الترابط المتزايد بين شبكة الطاقة الكهربائية والتنقل الإلكتروني

التحليل الخاص بالترابط المتزايد بين شبكة الطاقة الكهربائية والتنقل الإلكتروني

البنى التحتية الحيوية هي أنظمة مترابطة تتطور باستمرار، وفي كثير من الأحيان يكون تطورها بطريقة تقوي أو تخلق ترابطات جديدة، ومع استمرار تطور المناطق الحضرية، تميل فلسفة المسؤولين وصانعي السياسات لتلبية النمو في الطلب على الطاقة إلى إعطاء الأولوية للتخطيط المستدام من خلال إرجاء تحديث البنية التحتية والاعتماد بدلاً من ذلك على التشغيل الذكي.

كما أن الاعتماد على شبكة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات شرط أساسي لتحقيق التشغيل الذكي، ومع الاختراق المرتفع المتوقع لموارد الطاقة الموزعة (DERs) والمركبات الكهربائية (EVs)، يعد الاعتماد المتزايد على المراقبة والتحكم في الوقت الفعلي أمراً ضرورياً لشبكة الطاقة للتعامل مع مثل هذه المستويات غير المسبوقة من عدم اليقين في الحمل والتوليد الكهربائي.

كما تلقي هذه الدراسة الضوء على كيفية ترابط شبكة الطاقة وشبكة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات وشبكة النقل وتكبدها، بحيث تقدم أيضاً حلاً للمشكلة المعيارية لهذا النوع من البحث ودراسة حالة، كما تظهر النتائج الأولية لدراسة الحالة أن تأثير هذه الترابطات المتزايدة قد يكون كبيراً ويجب فهمه بالكامل وأخذها في الاعتبار.

تعتبر شبكة الطاقة الأكثر أهمية لأن فشلها قد يكون له تأثير مدمر ينتشر من خلال (CIs) الأخرى، بحيث حاول الباحثون تحليل عملية الفشل المتتالي داخل شبكة الطاقة وحدها (على سبيل المثال، لذلك لا تشرح هذه الفئة من المنشورات كيف يمكن أن تتفاقم عملية تسلسل الفشل أو التخفيف من حدتها، مع الأخذ في الاعتبار التبعيات والاعتماد المتبادل مع (CIs) الأخرى.

كما حاول باحثون آخرون تحليل الترابط بين شبكة الطاقة وشبكة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات وبين الطاقة وشبكات النقل، بحيث يتجاهل هذا العمل عادةً بعض التقنيات التي تم إدخالها حديثاً، والتي قد تؤثر بشكل كبير على نتائج التحليل المكتمل، خاصةً إذا تم النظر فيها، على سبيل المثال:

• أولاً: الافتراض الشائع أثناء تحليل الترابط بين شبكة الطاقة وشبكات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات هو أن فشل عقدة الطاقة سيؤدي ميكانيكياً إلى فشل عقدة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات التي يتم توفيرها منها، وهذا ليس صحيحاً بالضرورة إذا كان التخزين الاحتياطي، وعلاوة على ذلك تتجاهل بعض تقنيات شبكات الطاقة التي تزيد من الاعتماد على شبكات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، مثل المصادر المتجددة.

• ثانياً: المثال الذي يتم تسليط الضوء عليه في كثير من الأحيان على الترابط بين شبكات الطاقة والنقل، هو أن شبكة الطاقة تزود خدمات النقل والمركبات (مثل القطارات) بينما تنقل شبكة النقل الوقود إلى محطات الطاقة، حيث أن هذا لا يأخذ بعين الاعتبار التقنيات الجديدة التي قد تعزز بشكل كبير الترابط بين هاتين الشبكتين، على سبيل المثال السيارات الكهربائية.

طرق فهم الترابط الخاص بشبكة الطاقة الكهربائية والتنقل الإلكتروني

يمكن اعتبار الاعتماد المتبادل مزيجاً من تبعيتين في اتجاه واحد، حيث تتجلى أوجه الترابط المتزايدة بين شبكة الطاقة وشبكة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات والنقل الإلكتروني في أربعة أشكال مختلفة، والذي تم تلخيصه في الشكل التالي والجدول التالي، حي أن فئات التبعية هي:

التبعية المادية: إذا كان الناتج المادي لـ (CI) مطلوباً للتشغيل السليم للآخر.

الاعتماد على الإنترنت: إذا كان تشغيل (CI) يعتمد على البيانات والمعلومات المنقولة من خلال جهة أخرى.

التبعية الجغرافية: إذا كان الاضطراب المحلي يمكن أن يؤثر على العديد من مجالات الموثوقية.

التبعية المنطقية: إذا تأثر تشغيل (CI) بحالة أخرى من (CI)، وذلك بسبب القرارات والتفاعلات البشرية، وفي هذا القسم؛ فإنه تم الاعتماد المتبادل على أنه مزيج من اثنين من التبعيات أحادية الاتجاه كما تم تلخيصها في الجدول.

المشكلة المعيارية للنموذج المجمع متعدد الطبقات

يتكون “النموذج التجميعي” المقترح من ثلاث طبقات، وهي شبكة اختبار النقل ذات (24) عقدة (Sioux Falls) ووحدة تغذية اختبار (IEEE 30-bus) القياسية و شبكة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، كما ينقسم النموذج جغرافياً إلى ثلاث مناطق، وهي: المنطقة (a) والمنطقة (b) والمنطقة (c)، حيث أن كل منطقة تشمل المولدات الكهربائية والأحمال.

ومع ذلك يتم تمكين تبادل الطاقة بين المناطق الثلاثة عبر خطوط الربط. هناك 30 ناقلاً (على سبيل المثال عقد شبكة الطاقة) و (41) خطوط أو كابلات توزيع (أي روابط شبكة الطاقة)، بحيث يبلغ إجمالي الطلب على نظام (30) حافلة حوالي (190) ميغاوات.

لذلك نفترض أن المنطقة الحضرية التي تمت دراستها يبلغ عدد سكانها الإجمالي حوالي (0.5) مليون ومساحة إجمالية تبلغ حوالي (20) ميلاً مربعاً، حيث أن هناك (24) عقدة نقل و (38) وصلة و (15) عقدة لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات و (20) وصلة، بحيث يوضح الجدول التالي العلاقات الطوبولوجية بين البنى التحتية الثلاثة، كما ويوفر الشكل التالي (2) مخططاً للبنى التحتية ذات الطبقات.

التفاعلات العملية: يتم التحكم في شبكة الطاقة عبر نظام إدارة التوزيع (DMS)، بينما يتم التحكم في الحركة عبر نظام إدارة حركة المرور (TMS)، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (3)، بحيث يؤثر تشغيل نظام (DMS) ونظام (TMS) على بعضهما البعض، على سبيل المثال إذا تم توجيه المزيد من المركبات الكهربائية عبر (TMS) لشحنها في معدات إمداد المركبات الكهربائية (EVSE).

ونظراً لأنها الأقرب إلى (EV) المطلوبة؛ فإن عقدة الطاقة التي تزود (EVSE) ستحتاج إلى توفير المزيد من الطاقة والعكس صحيح، خاصةً إذا كانت هذه العقدة موجودة في منطقة مزدحمة بالطاقة؛ فقد ينتج عن حل (OPF) الذي تحققه (DMS) قيمة (LMP) عالية في تلك العقدة للفاصل الزمني التالي، كما سيؤدي هذا إلى تغذية مرتدة إلى (TMS)، والذي قد يختار (EVSE) آخر للمركبات الكهربائية المطلوبة التالية:

• نظام إدارة التوزيع المعتمد على تكنولوجيا المعلومات والاتصالات: حيث يُفترض أن يكون نظام إدارة الوجهات السياحية (DMS) موجوداً بالقرب من التفرع الأول فهو يجمع القياسات من مستشعرات حقن الطاقة وتدفق الخط، كما وينسق مع وحدات تحكم الشبكة الدقيقة و (EVSE) ويقوم بتشغيل تدفق الطاقة الأمثل (OPF)، كما وينتج أخيراً نقاط الضبط الخلفية للشبكات الصغيرة وشبكات (EVSE) ومحولات ذكية (DER) وأحمال قابلة للنشر.

• نظام إدارة حركة المرور بتقنية المعلومات والاتصالات: يتولى نظام إدارة حركة المرور (TMS) الإدارة المركزية الشاملة وتحسين نظام النقل، من حيث المسافرون من أي عقدة نقل إلى أخرى، وفي وقت معين، كذلك لديهم وسائل سفر متعددة.

وأخيراً يجب فهم الترابط بين شبكة الطاقة وشبكة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات وشبكة النقل بشكل كامل ومعالجته والتخفيف من حدته، بحيث تستعد أنظمة إدارة التوزيع وأنظمة إدارة النقل المدعومة بتكنولوجيا المعلومات والاتصالات للعب دور حيوي في تشغيل البنى التحتية المستقبلية، لا سيما خلال عصر إنترنت الأشياء.

لذلك كشفت هذه الدراسة عن بعض التفاصيل المتعلقة بهذه الترابطات المتزايدة، كما واقترحت مشكلة معيارية جديدة للبحث في هذا الموضوع، بحيث تم عرض دراسة حالة ومناقشتها. تظهر نتائج دراسة الحالة أن التنسيق بين البنى التحتية الحيوية أمر بالغ الأهمية للحفاظ على الفعالية الجماعية من حيث التكلفة والقدرة على الصمود.