الشبكة الذكية (Smart Grid)

للشبكة الذكية عدة تعريفات ، أحدها هو التعريف المعتمد لدى المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية (NIST) ، والذي ينص على أنه “شبكة حديثة تتيح خاصية ثنائية الإتجاه لتدفق الطاقة، وتستخدم إمكانيات الإتصال والتحكم ثنائية الإتجاه والتي بدورها ستؤدي إلى عدة وظائف وتطبيقات جديدة”.[1]

ولتبسيط مفهوم الشبكة الذكية نستطيع أن نقول أنها عبارة عن (شبكة كهربائية + تقنية المعلومات والاتصالات) حيث أن إضافة التقنية إلى الشبكة الكهربائية سيؤدي إلى تطور كامل للشبكة الكهربائية وإضافة عدة مزايا جديدة ستسهم في رفع الكفاءة والأمان والموثوقية.

لكي تؤدي الشبكة الذكية عملها يجب أن يتم إضافة عدة مكونات للشبكة التقليدية أهمها كالآتي :

١- العداد الذكي (Smart Meter) والمبين بالصورة (1)، والذي يعتبر حلقة الوصل بين المستهلك والشبكة وبواسطة العداد الذكي يتم إرسال تفاصيل المستهلك إلى مراكز تحكم والمراقبة للشبكة، لذلك يعمل العداد الذكي كبوابة بين الأجهرة الداخلية للمستهلك و مراكز التحكم والمراقبة لتوفير المعلومات.

٢- المولدات المتوزعة (Distributied Generation) والتي تسمى أحيانا بالتوليد اللامركزي (Decentralized Generation) و نعني بها استعمال تقنيات توليد صغيرة باستعمال الطاقة المتجددة (الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وغيرها) وتكون متواجدة بالقرب من المستهلكين ، والتي قد تكون قرب موقع الاستهلاك أو حتى على أسطح المباني والمنازل، وتتميز بوجود أكثر من مصدر توليد كهرباء على عكس التوليد المركزي والذي يكتفي بمحطة توليد مركزية والتي تكون بعيدة عن المباني والمنازل ، والصورة (2) توضح الفرق بين المولد المتوزع (Distributed Generation) و التوليد المركزي (Central Generation).

تمتلك الشبكة الذكية عدة خصائص تمتاز بها عن الشبكة التقليدية في عدة أمور، ومن أهم تلك الخصائص كالتالي :

اتجاه تدفق الطاقة في الشبكة التقليدية أحادي الاتجاه حيث أنه يبدأ من التوليد وصولا إلى المستهلك و لا يحدث العكس ، أما الشبكة الذكية فإنها تمتلك أحد أهم الخصائص التي تميزت بها عن الشبكة التقليدية وهي خاصية ثنائية الاتجاه (Bi-directional) وقد يظن البعض أن ثنائية الاتجاه يقصد بها ثنائية اتجاه الطاقة فقط و الصحيح أنها ثنائية الاتجاه للطاقة والمعلومات حيث أن الشبكة الذكية تعطي وتستقبل معلومات سواء من اتجاه التوليد إلى المستهلك أو العكس كما هو مبين بالصورة (3) .

نظام التغذية في الشبكة التقليدية هو نظام مركزي كما بالصورة (4) حيث أن المصادر التقليدية لتوليد الكهرباء كمحطات الفحم مثلا تكون عادة مركزية أي أن مسافة النقل غالبا طويلة.

لكن في الشبكة الذكية سيصبح التوليد متوزع (Distributied Generation) والمبين بالصورة (4) حيث أنه سيتم استخدام مصادر الطاقة المتجددة بجانب المصادر التقليدية لتعزيز الإعتمادية والاستمرارية، حيث أنه في حال إن خرج أحد مصادر التوليد عن العمل سيتم تعويضه بالمصدر الآخر.

في الشبكة الكهربائية التقليدية لم يكن للعميل دور في الشبكة الكهربائية سوى استهلاك الكهرباء ومن ثم دفع قيمة الاستهلاك شهريا بناء على نظام التعرفة الخاص بالمنطقة، أما في الشبكة الذكية سيصبح بإمكان المستهلك أن يساهم في تغذية الشبكة الكهربائية ، أي أنه بإمكانه أن يكون مستهلكا ومنتجا في نفس الوقت (Prosumer) بأكثر من طريقة لانتاج الكهرباء كما هو مبين بالصورة (5) ، فمثلا يستطيع المستهلك أن ينتج طاقة كهربائية عن طريق تثبيت ألواح شمسية خاصة به ليوجه الطاقة المنتجة من الألواح الشمسية إلى الشبكة الرئيسية لتغذيتها .

                                                    Prosumer = Producer + Consumer

ونعني بها قدرة الشبكة الذكية على إمكانية توقع و استكشاف الأعطال والاستجابة لها ومن ثم اصلاحها ذاتيا وفي أسرع وقت وبأفضل الطرق لإعادة الشبكة إلى وضع الاستقرار بدون تدخل الفرد، ,وذلك باستعمال تقنيات وأجهزة الاستشعار والتحكم والاتصال مما سيساهم ذلك في توفير الوقت والجهد وسيعزز موثوقية الشبكة الكهربائية  .

تعتمد الشبكة الذكية على عدة تقنيات وعلوم حديثة منها كالآتي :

حيث أنه مع تواجد الحساسات والعدادات الذكية وغيرها من الأجهزة والمعدات التي تقوم بجمع المعلومات والتي بناء عليها يقوم الذكاء الاصطناعي باتخاذ القرارات ،فمثلا يستطيع الذكاء الاصطناعي أن يقوم بعملية التنبؤ بمقدار الحمل (Load Forecasting) ليجعل كمية الحمل وكمية إنتاج الطاقة متطابقان حيث أنه بناء على بيانات وخوارزميات معينة يقوم بالتنبؤ بمقدار الحمل بدرجة عالية من الدقة .

حيث يتم تحديد وإدارة المتطلبات التشغيلية لمختلف التطبيقات فمثلا توصيل أجهزة المنزل بالإنترنت (HAN) وذلك للتحكم بها واتخاذ القرارات المناسبة بناء على الاستهلاك الحالي. وكما هو مبين بالصورة (6) لكل قطاع من قطاعات المنظومة الكهربائية نوع معين من أنواع شبكات الانترنت.

عندما نتحدث عن الأمن في الشبكة التقليدية فإننا نقصد به أمن المعدات الكهربائية من الأخطاء الكهربائية كتيار القصر أو ارتفاع الحمل، لكن عندما نتحدث عن الأمن في الشبكة الذكية فإننا نتحدث عن أمن المعدات بالإضافة إلى الأمن السيبراني والذي بدوره يقوم بحماية بيانات وأنظمة الشبكة الكهربائية ككل ومن ذلك حماية بيانات المستهلكين من الاختراق الخارجي، وبمجرد أن يعثر المخترق على نقطة دخول للشبكة الذكية فإنه قد يستطيع أن يشن هجمات معقدة بشكل متزايد في أنحاء مختلفة من أنظمة اتصالات الشبكة الذكية ف مثلا ماذا لو أراد أحد المخترقين كشف قيمة الاستهلاك الشهري الخاص بك ومن ثم التلاعب بها ما الذي سيمنعه من ذلك؟ لذلك وجود الأمن السيبراني والاهتمام به وتطويره بشكل مستمر مهم جدا في الشبكة الذكية لتعزيز الأمن والموثوقية، والصورة (7) توضح دور الأمن السيبراني في حماية كل قطاع من قطاعات منظومة الشبكة الذكية.