الاسترداد الاستباقي لأصول الطاقة الكهربائية لتعزيز المرونة

تقدم هذه الدراسة تغييراً كبيراً في استجابة شبكة الطاقة الكهربائية الحالية وخطط الاسترداد من خلال تطوير إطار عمل للاسترداد الاستباقي لأصول الطاقة الكهربائية، وذلك بهدف أساسي هو تحسين المرونة ضمن الإطار المقترح، والذي يمكن أن يقدم أداة صنع القرار من المولد التالي للتعافي الاستباقي.

التركيز على مبدأ الاسترداد الاستباقي الكهربائي لتعزيز المرونة

لا تزال الكوارث الطبيعية ولا سيما العواصف هي النقطة المعرضة للخطر في البنية التحتية للكهرباء باعتبارها واحدة من أكثر أنظمة شريان الحياة أهمية وذات أهمية قصوى في حياتنا اليومية، لذلك بعد أكثر من نصف قرن من نشر واحدة من أولى الدراسات حول الاستجابة الفعالة للأعاصير، وذلك بدافع من إعصار كارلا الذي ضرب ساحل الخليج وانتقل إلى الولايات المتحدة وكندا؛ فإن مسألة الاستجابة الفعالة للأعاصير، ولا تزال هناك كوارث طبيعية أخرى في مرحلتها غير الناضجة.

كما أنه يمكن أن تؤدي العواصف إلى اضطرابات اقتصادية واجتماعية وجسدية كبيرة وتسبب إزعاجاً كبيراً للسكان الذين يعيشون في مناطق الكوارث بسبب فقدان الكهرباء والمياه والاتصالات، وحتى فكرة “بعد العاصفة تأتي الهدوء”، ليس هو الحال بالنسبة لأنظمة الطاقة الكهربائية، بحيث تنقل شبكة الطاقة الكهربائية الكهرباء المولدة من محطات توليد الطاقة واسعة النطاق إلى مجموعة متنوعة من العملاء الصناعيين والتجاريين والسكنيين عبر شبكات النقل والتوزيع.

وبالتالي يمكن أن تتعطل على مساحة جغرافية شاسعة عندما يضرب الإعصار، على سبيل المثال في أعقاب “إعصار آيك” في عام (2008)م، عندها تعرض أكثر من (2.8) مليون عميل في منطقة هيوستن الكبرى لانقطاع التيار الكهربائي، والذي استمر من بضعة أيام إلى عدة أسابيع، كما قدر إجمالي الضرر الناجم عن إعصار آيك في المناطق الساحلية والداخلية للولايات المتحدة بنحو (24.9) مليار دولار، لذلك؛ فإن التعامل مع عواقب مثل هذه الكوارث هو مصدر قلق كبير للمرافق والحكومات.

الترابط بين الأنظمة وتعزيز مرونة النظام الكهربائي بسبب الكوارث

يزداد مستوى التعقيد والاعتماد المتبادل بين الأنظمة سواء في المناطق الحضرية أو الريفية، ومع مرور الوقت؛ فإن هذه الأنظمة المعقدة والمترابطة معرضة بشدة للكوارث، حيث إن تطوير استراتيجيات التخفيف التي تحيط بعملية تحويل مخاطر الكوارث الضخمة هو مفتاح الإدارة الناجحة للكوارث، وفي هذا السياق تشير المقاومة إلى القدرة على تحمل الكارثة دون تغيير، بينما تشير المرونة إلى قدرتها على “الارتداد” إلى حالة ما قبل الكارثة.

واستناداً إلى التعريف وهو أن “المرونة المحلية فيما يتعلق بالكوارث تعني أن المنطقة المحلية قادرة على تحمل حدث طبيعي شديد دون التعرض لخسائر مدمرة أو أضرار أو انخفاض الإنتاجية أو نوعية الحياة ودون قدر كبير من المساعدة من الخارج المجتمع”؛ فإنه يمكن استخدام مصطلح العاصفة بدلاً من ذلك للإعصار والإعصار والإعصار.

ووفقاً للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي؛ فإن والأعاصير الحلزونية والأعاصير المدارية هي نفس الظاهرة، ولكن يمكن تصنيفها اعتماداً على الموقع الذي نشأت فيه العواصف، بحيث يستخدم مصطلح الإعصار في المحيط الأطلسي وشمال شرق المحيط الهادئ، بينما يطلق عليه الاعصار في شمال غرب المحيط الهادئ، كما ويستخدم الإعصار لنفس الظاهرة في جنوب المحيط الهادئ والمحيط الهندي.

تطوير النموذج الاستباقي الخاص بضمان مرونة النظام الكهربائي

بمجرد أن يضرب الإعصار وينتج عنه ضرر للبنية التحتية لشبكة الطاقة الكهربائية؛ فإنه يجب تعبئة الأطقم المتوفرة في مواقع الضرر لإصلاح البنية التحتية واستعادة النظام، ومع ذلك يمكن تحسين كفاءة هذا التعافي بعد الإعصار بشكل كبير إذا تم بالفعل تعبئة الأطقم المتاحة إلى مواقع الضرر المتوقعة، لذلك؛ فإن المخطط الاستباقي لخطة التعافي قبل الإعصار يسبق المخطط التفاعلي لنموذج تعبئة الطاقم بعد الإعصار. يقوم نموذج ما قبل الإعصار بتعبئة الأطقم المتاحة بناءً على تنبؤات الأضرار ويوفر حلاً أولياً لنموذج ما بعد الإعصار.

كما يوضح الشكل التالي نموذج الاسترداد المقترح من مستويين والذي يمكن أن يحسن بشكل كبير مرونة شبكة الطاقة الكهربائية من خلال توفير استراتيجية استباقية للتعامل مع تداعيات الإعصار القادم، بحيث تنظر المرحلة الأولى في الاستعدادات المطلوبة قبل حدوث الإعصار، حيث أنه من المتوقع حدوث الإعصار ولكنه لم يصل بعد إلى شبكة الطاقة الكهربائية.

الاستعانة بالوظائف المرتبطة بالبنية التحتية الكهربائية لتحسين جانب المرونة

في هذا المستوى، تحتاج وظائف الموثوقية ضد الإعصار للمكونات الرئيسية للبنية التحتية للطاقة إلى التطوير، بحيث تم دمج تنبؤات الطقس في وظائف الموثوقية لنمذجة تأثيرات الإعصار القادم وتفاعله مع السلوك المادي للنظام، وبناءً على ذلك تُعرَّف حالة الانقطاع على أنها احتمال حدوث عطل إلى جانب متغير عشوائي يصف وقت الإصلاح (TTR) لكل مكون تالف.

واستناداً إلى حالات الانقطاع المتوقعة وباستخدام بيانات النظام والخصائص التشغيلية؛ فإنه يتم اشتقاق التعبئة المثلى للطاقم قبل الإعصار، كذلك القيم التي تم الحصول عليها بمثابة نقطة انطلاق لاتخاذ القرار من المستوى الثاني، بحيث يتم تنفيذ المرحلة الثانية بعد أن يضرب الإعصار في الواقع باستخدام التفتيش الجوي من خلال وسائل مختلفة، على سبيل المثال الأقمار الصناعية والمروحيات والطائرات بدون طيار.

انقطاع المكونات الكهربائية بسبب سوء البنية التحتية للمرافق

كما هو معروف بأنه يمكن الحصول على المسار المتوقع للإعصار وشدته من وكالات خدمات الطقس، بحيث يتم استخدام التوقعات التي تم الحصول عليها للإشارة إلى المكونات المعرضة لخطر التلف ونماذج الضرر، ومع ذلك تكون مطلوبة لاشتقاق احتمالية ومدى الضرر لكل مكون، كما يعد النموذج الرياضي الدقيق للأضرار المحتملة لمكونات شبكة الطاقة الكهربائية بسبب الإعصار مكوناً رئيسياً للاستجابة الفعالة وخطة الاسترداد.

أيضاً تم تحديد أربعة مكونات رئيسية لنمذجة الضرر بما في ذلك وحدات التوليد وخطوط النقل وخطوط التوزيع والمحطات الفرعية، بحيث تعمل المحطات الفرعية كعقد ربط بين وحدات التوليد وخطوط النقل وكذلك بين خطوط النقل وخطوط التوزيع، كما أنها تشمل المحطات الفرعية محولات الطاقة المسؤولة عن تغيير مستوى الجهد في الشبكة وتعتبر أحد مكونات الشبكة الحرجة.

وفيما بعد تم بالفعل اقتراح نماذج مختلفة للدراسات لنمذجة معدل الفشل المرتبط بالطقس واحتمال تلف مكونات شبكة الطاقة الكهربائية، بحيث يمكن اعتبار حالة الضرر متغيراً عشوائياً له نتيجتان، وهما التالفة والتشغيلية، لذلك بدون فقدان التعميم؛ فإنه من الممكن يمكننا اعتماد متغير برنولي العشوائي لنمذجة الحالة التالفة أو التشغيلية لكل مكون.

بالنهاية بحثت هذه الدراسة في تطوير إطار عمل شامل والنظرية الداعمة لزيادة مرونة البنية التحتية الحيوية لشبكة الطاقة الكهربائية استجابةً للأعاصير والكوارث الطبيعية الأخرى، حيث أن الهدف هو تسريع عملية التعافي وتقليل الاضطرابات الاقتصادية والاجتماعية والمادية المرتبطة بها، كما يمكن أن يؤدي نموذج الاسترداد الاستباقي المقترح إلى تأثيرات عميقة على أمن الطاقة المحلية والوطنية وموثوقيتها واستدامتها من خلال تعزيز التطوير السليم للتقنيات المتقدمة المتعلقة بالظواهر الجوية الشديدة والكوارث الطبيعية.

كما تم تحديدها على أنها السبب الثاني لأكبر حالات انقطاع التيار الكهربائي في العالم، مثل الولايات المتحدة، بحيث سيؤثر التنفيذ الناجح للنموذج المقترح بشكل مباشر على المجتمع من خلال مساعدة مشغلي شبكات الطاقة الكهربائية على إدارة الموارد المتاحة بشكل أفضل وتقليل آثار الأعاصير والكوارث الطبيعية الأخرى.