Table of Contents

Understanding Digital Twins in Modern Power Grids

ويشهد مشهد الطاقة العالمي تحولا عميقا، فالهياكل الأساسية القديمة، والتكامل السريع لمصادر الطاقة المتجددة، وزيادة الطلب على الموثوقية، تدفع شركات المنافع إلى تحديث شبكاتها بسرعة أكبر من أي وقت مضى، وفي قلب هذا التحديث، تكمن أداة قوية هي: التوأم الرقمي، بخلاف النماذج الثابتة للشبكة 3D أو لوحات الرصد البسيطة، فإن التوأم الرقمي هو نسخة إلكترونية دينامية وحيوية تعكس كل شيء من الأصول المادية أو النظام المتزامن أو العملية في الوقت الحقيقي.

وتغذي هذه النماذج الرقمية تدفق مستمر للبيانات من أجهزة الاستشعار، والمقاييس الذكية، ونظم الوكالة الدولية للطاقة الذرية، وغيرها من أجهزة الإيوت التي تم تركيبها عبر الشبكة، ويستخدم التوأم هذه البيانات لتحفيز الظروف الراهنة، والتنبؤ بالولايات المقبلة، وإجراء تحليلات " ما إذا كانت " دون أي مساس بالهياكل الأساسية المادية، وهذه القدرة تحول كيفية تخطيط المرافق، وتنفيذ، والتحقق من تحديث الشبكة، وذلك بتوفير بيئة متفاوتة التكلفة لإجراء اختبارات.

وهذا المفهوم ليس جديدا تماما - فقد استخدم التوأم الرقمي في التصنيع والفضاء الجوي منذ عقود، غير أن تطبيقهما في قطاع المرافق قد تسارع مؤخرا بسبب تقارب أجهزة الاستشعار الميسورة التكلفة، والحساب السحابي، والمحللين المتقدمين، واليوم، أصبح التوأم الرقمي أداة معيارية لمشغلي الشبكات الذين يحتاجون إلى اتخاذ قرارات أسرع وأكثر استنارة مع الحفاظ على مستويات عالية من موثوقية الخدمات.

ما هو بالضبط التوائم الرقمية للقرميد؟

فالتوأم الرقمي هو أكثر من مجرد تمثيل رقمي، وهو نظام إيكولوجي شامل يتضمن النموذج الافتراضي، ووصلات البيانات في الوقت الحقيقي، والمحركات التحليلية التي تجهز تلك البيانات، وفي سياق شبكة الطاقة، يضم توأم رقمي عدة طبقات من المعلومات:

  • Geospatial data:] Maps, terrain, and asset locations, often derived from GIS systems and LiDAR scans.
  • Electrical characteristics:] Impedance, voltage levels, load capacities, and phase angles of transmission and distribution lines.
  • Operational telemetry:] Real-time measurements from substations, feeders, andelli meters, including current, voltage, frequency, and power quality.
  • Environmental conditions:] Weather data, vegetation growth rates, and historical storm patterns that affect asset performance.
  • Asset health records:] maintenance logs, test results, and age-related degradation data for transformers, breakers, and altergear.

وعندما تجمع هذه الطبقات وتستكمل باستمرار، يخلق التوأم الرقمي مصدرا واحدا للحقيقة يعكس الحالة المادية للشبكة في أي لحظة، ويمكن للمشغلين بعد ذلك استخدام هذا التوأم لتحفيز أثر إضافة مزارع شمسية جديدة، أو رفع مستوى الإحلال، أو إعادة توجيه الطاقة حول خطأ - قبل الالتزام بالموارد اللازمة للعمل المادي.

How Digital Twins Interact with Physical Infrastructure

والعلاقة بين توأم رقمي ونظيره المادي ثنائية الاتجاه، إذ يرسل جهاز الاستشعار بيانات من الشبكة إلى النموذج الرقمي، بينما ترسل عمليات المحاكاة والتحليل توصيات وتعيد إشارات المراقبة، وهذه التغذية المرتدة منغلقة تتيح الرصد والتنبؤات المتوقعة في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، قد يلاحظ توأم رقمي أن درجة حرارة المتحول ترتفع بسرعة أكبر من المعتاد في يوم ساخن.

How Digital Twins Accelerate Grid Infrastructure Upgrades

وتأتي عمليات تحديث الشبكة التقليدية على أساس عملية خطية: تحديد المشكلة، وتصميم حل، وإجراء دراسات استقصائية ميدانية، ومعدات طلب، ومواعيد زمنية، وتركيب، واختبارات نهائية، ويمكن لكل خطوة أن تستغرق أسابيع أو أشهر، وتتسبب القضايا التي تكتشف متأخرة في العملية في تأخيرات باهظة التكاليف.

١ - تخطيط سيناريوهات سريعة وتحليل " ما إذا كان "

وعندما تكون خطط المرافق العامة لتحسين خط الانتقال أو إضافة مظلة فرعية جديدة، يعتمد المهندسون تقليديا على نماذج خارجية كثيرا ما تكون قديمة، ويمكنهم، مع توأم رقمي، أن يحفزوا على الفور عشرات السيناريوهات: كيف يمكن لإضافة مزرعة شمسية تبلغ ١٠٠ ميغاواط أن يؤثر على استقرار الفولط بعد ظهر الصيف؟ وما الذي يحدث إذا ضربت عاصفة كبيرة متحولين في وقت واحد؟ ويوفر التوأم أجوبة في دقائق وليس أسابيع.

2 - تخصيص الموارد وبرمجتها على النحو الأمثل

فالتطوير يتطلب تنسيقا دقيقا للطاقم والمواد والخارجات، ويساعد التوأم الرقمي المرافق على تحقيق الترتيب الأمثل للعمليات، ومن ذلك مثلا تحفيز سلوك الشبكة أثناء رفع مستوى الإحلال الحرج، يمكن للتوائم تحديد أقل تسلسل مسبب للاضطرابات، كما يمكن تحديد المعدات التي يتعين استبدالها أولا على أساس احتمال الفشل المتوقع، بما يكفل توجيه الميزانية والقوى العاملة حيثما تحقق أقصى قدر من الفوائد.

3- اللجنة والاختبار الافتراضيين

ومن بين أكثر جوانب تحديث الشبكة التي تستغرق وقتا طويلا، عملية اختبار المعدات الجديدة لضمان عملها بشكل صحيح مع النظم القائمة، ويتيح التوأم الرقمي للمهندسين أداء مهامهم الافتراضية قبل بدء أي تركيب مادي، كما أن عمليات نقل الحماية الجديدة، وخوارزميات التحكم، وحتى التشكيلات الفرعية الكاملة يمكن اختبارها في البيئة الرقمية، وأي حالات إغلاق غير ملائمة أو أخطاء في البرمجة يتم الإمساك بها في وقت مبكر.

4 - رصد الزمن الحقيقي أثناء التشييد

وحتى أثناء عملية التحديث المادي، لا يزال التوأم الرقمي يقدم قيمة، فحيثما قام الأطقم بتركيب معدات جديدة أو إعادة تشكيل الأصول الموجودة، فإن التواريخ التي تستكمل في الوقت الحقيقي القريب استنادا إلى تعليقات المستشعرات، مما يتيح لفريق المشروع اكتشاف حالات الشذوذ - مثل تدفقات الحمولة غير المتوقعة أو التسخين المفرط - واتخاذ إجراءات تصحيحية فورا بدلا من انتظار اختبار ما بعد البناء، ونتيجة لذلك، تحول سلس مع عدد أقل من المفاجئات.

المنافع الرئيسية للشركات التي تعمل بالنفاذ

وبينما تعتبر السرعة ميزة حاسمة، فإن فوائد التوأم الرقمي تمتد عبر دورة الحياة الكاملة للارتقاء بالشبكة، وهنا ندرس أكثرها تأثيرا بالتفصيل.

انخفاض عدد ساعات العمل وقلة عدد حالات انقطاع الخدمات

وفي كل دقيقة من فترات التعطل غير المخطط لها، تخفض التوأم الرقمي إلى أدنى حد من المبالغ التي تُستخدم من خلال السماح بإجراء اختبار دقيق للارتقاءات في بيئة افتراضية، ويمكن أيضاً للتوائم أثناء عمليات التحديث الحي أن يساعد المشغلين على إيجاد طرق مبتكرة للحفاظ على الخدمات، مثل إعادة توجيه الطاقة عبر مسارات بديلة لم تكن تستخدم في السابق، وتفيد بعض المرافق بأن التوأم الرقمي قد قطعت مدة التحديث خلال رفع مستوى الخدمات بنسبة 40 في المائة.

وفورات كبيرة في التكاليف

ومن الشائع أن تُحدث تجاوزات في التكاليف على مشاريع البنية التحتية الكبيرة، وقد تبين من دراسة أجراها مختبر الطاقة المتجددة الوطني أن التوأم الرقمي يمكن أن يقلل من التكلفة الإجمالية لمشاريع تحديث الشبكة بنسبة تتراوح بين 10 و20 في المائة من خلال التخطيط الأفضل، والتعديلات الميدانية الأقل، وتخفيض الإصلاحات الطارئة، وأن الكشف المبكر عن عيوب المعدات - مثلاً المحولات التي لا تختبرات المحاكاة - يتجنب نفقات معدات قياسية تتطلب استبدالها في وقت لاحق.

تعزيز سلامة العمال والمجتمعات المحلية

فالعمل على البنية التحتية الكهربائية الحية خطير في جوهره، فالتوائم الرقمية تسمح للمهندسين والعاملين في الخط بتدريب المهام المعقدة في مكان افتراضي آمن قبل أن ينتقلوا إلى الموقع، وعلى سبيل المثال، يمكن للتوائم أن يحفّزوا الفولط والتيار الدقيقين اللذين سيتواجدان أثناء عملية التبديل، ويساعدوا الأطقم على تحديد نقاط الهبوط الآمنة ومخاطر الارتداد، ويقلل هذا التدريب من احتمال وقوع حوادث وإصابات.

تحسين موثوقية المظالم وقدرتها على التكيف

فالاعتماد هو الأولوية العليا لأي مشغل للشبكة، فالتوائم الرقمية تمكن من التحول من الصيانة التفاعلية إلى الصيانة المتوقعة، ومن خلال تحليل بيانات الاستشعار الاستباقية باستمرار ومقارنة ذلك بنموذج التوأم، يمكن للمرافق أن تحدد العناصر المتدهورة قبل فشلها بأسبوع أو أشهر، مما يتيح إجراء تحسينات واستبدالات خلال نوافذ الصيانة المقررة بدلا من أن يتصدى للأعصار.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

ولم يعد التوأم الرقمي نظريا، فبعض أكبر شركات المنافع في العالم تستخدمها اليوم للتعجيل بتحسين الشبكة وتحسين الأداء، وهنا توجد أمثلة قليلة بارزة.

إدماج المتجددات مع الريبليكات الافتراضية

ويتمثل أحد التحديات الرئيسية التي تواجه مشغلي الشبكات في إدماج مصادر متقطعة للطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، وتستخدم المرافق الدانمركية التوأم الرقمي لتحفيز سلوك مزارعها الريحية البحرية وارتباطها بالشبكة الساحلية، وبإنشاء توأم من الشبكة البحرية بأكملها، يمكن للمهندسين اختبار مدى تأثير مختلف ملامح إنتاج الطاقة على استقرار الشبكة دون انتظار الظروف الفعلية للريح، مما قلل الوقت اللازم لإقامة روابط جديدة لمزارع الرياح بعدة أشهر.

Storm Resilience Planning in the United States

وبعد أن دمر إعصار ماريا شبكة بورتوريكو، أقامت شركة الكهرباء PREPA شراكة مع بائعي التكنولوجيا لبناء توأم رقمي في شبكة نقل وتوزيع الجزيرة، واستُخدم التوأم لتحفيز أثر الأعاصير المقبلة والتخطيط لإعادة بناء شبكة أكثر مرونة، ويمكن للمهندسين اختبار استراتيجيات مختلفة للتقوية - مثل دفن خطوط أحجار الطقس الشديدة، أو إضافة مضاعفات متينة للموثوقية - وتحديد أولوياتها.

تحديث تحتية في قدرة أوروبية

وقد استخدم مشغل كبير لنظام النقل الأوروبي توأم رقمي لتخطيط استبدال أجهزة الكسر في الدوائر العمرية عبر 200 محطة فرعية، وعادة ما يتطلب كل محطة فرعية أسابيع من الدراسات الاستقصائية الموقعية وجمع البيانات اليدوية، وباستعمال التوأم الرقمي، يمكن للمنظمة أن تحلل عن بعد حالة كل كسر وتشكيله، ثم حفز أثر استبدالها بواحد.

وتدل هذه الأمثلة على أن التوأم الرقمي ليس مفهوما نظريا فحسب، بل أداة عملية تحقق تحسينات قابلة للقياس في السرعة والتكلفة والسلامة، وللمزيد من القراءة، يقدم [(FLT:0]) بحوث مختبر الطاقة المتجددة الوطني بشأن التطبيقات الرقمية المزدوجة في تحديث الشبكة دراسات حالات إضافية وتفاصيل تقنية.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من وعدهم، فإن التوأم الرقمي ليس حلاً للضغط واللعب، ويجب أن تتصدى المرافق التي تنظر في التبني للعديد من التحديات التي تواجه تحقيق الفوائد الكاملة.

نوعية البيانات والتكامل

فالتوأم الرقمي لا يصلح إلا بقدر ما تغذيه البيانات، إذ يعمل العديد من المرافق بنظم بيانات مجزأة - قاعدة بيانات لنظام المعلومات الجغرافية، وقاعدة بيانات أخرى لإدارة الأصول، وثالثها للمؤسسة، ويتطلب إدماج هذه المصادر في توأم متماسك بذل جهود كبيرة في مجال هندسة البيانات وتوحيدها، كما أن البيانات غير متسقة أو ثابتة يمكن أن تؤدي إلى محاكاة غير دقيقة وإلى قرارات سيئة، ويجب على المرافق الاستثمار في إدارة البيانات وضمان وجود شبكات اتصال موثوقة.

مخاطر الأمن السيبرى

ونظراً لأن التوأم الرقمي متصل بشبكات التكنولوجيا التشغيلية، فإنهما يستحدثان مساحات هجومية جديدة، ويمكن استخدام توأم مُعرَّض لإرسال أوامر خبيثة إلى المعدات المادية أو لإطعام بيانات زائفة إلى المشغلين، ويتطلب حماية التوأم الرقمي تدابير قوية لأمن الفضاء الإلكتروني، بما في ذلك التشفير والتوثيق المتعدد العوامل والرصد المستمر للأورام، وقد استجابت الصناعة لأطر مثل بيئة القدرة الرقمية(2).

الحصبة الأولية للاستثمارات والمواهب

ويمكن أن يكون بناء توأم رقمي شامل باهظ التكلفة، ولا سيما بالنسبة للمرافق الأصغر، وتشمل التكاليف أجهزة الاستشعار، والبنى التحتية الحاسوبية، ورخص البرامجيات، والموظفين المهرة اللازمين لبناء النموذج وصيانته، كما أن علماء البيانات والمهندسين الكهربائيين وخبراء المجالات يفتقرون إلى الإمدادات، وكثيرا ما تبدأ المرافق بمشاريع تجريبية - نموذج ممر فرعي واحد أو ممر نقل - لبناء الخبرة وتثبت القيمة قبل توسيع نطاق الشراكات الصناعية والمنابر القائمة على السحب.

القابلية للتسويق والنموذج

ومع توسع التوأم الرقمي ليشمل شبكات بأكملها، تزداد الطلبات الحاسوبية زيادة كبيرة، ويحتاج الحفاظ على نماذج عالية الجودة تستكمل في الوقت الحقيقي عبر آلاف الأصول إلى قدرة على التجهيز على نطاق واسع وإلى خوارزميات متطورة، ويجب أن توازن المرافق بين مستوى التفاصيل اللازمة لإجراء محاكاة دقيقة مقابل الموارد المتاحة، ويتفاؤل الكثيرون عن التوأم الهرمية: نماذج تغذية عالية الجودة بالنسبة للنماذج الأساسية، ومبسطة.

مستقبل التوائم الرقمية في تحديث نظام غريد

إن المشهد التواؤم الرقمي يتطور بسرعة، وعلى مدى العقد المقبل، يمكننا أن نتوقع أن تضاعف عدة أوجه تقدم تكنولوجي من أثرها على تحسين الشبكة.

AI and Machine Learning for Predictive Capabilities

فالتوأم الرقمي اليوم محدد إلى حد كبير - فهو يحاكي ما سيحدث إذا حدثت ظروف معينة، وسيتضمن توأم الغد نماذج للتعلم الآلي تتعلم من البيانات التاريخية وتحدد الأنماط المعقدة، فعلى سبيل المثال، قد يتوقع توأم معزز من قبل منظمة العفو الدولية أن يفشل جهازا محددا من أجهزة الكسر في الدائرة في ثلاثة أشهر استنادا إلى تغييرات طفيفة في جدولها للتنبؤ بالهوية، حتى وإن كانت جميع العتبات الحافظة التقليدية لا تزال في حدود.

العمليات المستقلة

ومع أن التوأم الرقمي يصبح أكثر دقة واستجابة، فإنه سيمكن من تحقيق مستويات أعلى من التشغيل الآلي للشبكة، بدلا من مجرد إسداء المشورة إلى المشغلين البشريين، يمكن للتوائم أن ينفذ بنفسه بصورة مستقلة بعض التحسينات، ويتصور سيناريو يكشف فيه التوأم عن اختناقات في خط التوزيع، ويحيّز عملية إعادة التشكيل الأمثل، ثم يفتح عن بعد ويغلق أبوابا لتقلب الطاقة الكهربائية - وكلها ليست ذات تدخل بشري.

توائم الحاسوب والرقمية على مستوى الأجهزة

وفي الوقت الراهن، يعمل معظم التوأم الرقمي في مراكز البيانات السحابية، مما يؤدي إلى نشوء حالة من التساهل التي يمكن أن تكون مثيرة للمشاكل بالنسبة للضوابط الحساسة من حيث الوقت، ويغير الحوسبة الحوسبة الخفيفة هذه عن طريق تشغيل نماذج التوأم الخفيف مباشرة على خواديم تحت سطح الأرض أو حتى على أجهزة الاستشعار الذكية، مما يتيح اتخاذ قرارات في الوقت الحقيقي محليا - مثلا، يمكن أن يستشير التوائم السحابية الموزعة المحلية ويكيفية.

التكامل مع نظم الطاقة الأوسع نطاقا

ولن يقتصر التوأم الرقمي في المستقبل على شبكة الطاقة وحدها، بل سيدمجان مع النماذج الرقمية لشبكات الغاز، وشبكات المياه، والنقل، والمباني لإنشاء " توأم شامل للنظام البيئي " . وسيكون ذلك ذا قيمة خاصة بالنسبة للتخطيط الحضري وإدارة زيادة كهربة النقل والتدفئة.

خاتمة

وقد برز التوأم الرقمي بوصفه عاملاً حاسماً في التعجيل بتحسين الهياكل الأساسية للشبكات، إذ يمكن للمرافق، بتوفير أرض اختبار افتراضية تعكس الشبكة المادية في الوقت الحقيقي، أن تخطط وتحفز وتطبق عمليات رفع مستوى أسرع، بتكلفة أقل، وبسلامة وموثوقية أكبر مما تسمح به الأساليب التقليدية، ومن تقليل المدة التي تستغرقها فترة التخضير إلى التمكين من الاندماج السلس للطاقة المتجددة، فإن الفوائد ملموسة ومتنامية.

غير أن النجاح يتطلب اهتماماً دقيقاً لنوعية البيانات وأمن الفضاء الإلكتروني والاستعداد التنظيمي، فالأدوات التي تستثمر في بناء أساس صلب - بدءاً بمشاريع رائدة محددة الهدف ووصولاً إلى مستوى الدراية الفنية والتكنولوجيا - ستكون في أفضل وضع يسمح لها بتسخير كامل إمكانات التوأم الرقمي، وبما أن الاستخبارات الصناعية والحساب الحازم والعمليات المستقلة تؤدي إلى تقدم في عملية التواؤم الرقمية، فإن ذلك سيؤدي في نهاية المطاف إلى زيادة المرونة والكفاءة والقدرة على التكيف في شبكة الطاقة للقرن الواحد والعشرين.

وينبغي أن ينظر صانعو القرار في مجال القدرة على التكيف إلى التوأم الرقمي ليس بوصفه مفهوماً لا جدوى منه، بل بوصفه أداة عملية تحقق بالفعل تحسينات قابلة للقياس اليوم، والسؤال المطروح هو ما إذا كان ينبغي اعتماد توأم رقمي، ولكن مدى سرعة وفكر تنفيذهما في بيئة للطاقة سريعة التغير.