فوائد استخدام تكنولوجيا التوأم الرقمية في تصميم واختبار محاسبي فارغ ثابت

Understanding Digital Twin Technology in Power Systems

وقد برزت التكنولوجيا الرقمية المزدوجة كأسلوب تحولي في تصميم واختبار وتشغيل النظم الكهربائية المعقدة، وبالنسبة للمحاسبين القانونيين في مجال الفارين - وهي أجهزة رئيسية تستخدم لتنظيم الفولط وتحسين نوعية الطاقة في شبكات النقل - يوفر التوأم الرقمي وسيلة لسد الفجوة بين المعدات المادية والتصميم الافتراضي، ولا يقتصر التوأم الرقمي على نموذج ثابت من نماذج 3D بل على تكرار متين متين يقوم على البيانات ويتعلم باستمرار

ما هو التوائم الرقمية؟

والتوائم الرقمي هو تمثيل فعلي للموجودات المادية أو العملية أو النظام الذي يعكس دورة الحياة وسلوكها، أما بالنسبة لجهاز SVC، فإن التوأم الرقمي يتضمن نماذج كهربية وثاقية ونظام مراقبة، إلى جانب بيانات من أجهزة الاستشعار الميدانية مثل المحولات الفولطية، والمحولات الحالية، وزوايا إطلاق الدراجات، ويُبنى النموذج عادة باستخدام برامجيات محاكاة متعددة الفيزياء مثل البرمجيات التوائمة الآلية.

وتشمل المكونات الأساسية للتوائم الرقمي لمركبات الكربون المفلورة:

• Electrical model] representing the thyristor-controlled reactor (TCR), thyristor-switched capacitor (TSC), and harmonic filters.
• Control system model] for the voltage regulator, gate pulse generation, and protection logical.
• Thermal model] of thyristor stacks and cooling systems to predict junction temperatures under load.
• Data integration layer] that ingests real-time measurements from SCADA or local controllers.

الفوائد الرئيسية للتصميم على أساس القيمة السوقية

تعزيز الاستحقاق من خلال محاكاة عالية القوة

ويعتمد تصميمات SVC التقليدية على الحسابات التحليلية وعمليات المحاكاة خارج الخط التي كثيرا ما تبسط السلوك غير الخطي مثل تحويل مسارات الغدة الدرقية، والتفاعلات بين الدوائر المغلقة، وديناميات حلقات التحكم، ويمكِّن التوأم الرقمي من محاكاة شبكات عالية الجودة من هذه الظواهر عن طريق إدراج نماذج مفصلة للعناصر وبيانات تشغيلية في العالم الحقيقي، على سبيل المثال، يمكن للتوائم الرقمي أن يُحدِّد أثر التصُّد المبسِّد في تصميمات المبسَّة.

وفورات كبيرة في التكاليف

فبناء نماذج أولية مادية لمركبات ثلاثية الفولط هي تكلفة باهظة - يمكن أن تكلف 100 ميغافولر واحدة من مركبات ثلاثي الفينول الخماسي الكلور ملايين الدولارات في صمامات الغدة الدرقية، أو أجهزة الكاهن، أو المفاعلات، أو المتحولات ذات الحركة العالية - ويتيح التوأم الرقمي للمهندسين اختبار التصاميم المتعددة عمليا، ويلغي الحاجة إلى نماذج مادية متعددة.

دورات التنمية السريعة

وفي صناعة الطاقة التنافسية، يكون من الأهمية بمكان توفير الوقت اللازم للتسويق لمنشآت جديدة من المنشآت SVC، فالتوائم الرقمية تتيح تدفقاً موازياً من أعمال التصميم والاختبار، ويمكن للمهندسين أن يديروا آلاف السيناريوهات في جزء من الوقت الذي يستغرقه إجراء اختبارات مادية، كما أن مراقبة الارتداد واختبار التراجع الآلي يتيحان سرعة الارتداد في برامج المراقبة، وعلى سبيل المثال، يمكن اختبار مكاسب في دورة التراكمات في عدد من التراكمات في عدد من عدد من عدد من عدد من عدد من عدد من عدد من عدد من عدد من عدد من عدد من عدد من عدد من المكاتبات.

الرصد في الوقت الحقيقي والصيانة الافتراضية

فبمجرد تكليف شركة SVC، لا يزال التوأم الرقمي يقدم قيمة، فبمقارنة بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي مع السلوك المتوقع من التوأم، يمكن للمشغلين أن يكتشفوا وجود شذوذ مثل إخفاقات الغدة الدرقية، أو تدهور مصرف الكابسين، أو عدم كفاءة نظام التبريد، ويمكن للمحللين المتقدمين أن يتوقعوا بقاء الحياة المفيدة للعناصر، مما يتيح الصيانة القائمة على الشروط بدلا من التوصية بزيادة مفاجئة في درجة الحرارة.

الحد من المخاطر من خلال محاكاة سيناريوهات التطرف

ويجب أن تنجو السلاسل المتطورة من الأحداث الشديدة التي تحدثها الشبكات مثل أخطاء ثلاث مراحل، أو فقدان الجيل، أو تبديل الطفرة، وكثيرا ما يكون الاختبار المادي لهذه الأحداث غير عملي أو مستحيل بسبب شواغل السلامة واضطرابات الشبكات، ويسمح التوأم الرقمي للمهندسين بأن يخضعوا الشبهات الافتراضية لهذه السيناريوهات الأسوأ، ويحللون الإجهاد التصاعدي، ويتجاوز في ظروفهات، ويحدّدوا من الفشل المحتمل.

تطبيق إجراء الاختبارات والتعظيم

التنسيب الافتراضي لنظم الرقابة

وبدلا من اختبار المكعب الفعلي للتحكم في المركبات ذات الارتفاع الحقيقي في الطاقة الكهربائية، يرتبط نظام المراقبة بالتوائم الرقمي في تركيبة أجهزة داخل الشبكة، ويجسد نظام التحكم بدرجة كبيرة نظام الطاقة الكهربائية، ويحد من التسلسل الافتراضي في عمليات الاتصال، ويحد من المخاطر التي تنجم عن عمليات الصيد، ويحد من التسلسل الافتراضي في أجهزة الاتصال المأمونة.

Control Algorithm Tuning for Stability

وييسر التوأم الرقمي تعليم الرقابة المتقدمة باستخدام خوارزميات التعظيم، ويمكن للمهندسين أن يديروا خوارزميات وراثية أو حرارة جزيئات على النحو الأمثل على التوأم لإيجاد معايير متحكمة مثالية لتنظيم الفولط، وهبوط أوصال السلطة، والقمع المتسق، لأن التوأم يمكن أن يحفّز آلاف نقاط التشغيل (مثلا، أشكال التحميل المتباينة، التي تُفرض على الشبكة).

What-If Analysis for Grid Integration

وعندما يتم تركيب مركز استقبال خاص على محطة فرعية محددة، يجب دراسة تفاعله مع الشبكة المحيطة دراسة دقيقة، ويمكِّن التوأم الرقمي الذي يشمل نموذجا لشبكة البث المتاخمة من إجراء تحليلات ما إذا كانت رحلات محولات قريبة؟ وكيف تستجيب لجنة الأوراق المالية للزيادة المفاجئة في توليد الرياح؟ ويمكن أن يُعدّ هذان السيناريوان بسرعة ويوفران رؤية واضحة لملامح الفول، وهات اتخاذ القرار التفاعلية، والتشويهات الضارة.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن تنفيذ توأم رقمي لتصميم واختبار SVC ليس بدون تحديات، أولا، يتطلب بناء توأم عالي التكوين بيانات دقيقة لجميع المكونات - صحائف بيانات الغدة الدرقية، والتسامح مع المكثفات، ولفئات التشبع بالمفاعلات - التي قد تكون غير كاملة أو مأمونة، أما المعيار الثاني، الذي يتطلب التواؤم الحقيقي فيتطلب بنية أساسية قوية للبيانات تكون فيها التوائم متدنية.

دراسات الحالة الحقيقية في العالم

وقد نشرت عدة مرافق ومصنعين توأم رقمي لمركبات ثلاثية العجلات، على سبيل المثال، استخدمت شركة ABB (التي تشكل الآن جزءاً من الطاقة الهتاشي) تكنولوجيا التوأم الرقمية لنظام التعويض عن الطاقة التفاعلية على Corsican power interconnection. وساعدت التوائم على التحقق من تصميمات الصمامات تحت الرقمين المتطرفين للثديين.

الآفاق المستقبلية

كما أن تطور التكنولوجيا الرقمية التوأم يرتبط ارتباطا وثيقا بالتقدم في مجال الاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلاتي، وسيتضمن التوأم الرقمي في المستقبل في SVC نماذج للتعلم الذاتي تكيف تلقائيا مع بارامترات المكونات القائمة على البيانات التشغيلية، وتحسن الدقة مع الزمن، وسيؤدي التكامل مع التوأم الرقمي في نظام الطاقة الأوسع - مثل مزارع الرياح، ووصلات التخصيب في الترددات، وتخزين البطاريات - إلى تحقيق التر الأمثل المنسق في مختلف الأصول المتعددة.

خاتمة

وتثبت التكنولوجيا الرقمية المزدوجة أنها مغيرة للتصميم والاختبار وتشغيل محاسبين من طراز ستاتيك فار، إذ توفر نماذج افتراضية دقيقة تعكس سلوك العالم الحقيقي، وتقوي التوأم الرقمي دقة التصميم، وتخفض التكاليف، وتعجل التطوير، وتسمح بالاستمرار في التنبؤ، وتخفض المخاطر، وفي حين لا تزال تحديات التنفيذ، فإن المجموعة المتزايدة من عمليات النشر الناجحة تبين أن الفوائد تفوق العقبات التي لا غنى عنها في المستقبل.