دمج انترنت الأشياء في الطاقة الكهربائية

تعد أنظمة الطاقة الكهربائية (EPSs) من بين البنى التحتية الأكثر أهمية في أي مجتمع، وذلك لأنها تؤثر بشكل كبير على البنى التحتية الأخرى، وفي الآونة الأخيرة كان هناك اتجاه نحو تطبيق التقنيات الحديثة، مثل إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT)، كذلك في (EPSs) لتعزيز المراقبة والتحكم والوعي بالأوضاع والذكاء في الوقت الحقيقي.

أهمية دمج أنترنت الأشياء في أنظمة الطاقة الكهربائية

يهدف مفهوم إنترنت الأشياء (IoT) والذي قدمه “كيفن أشتون” في عام (1999)م إلى ربط أي شيء في أي وقت وفي أي مكان، كما أن إنترنت الأشياء هو نقلة نوعية جديدة في تكنولوجيا المعلومات (IT)، حيث يتم توصيل مليارات الأشياء المادية بالإنترنت ويمكنها مشاركة البيانات في الوقت الفعلي دون الحاجة إلى تدخل بشري.

وبالإضافة إلى ذلك؛ فقد أصبحت الابتكارات المتأثرة بإنترنت الأشياء، مثل التشغيل الآلي والتصنيع المتطور وتبادل المعلومات والعمليات والأنظمة الذكية والتلقائية، وهي شائعة بشكل متزايد للشركات والمؤسسات وبحلول عام (2020)م؛ ربطت إنترنت الأشياء (12.4) مليار شيء، ومن المتوقع أن يرتفع هذا الرقم إلى (26.4) مليار بحلول عام (2026)م.

الفروقات التي تقع ضمن الشبكات الكهربائية التقليدية والحديثة

فيما يلي أهم الفروق بين الشبكات التقليدية والشبكات القائمة على إنترنت الأشياء من حيث أمنها:

• يرتبط التمييز الأول والأهم بين الشبكات التقليدية وشبكات إنترنت الأشياء بوفرة الأجهزة الطرفية، وغالباً ما تشتمل شبكات إنترنت الأشياء على أجهزة مدمجة، مثل تحديد الترددات الراديوية (RFID) وعُقد الاستشعار، وذلك مع قيود على الموارد.

• فيما يتعلق بهندسة الأمان؛ تستخدم الشبكات التقليدية مجموعة من جدران الحماية وأنظمة كشف التطفل (IDS) وأنظمة منع التطفل (IPSs) وحماية محيط الشبكة الثابتة لتأمين الشبكة الكهربائية.

• تتصل غالبية أجهزة إنترنت الأشياء بالشبكة أو أجهزة البوابة من خلال اتصالات بطيئة وأقل أماناً، مثل (802.15.4 و (802.11a / b / g / n / p) وراديو طويل المدى (LoRa) و (ZigBee) و (NB-) إنترنت الأشياء و (SigFox).

• تستخدم أجهزة الشبكة التقليدية نفس نظام التشغيل وتنسيق البيانات تقريباً، ومع ذلك هناك محتويات وتنسيقات بيانات متنوعة في شبكات إنترنت الأشياء، وذلك بسبب القدرات الخاصة بالتطبيقات للأجهزة وغياب نظام التشغيل.

تحليل أنظمة إنترنت الأشياء في نطاق الطاقة الكهربائية

تستخدم شبكات إنترنت الأشياء في (EPSs)، وهي الأجهزة الذكية لجمع البيانات من الشبكة عبر طبقة إلكترونية، ثم يتم استخدام هذه البيانات لتشغيل الشبكة بشكل أكثر كفاءة وخدمة العملاء بشكل أفضل، وبالتالي يعد الاتصال وقابلية التشغيل البيني سمتين مهمتين لشبكات إنترنت الأشياء، مما يؤدي إلى إجراءات وخدمات قياسية أعلى، كما توضح الأقسام الفرعية التالية بالتفصيل التطبيقات الرئيسية لأنظمة إنترنت الأشياء في (EPSs)، والتي تظهر أيضاً في الشكل التالي (1).

توليد الطاقة الكهربائية من خلال تقنيات انترنت الأشياء

يمكن تنفيذ أنظمة إنترنت الأشياء، والتي هي مزيج من التحليلات المستندة إلى السحابة وتكنولوجيا المعلومات وتقنيات التشغيل (OT) لتطبيقات مختلفة في عملية توليد الطاقة لتحسين وعي المشغل بالظروف باستخدام البيانات في الوقت الفعلي القادمة من محطات الطاقة، كما يمكن أن يؤدي هذا الوعي المعزز بالحالة إلى تحسين تشغيل محطات الطاقة وتسهيل تكامل الطاقة المتجددة وتعزيز الصيانة في الوقت المناسب لوحدات التوليد الكهربائي.

وفيما يلي بعض تطبيقات أنظمة إنترنت الأشياء في توليد الطاقة الكهربائية:

• تحسين مزيج الوقود: يتمثل أول تطبيق لأنظمة إنترنت الأشياء في تحسين مزيج الوقود لأنواع مختلفة من وحدات التوليد، حيث أن هذه المهمة ذات أهمية كبيرة، وذلك نظراً لوجود مجموعة واسعة من وحدات التوليد في شبكة الطاقة، والتي أصبحت متنوعة بشكل متزايد.

• مراقبة انبعاثات محطات الطاقة: يمكن استخدام الأنظمة المدمجة القائمة على (IIoT)، وذلك لرصد انبعاثات الغازات الضارة من محطات الطاقة الحرارية عن طريق قياس تركيزات أول أكسيد الكربون (CO) والمواد الجسيمية (PM) المنبعثة منها.

• رقمنة أسواق الطاقة: يعتبر سوق الطاقة هو تطبيق مهم آخر لأنظمة إنترنت الأشياء، وحتى الآن تم استخدام التعريفات الحجمية كنموذج إيرادات في (EPSs) التقليدية.

• السيطرة على مصادر الطاقة المتجددة: من الضروري زيادة مستوى تغلغل موارد الطاقة المتجددة في (EPSs) المستقبلية، ومع ذلك؛ فإن مصادر الطاقة هذه متقطعة بطبيعتها، كما وتعتمد بشكل كبير على العوامل البيئية على سبيل المثال،

• رقمنة توليد الطاقة: لتشغيل (EPSs) بذكاء وتحقيق التوازن الفعال بين العرض والطلب؛ فإنه من الضروري جمع البيانات في الوقت الفعلي من كل من شبكات النقل والتوزيع الكهربائية.

نقل الطاقة الكهربائية من خلال تقنيات انترنت الأشياء

تواجه أنظمة النقل الحالية تحديات، مثل الاستجابة البطيئة لانقطاع التيار وفقدان الطاقة العالية وسرقة البيانات وضعف مراقبة خطوط النقل الكهربائية والمكونات الأخرى، بحيث يمكن معالجة هذه التحديات من خلال تنفيذ أنظمة إنترنت الأشياء للمراقبة في الوقت الحقيقي لشبكات الإرسال.

على سبيل المثال، تم تطوير منصة مراقبة تعتمد على إنترنت الأشياء للمحطات الفرعية، كما وتم تنفيذها عمليًا في محطة فرعية محلية للطاقة تابعة لمنشأة بتروكيماوية في تكساس الولايات المتحدة الأمريكية، بحيث تراقب هذه المنصة جميع المعلمات الهامة للمحطات الفرعية، بما في ذلك الجهد والتردد والطاقة وحالة قاطع الدائرة ودرجات حرارة المحولات الكهربائية، خاصةً في الحالة المستقرة وأثناء العبور.

وفي هذا النظام الأساسي؛ فإنه يتم توفير الختم الزمني والمزامنة عالية الدقة باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي القياسي، كما ويتم الحصول على البيانات عالية السرعة والموثوقة ومعالجتها باستخدام وحدات تحكم مضمنة (FPGA).

توزيع الطاقة الكهربائية من خلال تقنيات انترنت الأشياء

على غرار أنظمة النقل، تواجه شبكات التوزيع عدداً من التحديات، بما في ذلك انقطاع التيار الكهربائي والاستجابة غير الفعالة للطلب وسرقة الكهرباء وحتى التكامل غير الفعال لموارد الطاقة الموزعة، كما يمكن معالجة هذه التحديات من خلال استخدام أنظمة إنترنت الأشياء في مجالات مختلفة من أنظمة التوزيع، وذلك كما هو موضح أدناه.

• الشبكات الذكية: تتمتع الشبكات الذكية بتدفق ثنائي الاتجاه للمعلومات بين المستهلكين والموردين، والذي يمكن استخدامه لتحسين النظام وتوزيع الطاقة الكهربائية بكفاءة.

• إدارة الحمل الذكية: بشكل عام، يمكن تقسيم استهلاك الطاقة الكهربائية إلى أربع فئات، وهي السكنية والتجارية والصناعية والنقل، بحيث يناقش هذا المجال كيفية استخدام إنترنت الأشياء لإدارة استهلاك الطاقة في الأحمال الكهربائية السكنية والصناعية.

في النهاية لقد أتاح نشر إنترنت الأشياء الصناعية فرصاً مختلفة لـ (EPSs)، مثل تحسين رؤية الأصول وإدارة الطاقة والتحكم في التوليد الموزع، وذلك فضلاً عن تقليل فقد الطاقة، ومع ذلك؛ فإن التحديات الأمنية لأنظمة إنترنت الأشياء الصناعية قد حاصرت النشر على نطاق واسع للتطبيقات القائمة على إنترنت الأشياء في (EPSs).

كما تناولت هذه الدراسة بالتفصيل التطبيقات المستندة إلى إنترنت الأشياء في (EPSs) وناقشت أكثر معماريات إنترنت الأشياء شيوعاً لتنفيذ هذه التطبيقات، كما تم تسليط الضوء على المتطلبات الأمنية الرئيسية للأنظمة الكهربائية القائمة على إنترنت الأشياء.