دور التوائم الرقمية في تبسيط شبكات التوزيع وتحقيق الاستفادة منها

دور التوائم الرقمية في تبسيط شبكات التوزيع وتحقيق الاستفادة منها

فالتوائم الرقمية نماذج افتراضية متقدمة تستنسخ شبكات التوزيع في العالم الحقيقي، وهي تحول كيف تقوم الشركات بتحفيز نظم الطاقة والمرافق الخاصة بها وتحليلها وتحقيق المستوى الأمثل لها، وبإنشاء توأم رقمي، يمكن للمشغلين تصور العمليات المعقدة، والتنبؤ بالقضايا، وتحسين الكفاءة دون تعطيل العمليات الفعلية، وقد انتقلت هذه التكنولوجيا من التطبيقات الصناعية المتخصصة إلى تعميم الاعتماد في قطاعات مثل المرافق الكهربائية، وتوزيع الغاز، وإدارة المياه، وتوائم الطاقة.

Understanding Digital Twins and their Core components

إن التوأم الرقمي هو أكثر من نموذج ثابت من 3D، وهو نسخة رقمية دينامية لنظام مادي يتزامن باستمرار مع نظيره في العالم الحقيقي، وهذا المفهوم الذي نشأت عنه وكالة ناسا في بعثات أبولو، ولكن اليوم هو الذي تُستخدمه شبكة الإنترنت من الأشياء، والحوسبة السحابية، والتعلم الآلي، ومحركات المحاكاة المتقدمة.

• Physical layer:] The actual distribution network asset-transformers, substations, lines, meters, valves, pipes.
• Digital layer:] The virtual representation that mirrors geometry, behavioral rules, and performance characteristics of the physical asset.
• Data layer:] Real-time and historical data streams that update the digital model, including voltage, current, temperature, pressure, flow rate, and demand patterns.

وتستخدم الطبعة الرقمية محركات محاكاة - وغالباً ما تستند إلى نماذج مرتكزة على الفيزياء أو نُهج مهجَّنة على البيانات - للتنبؤ بكيفية تصرف النظام في ظروف مختلفة، وتكشف خوارزميات التعلم الآلات عن الشذوذ، وتتوقع الفشل، وتوصي بإدخال تعديلات، ويرتبط النظام بأكمله عادة بمنصة قائمة على الغيوم تتيح الوصول عن بعد والتعاون بين الأفرقة.

التسلسل الحقيقي وقطع الغيار

فالميز الحاسم بين التوأم الرقمي ونموذج المحاكاة التقليدي هو تدفق البيانات ذات الاتجاهين، إذ يرسل جهاز الاستشعار في الشبكة المادية بيانات إلى التوأم، بينما يستطيع التوأم إرسال أوامر المراقبة إلى الوراء، مثلاً إذا كشف توأم رقمي عن حمولة زائدة على المحولات، فإنه يمكن له تلقائياً أن يعيد تشكيل أجهزة تنظيم الفولطام أو إعادة توجيهها من خلال أجهزة تغذية بديلة.

تطبيقات التوائم الرقمية في إدارة شبكة التوزيع

فالتوأم الرقمية لها إمكانية واسعة النطاق على امتداد دورة حياة شبكات التوزيع - من التخطيط والتصميم من خلال العمليات والصيانة، ونستكشف فيما بعد أكثر حالات الاستخدام تأثيراً في العمق.

محاكاة السيناريو وما هو تحليله

ويمكن للمشغلين أن يختبروا بأمان الاستراتيجيات التشغيلية في البيئة الافتراضية قبل تنفيذها في الميدان، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تحاكي المرافق الكهربائية أثر إضافة مزرعة شمسية كبيرة إلى مغذي، والتحقق من استقرار البرتاج، ونوعية الطاقة، وتدفق الطاقة العكسية، كما يمكن أن تُمثل نماذج للظواهر الجوية البالغة الشدة، والعواصف الجليدية، وموجات الحرارة - وتعد خططا للطوارئ.

الصيانة الافتراضية وإدارة صحة الأصول

ويمكن للتوائم الرقمي، من خلال تحليل بيانات الاستشعار باستمرار من الأصول، أن يتوقّع عندما يُحتمل أن يفشل عنصر ما، ويستخدم أنماط الفشل التاريخية، والتحميل في الوقت الحقيقي، والظروف البيئية، والتشغيل أو التوقيعات الصوتية، مثلا، يمكن للمحولة التي ترتفع مستويات الغاز المذاب أن تشير إلى وجود دوار داخلي، ويُحدث التوائم إنذارا قبل انقضاء فترة انقطاع عن العمل، مما يتيح تخفيض قيمة التصليح في الحالات الطارئة.

إدارة الاستخدام الأمثل للوقود والاحتجاز

ويجب أن تُوصل شبكات التوزيع الكهرباء إلى العملاء في حدود ضيقة من حيث الفولط والحرارة، وساعة تدفق الحمولة الرقمية للتوائم على أساس الساعة، مع مراعاة التوقعات الجوية، وجداول العطلات، وأنماط الشحن بالأشعة السينية، ويمكن للمشغلين أن يحوّلوا الحمولة عن طريق برامج الاستجابة للطلبات أو أن يعيدوا تشكيل الشبكة باستخدام مفاتيح التبديل التي تتحكم فيها عن بعد لتخفيف الحمولات الزائدة، وفي توزيع الغازات، تخفض نماذج الضغط المزدوجة، وتخفض تكاليف الهياكل الأساسية.

كشف الخزنة، والتسوية، والعزل

وعندما يقع خطأ ما - تسقط شجرة على خط، يكسر العزل الكابلي - يمكن للتوائم الرقمي أن يحدد الموقع داخل متر باستخدام قياسات متزامنة زمنياً من أجهزة الاستشعار على طول المغذي، ثم يقوم بتحفيز سيناريوهات العزلة والاستعادة، مما يشير إلى التسلسل الأمثل للتبدل إلى تقليل عدد العملاء المتضررين، وهذه القدرة تقلل من فترات انقطاع التيار الكهربائي من ساعات إلى دقائق، وتحسن مؤشرات الموثوقية مثل نظام المعلومات الإدارية المتكامل.

تكامل الطاقة المتجددة وإدارة المشاريع الصغيرة

ويخلق التغلغل الكبير في الطاقة الشمسية والريحية تقلباً في العمليات التقليدية للشبكات، ويمكن للتوائم الرقمي أن يحفز التفاعل بين الجيل الموزع وتخزين البطاريات والشحن، وبالنسبة للزجاج الصغير، يُحقق التوأم أقصى قدر من الطاقة في الوقت الحقيقي، ويقرر متى يستخدم الطاقة الشمسية أو البطاريات أو الطاقة الكهربائية القائمة على إشارات الأسعار وأهداف الكربون، كما أنه يؤدي إلى تحليل للاستقرار لمنع حدوث مشاكل في الجزر أو ازدهار بالجملة.

الأمن السيبرى وكشف الشذوذ

وبخلاف الأخطاء المادية، يمكن للتوائم الرقميين أن يُمثلوا تفاعلات إلكترونية - فيزياء، ومن خلال مقارنة سلوك الشبكات الفعلي مع الأنماط المتوقعة، يكشف التوأم عن الشذوذ الذي قد يشير إلى حدوث تغير مفاجئ في أوامر نظام المراقبة أو تلاعب البيانات، وهذه الطبعة من الدفاع أصبحت أساسية مع زيادة رقمية شبكات التوزيع وارتباطها.

الفوائد الرئيسية للتوائم الرقمية

وتُفيد المنظمات التي تنفذ التوأم الرقمي عبر شبكات التوزيع عن مكاسب كبيرة عبر أبعاد متعددة، وهذه هي الفوائد الرئيسية التي تنطوي على أدلة داعمة.

الكفاءة التشغيلية

فالاختبار الافتراضي يلغي وقت التعطل المرتبط بالتجربة والصدمة في الشبكة المادية، ويمكن للمشغلين استكشاف التكوينات المثلى دون انقطاع الخدمات، فعلى سبيل المثال، خفضت الفائدة الأوروبية من خسائر الطاقة بنسبة 8 في المائة باستخدام توأم رقمي لموازنة الحمولة عبر أجهزة الإطعام وخفض تدفقات الطاقة التفاعلية، كما أن التوأم قد حطم الوقت اللازم لإجراء دراسات اتصال جديدة من أسابيع إلى ساعات.

الوفورات في التكاليف

ويؤدي الصيانة الافتراضية إلى خفض تكاليف النفقة غير المخطط لها مباشرة، التي يمكن أن تُدار ملايين في السنة من أجل تحقيق فائدة متوسطة الحجم، ويمكن أن يؤدي تجنب فشل محولات واحد إلى توفير ما يزيد على 000 100 دولار في حالات استبدال الطوارئ وضياع الإيرادات، بالإضافة إلى أن التوأم الرقمي يساعد على تأجيل النفقات الرأسمالية عن طريق الاستخدام الأمثل للأصول الموجودة، ويتوقع تقرير من شركة غارتينر أن تحقق المنظمات التي تستخدم التوأم الرقمي في مجال تكنولوجيا المعلومات، تحسنا في الكفاءة التشغيلية بنسبة 25 في عام 2025.

تعزيز الموثوقية والقدرة على التكيف

فالرصد في الوقت الحقيقي والاستجابة للأخطاء الآلية تقصر مدة التجاوزات، إذ أفادت المرافق التي تنشر التوأم الرقمي عن حدوث تحسن في المعهد بنسبة تتراوح بين 30 و40 في المائة، كما يقوم التوأم بتحفيز عملية الاستعادة بعد انقطاع الكهرباء، وضمان وجود تسلسل آمن وفعال لعمليات الإغلاق الكسر، وعلى المدى الطويل، تزداد الموثوقية لأن التوأم يكشف عن القضايا المزروعة - مثل التردي التدريجي - التي تفتقدها عمليات التفتيش اليدوية.

صنع القرار والتخطيط الاستراتيجي

فالنظرة التي تستند إلى البيانات من قرارات الاستثمار الطويلة الأجل التي تدعم التوأم مثلاً، يمكن أن تحفيز أثر مختلف سيناريوهات اعتماد الأشعة السينية على تحميل المحولات، ومساعدة المخططين على تحديد مكان تركيب وحدات فرعية جديدة أو رفع مستوى المغذيات، ويمكن أن يقيِّم النموذج نفسه القدرة الاقتصادية على البقاء في منشآت التخزين أو برامج تحديد الذروة، وهذا التخطيط القائم على الأدلة يقلل من المخاطر ويحسن الملفات التنظيمية.

المنافع البيئية والمستدامة

ومن خلال تحقيق أقصى قدر من التدفقات وتخفيض الخسائر، يقل التوأم الرقمي انبعاثات الكربون مباشرة، كما أن استخدام الغاز الطبيعي باستخدام توأم رقمي للتقليل من تسربات الأنابيب يوفر ما يزيد على 000 10 طن متري من مكافئ ثاني أكسيد الكربون سنويا، وفي الشبكات الكهربائية، يسهم انخفاض الخسائر في خط الطاقة، وتحسين تكامل مصادر الطاقة المتجددة في أهداف إزالة الكربون، ويساعد التوأم أيضا على وضع نماذج لأثر برامج كفاءة الطاقة ومبادرات إدارة الطلب.

التحديات في تنفيذ التوائم الرقمية

ورغم الفوائد الواضحة، فإن نشر التوأم الرقمي على نطاق واسع يأتي بعقبات، ففهم هذه التحديات يساعد المنظمات على إعداد نسق طرق واقعية.

الاستثمار الأولي المرتفع والتعقيد

ويتطلب بناء توأم رقمي رفع مستوى أجهزة الاستشعار، وإدماج البيانات، والهياكل الأساسية السحابية، والمواهب المتخصصة، ويمكن أن تتراوح التكلفة بين عشرات الآلاف من أجل نموذج مغذي بسيط وملايين من أجل نشرها على نطاق المؤسسة، ويكافح الكثير من المرافق لتبرير النفقات الأولية دون انتكاسات قصيرة الأجل واضحة، غير أن المنابر القائمة على الغيوم ونماذج الخدمة تخفض حاجز الدخول.

نوعية البيانات والتكامل

فالتوأم الرقمي لا يصلح إلا بقدر ما تغذيه البيانات، فالأشكال غير المتجانسة للبيانات، والمجسات المفقودة، وقضايا الطوارئ، والنظم المسيلة (SCADA، ونظام المعلومات الجغرافية، وفواتير) تخلق تحديات كبيرة في مجال التكامل، ويؤدي ضعف نوعية البيانات إلى عدم دقة النماذج وعدم الثقة بين المشغلين، ويجب على المنظمات الاستثمار في إدارة البيانات، والتنظيف، وخطوط الأنابيب في الوقت الحقيقي قبل أن يحقق التوأم نتائج موثوقة.

أمن الفضاء الحاسوبي وخصوصية البيانات

وينشئ توأم رقمي واحد تمثيل رقمي للبنية التحتية الحيوية، التي تصبح هدفا جذابا للمهاجمين، ويمكن أن يغذي توأم متضرر بيانات زائفة للمشغلين أو حتى يرسل أوامر خبيثة إلى الأصول المادية، ويجب على المرافق أن تنفذ عمليات تشفير قوية، وضوابط للوصول، وكشف الشذوذ بالنسبة للتوائم نفسه، كما تنشأ شواغل تتعلق بالخصوصية عندما يستخدم التوأم بيانات استهلاكية يمكن أن تكشف عن سلوك العملاء.

ألعاب المهارات والتغيير التنظيمي

ويستلزم تشغيل توأم رقمي المهارات في مجال علوم البيانات، ونمذجة المحاكاة، وهندسة النطاقات - وهي مزيج نادر، إذ يفتقر الكثير من المرافق إلى هذه الكفاءات، ويجب أن يزود الموظفين الحاليين بالمهارة أو يوظفوا خبراء جددا، وبالإضافة إلى ذلك، يتطلب إدراج توأم في سير العمل اليومية إدارة التغيير: فالعاملين الذين يستعملون في عمليات التفتيش اليدوية قد يقاومون الاعتماد على نماذج افتراضية، كما أن التدريب والاتصال الواضح بشأن دور التوأم أمر أساسي.

أمثلة عالمية حقيقية على نشرات التوائم الرقمية

وقد أظهر عدد متزايد من المتعهدين في المرافق والشبكات قيمة التوأم الرقمي في بيئات الإنتاج، فيما يلي أمثلة ملموسة.

National Grid (UK) - Gas Distribution

استخدم الغريد الوطني توأم رقمي من شبكة الغاز عالية الضغط لتعظيم عمليات محطات الضغط والتنبؤات، وقد تم دمج التوأم من 000 10 جهاز استشعار للضغط وأجهزة قياس للتدفقات، مما أدى إلى تخفيض استهلاك الطاقة في أجهزة الضغط بنسبة 12 في المائة، وحدد جزءا من الأنابيب مع مخاطر التآكل العالية قبل ثلاثة أشهر من التفتيش المقرر، مما حال دون حدوث تمزق محتمل.

Enel - Electric Distribution in Italy

ونشرت وحدة الوصل توأم رقمي يغطي شبكة المحركات المتوسطة في منطقة روما، حيث عمل التوأم على بيانات من أجهزة القياس الذكية، والمجسات، وأجهزة البث الجوي للتنبؤ بالكميات والفولط، وخلال موجة حرارية في عام 2022، نجح التوأم في التعرف على خمسة محولات محملة بحمولة مفرطة، مما أتاح نقل الحمولة الوقائية التي تتجنب انقطاع الزبائن، وتفيد المرافق العامة بأن انخفاض خسائر الشبكة بنسبة 15 في المائة من الطيار.

WaterCorp - Urban Water Distribution in Australia

وقد بنيت إحدى المرافق المائية الرئيسية في أستراليا توأم رقمي من شبكة إعادة التكرير التابعة لها لإدارة الضغط والحد من فقدان المياه، ويحاكي التوأم الديناميات الهيدروليكية ويكتشف التسربات عن طريق مقارنة التدفق المتوقع بالتدفق الفعلي في المناطق المميتة في المقاطعات، ويخفض الماء غير المتجدد بنسبة 8 في المائة في السنة الأولى ويقطع الوقت لتحديد مواقع التسرب بنسبة 40 في المائة.

المستقبل: الموجة التالية من التوأم الرقمية

ويتسارع تطور التوأم الرقمي في شبكات التوزيع، ويقوده الحوسبة الحادة، ومؤشر الإنجاز، ورقمنة قطاع الطاقة.

توائم محليون في مجال الحاسوب وفي الوقت الحقيقي

وسيعمل التوأم الرقمي في المستقبل جزئياً على خواديم تحت الطرف أو على أجهزة الاستشعار الذكية - في أوقات الاستجابة في مضمار الألف ثانية من أجل الحماية والتحكم دون الاعتماد على الربط السحابي، وسيؤدي هذا الهيكل الهجين إلى تحسين القدرة على التكيف والحد من تكاليف عرض النطاق الترددي.

شبكات الصحة الذاتية العاملة تحت الطلب

وسيمكّن التعلم من الآلام التوأم من كشف الأخطاء فحسب، بل أيضا من تنفيذ تسلسلات التصحيح الآلية، وسيتعلم التوأم من الأحداث السابقة ويحسن باستمرار منطق الاستجابة، وهذه القدرة على التعافي الذاتي ضرورية لتحقيق أهداف تعطلية قريبة من الصفر في الشبكات الذكية.

التكامل مع التوائم الرقمية للهياكل الأساسية الأخرى

وسيربط توأم شبكة التوزيع بتوائم من المباني والنقل وتوليد الأصول لإنشاء توأم رقمي على نطاق المدينة، مثلا، يمكن لتوائم المدينة أن يحسنوا رسم رسوم السفر بالشبكة استنادا إلى تحميل الشبكات، وظروف المرور، وتوافر مواقف السيارات، وهذا الرأي الكلي سيفتح أمام تحقيق مكاسب في الكفاءة لا يمكن أن يحققها التوأم المعزولون.

توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل

والمبادرات مثل اتحاد التوأم الرقمي ورقمي 61850 هي معايير قيادة لنماذج البيانات وبروتوكولات الاتصال، وبما أن هذه المبادئ ناضجة، فإن إدماج التوأم الرقمي في مختلف البائعين والنظم القديمة سيصبح أسهل، وسيخفض تكاليف التنفيذ، ويعزز الابتكار.

خاتمة

وقد أثبت التوأم الرقمي أنهما أداة قوية لتحفيز شبكات التوزيع وتحقيق الحد الأمثل لها، إذ أنهما يمكّنان المشغلين من اختبار السيناريوهات، والتنبؤ بالفشل، وإدارة الأحمال، وإدماج الطاقة المتجددة بدقة غير مسبوقة، وتحسن التكاليف، وتعزيز الموثوقية، والمكاسب البيئية - أمر ضروري، غير أن النجاح في النشر يتطلب معالجة نوعية البيانات، وأمن الفضاء الإلكتروني، والفجوات في المشهد، والاستثمارات المتقدمة.

For further reading, consult resources from the Digital Twin Consortium and case studies from the ]IEE. Practical guidance on implementation is available through the ]U.S. Department of Energy