية تؤدي مرحلة أولية من مراحل التجهيز قبل التجهيز، وكشف البيانات السيئة، وتزامن التوقيت باستخدام إشارات مرجعية إلى نظام تحديد المواقع متوافقة مع النظام الإلكتروني المتكامل EE C37.118، مما يكفل أن تكون طبقات التحليلات في المراحل النهائية موضع عدم استقرار مأمون وناقص في توزيع البيانات الدينامية حسب النظام.

نماذج التحليل الافتراضي والتعلم الآتي

والتنبؤ بالكهرباء هو خط الدفاع الأول، إذ أن نماذج التنبؤ بالطاقة الريحية القصيرة الأجل تتراوح بين تجمعات التناظر والشبكات العصبية العميقة التي تم تدريبها على نواتج التنبؤ بالطقس العددي، توفر آفاقاً متطورة من عدة دقائق إلى 36 ساعة، وهذه التنبؤات تُبلغ مباشرة جداول الإرسال وتُعدّل نقطة التكتل الافتراضية.

أما فيما وراء التوقعات، فإن النماذج الاحتمالية تقيّم درجة عدم اليقين، إذ إن تراجع العمليات في غاوسيان، والغابات التراجعية الكميّة، والشبكات العصبية في بايزيزيونية تولد فترات تنبؤ تسمح للمشغلين باحتياطيات احتياطيات احتياطية في حجمها تتناسب مع توقعات الثقة بدلا من استخدام قواعد ثابتة، ويجري تقييم عوامل التعلّم في بيئات المحاكاة إلى هوامش احتياطية متداخلة دينامياً تستند إلى تقلبات رياحية متجددة وأصول النظام.

كما تحدد أساليب التعلم في مجال الآلات سلائف عدم الاستقرار، ويمكن للشبكات العصبية التي تم تدريبها على تسلسلات الطلقات الضوئية التي تستخدمها وحدة تحليل الحركة أن تكشف عن التوقيعات المبكرة للأفران الفرعية، وأن تصنف الغابات وتحوّل أشجار العشائر المزودة بعلامات متحركة، وأن تتحول إلى ظروف ضغط حرارية، وأن تُبطل الخوارزمات التشخيصية التي تُعدّ من خلال أجهزة التحكم في الطبقة الفية.

استراتيجيات مكافحة التكيف والتنسيق

وتترجم طبقة تنفيذ المراقبة الوعي بالحالة السائدة إلى تدقيق دقيق، إذ أن الاستجابة الأولية للترددات من محطات الرياح أصبحت الآن شرطاً للربط الشبكي في العديد من الولايات القضائية، ويمكن للمحولين الحديثين أن يستخرجوا الطاقة الحركية من الدوار التربيني ليحقنوا انفجاراً متحكماً به من الطاقة النشطة خلال أحداث تقل فيها الترددات، مما يجسد الانتكاسب الميكانيكية الاصطناعية.

وتمثل مراقبة تكوين الأحجار تطوراً كبيراً في تكنولوجيا المحولات، خلافاً لمراقبي شبكات الطاقة التقليدية التي تتزامن مع تركيب شبكة قائمة من الفولط ومراقبي الصور المتحركة للشبكة، فإن هذه القدرة تحولت إلى شبكات ضعيفة وظروف منخفضة التقلبات، لأنها تسمح للمزارع الريحية بالمساهمة بنشاط في قوة النظام.

وتستخدم استراتيجيات مراقبة المناطق الواسعة النطاق تغذية مرتدة من وحدة مراقبة القطاع الخاص لتقليص أوصالات المناطق المشتركة وإدارة صور التطاير عبر ممرات النقل، وتضع شبكات العناصر المركزية أو الموزعة نماذج لضبط القوى التفاعلية المثلى لأجهزة التحكم في مصانع الريح، والتجمعات الإحصائية، وأجهزة التكديس المتزامنة، وتخفض الأطر النموذجية للتحكم في المشاكل القائمة على الترميز على الإنترنت في كل خطوة من مراحل التنفيذ، وتضع هامش الاستقرار في مواجهة الخسائر الناجمة عن الحملات الفعلية في الإنتاج الزراعي.

الهياكل الأساسية للاتصالات والأمن السيبر - الفيزياء

وتتوقف جميع حلقات المراقبة على الاتصالات المرنة.() وتعتمد الشبكة الدولية للكهرباء 61850 شبكة تستخدم نظام غووس وأجهزة غذائية ذات قيمة مدمجة على أجهزة الاستنشاق بالحماية والسيطرة على الأجهزة المتفجرة المرتجلة داخل المراكز الفرعية، وتوسّع نطاق التنسيق بين أجهزة التحكم في التربين ونظم المراقبة على مستوى النباتات، وتوفر شبكات الاتصالات اللاسلكية الخاصة و5 جسور خلفية لاسلكية للمواقع الجغرافية النائية والشاطىء، في حين يقدم التنوع الساتلي.

ويجب إدماج الأمن السيبرى من مرحلة التصميم، إذ تمثل المزارع الفائزة سطحاً متوسعاً للهجوم، ويمكن أن يؤدي التدخل الخبيث في مراقبة المحولات أو وصلات الاتصال إلى تباطؤ عدم استقرار الشبكات، ولا ترصد نظم كشف الدخول حركة المرور على الشذوذ والأنماط المعروفة للهجوم، وتفترض ضوابط الدخول القائمة على الأدوار والتوثيق المتعدد العوامل أن تُمنع إجراء تعديلات غير مأذون بها.

النشرات العالمية الحقيقية وممارسات الصناعة

وقد تجاوزت مفاهيم الرقابة الذكية المظاهرات التجريبية إلى العمليات التجارية، بينما أثبت احتياطي الطاقة في القرنزديل في جنوب أستراليا، في حين أن نظام تخزين الطاقة في البطاريات هو في المقام الأول، مدى قدرة الموارد السائلة على الاستجابة السريعة على تثبيت شبكة الريح، كما أن برامجيات المراقبة التي تقوم بها تؤدي دورا متواصلا في تنظيم الترددات، وتوفير العضلات الاصطناعية، وأسواق حرق الطاقة، مما يُثبت من إمكانية توافر الموارد التقنية والاقتصادية للمحولات.

وفي بحر الشمال، يقوم مشغلو نظام النقل، متعهدو شبكة تينيت وشركة الخضر الوطنية، بنشر وصلات متعددة الأجل لشبكة المعلومات الإدارية الرفيعة المستوى مع مراقبة متقدمة لتشكيل الشبكات في منابر مثل نظام كريغرز فلاك. ويمكن للمزارع الفائزة التي ترتبط بهذه المحولات أن تنشئ بصورة نشطة إشارات إلى الفول والتواتر بدلا من مجرد قوة نظام تصفية.

وفي الولايات المتحدة، تعمل مبادرة " معهد بحوث الطاقة الكهربائية " مع المرافق من أجل تجهيز محولات الاضطرابات الريحية بمناورات قابلة للتشكيل من نوع فولت - أمبير ووات - هز تستجيب للقيادات المتعلقة بالمرافق في وقت قريب من الوقت الحقيقي، وقد أظهرت نظم إدارة موارد الطاقة التي توزع على الشبكة الذكية هذه الأصول الموزعة وتنسيق نقاطها الثابتة مع أجهزة تحسين مستوى النقل.

وعلى الشاطئ، يتم نشر نظم اللجنة الإحصائية من جهات متعددة من المصنعين إلى جانب مجموعات الرياح في ألمانيا والمملكة المتحدة لتوفير تعويض سريع عن الطاقة الاستباقية والتصفية المتسقة، ويتم تنسيق هذه الأجهزة من خلال أجهزة مراقبة الاستقرار المركزية التي تتواصل عبر شبكات الألياف الضوئية المتفانية وتنفذ الخوارزميات النموذجية للحفاظ على استقرار الفولط خلال أحداث الطوارئ.

الخلاصة الاقتصادية والبيئية

وتكمل فوائد استقرار نظم المراقبة الذكية حالة اقتصادية قوية، وتتحمل الاضطرابات الخطيرة تكاليف كبيرة، ويمكن أن يؤدي انهيار الفولط الواحد أو حدث غير خاضع للمراقبة في الجزر إلى أضرار بملايين الدولارات في المعدات، وعقوبات لرفوف الحمولة، والغرامات التنظيمية، والضرر بالسمعة، وتخفض الرقابة الذكية من احتمال وقوع هذه الأحداث وحدتها عن طريق توفير رقابة مستمرة عالية الجودة لا يمكن للمشغلين البشر أن يحققوا وحدها.

ويقلل الحد الأدنى من الحد من الطاقة الكهربائية، الذي كثيرا ما يتطلبه الحفاظ على هوامش الاستقرار في ظروف الشبكات الضعيفة، وعندما يمكن لنظم المراقبة أن تحافظ على حدود التشغيل الآمنة بصورة دينامية، يقترب استخدام القدرة على النقل من التقديرات الحرارية، ويشير التحليل الوارد من المختبر الوطني لورانس بيركلي إلى أن التحكم الذكية في الاستقرار يمكن أن يرفع عوامل القدرة على استخدام الريح الحالية بنسبة تتراوح بين 2 و 4 نقاط مئوية في المناطق المقيدة، مما يمثل إنجازا إضافيا كبيرا للطاقة النظيفة دون تكلفة وقيادة جديدة.

وتمتد الفوائد البيئية إلى ما يتجاوز تشرد الكربون، إذ إن التحكم الذكي، من خلال تهدئة تقلبات إنتاج الرياح وتوفير خدمات المساعدة من المصادر المتجددة، يقلل من الحاجة إلى التوربينات الغازية السريعة التداعيات التي تُحد من الملوثات مثل أكسيد النيتروجين ومسألة استبدال الجسيمات، مما يؤدي إلى تحسن نوعية الهواء المحلية بما يتماشى مع الأبعاد الأوسع نطاقاً للعدالة البيئية في عملية الانتقال في الطاقة.

مسارات للاستخبارات الكاملة

وتتلقى النظم الحالية في معظمها هرميات، ويتلقى منبر مركزي بيانات، ويقارن إجراءات الرقابة، ويرسل أوامر إلى الأجهزة الميدانية، ويتجه التطور التالي إلى توزيع المعلومات الاستخباراتية، حيث تتفاوض أجهزة الحافة في كل من المتمردين، والفرعيين، والأحمال الذكية محليا باستخدام خوارزميات توافقية، والتعلم المتعدد العناصر لتعزيز القدرة على التكيف مع إخفاقات الاتصالات والهجمات الإلكترونية عن طريق إزالة نقاط التبعية المركزية.

ويمثل التوأم الرقمي عاملاً رئيسياً في التمكين من نشر المعلومات الاستخبارية، ويُعد التوأم الرقمي نسخة إلكترونية عالية الجودة ومتزامنة في الوقت الحقيقي لمزرعة الرياح المادية وربطها بين نقلها، ويُحدِّث نماذجه الداخلية ويُحاكي السيناريوهات التي تُعمَّم دون الإخلال بالنظام الحي، ويستخدم القائمون على تشغيل التوائم الرقمية في اختبار التغييرات في استراتيجية تعزيز عوامل التعلم، ويُتوقعون آثار أحداث الطقس القصوى.

وتتيح أطر التعلم الموحدة لمتعهدي المزارع الريحية المتعددين التدريب التعاوني على نماذج التنبؤ بالاستقرار دون تقاسم البيانات التشغيلية المتعلقة بالملكية، مما يحافظ على السرية ويحسن من إمكانية تعميم النماذج على مختلف الظروف الجغرافية والمناخية، كما أن نماذج الاستفادة من التعلم في مجال النقل التي تم تدريبها في إحدى المزرعات الريحية للتعجيل بنشرها في مزرعة أخرى، مما يقلل من متطلبات البيانات والوقت اللازم لإنشاء مرافق جديدة أو محسنة.

وعلى الحدود الحاسوبية، تعد تكنولوجيات شبه الموصلات الواسعة النطاق مثل قيربيد السيليكون ونيتريد الغاليون بمحولات طاقة أسرع وأكثر كفاءة يمكن أن تتحول إلى ترددات أعلى، وهذه المفردة الرطبة تتيح التعويض الوئامي، والتنقية النشطة، والتصوير السريع للخسائر الحالية، كما توفر الخسائر المخفضة في المحولات قاعة إضافية لتقديم الخدمات التكميلية والتوريد الاصطناعي.

الأطر التنظيمية وتنمية القوى العاملة

وتقوم منظمات المعايير، بما فيها معهد الطاقة الكهربائية والإيكولوجية، بتحديث مدونات الشبكة لتعكس قدرات الموارد القائمة على اللافقاريات، ويوفر معيار المعهد الأوروبي للتعليمات الاقتصادية والاجتماعية رقم 2800 الحد الأدنى من متطلبات الأداء من حيث التردد والفولط، والدعم الدينامي للفولط، ومراقبة القوة الفعالة للترابط بين الشركات الدولية، وينشئ هذا المعيار خط أساس ثابت لسلوك المتحكمين الذكية في مختلف البائعين وشروط النظام، مما ييسر عملية التحقق من إمكانية التشغيل البيني.

غير أن التطور التنظيمي يجب أن يتسارع، إذ ينبغي إدماج نظم الرقابة الذكية في متطلبات الترابط، مثل المواصفات التأسيسية بدلا من التحسينات الاختيارية، ويلزم وضع بروتوكولات موحدة للاختبار وبرامج لتصديق وظائف المتحكمين الذكاء لضمان أن تؤدي الخوارزميات المتقدمة أداء موثوق به في جميع الظروف ذات الصلة بالشبكة، ويجري تحديث معايير الموثوقية للاعتماد على هذه المادة، مثل MOD-026 وMOD-027، مع متطلبات محددة لرصد أداء المؤسسة.

كما أن تقارب هندسة نظم الطاقة، وعلم البيانات، وأمن الفضاء الإلكتروني، وتكنولوجيا الاتصالات يتطلب من المهنيين الذين يمكنهم سد هذه المجالات بفعالية، وتشرع الجامعات في مناهج دراسية شاملة لعدة تخصصات، ويعيد المشغلون تدريب موظفي الهندسة على إدارة أدوات دعم القرارات الآلية، وبدون مهندسين ذوي خبرة يستطيعون تفسير النواتج النموذجية، ومعايير الخوارزمية، والتدخل عندما تكون الثقة منخفضة، وحتى نظام الرقابة الأكثر تطوراً، لا تزال هذه البرامج عرضة للفشل في ظل ظروف غير متوقعة.

كما أن الحوافز التنظيمية تشكل أشكال الاعتماد، إذ أن المعدلات القائمة على الأداء التي تكافئ مزارع الرياح على توفير خدمات الاستقرار مثل العصور التركيبي والاستجابة السريعة للتواتر تعجل في حالة الأعمال التجارية من أجل السيطرة الذكية، وتخلق إمكانية الوصول إلى أسواق الخدمات الإضافية لهذه القدرات مسارات للإيرادات تعوض الاستثمارات الرأسمالية والتكاليف التشغيلية الجارية، ومن الضروري وضع قواعد واضحة ومتسقة لتخصيص التكاليف وتقاسم البيانات بين أصحاب الجيل ومتعهدي النقل لتجنب حواجز التنسيق والمنازعات التجارية.

خاتمة

إن الشبكات المهيمنة على الرياح ليست سيناريو مستقبلي مضاربة، فهي تمثل واقع التشغيل في أسواق عالمية متعددة اليوم، كما أن مسارات العمل المتجهة إلى مناطق أخرى كثيرة، وتتكون من وجود هياكل أساسية ذات كفاءة عالية، وتميل إلى إيجاد هياكل أساسية متطورة تتسم بالطابع الحساس، وتتحول إلى نظم فعالة لمراقبة الأصول، وتتطور في نفس الوقت