الشبكات الذكية الموفرة للطاقة الكهربائية باستخدام التقنيات الحيوية

تحليل الشبكات الذكية الموفرة للطاقة الكهربائية باستخدام التقنيات الحيوية

بسبب زيادة الطلب على الطاقة الكهربائية من قبل العملاء التجاريين والصناعيين والسكنيين، وقد لوحظت أطر عمل كهربائية؛ فقد تمت ملاحظة متطلبات دمج مصادر الطاقة المستدامة في الشبكة الكهربائية، كما وقد تأثر ذلك بسبب الحفاظ على البيئة والحفاظ عليها وصعوبات توسيع تعريفات الطاقة ومتطلبات إطار طاقة أكثر إرضاءً.

كما أن كل هذه مجتمعة هي من بين المتغيرات التي كانت مطلوبة للبحث الموسع في الأوساط الأكاديمية والصناعية فيما يتعلق بتغيير الشبكات التقليدية إلى الشبكة الذكية، بحيث تسمى هذه الشبكة الذكية بالمثل الشبكة المستقبلية أو أطر الطاقة الذكية أو شبكة الطاقة.

وعلى النقيض من ذلك؛ فإن الشبكة التقليدية هي شبكة موحدة ويتم تصويرها من خلال تدفق اتجاهي واحد للمعلومات ومعظم الطاقة لها بنية أساسية ومخاطر أمنية غير ذات صلة، بحيث يشمل توزيع ونقل عملية الطاقة الكهربائية جميع عناصر العمليات والتحكم والدعم للشبكة، كما يتم تحصيل رسوم الاستخدام الشهري للطاقة من قبل المستخدم من خلال عملية قراءة العداد اليدوية في مباني العميل ويتم نقل فواتير الكهرباء بطريقة مماثلة.

وعلى عكس الشبكات التقليدية، يتم تصوير الشبكة الذكية من خلال تدفق ثنائي الاتجاه وحتى متعدد الاتجاهات للطاقة، وذلك جنباً إلى جنب مع الاتصالات متعددة الاتجاهات بين جميع الشركاء في صناعة الطاقة الكهربائية، وذلك كما هو موضح في هندسة الشبكة الذكية للمعهد الوطني المعايير والتكنولوجيا (NIST) في الولايات المتحدة الأمريكية كما تم تفصيلها من خلال بنية النموذج الموضحة في الشكل التالي (1).

كذلك على عكس الشبكات الذكية، يتمركز توليد الكهرباء في الشبكات التقليدية وتدفق المعلومات في اتجاه واحد فقط غير آمن وغير نظيف. بينما توفر الشبكات الذكية أنظمة آمنة وموثوقة، كما توفر الشبكات الذكية مشاركة محسّنة للعملاء والتوصيل البيني وإمكانية التشغيل البيني بين الأجهزة وتدفق المعلومات ثنائي الاتجاه في التوليد والتوزيع.

وعلاوة على ذلك، يمكن وصف المعلومات حول استهلاك الطاقة وتعريفة التسعير والعلاقة بين المستخدم والمرافق من خلال تدفق المعلومات ثنائي الاتجاه، كما يوفر (Smart gird) تكلفة معقولة لكل من المرافق والمستخدمين، ونظراً لأصول الشبكة المُحسَّنة، يتم دفع تكلفة الاستثمار المنخفضة من قبل المرافق ويتم دفع نفقات منخفضة من خلال الاستخدام بسبب استهلاك الطاقة وجدولة الأجهزة من أجل تقليل التكلفة.

كما توفر الشبكات الذكية ذكاءً متزايداً بسبب استخدام “العدادات الذكية والأجهزة الذكية”، وعلاوة على ذلك؛ فإن دمج موارد الطاقة المتجددة في الشبكة الذكية، بحيث يوفر مزيجاً من القدرة الكهربائية، بحيث توفر الشبكات الذكية أيضاً أنظمة طاقة “آمنة وموثوقة ومرنة”، كما تم توضيح بعض الخصائص الرئيسية للشبكات الذكية في الشكل التالي (2).

مراجعة الدراسات الخاصة بالشبكات الذكية الموفرة للطاقة

يمكن النظر إلى الشبكة الذكية على أنها ترتيب للتعاون والترابط بين أطر الكثافة والبيانات والمراسلات نحو الموثوقية والكفاءة وقابلية الصيانة والمرونة والأمن من خلال التدفق الفعال ثنائي الاتجاه للبيانات والطاقة بين المرافق والمستخدمين، بحيث تتميز الشبكة الذكية، وذلك كنمط طاقة مؤتمت وموزع على نطاق واسع موصوف بواسطة مسارين لتدفق الكهرباء ومجهز لمراقبة والتفاعل مع التغيير في محطات الطاقة وميول العميل وجهاز فردي.

وبالمثل، تصف الدراسات البحثية الشبكة الذكية بأنها شبكة حديثة تعمل على تمكين التدفق ثنائي الاتجاه للكهرباء واستخدامها من خلال اتصال ثنائي الاتجاه وتوفر قدرات تحكم من شأنها بدء مجموعة متنوعة من الوظائف والتطبيقات الجديدة.

كما تتضمن الشبكة الذكية استخدام الأجهزة والمفاتيح والمقابس حتى في أماكن عمل المستخدمين، بحيث يمكن تعديل أنماط استخدام الطاقة لدى العميل على أساس المعلومات السابقة المستخدمة في تعريفات الطاقة الكهربائية.

أيضاً يُقترح أن يتم الانتهاء من تغيير الشبكة التقليدية الحالية إلى الشبكة الذكية من خلال التعاون بين أطر الكثافة والبيانات والتقنيات المتوافقة كما هو موضح بواسطة (Smart Grid Systems Triangle (SGST3))، كما ستشكل كثافة الإطار قاعدة (SGST)، بينما الاتصالات ستكون التقنيات والبيانات جوانبها المختلفة لتقديم البصيرة المطلوبة والاتصال بين المرافق والعملاء.

في الشبكة الذكية، يكون تدفق البيانات من المستشعرات إلى العدادات الذكية وتتطلب إطارات الخادم البنية التحتية للبيانات والاتصالات لإطار عمل قابل للتكيف ومرن وآمن ويمكن الاعتماد عليه وكفاءة في التنفيذ، وهو مطلوب تردد مبسط ومعدل المعلومات والإنتاجية التفصيلية لتلبية احتياجات البيانات والبنى التحتية للاتصالات، حيث أن إحدى الخطوات الأساسية في الشبكة الذكية هي تجميع الضروريات لبنيتها.

نموذج النظام المقترح للشبكات الذكية

تم الأخذ في الاعتبار إطار نموذج النظام الذي يوضح النقاط البارزة في (SG) مع المراسلات ثنائية الاتجاه، وفي هذا العمل؛ فإنه يتم دمج المنزل الذكي مع أجهزة مختلفة وفقاً لاحتياجات المستخدمين، وعلاوة على ذلك تم تطوير ترتيب الأجهزة: الأجهزة القابلة للتحول والأجهزة غير القابلة للتحويل.

كما يتم إدخال العداد الذكي في كل منزل لمشاركة إشارات أسعار القيمة وتحميل الطلب بين مؤسسة الخدمة والمستهلكين، وبالإضافة إلى ذلك يتم النظر في الشبكة الصغيرة، والتي تتكون من لوحة تعمل بالطاقة الشمسية وتوربينات الرياح.

إلى جانب ذلك، تم تقديم وحدة التحكم في إدارة الطاقة (EMC) أيضاً لجدولة الأجهزة كما هو موضح من خلال تقييم توليد الطاقة وإشارات التسعير من الشبكة الدقيقة، بحيث يتم استقبال إشارة الطاقة الديناميكية (CPP) لحساب تكلفة الكهرباء، كما يتم قبول الفاصل الزمني الكامل ليوم واحد في هذا العمل، وعلاوة على ذلك، يوضح الشكل التالي إطار العمل المقترح.

الأجهزة المنزلية: في هذا القسم، يتم بتفصيل تصنيف الأجهزة. تعتبر مجموعة من الأجهزة في المنزل الذكي تعمل في فترة زمنية محددة، بحيث تبقى هذه الأجهزة في وضع الخمول أو تعمل في ظل فترة زمنية محددة في فتحة زمنية مدتها (24) ساعة، كما تم تصنيف هذه الأجهزة أيضًا على أنها أجهزة قابلة للتبديل وغير قادرة على التغيير.

كذلك الأجهزة القابلة للتحول هي الأجهزة التي يمكن جدولتها للتشغيل في غير ساعات الذروة مثل المكنسة الكهربائية وغسالة الصحون والمحرك، ومن ناحية أخرى الأجهزة المجدولة هي الأجهزة التي لا يمكن تغييرها في ساعات التحميل المنخفضة، مثل الضوء والمروحة وما إلى ذلك، كما يتم قياس عمل هذه الأجهزة من خلال أربعة معطيات، أي التكلفة (PAR) واستهلاك الطاقة وراحة المستخدم.

الشبكة الصغيرة: يتم استخدام الشبكة الصغيرة للتوليد إذا كانت الكهرباء كمصدر للطاقة المتجددة (RES) مدمجة فيها، بحيث تعد الألواح الشمسية وتوربينات الرياح بنظام تخزين الطاقة (ESS) جزءاً من الشبكة الصغيرة، وعلاوة على ذلك؛ فإن المصدر الرئيسي لتوليد الكهرباء هو (RES) مدمجة في الشبكات الصغيرة، وعلاوة على ذلك يمكن التنبؤ بسرعة الرياح والطقس باستخدام البيانات التاريخية.