وتشهد الشبكات الكهربائية في جميع أنحاء العالم تحولا هائلا، حيث تسعى المرافق إلى تلبية الطلب المتزايد، وتكامل مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة، واستبدال الهياكل الأساسية القديمة، وكانت مشاريع توسيع شبكات التخطيط دائما مهمة معقدة، ولكن المخاطر تفوق ما كانت عليه في أي وقت مضى، وتعتمد أساليب التخطيط التقليدية على النماذج الثابتة والبيانات التاريخية التي لا تستوعب في كثير من الأحيان الطابع الدينامي لنظم الطاقة الحديثة، وهذا هو المكان الذي يتطور فيه التوأم الرقمي في عرض سيناريوهات الحية والافتراضية للشبكة الحقيقية التي تتطور.

فالتوائم الرقمية ليست مجرد محاكاة متطورة؛ فهي نظم متكاملة تغذي البيانات التشغيلية من أجهزة الاستشعار، والرقابة الاشرافية، وحيازة البيانات، والهياكل الأساسية المتقدمة للتكييف، وتغذية الطقس، وإشارات السوق، ويحافظ هذا التدفق المستمر للمعلومات على تزامن التوائم مع الواقع، ويتيح التحليل التنبؤي، وما إذا كان من المستحيل استخدام الأدوات التقليدية، حيث أن المرافق تواجه ضغوطاً على التوسع في استخدام الطاقة الكربونية، ويحسن قدرتها على التكيف.

ما هي التوائم الرقمية؟

والتوائم الرقمي هو تمثيل فعلي دينامي للموجودات المادية أو النظام أو العملية التي تعكس الكيان الحقيقي طوال دورة حياته، وعلى عكس نموذج ثابت من ثلاثية الأبعاد أو محاكاة غير متكررة، يجري باستمرار تحديث التوأم الرقمي ببيانات من النظير المادي، مما يتيح تدفق المعلومات من اتجاهين، وفي سياق الشبكات الكهربائية، يدمج التوأم الرقمي البيانات من آلاف المستشعرات، والمقاييس الذكية، ونسخ الحماية، وسجل التشغيل.

وتشمل العناصر الرئيسية للتوائم الرقمي للشبكة ما يلي:

  • Sensor and IoT data ingestion] - مجاري الوقت الحقيقي من وحدات قياس العجلات، ومحطات الطقس، وأجهزة التشغيل الآلي للتوزيع.
  • Geospatial and physical models] - بيانات نظام المعلومات الجغرافية الدقيق، والمقاييس الأرضية، والرسوم الفرعية.
  • محركات محاكاة ] - مذيبات تدفق الطاقة، ومحللات استقرار عابرة، وخوارزميات تنبؤية للحمولة التي تدور على التوأم.
  • Visualization and analytics layers - Dashboards, heat maps, and dashboards that allow operators and planners to interact with the model.

وقد تطور التوأم الرقمي من التصميم السابق الذي يساعده الحاسوب وأدوات الرقابة الإشرافية، وكثيرا ما تكون النسخ المبكرة مفصولة، مما يتطلب تحديثات يدوية، ويعزز التوأم الرقمي اليوم الحوسبة السحابية، وتجهيز الحواف، والتعلم الآلي لسد الفجوة بين العوالم المادية والرقمية، ويمكنهما أن يُمثلا كل شيء من محول واحد إلى ممرات نقل كاملة، وبالنسبة لمشاريع التوسع في الشبكة، فإن هذا المستوى من التفاصيل هو أمر حاسم لأنه يسمح باستقرار المعالم جديدة.

دور التوائم الرقمية في توسيع نطاقات الجراء

وتشمل مشاريع التوسع في نطاق الضئيل إضافة خطوط نقل جديدة، وتحسين الهياكل الفرعية، وإدماج المزارع الشمسية ذات النطاق الكمالي، أو نشر نظم تخزين البطاريات، وكل قرار ينطوي على مخاطر مالية وتنظيمية وتقنية، ويحول التوأم الرقمي عملية التخطيط بتوفير صندوق رملي يمكن للمخططين فيه أن يُعدوا سيناريوهات لا تحصى دون تعطيل العمليات الفعلية.

التخطيط وتحليل السيناريوهات

وبدلا من الاعتماد على صحائف الانتشار والنماذج الخارجية، يستخدم المخططون التوأم الرقمي لتحفيز أثر إضافة خط جديد قدره 500 كيلو فولت أو صفيفة شمسية كبيرة في مكان محدد، ويعيد التوأم تلقائيا إعادة حساب تدفقات الطاقة، وملامح الفولط، والحدود الحرارية عبر الشبكة بأكملها، ويمكن أن يُحدِّد آلاف المحاكاة التي تستخدمها مونت كارلو في حساب التقلبات في الأحوال الجوية، والطلب، وتوافر.

تكامل الطاقة المتجددة

فالمصادر المتجددة مثل الرياح والشمس متغيرة بطبيعتها، ونموذج التوأم الرقمي الذي يتفاوت في درجة عالية من الاستبانة، ويتضمن بيانات تاريخية وتنبؤية عن الأحوال الجوية للتنبؤ بمدى تأثير مصادر الطاقة المتجددة الجديدة على استقرار الشبكة، ويمكن للمخططين اختبار مختلف الظروف المحايدة، أو استراتيجيات التقليص، أو التشكيلات الهجينة )مثلاً، الطاقة الشمسية بالإضافة إلى التخزين( لضمان بقاء الشبكة مستقرة حتى أثناء الأحداث السريعة التي تتسارع فيها سرعة التقلبات في الإنتاج)٣٥(.

إدارة الأصول وتخطيط دورة الحياة

فالأصول الموجودة حالياً مثل المحولات والفرق لها عمر محدد، إذ أن التوأم الرقمي يضم بيانات عن صحة الأصول - من تحليل الغازات المذابة، والتصريف الجزئي، والتصوير الحراري - إلى التنبؤ بمدى الحاجة إلى استبدال المعدات أو رفع مستواها، ويعني ذلك أن المخططين يمكن أن يوازنوا بين أنماط جديدة وبين جداول تقاعد الأصول، مما يقلل من ازدواجية الجهود، وقد يكشف التوأم الرقمي عن أن الاستبدال بالملايين الذي يبلغ من العمر ٢٠ سنة يقترب من احتياجات المزارع الصغيرة.

الاتصالات مع أصحاب المصلحة والموافقة التنظيمية

وفي كثير من الأحيان، ينطوي التوسع في نطاق الظلم على جلسات استماع عامة، وبيانات عن الأثر البيئي، وهيئات تنظيمية متعددة، ويوفر التوأم الرقمي صوراً مضنية - ٣ دال، وخرائط حرارية للميادين الكهرومغناطيسية، ومحاكاة ضوضاء آنية تجعل البيانات التقنية متاحة أمام غير الخبراء، ويمكن للمخططين أن يبرهنوا بدقة على وجود خط جديد، وكيفية النظر إليه من الأرض، وما هو مطلوب من نماذج لإدارة الشفافية.

الفوائد الرئيسية لاستخدام التوأم الرقمية لأغراض توسيع نطاقات المحاجر

وتتجاوز مزايا اعتماد التوأم الرقمي التخطيط الأفضل؛ فهي تحقق تحسينات ملموسة في التكاليف والسرعة والسلامة والاستدامة.

الوفورات في التكاليف والمشروع

وبتحديد التواؤم الرقمي للهياكل الأساسية الجديدة وتوضيحها على الوجه الأمثل، يقلل الإنفاق الرأسمالي، وقد خلصت دراسة أجراها معهد بحوث الطاقة الكهربائية إلى أن المرافق التي تستخدم التوأم الرقمي لتخطيط القدرات تقلل من مستوى البناء بنسبة 10-15 في المائة في المتوسط، وتتجنب التكاليف من عدد أقل من أوامر التغيير، وتقليص التأخير في البناء، والمشتريات المادية على نحو أكثر دقة، وبالإضافة إلى ذلك، يساعد التوأم على تقليل التكاليف التشغيلية إلى أدنى حد بضمان تحميل الأصول الجديدة بكفاءة من اليوم الأول، ويتجنب التد.

التخفيف من المخاطر

وكل توسع في الشبكة ينطوي على مخاطر تقنية - انهيار أو عدم استقرار عابر أو إخفاقات متتالية، ويتيح التوأم الرقمي للمخططين اختبار سيناريوهات أسوأ الحالات، مثل ضربة البرق أثناء ذروة الحمل أو فقدان مولدين كبيرين في آن واحد، وإذا ما أدى التوسع المقترح إلى حدوث خطر غير مقبول، فإن هذا النهج الاستباقي يحول دون إصلاحات باهظة الثمن بعد البناء ويحسن موثوقية النظام الرقمي.

أسرع مشروع للخطوط الزمنية

ويمكن أن تستغرق دورات التخطيط التقليدية سنوات بسبب تجميع البيانات اليدوية والنماذج المتكررة، إذ أن التوأم الرقمي يزودان بنسخ بيانات آلية وبعمليات محاكاة، مما يؤدي إلى الضغط على مرحلة الدراسة، وعندما يتم اختيار خطة التوسع المفضلة، يمكن للتوائم أيضا أن يدعما الهندسة التفصيلية بتوفير نماذج حديثة للحالات الأساسية، مما يقلل من قيمة الأعمال، ويفيد بعض المرافق عن الجداول الزمنية للهندسة والتصميم في المرحلة الأمامية، التي تبلغ فيها أهداف النشر الحرجة ٣٠-٤٠ في المائة.

الاستدامة والمنافع البيئية

ويمكن أن يساعد التوأم الرقمي على التقليل إلى أدنى حد من البصمة البيئية للتوسع في الشبكات، ومن خلال تحسين الطرق لتجنب الموائل الحساسة، ومن خلال تحفيز المستويات الميدانية الكهرومغناطيسية، يمكن للمخططين أن يقللوا من الآثار الإيكولوجية، ويصنفوا أيضاً التخفيضات في الانبعاثات من الخسائر في خط المياه وتحسين تكامل الشبكات المتجددة، وعلاوة على ذلك، فإن التوأم الرقمي نفسه يستهلك طاقة أقل من الاختبارات المادية التقليدية والعمليات الورقية، ويسهم في تحقيق أهداف الاستدامة الرقمية لدى الوكالة.

التحديات والنظر في المسألة

وفي حين أن التوأم الرقمي يوفر إمكانات هائلة، فإن تنفيذه ليس بدون عقبات، ويجب أن تكون المرافق على علم بعدة تحديات رئيسية لضمان النجاح في التبني.

نوعية البيانات والتكامل

ولا يصلح التوأم الرقمي إلا بقدر ما تغذيه البيانات، إذ أن صيغ البيانات غير المتجانسة، أو قراءات الاستشعار المفقودة، أو طبقات نظام المعلومات الجغرافية العتيقة يمكن أن تؤدي إلى محاكاة غير دقيقة، ولا تزال العديد من المرافق تعتمد على النظم القديمة التي لا تتواصل بسهولة، فبناء خطوط بيانات قوية - تنظف وتطبيع وتتزامن البيانات من مصادر متعددة - غالباً ما يكون الجزء الأصعب من نشر البيانات في إطار إدارة رقمية.

مخاطر الأمن السيبرى

فالتوأم الرقمية تخلق سطحا أكبر للهجوم لأنها تربط التكنولوجيا التشغيلية بنظم تكنولوجيا المعلومات، وإذا تعرض توأم للخطر، يمكن للمهاجم أن يغذي بيانات كاذبة في نماذج التخطيط، أو، أسوأ، أن يرسل أوامر خبيثة إلى الأصول المادية، ويجب أن تنفذ المرافق هياكل لا تثقل كاهلها، والتشفير، والضوابط الصارمة على الوصول، وقد أصدرت هيئة الاعتماد على الكهرباء في أمريكا الشمالية مبادئ توجيهية للرصد المستمر للوأمانات الرقمية التي تؤكد على استمرارية.

التكلفة وقفزة المهارات

ويتطلب بناء وصيانة توأم رقمي عالي الجودة استثماراً كبيراً في البرامجيات والمعدات والأفراد، ويحصل المتخصصون في نماذج نظم الطاقة، وعلوم البيانات، وهندسة البرمجيات على طلب كبير، وكثيراً ما تكون أجورهم مرتفعة، وقد تكافح المرافق الصغيرة والمتوسطة الحجم لتبرير النفقات، غير أن منابر التوأم الرقمية القائمة على الغيوم والخدمات المنظمة تقلل من الحواجز أمام الدخول، كما أن المشاركة مع مقدمي التكنولوجيا أو الانضمام إلى الاتحادات الصناعية (مثلاً)

التقييم النموذجي والثقة

ويجب أن يثق المصانع في أن التوأم الرقمي يمثل الواقع بدقة، فالتقييد عملية مستمرة تنطوي على مقارنة توقعات التوأم بالقياسات الميدانية الفعلية، ويمكن أن تؤدي الاختلافات إلى تقويض الثقة وتأخير اتخاذ القرارات، وينبغي أن تضع المرافق بروتوكولا رسميا للتحقق، بما في ذلك إجراء اختبارات دورية للعيان، حيث يُتوقع أن تكون بارامترات التشغيل التي يتم التحقق منها لاحقا.

The Future of Digital Twins in Grid Expansion

ومع تعجيل التكنولوجيا، سيصبح التوأم الرقمي أكثر ترابطا في تخطيط الشبكة وعملياتها، وستدفع الاتجاهات الناشئة قدراتها إلى ما هو قابل للتحقيق اليوم.

AI and Machine Learning Integration

وستزيد نماذج التعلم من الآلات من المحاكاة التقليدية القائمة على الفيزياء، مما يمكّن التوأم الرقمي من التعلم من الأنماط التاريخية ويقترح خططا للتوسع توازن بين الأهداف المتعددة والموثوقية والانبعاثات والقبول الاجتماعي، ويمكن استخدام التعلّم من أجل تعزيز خطط التحويل أو إرسال التخزين على الوجه الأمثل خلال أحداث الطوارئ، وتقوم عدة مبادرات بحثية، بما في ذلك مشروع الاتحاد الأوروبي " توأم رقمية ذاتية " تقوم بالكشف عن أو تصحيح الأورام.

التأقلم الفعلي للأمثلة والأحجار المتمتعة بالحكم الذاتي

وسيتضاءل الخط الفاصل بين التخطيط والعمليات مع انتقال التوأم الرقمي من الدراسات الخارجية إلى دعم القرارات في الوقت الحقيقي، وقد تُدير المرافق، في غضون عقد من الزمن، التوأم الرقمي في حلقة مغلقة مع الشبكة المادية، وتكيف تلقائياً صنابير المحولات، ومصارف الكابات، ومفاتيح التحويل إلى الحفاظ على الأداء الأمثل في حين يجري تنفيذ مشاريع التوسع، ويمكن أن تتيح هذه " المراقبة الرقمية ذات التوجه المزدوج " شبكات مستقلة تماماً تتكيف مع التغيرات التي لا توجد لدى مرسلين إلى الإنسان(أ).

توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل

واليوم، يوجد كثير من التوأم الرقمي الذي يبني خصيصا لمرافق محددة، مما يجعل من الصعب تبادل النماذج بين المناطق أو مع مشغلي النظم المستقلة، كما أن نماذج البيانات الموحدة - مثل نموذج المعلومات الموحد ونموذج الطاقة المشترك 61850-يرسي الأساس لتوائم قابلة للتشغيل المتبادل، ويقوم مجلس الهندسة المصورة في جريد ويز والمعهد الدولي للكهرباء بوضع توصيات بشأن إطار رقمي عالمي لا مثيل له في تكساس.

التكامل مع التوائم الأخرى في مجال الهياكل الأساسية

ولن يحدث التوسع في الشبكة في المستقبل بمعزل عن بعضها البعض، فالتوأم الرقمية للمباني وشبكات النقل وشبكات المياه ستربط بتوائم الشبكة لإنشاء مدن متعددة الأقدام أو نماذج إقليمية، وعلى سبيل المثال، يمكن محاكاة التوسع المقترح لمركز البيانات في إطار توأم للمبنى، يغذي بعد ذلك ملفه التحميلي إلى توأم للشبكة ليتحقق من ما إذا كانت هناك حاجة إلى تحسين للمحولين، وهذا النهج " التوأم " سيمكن من التخطيط الكلي للهياكل الأساسية، وتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة المزدوجة،

وفي الختام، تطور التوأم الرقمي من مفهوم متأصل إلى حجر الزاوية في التخطيط الحديث للتوسع في الشبكة، حيث أنه يمكّن المرافق من تصور وحفز وتحسين الشبكات المعقدة بدقة غير مسبوقة، وفي حين أن التحديات التي تواجه البيانات والأمن والمهارات لا تزال قائمة، والوفورات في تكلفة المنافع، والحد من المخاطر، والجداول الزمنية السريعة، والاستدامة أمر ملح، فمع أن المراقبة في الوقت الحقيقي، والتوحيد في المستقبل لن يساعد أيضاً على تخطيط التوائم الرقمية.