المرونة الاستباقية لأنظمة القدرة الكهربائية ضد الكوارث الطبيعية

تعد الزيادة في مخرجات الطاقة الناتجة عن الأحداث عالية التأثير منخفضة الاحتمال، مثل أحداث التغير المناخي المتطرفة المرتبطة بالطقس، وهو السبب الرئيسي وراء دراسة مرونة نظام الطاقة تحديداً، ومع ذلك؛ فإن مفاهيم المرونة وكذلك الإجراءات الاستباقية التي يمكن تنفيذها للتصدي لهذه الأحداث.

أهمية دراسة المرونة الاستباقية لأنظمة القدرة الكهربائية بشكل عام

لا تزال زيادة شدة وتكرار انقطاع التيار الكهربائي بسبب الظواهر الجوية الشديدة والأضرار الجسيمة التي تلحق بالناس والاقتصاد نقطة ضعف في البنية التحتية الكهربائية، على سبيل المثال في عام (2008)م عانى ما يقرب من (2.8) مليون مشترك في منطقة هيوستن من عدة أسابيع من انقطاع التيار الكهربائي بسبب إعصار آيك.

في هذا الوقت، بلغ إجمالي الأضرار التي سببها هذا الإعصار في المناطق الساحلية والداخلية للولايات المتحدة حوالي (24.9) مليار دولار، وفي نفس العام عانت الصين من عاصفة ثلجية شديدة، مما أدى إلى تدمير (2000) محطة كهربائية فرعية وانهيار (8500) برج مما أدى إلى انقطاع التيار الكهربائي في (13) مقاطعة و (170) مدينة.

التعريفات المرتبطة بالمرونة للتطبيقات العامة

ينشأ مصطلح المرونة من “المرونة”، وهي كلمة لاتينية تشير إلى قدرة الكائن على التعافي أو استعادة شكله أو وضعه الأصلي بعد التعرض له، لذلك كان التعريف التأسيسي للمرونة في عام (1973)م، ومن قبل هولينج، حيث تم الاعتراف به كنسبة من “استمرارية النظام وقدرته على الاحتفاظ بالاضطراب والاستمرار في الحفاظ على الروابط المماثلة بين السكان وعوامل الدولة”.

وبعد هذا التعريف؛ فقد تم تطوير مجموعة واسعة من التعريفات، مما أدى إلى عدم وجود تعريف موحد، كما تم بناء مفهوم المرونة في العديد من المجالات، مثل إدارة السلامة والإدارة التنظيمية والاجتماعية الاقتصادية على سبيل المثال، فيما يتعلق بالكوارث الطبيعية مثل الزلازل والعواصف والأعاصير، كما تم تعريف المرونة المحلية على أنها القدرة على تحمل حدث خطير بدون مصائب وخسارة في الربحية أو الحياة ودعم أقل أهمية من الآخرين.

وفيما بعد نشأ تعريف آخر من قبل المركز الوطني متعدد التخصصات لأبحاث هندسة الزلازل (MCEER) المناسب لأي بنية تحتية حرجة (CI) ويتضمن المتانة والتكرار وسعة الحيلة والسرعة، كما ويشار إليه باسم “4Rs”، وبشكل عام تعتبر المرونة كما وصفها مادني وجاكسون؛ هي قدرة متعددة الجوانب تشمل التجنب والامتصاص والتكيف والتعافي من الاضطرابات.

المفهوم الخاص بمرونة نظام الطاقة الكهربائية

فيما يتعلق بأنظمة الطاقة مثل (CI)؛ فإن الصورة أكثر ضبابية. في الآونة الأخيرة، كما تم تقديم بعض الجهود من قبل العديد من الجمعيات حول العالم، مثل مركز أبحاث الطاقة في المملكة المتحدة (UKERC) ومكتب مجلس الوزراء البريطاني والمجلس الاستشاري الوطني للبنية التحتية (NIAC)، ولتحديد مرونة نظام الطاقة؛ تعرف (UKERC) المرونة على أنها قدرة نظام الطاقة على تحمل الاضطرابات والاستمرار في تقديم خدمات الطاقة للمشتركين.

وعلاوة على ذلك؛ فإنه يمكن لنظام الطاقة المرن أن يتعافى بسرعة من الاضطرابات ويقدم خططاً بديلة للوفاء بمتطلبات خدمة الطاقة، كما حدد مكتب مجلس الوزراء في المملكة المتحدة مرونة (CI) على أنها القدرة على التوقع والاستيعاب والتكيف والتعافي بسرعة من مناسبة مزعجة، وبناءً على هذا التعريف؛ فإن الخصائص الرئيسية لثبات الثقة المرنة هي المقاومة والموثوقية والتكرار والاستجابة أو الاسترداد كما هو موصوف في الشكل التالي (1).

تفسير المرونة الفيزيائية نظام الطاقة الكهربائية

فيما يتعلق بالتغير البيئي؛ تزداد أهمية (HILP) مع توقع زيادة تكراره وشدته ومدته، وبالتالي يجب ألا يكون تصميم وتشغيل النظام موجهاً نحو الموثوقية فحسب؛ بل يجب أيضاً أن يكون موجهاً نحو المرونة، ومع التركيز على الإجراءات التي يمكن مراعاتها ضد أحداث (HILP)، ومن ثم كان من الضروري التمييز بين انقطاع التيار الكهربائي والكوارث الطبيعية فيما يتعلق بأنظمة الطاقة.

لذلك يحدث انقطاع التيار الكهربائي عندما يتم إعاقة جزء كبير من النظام من خلال سلسلة من حالات الطوارئ المفاجئة، مما يؤدي إلى انقطاعات غير دائمة، كما يجب أن يكون نظام الطاقة الموثوق قادراً على تقليل انقطاع التيار الكهربائي والتعافي بسرعة من انقطاع التيار الكهربائي، وخلاف ذلك؛ فإن الكارثة التي عادة ما تحتوي على انقطاع التيار الكهربائي، بحيث تشير إلى ظروف متطرفة وسريعة التغير قد لا تكون قد تعرضت لها من قبل.

لذلك يمكن أن تتسبب الكارثة في فشل أجزاء كثيرة من نظام الطاقة، وغالباً ما تكون كبيرة، واعتماداً على حجم الكارثة، وبالتالي؛ فإن النظام الذي يمكنه الحفاظ على درجة عالية من التنفيذ تحت أي ظرف من الظروف يجب أن يكون موثوقاً به في حالات انقطاع التيار الكهربائي الأكثر شيوعاً، ولكنه بالإضافة إلى ذلك مرن مع الكوارث ذات الاحتمالية المنخفضة، ووفقاً للخصائص المذكورة أعلاه؛ فإن المرونة هي وظيفة زمنية، لذلك يمكن تقسيمها إلى فترتين على النحو التالي:

أطر المرونة قصيرة وطويلة المدى لأنظمة الطاقة

تم توضيح مرونة أنظمة الطاقة كدالة للوقت باستخدام مخطط التعتيم الظاهر في الشكل التالي (2)، كما تشير المرونة قصيرة المدى إلى الخصائص التي يجب أن يتمتع بها النظام قبل الأحداث وأثناءها وبعدها (أي القدرة / المقاومة والسعة / التكرار والتعافي).

أحداث الاضطراب ذات الصلة بمنحنى المرونة

يتم دمج جوهر المرونة من خلال منحنيات المرونة، وكما هو الحال مع تعريف المرونة؛ فإنه لا يوجد إجماع على تمثيل منحنى المرونة، بحيث تتضمن منحنيات المرونة السمات الرئيسية لأنظمة الطاقة للتعامل مع الاضطرابات الخارجية، كما يوضح الشكل التالي (3) المنحنيات الحديثة للمرونة الموجودة في الدراسات، كما يوضح الشكل (3-a) منحنى المرونة المفاهيمي الذي يتم فيه تصنيف المرونة إلى مرونة تشغيلية ومرونة البنية التحتية.

نطاق كثافة التعرض القائمة على مرونة النظام

من الصعب السيطرة على الطقس المتطرف بسبب سلوكه الطبيعي، في حين أن التأثيرات الشديدة يمكن أن تسود من خلال إدارة التعرض وضعف نظام الطاقة، كما يتم تحديد شدة هذه الأحداث من خلال شدتها ومدتها والمنطقة التي تؤثر عليها، على سبيل المثال يتم تقييم العواصف والأعاصير بشكل خاص اعتماداً على خصائص الرياح الحالية.

وبالتالي؛ فإن التأثير الكبير للطقس الطبيعي ليس هو محور الاهتمام في هذا البحث، بحيث يوضح الشكل التالي (4) نطاق كثافة التعرض المرتبط بمرونة نظام الطاقة، كما يوضح الشكل تأثير الطقس الناتج عن ثلاثة عناصر، أي شدة الطقس والتعرض وضعف نظام الطاقة الكهربائية.

وأخيراً يعد انشاء بنية تحتية للطاقة موثوقة للتهديدات المعترف بها والممكنة، بالإضافة إلى المرونة في أحداث (HILP) ، والتي تمثل تحدياً كبيراً، ومن أجل تحقيق هذه المعضلة؛ تظهر الحاجة أولاً إلى إدراك عميق لمعنى المرونة، كما أن المرونة بالتأكيد ليست مفهوماً ثابتاً، ولكنها طريقة ديناميكية ومستمرة لتكييف الأطر والعمليات من أجل الاستعداد الفائق للصدمات الخارجية غير المتوقعة.

ونظراً لأن مواجهة أحداث (HILP) لا تزال تمثل تحدياً كبيراً؛ فإنه يجب أن يكون نظام الطاقة المرن قوياً ومرناً للعمل، ولكن يجب أيضاً أن يكون لديه القدرة على التكيف مع الخطط وتشجيع وتنفيذ الخطط للاستعداد لنفس الأحداث الجديدة في المستقبل.