شبكات الاتصالات الكهروضوئية

مع ثورة الشبكة الذكية سيكون لكل منزل القدرة على توليد احتياجات الطاقة الخاصة به محلياً من خلال أنظمة الطاقة المتجددة مثل الخلايا الكهروضوئية “PV” وتوربينات الرياح “WT”، كما تم تطوير هندسة شبكات الاتصالات باستخدام وسيط سلكي ولاسلكي مخصص لمراقبة أنظمة الطاقة الموزعة “DES” وكذلك التحكم فيها بما في ذلك نظام “WT” و”PV” صغير الحجم.

ما هي شبكات الاتصالات الكهروضوئية

شبكات الاتصالات الكهروضوئية: هي نظام شبكة كهرباء صغير الحجم يتكون من عدد من مصادر الطاقة الموزعة والأحمال ووحدات التخزين، وهي مسؤولة عن ضمان كفاية الطاقة في منطقة صغيرة، كما تعتمد فعالية الشبكة الصغيرة الذكية على التنفيذ المناسب لنظام الاتصال والشبكات الذي يراقب ويتحكم ويدير عمليات الشبكة، ونظراً لاستهلاك الطاقة المتزايد باستمرار في جميع أنحاء العالم فقد زادت الحاجة إلى إطار عمل فعال لإدارة طريقة توزيع الطاقة واستخدامها.

• “PV” هي اختصار لـ “Photovoltaic”.

• “WT” هي اختصار لـ “wind turbines”.

• “DES” هي اختصار لـ “distributed energy systems”.

أساسيات شبكات الاتصالات الكهروضوئية

لمراقبة حالة النظام المستقل “PV” و”WT” يتم استخدام أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار لجمع بيانات قياس مختلفة، كما يتم حساب معدل نقل البيانات لكل مستشعر وفقاً لتردد أخذ العينات وبالنسبة لـ “DES” في الوضع المتصل بالشبكة، يتم تكوين شبكة الاتصالات لنظام الشبكة الصغيرة بواسطة بنية هجينة أي سلكية ولاسلكية.

واستناداً إلى طوبولوجيا الشبكة والتكوين المختلف للشبكة يتم استخدام مصمم “OPNET” لتقييم الأداء في ضوء التأخير الكلي من طرف إلى طرف باستخدام ثلاث تقنيات مختلفة، وهي “Ethernet” القائمة على “Ethernet” والبنى القائمة على “Wi-Fi” والمستندة إلى “ZigBee“.

والهدف الرئيسي هو دراسة التفاعل الأساسي بين شبكات الاتصالات والطاقة في سياق الشبكات الصغيرة الذكية ومصادر الطاقة المتجددة، ومن ناحية أخرى يتم تحديد تقنيات معالجة الإشارات المتقدمة وطرق الاتصال التي تعمل على تحسين تشغيل أنظمة الشبكات الصغيرة الذكية.

ومن ناحية أخرى يتم الاهتمام بشبكات الاتصالات المتنقلة مع المحطات الأساسية القائمة على مصادر الطاقة المتجددة والبحث في تقنيات الاتصال، والشبكات التي تأخذ في الاعتبار حركة البيانات وملفات تعريف الطاقة لدعم جودة الخدمة العالية “QoS”.

سيتم اختبار النتائج النظرية المستمدة من خلال شبكة الاتصالات السلكيةواللاسلكية وباستخدام أحدث المعدات لمعمل أبحاث “CITI / INRIA” ، كما ستوفر إطاراً نظرياً وعرضاً عملياً للتعاون الأمثل بين شبكات الاتصال وشبكات الطاقة في سياق الشبكات الصغيرة الذكية ومصادر الطاقة المتجددة.

• “QoS” هي اختصار لـ “quality of service”.

التحكم في المصادر والأحمال المحلية حسب القيود والأهداف في شبكات الاتصالات الكهروضوئية

عند دمج المصادر المحلية مثل نظام الكهروضوئية في التركيبات الكهربائية للمبنى، غالباً ما تكون وظائف التحكم مطلوبة، كما ستعتمد هذه الوظائف بشكل أساسي على المصادر المحلية المتاحة وعلى العقد المبرم مع مورد الطاقة المحلي، وعلى نوع التثبيت كم متصل بالشبكة أو من النوع الصغير أو خارج الشبكة، وعلى سبيل المثال للتثبيت باستخدام إنتاج الطاقة الكهروضوئية المتصل بالشبكة يمكن أن تتضمن وظائف التحكم المطلوبة ما يلي:

• الحد من إنتاج الطاقة الكهروضوئية لتجنب حقن الطاقة في الشبكة.

• إدارة عامل الطاقة عند نقطة اتصال الشبكة لتجنب العقوبات.

• تحويل الأحمال إلى فترة الإنتاج الكهروضوئي لزيادة الاستهلاك الذاتي.

• المشاركة في الاستجابة للطلب، خاصة عندما يكون التخزين أو المولدات جزءاً من التثبيت.

وإذا أخذ مثالاً على نوع الشبكة الصغيرة فستكون وظائف التحكم الإضافية مطلوبة لأنّ نظام التحكم يجب أن يضمن الانتقال من الوضع المتصل بالشبكة إلى الوضع خارج الشبكة والعكس صحيح، بالإضافة إلى التوازن بين الاستهلاك الكهربائي وإنتاج الطاقة الكهربائية المحلية في وضع خارج الشبكة.

استخدم التحليلات المتقدمة لتحسين استخدام المصادر المحلية في شبكات الاتصالات الكهروضوئية

تتيح التحليلات المتقدمة المستندة إلى السحابة مزيداً من التحسين لاستخدام إنتاج الكهرباء المحلية ممّا يؤدي إلى تحقيق وفورات اقتصادية إضافية، ومن خلال النظر في المعايير التكميلية مثل تغيير تعرفة الكهرباء والتنبؤات الجوية والاستهلاك المتوقع، توفر التحليلات المتقدمة التكوين الأمثل للنظام وكما يتم إرسال نقطة تعيين لكل مصدر محلي إلى نظام التحكم المحلي لتنفيذ هذا التكوين الأمثل بشكل مستمر.

من المشكلات العامة المتعلقة بالطاقة الكهربائية صعوبة تخزينها بكميات كبيرة، حيث تربط الشبكة الكهربائية المستهلكين بمحطات التوليد ويجب أن يتطابق الاستهلاك مع الإنتاج، كما يمكن أن يتسبب أي خلل كبير في عدم استقرار الشبكة أو تقلبات شديدة في الجهد، كما قد يتسبب في حدوث أعطال داخل الشبكة.

في الحالات القصوى يتم استخدام انقطاع التيار الكهربائي لتقليل الحمل، كما تعتبر الطاقة الشمسية مصدراً جذاباُ من حيث أنّها وفيرة ونظيفة مع عدم وجود تكلفة متغيرة للإنتاج تقريباً، ومع ذلك فإنّ ناتج المصفوفة يعتمد على الوقت من اليوم والوقت من السنة والطقس، وعلاوة على ذلك تولد الألواح الكهروضوئية تياراً مباشراً (DC).

والذي يجب تحويله إلى تيار متردد (AC) ومطابقته للجهد والتردد ومرحلة الطاقة على الشبكة، ومن ثم فمن الأهمية بمكان مراقبة تدفق الطاقة الشمسية على الشبكة، والتحكم فيه والإبلاغ عنه في الوقت الفعلي، والمراقبة والتحكم في الوقت الحقيقي لتوليد الطاقة أمر بالغ الأهمية، وعلى هذا النحو يتم نشر شبكة التحكم الإشرافي واكتساب البيانات “SCADA” في الموقع والمحطة الفرعية، وجميع مواقع “PVCS / PCS” من مركز التحكم في الموقع “SCC”.

تعتبر كابلات الألياف الضوئية مثالية لتوفير هذا الاتصال ومع توهين الإشارة “<0.4 ديسيبل / كم”، فإنّ مدى وصول الكابل لا يحد من أي حجم للنشر، والأفضل من ذلك أنّ الطبيعة العازلة المتأصلة في الألياف الزجاجية والكابلات الضوئية تعني عدم وجود تداخل في الإشارة أو تلف المعدات، أو مخاوف تتعلق بالسلامة عند التشغيل وسط كابلات الطاقة عالية الجهد التي تجمع وتجمع الطاقة الشمسية.

كما يتمثل سيناريو النشر النموذجي في تشغيل حلقات الألياف من “SCC” عبر مواقع “PVCS” ومن “PVCS” إلى مواقع “PCS”، وبالإضافة إلى شبكة “SCADA” يمكن نشر تطبيقات أخرى على نفس البنية التحتية للألياف، كما يمكن أن تكون كاميرات المراقبة إضافة مفيدة لمشغل الموقع حتى يتمكن من رؤية ما يجري بصريًا قبل إرسال فني ومركبة للتحقيق.

• “DC” هي اختصار لـ “direct current”.

• “AC” هي اختصار لـ “Alternating Current”.

• “SCADA” هي اختصار لـ “Supervisory control and data acquisition”.

• “PCS” هي اختصار لـ “Patchable Control Srore”.

• “PVCS” هي اختصار لـ “Permanent Virtual Circuit”.

عدد الألياف ونوعها في شبكات الاتصالات الكهروضوئية

يعد تحديد حجم مصنع الألياف من عدد ونوع الألياف قراراً مهماً لأنّه مكلف ومزعج لإضافة سعة في وقت لاحق، كما تُستخدم بنية الحلقة لتوفير التسامح مع الخطأ والتكرار مع وصول الألياف لتغذية كل موقع من اتجاهين، ولا تعد متطلبات النطاق الترددي عالية في هذه التطبيقات ولكن يمكن أن يصل طول الارتباط إلى عدة كيلومترات، وعلى هذا النحو فإنّ وضع المفرد القياسي “G.652” هو نوع الألياف المفضل.

فيما يتعلق بعدد الألياف عادةً ما يتم توفير “12 أليافاً” من “SCC” إلى كل موقع من مواقع “PVCS”، كما قد يستلزم ذلك تشغيل كابل من “48 ليفاً” عبر مواقع “PVCS الثلاثة”، وإسقاط “12 ليفاً” في كل منها و”12 ليفاً” في موقع المحطة الفرعية.

يتم تشغيل كابلات الألياف الستة عادةً من أجهزة الكمبيوتر الشخصية إلى أجهزة الكمبيوتر الشخصية كما يوفر هذا أربعة ألياف لدائرتين من التحكم وبالإضافة إلى قطعتيْن، ومع ذلك إذا كانت المراقبة بالفيديو أو تطبيقات أخرى مطلوبة فقد يكون “12 ليفاً أكثر ملاءمة.