منذ أواخر القرن التاسع عشر، أصبحت أنظمة توزيع الطاقة (التي تسمى غالبًا الشبكات) هي المصدر الرئيسي للكهرباء في العالم.عندما يتم إنشاء هذه الشبكات، فإنها تعمل بكل بساطة - توليد الكهرباء وإرسالها إلى المنازل والمباني وأي مكان هناك حاجة للكهرباء.
ولكن مع زيادة الطلب على الكهرباء، هناك حاجة إلى شبكة أكثر كفاءة.تعتمد أنظمة توزيع الطاقة الحديثة "الشبكة الذكية" المستخدمة الآن في جميع أنحاء العالم على أحدث التقنيات لتحسين الكفاءة.تستكشف هذه الورقة تعريف الشبكة الذكية والتقنيات الرئيسية التي تجعلها ذكية.
ما هوتكنولوجيا الشبكة الذكية?
الشبكة الذكية هي بنية تحتية لتوزيع الطاقة توفر اتصالاً ثنائي الاتجاه بين مقدمي الخدمات والعملاء.تشمل التقنيات الرقمية التي تتيح تقنيات الشبكة الذكية أجهزة استشعار الطاقة/التيار وأجهزة التحكم ومراكز البيانات والعدادات الذكية.
بعض الشبكات الذكية أكثر ذكاءً من غيرها.لقد ركزت العديد من الدول الكثير من الجهود على تحويل شبكات التوزيع القديمة إلى شبكات ذكية، لكن التحول معقد وسيستغرق سنوات أو حتى عقودًا.
أمثلة على تقنيات الشبكة الذكية ومكونات الشبكة الذكية
العدادات الذكية – العدادات الذكية هي الخطوة الأولى في بناء الشبكة الذكية.توفر العدادات الذكية بيانات استهلاك الطاقة في نقاط الاستخدام للعملاء ومنتجي المرافق.وهي توفر معلومات عن استهلاك الطاقة والتكلفة لتنبيه المستخدمين لتقليل هدر الطاقة ومساعدة مقدمي الخدمة على تحسين أحمال التوزيع عبر الشبكة.تتكون العدادات الذكية عمومًا من ثلاثة أنظمة فرعية رئيسية: نظام طاقة لقياس استهلاك الطاقة، ووحدة تحكم دقيقة لإدارة التكنولوجيا داخل العداد الذكي، ونظام اتصالات لإرسال واستقبال بيانات استهلاك/قيادة الطاقة.بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تحتوي بعض العدادات الذكية على طاقة احتياطية (عندما يكون خط التوزيع الرئيسي معطلاً) ووحدات GSM لتحديد موقع العداد لأغراض أمنية.
تضاعف الاستثمار العالمي في العدادات الذكية في العقد الماضي.وفي عام 2014، بلغ الاستثمار السنوي العالمي في العدادات الذكية 11 مليون دولار.وفقًا لشركة Statista، تصل الاستثمارات العالمية في العدادات الذكية إلى 21 مليون دولار بحلول عام 2019، مع الأخذ في الاعتبار مكاسب كفاءة النظام من تنفيذ العدادات الذكية.
مفاتيح التحكم الذكية في الحمل ولوحات مفاتيح التوزيع - في حين أن العدادات الذكية يمكن أن توفر بيانات في الوقت الحقيقي لمقدمي المرافق، فإنها لا تتحكم تلقائيا في توزيع الطاقة.لتحسين توزيع الطاقة خلال فترات ذروة الاستخدام أو إلى مناطق محددة، تستخدم المرافق الكهربائية أجهزة إدارة الطاقة مثل مفاتيح التحكم الذكية في الحمل ولوحات المفاتيح.توفر هذه التقنية كميات كبيرة من الطاقة عن طريق تقليل التوزيع غير الضروري أو إدارة الأحمال التي تجاوزت حدود وقت الاستخدام المسموح بها تلقائيًا.لتحسين توزيع الطاقة خلال فترات ذروة الاستخدام أو إلى مناطق محددة، تستخدم المرافق الكهربائية أجهزة إدارة الطاقة مثل مفاتيح التحكم الذكية في الحمل ولوحات المفاتيح.توفر هذه التقنية كميات كبيرة من الطاقة عن طريق تقليل التوزيع غير الضروري أو إدارة الأحمال التي تجاوزت حدود وقت الاستخدام المسموح بها تلقائيًا.
على سبيل المثال، تستخدم مدينة وادزورث بولاية أوهايو نظام توزيع كهربائي تم بناؤه في عام 1916. وقد عقدت مدينة وادزورث شراكة مع شركة إيترون، وهي شركة تصنيعمفاتيح التحكم في الحمل الذكية(SLCS)، لتقليل استخدام كهرباء النظام بمقدار 5300 ميجاوات ساعة عن طريق تركيب SLCS في المنازل لتشغيل ضواغط تكييف الهواء خلال فترات ذروة استخدام الكهرباء.أتمتة نظام الطاقة – يتم تمكين أتمتة نظام الطاقة من خلال تقنية الشبكة الذكية، وذلك باستخدام البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات الحديثة للتحكم في كل رابط في سلسلة التوزيع.على سبيل المثال، تستخدم أنظمة الطاقة الآلية أنظمة ذكية لجمع البيانات (مماثلة لتلك الخاصة بالعدادات الذكية)، وأنظمة التحكم في الطاقة (مثل مفاتيح التحكم الذكية في الحمل)، والأدوات التحليلية، وأنظمة الحوسبة، وخوارزميات نظام الطاقة.يسمح الجمع بين هذه المكونات الرئيسية للشبكة (أو الشبكات المتعددة) بضبط نفسها وتحسينها تلقائيًا مع تفاعل بشري محدود مطلوب.
تنفيذ الشبكة الذكية
عندما يتم تنفيذ تقنيات الاتصال والأتمتة الرقمية ثنائية الاتجاه في الشبكة الذكية، فإن عددًا من التغييرات في البنية التحتية ستؤدي إلى زيادة كفاءة الشبكة إلى الحد الأقصى.لقد أتاح تنفيذ الشبكة الذكية إجراء تغييرات البنية التحتية التالية:
1.لامركزية إنتاج الطاقة
ونظرًا لأن الشبكة الذكية يمكنها مراقبة توزيع الطاقة والتحكم فيه بشكل مستمر، فلم تعد هناك حاجة لمحطة طاقة كبيرة واحدة لتوليد الكهرباء.وبدلاً من ذلك، يمكن إنتاج الكهرباء عن طريق العديد من محطات الطاقة اللامركزية، مثل توربينات الرياح، ومزارع الطاقة الشمسية، والألواح الشمسية الكهروضوئية السكنية، والسدود الكهرومائية الصغيرة، وما إلى ذلك.
2.سوق مجزأة
تدعم البنية التحتية للشبكة الذكية أيضًا اتصال شبكات متعددة كوسيلة لتقاسم الطاقة بذكاء عبر الأنظمة المركزية التقليدية.على سبيل المثال، في الماضي، كان لدى البلديات مرافق إنتاج منفصلة لم تكن مرتبطة بالبلديات المجاورة.ومن خلال تنفيذ البنية التحتية للشبكة الذكية، يمكن للبلديات المساهمة في خطة إنتاج مشتركة للقضاء على الاعتماد على الإنتاج في حالة انقطاع التيار الكهربائي.
3.انتقال على نطاق صغير
أحد أكبر هدر الطاقة في الشبكة هو توزيع الطاقة على مسافات طويلة.وبالنظر إلى أن الشبكات الذكية تعمل على تحقيق اللامركزية في الإنتاج والأسواق، فإن مسافة التوزيع الصافية داخل الشبكة الذكية تقل بشكل كبير، وبالتالي تقلل من هدر التوزيع.تخيل، على سبيل المثال، مزرعة شمسية مجتمعية صغيرة تولد 100% من احتياجات المجتمع من الكهرباء خلال النهار، على بعد كيلومتر واحد فقط.وبدون مزرعة شمسية محلية، قد يحتاج المجتمع إلى الحصول على الطاقة من محطة طاقة أكبر تبعد 100 كيلومتر.قد تكون خسائر الطاقة التي لوحظت أثناء النقل من محطات الطاقة البعيدة أكبر بمئة مرة من خسائر النقل التي لوحظت من مزارع الطاقة الشمسية المحلية.
4.التوزيع في اتجاهين
في حالة مزارع الطاقة الشمسية المحلية، قد يكون هناك موقف حيث يمكن لمزرعة الطاقة الشمسية توليد طاقة أكثر مما يستهلكه المجتمع، وبالتالي خلق فائض في الطاقة.ويمكن بعد ذلك توزيع هذه الطاقة الزائدة على الشبكة الذكية، مما يساعد على تقليل الطلب من محطات الطاقة البعيدة.
في هذه الحالة، تتدفق الطاقة من مزرعة الطاقة الشمسية إلى الشبكة الرئيسية غير المجتمعية خلال النهار، ولكن عندما تكون مزرعة الطاقة الشمسية غير نشطة، تتدفق الطاقة من الشبكة الرئيسية إلى ذلك المجتمع.يمكن مراقبة تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه وتحسينه بواسطة خوارزميات توزيع الطاقة لضمان إهدار أقل قدر من الطاقة في أي وقت أثناء الاستخدام.
في البنية التحتية للشبكة الذكية ذات التوزيع ثنائي الاتجاه وحدود الشبكة اللامركزية، يستطيع المستخدمون العمل كمولدات صغيرة.على سبيل المثال، يمكن تجهيز المنازل الفردية بأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المستقلة التي تولد الكهرباء عند الاستخدام.إذا كان النظام الكهروضوئي السكني يولد طاقة زائدة، فيمكن توصيل هذه الطاقة إلى الشبكة الأكبر، مما يقلل من الحاجة إلى محطات طاقة مركزية كبيرة.
أهمية الشبكة الذكية
وعلى مستوى الاقتصاد الكلي، تلعب الشبكات الذكية دورًا حاسمًا في تقليل استهلاك الكهرباء.يقدم العديد من مقدمي المرافق المحلية والحكومات تدابير سخية وجريئة للمشاركة في اعتماد الشبكات الذكية لأنها مفيدة ماليا وبيئيا.من خلال اعتماد شبكة ذكية، يمكن أن يكون إنتاج الطاقة لا مركزيًا، وبالتالي القضاء على خطر انقطاع التيار الكهربائي، وتقليل تكاليف تشغيل نظام الطاقة، والقضاء على هدر الطاقة غير الضروري.
وقت النشر: 15 مارس 2023