شبكة المرافق الكهربائية والتحديات المتتالية وحلولها المحتملة

من المتوقع أن تواجه الشبكة الكهربائية للمرافق بعض التحديات الرئيسية لتوليد الطاقة الحديثة، كما وستطرح أنظمة التوزيع في السنوات القادمة، وفي هذه الدراسة تحديداً يتم تقديم نظرة عامة كاملة عن تلك التحديات، بالإضافة الى أمن الشبكة الذكية وتوليد نظام الطاقة ومضاعفات جانب التوزيع.

تحليل شبكة المرافق الكهربائية والتحديات وحلولها المحتملة

لطالما كان توليد الطاقة وتوزيعها من السمات الرئيسية لتطوير المجتمع الحديث، ونتيجة لذلك ينخرط الباحثون في جميع أنحاء العالم باستمرار في تطوير تقنيات مبتكرة لتلبية الطلب المتزايد على الطاقة، وفيما يتعلق بالتوليد؛ فإن مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة الكتلة الحيوية والطاقة الهجينة ستهيمن على توليد الطاقة في المستقبل، بحيث تم تصميم شبكة الطاقة الكهربائية التقليدية لتلائم نظام توزيع الطاقة التقليدي، مما يجعل من الصعب تعديل التغييرات الجارية في توليد الطاقة.

كما تواجه الشبكة الكهربائية العديد من التحديات المتعلقة بالتطور المستقبلي لتوليد الطاقة وتوزيعها، كذلك تحديد تلك التحديات ووضع الاستراتيجيات اللازمة لمواجهتها سيكون حاسما في نموها، ونظراً لأن شبكة المرافق أصبحت محوسبة بتقنيات محسنة وأجهزة إلكترونيات القدرة والشبكات الصغيرة والشبكات الذكية تكتسب شعبية؛ فإن خطر الهجمات الإلكترونية يرتفع بشكل كبير.

وهذا قد يؤثر بشكل خطير على موثوقية الشبكة الكهربائية، كما ويسبب انقطاعات خطيرة في انقطاع التيار الكهربائي، بحيث تعتمد أنظمة شبكات الجيل التالي بشكل كبير على الاتصال، كما وينطوي نقل البيانات عبر قنوات الاتصال العامة على مخاطر أمنية، بحيث تنشأ المزيد من مشكلات الأمان من البروتوكولات الضعيفة والإدارة غير السليمة للجلسة وضعف المصادقة.

كما يكتسب التوليد الموزع، مثل أنظمة الطاقة الشمسية السكنية شعبية في الآونة الأخيرة أيضاً، بحيث تقلل هذه الأنظمة من مبيعات المرافق وتقدم تحديات فريدة مثل التدفق ثنائي الاتجاه للطاقة، كذلك يتجه توليد الطاقة على نطاق واسع أيضاً نحو مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، بحيث يشكل تقطع هذه الأنظمة مشكلة كبيرة للمرافق من حيث التخطيط والتكلفة.

دور التقدم التكنولوجي في حل مشاكل مرافق الشبكة الكهربائية

نظراً لأن تجارب المرافق تتراكم مع التقدم التكنولوجي؛ فإن حلول هذه التحديات المتزايدة تكمن أيضاً في تطبيق تلك التقنيات بشكل صحيح، بحيث تحتاج المرافق إلى التحرك نحو نظام الشبكة الجديد الذي يأتي مزوداً بقدرات حسابية واتصالات متكاملة، كذلك الأمن السيبراني القوي في مثل هذه الأنظمة أمر لا بد منه، ويجب على المرافق أن تضمن ذلك.

وهذا بالطبع؛ فإنه يعني ترقيات هائلة في البنية التحتية، حيث إن التمسك بأنظمة عمرها قرن من الزمان لن يؤدي إلا إلى هلاكها، كما يحتاجون أيضاً إلى تبني التقنيات القادمة التي تمثل تحدياً لهم، وهي موارد الطاقة الموزعة (DER) ومصادر الطاقة المتجددة (RES).

كما أن هذه الأنظمة التي تمتلكها المرافق ستسمح لهم بالتحرك نحو الاتجاه الصحيح من حيث الفوائد البيئية ورضا العملاء، كما وستمكنهم من تقديم خدمات أكثر تنوعاً لعملائهم، وهناك استراتيجيات العمل الجديدة تعتبر إلزامية أيضاً لتوليد الإيرادات في مشهد المرافق المتغير، وأخيراً تتطلب كل هذه التغييرات بالتأكيد إجراء إصلاحات في اللوائح التنظيمية والفيدرالية.

التحديات المتتالية التي تواجه شبكة المرافق الكهربائية

قد تختلف التحديات المرتبطة بشبكة المرافق بناءً على السوق والنموذج والمنطقة، لكن المشاكل الأساسية تظل كما هي في جميع أنحاء العالم، وفي الغالب تعد البنية التحتية والقوى العاملة المتقادمة وتغيير مزيج الموارد وظهور التوليد الموزع والتحول نحو كفاءة الطاقة ونمو الطلب السلبي وتكامل التقنيات الذكية واللوائح غير الملائمة مسؤولة عن التحديات الهائلة التي نواجهها في شبكة المرافق.

كذلك يتم عرض مساهمات العوامل التي تضع شبكة اليوم للاختبار في الشكل التالي (2)، بحيث تتسبب البنية التحتية القديمة والقوى العاملة المتقادمة في معظم المشاكل، بينما تؤدي التحولات في التكنولوجيا واللوائح الحالية إلى بناء الباقي.

التهديدات والهجمات السيبرانية في المنفعة

يزيد تكامل المراقبة في الوقت الفعلي والاستشعار المتقدم والاتصالات من أجل التحليلات والتحكم على نطاق واسع من فرص مهاجمة نظام توليد الطاقة وتوزيعها، والذي يمكن اعتباره هجوماً إلكترونياً في أنظمة الطاقة، ونظراً لأن البنية التحتية السيبرانية تزيد من الاتصال، كما تستحوذ الأتمتة والتحكم على الشبكة الكهربائية، كما يمكن تصور هذا السيناريو من الشكل التالي (3)، والذي يوضح عدد حوادث الهجمات الإلكترونية.

التحديات في نظام النقل ومن تقادم البنية التحتية

بشكل عام، تتطلب مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة المائية خطوط نقل لمسافات طويلة لنقل الطاقة التي تولدها، بحيث يستغرق بناء هذه البنية التحتية وتخطيط وحدات التوليد سنوات عديدة، بحيث يتدهور أداء المكونات أيضاً فيما يتعلق بالوقت حيث يتعين عليها تحمل الإجهاد من القوى الكهربائية والميكانيكية والطبيعية، مما يتسبب في الاحتكاك والتوتر والتآكل. يوضح الشكل التالي (4) العوامل الكامنة وراء تدهور خطوط النقل.

التحديات التنظيمية

كما تمت مناقشته سابقاً تشكل الاتجاهات الناشئة تحديات كبيرة للمرافق، ولكن علاوة على ذلك؛ فإن المنظمات التي تحاول التعامل معها من خلال استخدام تقنيات جديدة تواجه عوائق تنظيمية، مما يؤدي إلى إبطاء تحول نموذج المنفعة الحالي، وذلك حتى لو كانت المنظمة على استعداد للقيام بذلك.

الحلول المجدية الخاصة بشبكة المرافق الكهربائية

يلزم إجراء إصلاح شامل لشبكة المرافق للوقوف بقوة في مواجهة التحديات التي تواجهها مع تغير الوقت والتكنولوجيا، كما وتشمل هذه الترقيات تجديد البنية التحتية، بالإضافة إلى التغييرات في الأعمال والاستراتيجيات التشغيلية، حيث أن هذه الخطوات التي يمكن أن تساعد المرافق في التغلب على العوائق التي تواجهها اليوم.

• تدابير الأمن السيبراني: بحيث تتمثل إحدى الطرق الممكنة للتغلب على المشكلات الأمنية للهجوم الإلكتروني في تقييم مخاطر الهجوم، كما أن هناك استراتيجيات مختلفة للتخفيف من التهديدات السيبرانية المختلفة المرتبطة بشبكة المرافق، أيضاً تنفيذ الخوارزميات المناسبة هو واحد منهم.

• تطوير البنية التحتية للنظام: لتجنب المشاكل الناجمة عن البنية التحتية القديمة؛ فإنه من الضروري للغاية تجديدها من خلال دمج أنظمة التحكم المتقدمة، كذلك النقاط الرئيسية منها هي: الأتمتة والرقمنة ومواكبة التطور التكنولوجي، كذلك الأتمتة والرقمنة أمران ضروريان لمواكبة بنية نظام الطاقة المتطورة، بحيث تحتاج هذه الأنظمة المتقدمة أيضاً إلى أجهزة كافية ليتم استخدامها في كل مرحلة من مراحل نظام الطاقة لتسهيل المراقبة والاتصال والتحكم دون انقطاع.

• استراتيجيات عمل جديدة: على الرغم من أنه كان يُنظر إلى الشبكات الصغيرة على أنها منافسة للمرافق في البداية؛ إلا أن هذين الاثنين يسيران بشكل جيد، بحيث تقوم المرافق بتركيب شبكات صغيرة خاصة بها لتوفير إمدادات طاقة ثابتة في الأماكن النائية المعرضة للانقطاع المتكرر في الإمدادات، كما تعد الشبكات الصغيرة خياراً أفضل إذا أثبت تحليل التكلفة والفائدة أنها أكثر فائدة من الخيارات التقليدية.

وأخيراً من المتوقع أن توفر الشبكة الكهربائية للمرافق بأجهزتها وتقنياتها الحديثة فوائد أكثر مقارنة بالمشاكل التي تأتي معها، مما أدى تطوير تكنولوجيا إلكترونيات القدرة والسعي نحو توليد الطاقة المستدامة إلى ظهور اتجاهات جديدة مثل الشبكة الذكية ومصادر الطاقة المتجددة، والتي تسبب بعض مشكلات الموثوقية والاستقرار التي لم تواجهها المرافق قبل القرن الحادي والعشرين.