تكنولوجيات الرصد في الوقت الحقيقي لتعزيز استقرار نظام الطاقة في خضروات سمارت

Understanding Power System Stability in Modern Grids

إن استقرار نظام الطاقة يشير إلى قدرة شبكة كهربائية على الحفاظ على حالة تشغيل ثابتة في ظل ظروف طبيعية والعودة إلى التوازن بعد حدوث اضطراب، وفي الشبكات التقليدية، فإن عدم القدرة على تشغيل المولدات الكهربائية المتزامنة الكبيرة يوفر غطاء طبيعياً من التغيرات المفاجئة في الحمولة أو رحلات المولدات أو أخطاء الخط، وهذا العزل المتأصل يسمح للمشغلين بدقائق التردد في الاستجابة للتغيرات المتكررة أو الفولطية.

فبدون نظرة مستمرة عالية الاستبانة لظروف الشبكات، يُقيد بالفعل مشغلو النظم بالتحليل بعد الوفاة، والمحاكاة الخارجية، وهذه النُهج القديمة لا يمكن أن تحول دون حدوث أحداث متعاقبة، حيث إن انقطاع الكهرباء عن الشمال الشرقي في آب/أغسطس 2003، الذي أثر على 55 مليون شخص، وُزع بسبب افتقار المشغلين إلى الرؤية الحقيقية في سلسلة القياسات المتغيرة للرحلات، كما أن تكنولوجيات الرصد الحديثة في الوقت الحقيقي تغلق هذه الفجوة الجغرافية عن طريق إجراء اختبارات المتزامنة دون الثانية.

The Anatomy of a Real-Time Monitoring Infrastructure

Sensor Layer: From Substations to End Users

أما المستوى الأول لأي نظام للرصد فيشمل أجهزة الاستشعار التي تلتقط كميات كهربائية، وعلى مستوى الانتقال، فإن وحدات قياس العجلات هي معيار الذهب، إذ أن هناك أجهزة رصد تعمل على الفول والتوترات الحالية ومعدلات الزوايا بين 30 و 120 عينة في الثانية، مما يدل على أن كل قياس يُستخدم في فترات الارتفاع عن طريق جهاز استقبال مزود بمقياس للجرعات، مما يؤدي إلى حدوث اختلافات في الموازق.

وتتم الآن تركيب شبكات التوزيع، بمجرد أن يتم تحويلها إلى أجهزة كهربائية وأجهزة أساسية، مع أجهزة استشعار خطية، وأجهزة استخلاص ذكاء، وأجهزة مراقبة مصرفية تعمل على إعداد تقارير عن التيارات المحلية، والفولط، ومقاييس نوعية الطاقة، وكثيرا ما تتواصل هذه الأجهزة عن طريق شبكات لاسلكية، مما يتيح إبرازها إلى مستوى المغذي الرئيسي.

الاتصالات الخلفية

أما الرصد في الوقت الحقيقي فهو مستحيل بدون شبكة اتصالات يمكنها أن تقدم بيانات عالية التردد ذات تواتر منخفض ومحدد، وبالنسبة للخلفية العالية التردد، فإن المرافق غالبا ما تكون مزودة بكابلات الألياف الضوئية التي تدمج بالأسلاك الأرضية العامة أو تغلف حول أجهزة التوصيل الترددي، وتتحقق هذه الروابط حالات التأخير في إطار خط ممتد من ميل ثاني إلى آخر، بما يكفي لضبط خطوط الربط الشبكي الضيقة التي تحوم حولها

ويتجاوز حجم البيانات التي تنتجها وحدات الإزالة وحدها عدة جيغابايت يومياً لكل جهاز، ويصل التدفق الإجمالي عبر المرافق الكبيرة إلى عشرات الترابات سنوياً، كما أن البروتوكولات الموحدة ضرورية لإدارة هذا الفيضان.() ويعرف المعهد الأوروبي للإحصاء رقم 37-118-2 شكل تبادل البيانات المتزامنة، ويتيح لمعدات الإمداد بالكهرباء من مختلف الجهات المصنعة الاتصال بعامل تركيز موحد للبيانات على المستوى الصافي(18).

منصات التحليل المركزية والموزعة

والمقصد بالنسبة لمعظم البيانات في الوقت الحقيقي هو نظام متقدم لإدارة التوزيع، ونظام رصد المناطق الواسعة، أو نظام إدارة الطاقة، وهذه البرامج تُغيِّر القياسات المتزامنة زمنياً، وتُدير مقاييس تقديرية للدولة كل جزء من أجزاء من نظام الرصد الثاني أو في بعض العمليات، ويستمر في تدفق البيانات، ويُعد الناتج أفضل تقدير لتدفقات المولدات الحقيقية، بما في ذلك سلسلة المحركات التي تُعدُّ نماذجاً للاستقرار.

وتتزايد عمليات الاستخبارات الموزعة من خلال تحميلها بالحواسيب من الخواديم المركزية، إذ يمكن الآن لبوابات التخصيب والأجهزة الإلكترونية الذكية أن تدير نظماً تحليلية محلية - مثل الكشف عن النسيج، وتصنيف الحالات، أو نقل بيانات عن عدم الاستقرار في المنطقة دون الإقليمية، أو إصدار أوامر التحكم (مثلاً، تعديلات التصفير، والتبديل في البوظات) في خيامات الثانوية.

Core Technologies Powering Real-Time Grid Monitoring

وحدات قياس الفوار وشبكات سينكروفور

وقد بدأت مبادرة الحد من الفقر في منطقة واسعة من الوعي بالحالة السائدة، حيث أتاحت للمشغلين إمكانية مقارنة الزوايا في مرحلة الفولط بين الحافلات النائية، وقد تبين الاختلافات في النطاقات الصغيرة (بضع درجات) استقرار العمليات؛ وتشير الاختلافات الأكبر إلى أن الترابط محمي بدرجة كبيرة ويقترب من حد الاستقرار، وخلال الفترة التي انقضت فيها منطقة الشمال الشرقي في عام 2003، أظهرت وحدات الإزالة التي تم تركيبها كجزء من مشاريع البحوث أن الزوايا المحلية قد اتسعت

ولا تتيح بيانات السيروفافورية المتزامنة المجال أمام رؤية واسعة النطاق فحسب، بل أيضاً التحكم الآلي، وتستخدم خطط العمل الوسيطة مدخلات من وحدات الإزالة في الوقت الحقيقي لاكتشاف الظروف التي من قبيل فقدان مولد رئيسي أو خط ربط، ثم تُجمع تلقائياً حمولة أو توليد أو إعادة تشكيل الشبكة في إطار دورات لمنع انهيار الفول أو تحميلات زائدة من الطرازات.

دال - رصد الراتب والوضع

وتُعد تقديرات خط الانتقال ثابتة تقليدياً، استناداً إلى افتراضات متحفظة بشأن درجة الحرارة المحيطة والتدفئة الشمسية وسرعة الرياح (مثلاً، 40 درجة مئوية، لا توجد رياح) ويترك هذا النهج قدرة كبيرة غير مستعملة خلال فترات هادئة وريحية، ويحل تقدير خط السير الديناميكي محل الافتراضات الثابتة التي تنطوي على قياسات في الوقت الحقيقي: درجة حرارة السير في النقاط من الحساسية أو درجة الحرارة الموزعة

وتمتد عمليات رصد الطوابق إلى المحولات والكسرات والكابلات، وتقيس أجهزة الاستشعار عن الغاز المذاب التي تم تركيبها على خزانات النفط المحولات تركيزات الهيدروجين، والآسيتيلين، والغازات الأخرى المسببة للإصابة، وتحيل البيانات إلى قواعد البيانات المركزية لتحليل الاتجاهات، وتكشف أجهزة التفريغ الجزئية في مفاصل الكابلات، وتثبيتات المحولات عن تدهورها قبل أن تؤدي إلى الفشل.

تحديد مواقع التوزيع والصور

ويمكن لشبكات التوزيع العام أن تبلغ مؤشرات الدوائر المعطلة بالتواصل اللاسلكي عن مرور الخطأ الحالي وتوجهه، وعندما يقترن ذلك بأجهزة تقويم الموجات المتحركة التي توزع على نحو غير مباشر، يمكن للمشغلين تحديد مواقع الأخطاء في نطاق عدد قليل من البصائر، مما يقلل من أوقات الدوريات من ساعات إلى دقائق، وتدمج التحليلات المتقدمة القراءات من أجهزة الاستشعار الصوتية المتعددة للتفريق بين التسلسلات الدائمة للكابلات وحواذ.

أجهزة رصد نوعية الطاقة الصغيرة

ولم تعد شبكة التوزيع تُعد تناظراً سلبياً؛ إذ إن ارتفاع تغلغل المركبات الشمسية السطحية والكهربائية وتخزين البطاريات، قد يؤدي إلى تدفق الطاقة في كلا الاتجاهين، كما أن نظام توزيع الطاقة الكهربائية على نحو أكثر صعوبة، حيث أن وحدات الطاقة الصغيرة المصممة لمجموعات التوزيع الأولية (4-35 كيلو فولت،) توفر قياسات متزامنة عند نقطة للتكلفة (بضعة آلاف دولار لكل وحدة) مما يجعل من عمليات التوزيع الفرعية قابلة للتطبيق.

تعزيز الاستقرار من خلال وحدات مكافحة سريعة

مراقبة سد الأيريا الواسعة

:: وجود مخاطر ثابتة على استقرار نظام الطاقة الكهربائية، لا سيما عندما تربط ممرات الانتقال الطويلة بين المناطق التي يتكون فيها جيل متفاوت، حيث تضعف مستويات الارتداد في المنطقة الجنوبية من حيث القدرة على النمو، وتزداد هذه المولدات في المنطقة الجنوبية من حيث القدرة على إحداث تغيرات في مستويات القدرة على إحداث الاحترار، وتزيد نسبة الارتداد في مستويات الارتفاع إلى مستويات القدرة على إحداث تغيرات في مستويات القدرة على الدفع.

نقص الترددات وقلة المولدات

إن عمليات إعادة التكتل التقليدية للشحنات غير المتكررة، التي تُستخدم في إطار نظام التعبئة الكهربائية، والتي تُستخدم في إطار نظام الضبط الآلي، والتي تُستخدم في إطار نظام الضبط الآلي للكهرباء، والتي تُستخدم في إطار نظام الضبط الآلي، والتي تُستخدم في إطار نظام الضبط الآلي، والتي تُستخدم في إطارها أجهزة القياس غير المتحركة، والتي تُستخدم في تحديد سرعة تواتر البرمجيات التي تستخدم في مقياس البرمجيات المزودة بالأشعة دون المضغوط.

التفعيل الفعلي للفولت - VAR

أما استقرار التقلبات فهو أمر حاسم مثل استقرار الترددات، إذ إن التقلبات السريعة في الترددات العالية جداً لا تستخدم قياسات الطاقة الارتجاعية والتفاعلية من وحدات خفض الانبعاثات، وأجهزة القياس ذات الترددات المتوسطة، وأجهزة القياسات الذكية التي تخفض من الترددات المتطورة في منطقة جنوب شرق آسيا (الاستجابة لحجم الطاقة)

الأمن السيبرى - الفيزياء في نظم رصد الجريمة

كما أن التكنولوجيات التي توفر الرؤية والمراقبة تزيد من سطح الهجوم، إذ يمكن للمهاجم الذي يمكنه أن يبوح بيانات وحدة الحد من الكوارث، أو أن يعطل توقيت النظام العالمي لتحديد المواقع، أو أن يحصل على مركز بيانات متزامنة، يمكن أن يتسبب في قيام المشغلين بأعمال مزعزعة للاستقرار أو بفرض ضوابط آلية متضاربة عند الحاجة إليها، كما أن حوادث العالم الحقيقي مثل سلسلة الكشف عن التدفقات الإلكترونية لعامي 2015 و2016

(ج) إن تزامن الوقت هو ضعف حرج، إذ يمكن للمهاجم الذي يمكنه أن يكشف أو يُربع إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع أن يُسبِّب طوابع زمنية من وحدة التفتيش المشتركة لإجراء مقارنات من زاوية الاتجاه العائم والفاسد، ويُستخدم نظام التوقيت المُعدّد لنظام تحديد المواقع، والساعات الذرية كدعم، وتوزيع زمني مُعتمد على نظام قياسي EME 1588v2 (بروتوكول زمن الختان).

إدماج مصادر الطاقة المتجددة والموارد الموزعة

Inverter-Based Resource Modeling and Monitoring

ويمكن أن تتغير الموارد القائمة على اللافترات، وأن تتحول إلى نظام متجدد متعدد الأطراف، بما في ذلك نظام تشغيلي متعدد الأطراف، حيث أن إنتاجه يمكن أن يتغير في الألف ثانية حيث أن الغطاء السحابي ينتقل إلى مزرعة شمسية أو اضطراب الرياح يؤثر على تورم، وبدون ضوابط ملائمة، يمكن أن تسبب التغيرات السريعة تضخماً في الارتفاع بالترددات الجديدة، وارتفاع مستويات القدرة على توليد الطاقة.

وعلى مستوى التوزيع، تشكل تجميعات من الطاقة الشمسية والبطاريات التي تعمل خلف سطح الماء تحدياً للرصد بسبب عدد هذه الأجهزة وعدم وجود قياس مباشر لها، وتقتصر أهمية الخصوصية على الحد من الخضوع المباشر لفرادى المنازل، وقد وضعت المرافق ملفات للحمولة الاصطناعية وأغلفة رصد الحمل غير المقصودة التي تستنتج عن عمليات الخفض المخفض للانبعاثات من بيانات قياسية ذكية.

Solar Forecasting and Ramp Event Management

ويمكن أن تؤدي التحركات السحابية السريعة على تركيبة شمسية كبيرة إلى تخفيض الناتج بنسبة ٦٠-٨٠ في المائة في أقل من خمس دقائق، وعندما يتزامن هذا التدفق مع ارتفاع الحمولة، يجب أن يكون لدى منظم الترددات ما يكفي من الاحتياطيات السريعة الاستجابة، وتدمج نظم الرصد في الوقت الحقيقي التنبؤات الشمسية المستمدة من أجهزة التصوير الأرضية، والبيانات الساتلية الثابتة )مثلا، نظام غوس - ١٦(، ونماذج التعلم الآلي التي تنب على درجة حرارة تبلغ ٥ في المائة.

دراسات الحالة: رصد الوقت الحقيقي لتوليد ثمار الاستقرار الملموسة

Snchrophasor-Driven Recovery in Texas

وخلال العاصفة الشتوية الشديدة التي تسببت في انقطاع الكهرباء في تكساس، استعمل مجلس موثوقية الكهرباء في تكساس شبكته الواسعة التي تضم أكثر من ٨٠٠ وحدة من وحدات الإزالة لتتبع ترددات الترددات وتحديد أجزاء من الشبكة الجزرية، حيث أدت بيانات الوكالة التقليدية للتنمية الزراعية إلى حدوث تأخيرات كبيرة في تحديثات الوضع؛ ولكن بيانات وحدة التحكم في الطاقة الكهربائية أعطتها صورة ثانية من الترددات، والتكرار في عمليات إعادة الحمل، والزواياج التدريجية.

الجرعة الديناميكية في بلجيكا

(أ) قام مشغل نظام النقل البلجيكي بتنفيذ نظام DLR على عدة خطوط ربط حرجة عبر الحدود، لا سيما تلك التي تربط بهولندا وألمانيا حيث يبلغ توليد الرياح ذروته أثناء الطقس المبرد والريحي، وقد أتاحت قياسات درجة حرارة السلوك والطقس في الوقت الحقيقي لـ (إليا) زيادة القدرة المسموح بها بنسبة 15 في المائة تقريباً باستخدام غرفة رأسية حرارية فعلية، مما أدى إلى تقليص حجم الطاقة الكهربائية التي تستحقها سنوياً.

توقع الخزنة في أستراليا

وقد نشرت خدمات شبكة المعلومات في فيكتوريا نظاماً للتوقعات الخاطئة يرصد الإشارات الكهربائية العالية التردد (فوق الـ 50 درجة أساسية) التي تلتقطها أجهزة استشعار خطية على موزعات التوزيع، وبتطبيق نظام تحويلات الموجات وأجهزة التحصيل، يمكن للنظام أن يحدد أنماطاً فرعية للبث تسبق انهيار التلقيح بأيام أو حتى أسابيع.

Overcoming Implementation Hurdles

إدارة البيانات وإمكانية التشغيل المتبادل

(ب) أن تكون البيانات الموحدة [بمعنى تقييم الأداء] التي تُجرى يومياً، والتي تُستخدم في إطار نظام المعلومات الموحَّد بين مجموعة البلدان النامية، و6 سنوات، و5 سنوات، و5 سنوات، و5 سنوات، و5، و5، و5، و5، و5، و3، و5، و5، و5، و5، و5، و4، و5، و5، و4، و4، و5، و4، و5، و4، و4، و5، و4، و5، و5، و4، و4، و4، و5، و4، و5، و4، و5، و5، و5، و4، و4، و4، و5، و4، و4، و4، و4، و4، و5، و4، و4، و5، و4، و5، و5، و5، و5، و4، و5، و5، و4، و5، و5، و4، و5، و5، و5، و5، و5، و5، و4، و

تبرير التكاليف والفوائد

ويمكن أن تصل التكلفة الأولية لمنشآت وحدة الحد من الفقر، وتحسين الاتصالات، ومنابر التحليل إلى عشرات الملايين من الدولارات لتحقيق فائدة كبيرة، غير أن تكلفة الاستبعاد الكبير يمكن أن تكون أعلى من حيث الحجم، وتقدر وزارة الطاقة في الولايات المتحدة أن تكنولوجيات الرصد والمراقبة في منطقة واسعة النطاق يمكن أن تقلل من التكلفة السنوية لقطع الكهرباء بمقدار 20 بليون دولار على الصعيد الوطني.

تحويل القوة العاملة

ويحول الرصد في العالم الحقيقي المهارات المطلوبة في غرف التحكم وتخطيط العمليات، ويحتاج العاملون الذين تلقوا تدريباً على قوائم الإنذار الخاصة بالمؤسسة الإنمائية للجنوب الأفريقي والمكالمات الهاتفية من المراكز الفرعية إلى تفسير لوحات التناوب التدريجية، وخطوط التلقيح المفاجئة، وأجهزة الإنذار المولدة عن المؤسسات المحتملة لعدم الاستقرار، وقد استجابت المرافق من خلال إنشاء أدوار جديدة: برامج البيانات المتعلقة بمركز الطاقة، وجامعات التسلسل الهرمينيفي في نظام تكساس.

الاتجاهات المستقبلية: AI, Edge Computing, and Beyond

إن المعلومات الاستخبارية والتعلم الآلي ينتقلان من تجربة البحوث إلى واقع عملي، فالعمليات التي تم تدريبها على سنوات من وحدات الشرطة المدنية، والخطأ، والبيانات الجوية يمكن أن تنبأ الآن بإمكانية حدوث حادث تذبذب في المختبرات يتراوح بين 10 و30 دقيقة قبل أن يصبح ذلك أمراً حاسماً، مما يتيح للمشغلين إعادة تشكيل الشبكة أو خفض مستويات نقلها، وفي حالات فرعية، يمكن للأجهزة الحسابية التي تدير شبكات للوزن الخفيف أن تكشف عن وجود نسق الافتراضي الفاسد.

أما فيما عدا التحليلات، فإن البنية الأساسية للرصد نفسها يجب أن تصبح أكثر مرونة، إذ أن الاتصالات التي تتم على نطاق الكمي والتي تستخدم التوزيع الرئيسي الكمي على الألياف، ستحمي سلامة بيانات المتزامنة عن الهجمات الحاسوبية التي ستتم مستقبلاً، وتسمح بالتوزيع الزمني لنظام المعلومات غير القابل للتأثر بالزمن، وذلك عن طريق نظام المعلومات غير القابل للتأثر بالمرض (النظام المتكامل للرصد والتقييم الاقتصادي 61850-9-3)، بما يكفل بقاء الطوابع الموحدة دقيقة حتى في حالة التقارب بين النظام العالمي لتحديد المواقع.