الشبكة الذكية (Smart Grid)

مقدمة

عندما نتحدث عن نمط الشبكة الكهربائية فإننا نتحدث عن الشبكة الكهربائية بمنظومتها الحالية والتي تبدأ من التوليد ثم النقل وأخيرا التوزيع، وقد استمر العالم على هذا النمط التقليدي لأكثر من قرن وخلال تلك الفترة ظهرت عدة مشاكل دعت العالم للتفكير باحداث شبكة كهربائية تقلل من تلك المشاكل والتي من أشهرها التلوث البيئي الناتج من استخدام الوقود الأحفوري بمحطات التوليد و زيادة الطلب على الكهرباء .

ونظرا لذلك أصبح من الضروري تحديث الشبكة الكهربائية لتصبح من شبكة كهربائية تقليدية ذو نمط تقليدي قديم إلى شبكة كهربائية محدثة باسم الشبكة الذكية (Smart Grid) والتي ستحدث نقلة نوعية في عالم الشبكات الكهربائية.

تعريف

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.

مكونات

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.

صورة (1): عداد ذكي. [2]

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).

صورة (2): التوليد المتوزع مقارنة بالتوليد المركزي. [3]

خصائص

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

١- ثنائية الاتجاه (Bi_directional)

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) .

A novel loss-based energy management approach for smart grids using multi-agent systems and intelligent storage systems - ScienceDirect

صورة (3): ثنائية اتجاه التدفق للطاقة والمعلومات بالشبكة الذكية. [4]

٢- التكامل (Integration)

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.

وبفضل هذه الخاصية سيتم القضاء على أحد أهم مشاكل الطاقة المتجددة وهي مشكلة التقطعات (Intermittece) والتي تحدث للطاقة المتجددة وذلك بسبب اعتمادها في توليد الطاقة على الأحوال الجوية والتي قد تتغير فجأة لتتسبب في انقطاع توليد الكهرباء.

صورة (4): تكامل مصادر الطاقة والاسهلاك مع بعضها في الشبكة الذكية. [5]

٣- مشاركة العميل (Participation of Customer)

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

صورة (5): امكانية المستهلك أن يكون مستهلكا و منتجا للطاقة في نفس الوقت. [6]

٤- الإصلاح الذاتي (Self Healing)

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 .

التقنيات المستخدمة في الشبكة الذكية

تعتمد الشبكة الذكية على عدة تقنيات وعلوم حديثة منها كالآتي :

١- الذكاء الاصطناعي (Artificial Intelligence)

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 .

أيضا ومع دخول الطاقة المتجددة بالشبكة الكهربائية يستطيع الذكاء الاصطناعي الموجود بالشبكة أن يتنبأ بكمية الطاقة المتولدة من الطاقة المتجددة بناء على عدة بيانات كدرجة الحرارة وسرعة الرياح وغيرها من البيانات في أوقات مختلفة والتي بناء عليها يتم التنبؤ بالطاقة الناتجة من الطاقة المتجددة في أوقات محددة والتي بناء عليها يتم اتخاذ القرار المناسب.

٢- إنترنت الأشياء (Internet of Things)

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.

صورة (6): أنواع شبكات الانترنت المستخدمة لكل قطاع من قطاعات الشبكة الذكية.[7]

٣- الأمن السيبراني (Cyber Security)

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.