الحفاظ على البنية التحتية الكهربائية من الاضطرابات

البنية التحتية للكهرباء هي نظام شريان حياة بالغ الأهمية وذات أهمية قصوى في حياتنا اليومية، بحيث تميز مرونة نظام الطاقة القدرة على مقاومة الاضطرابات والتكيف معها والتعافي منها في الوقت المناسب، كما يهدف نظام الطاقة المرن إلى التعامل مع الاحتمالية المنخفضة والأحداث الشديدة الخطورة بما في ذلك الكوارث الطبيعية الشديدة والهجمات التي من صنع الإنسان.

ضرورة الحفاظ على البنية التحتية الكهربائية من الاضطرابات

نظام الطاقة هو أساس المجتمع الحديث كذلك تشغيله الآمن والفعال هو شرط أساسي لحياتنا الاجتماعية والاقتصادية، وعلى الرغم من أن فشل المكونات غالباً ما يحدث بسبب الطقس أو طبيعته العشوائية؛ إلا أن أنظمة الطاقة مصممة لمقاومة انقطاع المكونات العشوائية وفقاً لمبدأ الأمان (N-1)، ومع ذلك؛ فقد جلبت العديد من الكوارث الطبيعية والهجمات التي من صنع الإنسان مؤخراً تحديات غير مسبوقة لأنظمة الطاقة، مما تسبب في انقطاع مستمر للتيار الكهربائي.

كما يسلط الضوء على الموقف الذي يكون فيه نظام الطاقة غير مهيأ للأحداث المتطرفة على نطاق واسع ومستوى الخطورة، على سبيل المثال في عام (2008)م، ضربت عاصفة ثلجية جنوب الصين وتسببت في أكثر من (129) عطلاً في الخط ، مما أدى إلى انقطاع التيار الكهربائي عن (14.66) مليون أسرة في زلزال شرق اليابان الكبير في عام (2011)م، كما عانت أكثر من (4) ملايين أسرة من انقطاع التيار الكهربائي لأكثر من سبعة إلى تسعة أيام.

أثر الأخطاء البشرية على امدادات الطاقة الكهربائية

في الوقت نفسه، تشتمل التهديدات التي يتعرض لها نظام الطاقة أيضاً على أخطاء بشرية وهجمات من صنع الإنسان، وذلك حسب الشكل التالي (1)، وفي عصر الشبكة الذكية تجعل مكونات الاتصال والحوسبة والتحكم المدمجة في نظام الطاقة النظام أكثر تعقيداً وضعفاً في نفس الوقت، كما يتأثر نظام الطاقة بالعشوائية الجوهرية والاضطرابات الخارجية، كما ويعتمد تشغيله على تدفق الطاقة وتدفق رأس المال وتدفق المعلومات.

وكنظام إلكتروني فيزيائي واسع النطاق؛ فإنه يمكن أن يكون نظام الطاقة عرضة للهجمات المستهدفة، على سبيل المثال تعرض (17) محولاً كهربائياً لهجوم بالرصاص في ميتكالف كاليفورنيا في عام (2013)م، مما يدل على أن نظام الطاقة هدف سهل للهجمات الإرهابية، لذلك في مواجهة التهديدات المتزايدة وتعقيد النظام؛ فإنه يعد بناء المرونة في البنية التحتية للطاقة لهذه الغاية مهمةً صعبة.

اعداد مدونة تقييم المخاطر وتطبيقها على البنية التحتية الكهربائية

بينما ينبغي اعتماد معايير بناء أعلى مقاومة للكوارث؛ فإن التحديث الشامل للنظام بأكمله مكلف للغاية بحيث لا يمكن تحقيقه، وكبديل لذلك؛ فإنه تم طرح مفهوم نظام الطاقة المرن كحل للتعامل مع الأحداث المتطرفة ذات الاحتمالية المنخفضة والخسارة العالية كما أشارت الكوارث الطبيعية الشديدة السابقة، كما أدركت المرافق أنه من غير الممكن منع جميع الأحداث في جميع الأوقات.

لذلك عندما يكون فصل الأحمال الكهربائية أمراً لا مفر منه؛ فإنه يكون من الأكثر فعالية من حيث التكلفة السماح للنظام بالعمل بطريقة متدهورة لفترة قصيرة من الوقت، وذلك فقط للعودة إلى مستوى التشغيل العادي بسرعة وكفاءة، وفي ظل هذا الظرف، أصبح تحقيق مرونة نظام الطاقة أولوية قصوى للعديد من البلدان في السنوات الأخيرة.

وبدلاً من الانتظار السلبي حتى تمر الكارثة؛ فإن هناك العديد من الإجراءات قبل وأثناء وبعد الحدث الذي يمكن للمرافق العامة اعتماده لضمان الإمداد بالأحمال الكهربائية الحرجة على الرغم من الإخفاقات في المناطق الأخرى، ولفهم مرونة نظام الطاقة، تستعرض هذه الورقة الأعمال الحالية المتعلقة بالتعريف والتقييم وتحسين المرونة مع التركيز على نظام الطاقة.

استكشاف جوهر المرونة الخاصة بالنظام الكهربائي

في هذا القسم يتم تقديم المرونة لأول مرة بواسطة “هولينج” في عام (1972)م كمفهوم في النظام البيئي، والذي أشار إلى “مقياس لاستمرار الأنظمة وقدرتها على استيعاب التغيير والاضطرابات مع الحفاظ على نفس العلاقات بين السكان أو متغيرات الحالة”، وعلى مدى العقود القليلة الماضية تم اعتماد المرونة على نطاق واسع في البحث في علوم البيئة والاقتصاد وعلم النفس وعلوم المواد وهندسة الكوارث وما إلى ذلك.

وبالنسبة للبنية التحتية الكهربائية ونظام الطاقة على وجه الخصوص؛ فإنه تم طرح العديد من التعريفات ذات الجوهر المماثل، ومع التركيز على القدرة على التعامل مع الاضطرابات؛ تُعرِّف توجيهات السياسة الرئاسية الأمريكية – [21 (PPD-21)] المرونة على أنها “القدرة على الاستعداد والتكيف مع الظروف المتغيرة ومقاومة الاضطرابات والتعافي منها بسرعة”.

وعلى الرغم من عدم وجود توافق في الآراء حول تعريف المرونة؛ إلا أن جوهر تعريفات المرونة هو نفسه بشكل عام، أي أنه مفهوم شامل يشمل أداء النظام قبل وبعد الأحداث الكارثية، لذلك يمكن تعريف المرونة على أنها “قدرة الكيان على توقع ومقاومة وامتصاص والاستجابة والتكيف والتعافي من الاضطراب”، وكما هو موضح في الشكل التالي (2)، وكما هو موضح في الخط الغامق؛ فإن المرونة من المتوقع أن يقاوم النظام الاضطراب بشكل أفضل من النظام التقليدي (المشار إليه بالخط الأحمر المتقطع).

على سبيل المثال، من (t0) إلى (t1)، بحيث يمكن استخدام نظام التنبؤ المتقدم بالطقس ودعم القرار للتنبؤ بالكوارث والاستعداد لها من (t1) إلى (t2)، كما يمكن للنظام مقاومة الكوارث بشكل أفضل من خلال تصلب النظام من (t1) إلى (t2)، كما يمكن تحقيق الاستجابة والتكيف من خلال طرق إرسال الموارد بكفاءة، وفي النهاية سيتم استخدام استراتيجيات استعادة أكثر تقدماً مثل جزر الشبكة الصغيرة في الوقت المناسب لإعادة النظام إلى مستوى الأداء شبه الطبيعي.

زيادة الوعي بالمرونة في نظام الطاقة الكهربائية

مع الاعتراف بأهمية المرونة، تم وضع أولويات البحث في جوانب مختلفة من النظام، وفي عام (2009)م، زعمت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) أن المرونة يجب أن تكون سمة من سمات الشبكة الذكية، بحيث تناول اثنان من توجيهات السياسة الرئاسية الأمريكية، (PPD-8) و (PPD-21)، وعلى وجه التحديد الاستعداد الوطني للبنية التحتية الحيوية وشددا على أن نظام الطاقة مهم بشكل فريد نظراً لوظائفه التمكينية التي يوفرها عبر جميع البنى التحتية الحيوية الأخرى.

كما تعتبر البنية التحتية المتقادمة السبب الرئيسي لانقطاع التيار الكهربائي في الولايات المتحدة، لذلك يذهب الاستثمار في الولايات المتحدة بشكل أساسي إلى جهود تحديث الشبكة الكهربائية، على سبيل المثال وبموجب قانون الانتعاش وإعادة الاستثمار الأمريكي لعام (2009) من قبل وزارة الطاقة؛ فقد بلغ إجمالي الاستثمار في تحديث الشبكة حوالي (9.5) مليار دولار.

وأخيراً أصبح إنشاء نظام الطاقة المرن وتحسين المرونة من المتطلبات الحتمية لنظام الطاقة، وفي مواجهة الأحداث المتطرفة؛ فإنه يتم التعرف على المرونة باعتبارها خاصية أساسية للبنى التحتية الحيوية وكذلك المجتمع بأسره، وعلى الرغم من الكم الهائل من الأبحاث.

كذلك لا تزال المرونة موضوعاً جديداً في نظام الطاقة، ولتوضيح الغموض في هذه الدراسة فقد جري مراجعة شاملة للأعمال الحالية المتعلقة بتقييم المرونة وتحسين تقنيات أنظمة الطاقة الكهربائية، حيث يتم تصنيف وتحليل المقاييس والمنهجيات المعتمدة على نطاق واسع.