مركز البيانات الديناميكية لدعم عمليات الشبكة الكهربائية

تحليل مركز البيانات الديناميكية لدعم عمليات الشبكة الكهربائية

مراكز البيانات عبارة عن “مستودعات تخزين رقمية” كثيفة الطاقة مع متطلبات تشغيلية صارمة للغاية في حالة حدوث أي انقطاع مفاجئ للطاقة أو الاتصالات، لذلك لا يخلو تشغيل مراكز البيانات من التحديات من حيث متطلبات مستوى الهندسة والخدمة واستهلاك الطاقة الكهربائية والمسؤولية الاجتماعية للشركات مع مراعاة مخاوف الاستدامة العالمية.

أولاً يعتمد مستوى التكرار على احتياجات العميل والمتطلبات التعاقدية، وهذا يعني أن جميع مراكز البيانات مجهزة بمصادر طاقة غير منقطعة في الموقع (UPS)، ونتيجة لذلك يمكنهم التعامل مع الانقطاعات المفاجئة جداً لإمدادات الطاقة في الشبكة بسرعة عن طريق إحضار (UPS) الخاصة بهم عبر الإنترنت لضمان أمان البيانات أو إمكانية الوصول وفقًا لمتطلبات العملاء.

كما أن هذا لضمان التشغيل الموثوق به لمراكز البيانات أثناء أعطال الشبكة الكهربائية، وذلك لأن (47.6٪) من الانقطاعات التشغيلية في مراكز البيانات تتعلق بفشل الطاقة الكهربائية و (15.9٪)، بحيث تتعلق بأعطال وفشل تكنولوجيا المعلومات و (36.5٪) تتعلق بالتأثيرات الخارجية، على سبيل المثال أضرار العواصف، الحرائق، الفيضانات، الزلازل.

ثانياً يتمثل أحد التحديات التي تواجه الصناعات كثيفة البيانات (مثل Google و Microsoft و Facebook و Amazon وحتى بورصات الأوراق المالية) في أن تخزين البيانات متعطش للطاقة مما ينتج عنه بصمة كربونية كبيرة، وحالياً تستخدم مراكز البيانات حوالي (200) تيرا واط ساعة كل عام، أو (1٪) من الطلب العالمي على الكهرباء، كما وتساهم بنسبة (0.3٪) في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية (CO2).

كذلك كان من المتوقع أن يزداد هذا الطلب على الخدمات الرقمية، ومع جائحة فيروس كورونا 2019م (COVID-19) قد يحدث بشكل أسرع مما كان متوقعاً في البداية حيث يحدث المزيد من العمل والتعليم والتواصل الاجتماعي الرقمي، كما أن هناك تقديرات مختلفة للنمو، ولكن يقدرون ما يصل إلى 13٪ من الطلب العالمي على الطاقة بحلول عام 2030م.

التحدي هو الانبعاثات، كما وتخطط معظم البلدان للانتقال إلى تقنيات الطاقة المتجددة للتخفيف من و القضاء على الانبعاثات من أنظمة الطاقة الخاصة بهم، كذلك لدى الاتحاد الأوروبي (EU) مراكز بيانات لتكون محايدة للكربون بحلول عام 2030م، كما تريد القطاعات والصناعات التي تستخدم السحابة ومراكز البيانات أن يُنظر إليها على أنها مسؤولة اجتماعياً وتدفع أوراق الاعتماد الخضراء جزءاً كبيراً من هذا.

منهجية ونموذج المعايرة الخاصة بمركز البيانات الديناميكية

نمذجة تحميل مركز البيانات

في هذا التحليل، يتم تمثيل مراكز البيانات بالحمل المجمع عند نقطة الإمداد بالجملة المتصلة بشبكة النقل، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، كما تم اختيار الناقل (04)، وذلك نظراً للتشابه الطوبولوجي مع التجميع الحقيقي لمراكز البيانات الأيرلندية في دبلن المنطقة، بحيث تتم محاكاة وحدات التحكم والقواطع في مركز البيانات باستخدام نماذج محددة بشكل عام في (DIgSILENT PowerFactory).

بينما يتم اعتبار تأخيرات الاتصال باستخدام واجهة (python-DIgSILENT)، وذلك كما موضح في الشكل التالي (1) تخطيط نماذج تحميل مركز البيانات الإجمالية المصممة للمشاركة في برنامج (DR)، وذلك نظراً لأن الاستجابة من أحمال تكنولوجيا المعلومات ومولد الديزل لم يتم أخذها في الاعتبار في هذا البحث؛ فمن الواضح أن النوعين المتبقيين من الأحمال متاحان للمشاركة في (DR) باستخدام أوضاع التشغيل الثابتة والديناميكية.

حيث يلخص الشكل السابق (2) المنهجية العامة لمراكز البيانات للمشاركة في خدمة (FFR)، كما ويبدأ الإجراء بسيناريوهات تشغيلية متنوعة للاستجابة السريعة لنفس إرسال توليد الطاقة، وبالنسبة للاضطراب المحدد؛ يتم حساب مقاييس تردد النظام (على سبيل المثال، نظير التردد الكهربائي و RoCoF)، وذلك استجابةً لكل من نماذج الحمل الثابت والديناميكي، والتي سيتم شرحها في الأقسام التالية.

وهنا يتم تصميم الموفرين الساكنين بطريقة يتم فيها إيقاف تحميل شبكة الطاقة من مركز البيانات بأكمله بطريقة فائقة السرعة، بحيث يتم تشغيل هذا النوع من الاستجابة فور اكتشاف بداية اضطراب عند انحراف تردد محدد مسبقاً أو كإجراء من (TSO) في المقابل، كما تعتبر (DR) القائمة على نظام (UPS) وأحمال (HVAC) القابلة للتحويل بمثابة مزودي ديناميكيين أذكياء.

كذلك تم تطوير نظام (UPS) باستخدام نموذج تخزين الطاقة العام القياسي في (PowerFactory)، بحيث تم تدريب وحدة التحكم على تقديم خدمة التردد الكهربائي باستخدام خصائص الاستجابة المتدلية، كما يمكن الاستفادة من جزء من سعة (UPS) التي تم تجاوزها بشكل فعال عند الأمر لتوفير خدمات (FFR) مشابهة لتكوين مركبة إلى شبكة.

علاوة على ذلك؛ فإنه تم تصميم وحدات (HVAC) بواسطة نموذج ديناميكي غير خطي باستخدام لغة محاكاة (DIgSILENT-DSL) مع افتراض أن نقطة ضبط درجة الحرارة لجهاز (HVAC)، والتي يتم تغييرها باستمرار لتتبع إشارة تردد النظام، كما يتتبع هؤلاء المستخدمون الملتزمون باستمرار تردد النظام لجميع قيم التردد خارج حدود النطاق الميت.

كما يتم وضع افتراضين لـ (TSO) لمراقبة بداية الاضطراب وتقدير مقدار فقد الطاقة من أجل تشغيل وحدات طلب كافية:

• تضمن وحدة قياس الطور (PMU) إمكانية ملاحظة المولدات الرئيسية ذات الصلة والأحمال التي يمكن التحكم فيها بما في ذلك تردد الناقل والجهد وزاوية الجهد الكهربائي، إلخ.

• يمكن أن توفر أنظمة (PMU) الموزعة معلومات حول توفر الأحمال المتضمنة في (DR).

نظام الطاقة قيد الدراسة (نظام الطاقة الايرلندي)

يستخدم نظام (39 Bus New England) القياسي لتقييم الأداء الديناميكي لنظام الطاقة الأيرلندي في إطار رحلة مولد تغذية مفردة كبيرة، حيث تعتبر “جزيرة أيرلندا” معزولة بشكل متزامن عن أي نظام تكييف كبير آخر، كما أنه نظام طاقة صغير مع حوالي (9.53) جيجاوات من التوليد الحراري القابل للتشتت، بحيث تم تسجيل ذروة الطلب عند (6.53) جيجاوات والحد الأدنى للطلب (2.42) جيجاوات خلال فصلي الشتاء والصيف من عام 2017م على التوالي.

يحتوي النظام على (10) مولدات متزامنة بإجمالي توليد وطلب يبلغ (6.14) جيجاوات و (6.10) جيجاوات على التوالي و (34) خط نقل و (19) نطاق تحميل و (12) محولاً، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (3)، وهكذا في حالة الاستقرار، بحيث يكون نظام “نيو إنجلاند” قابلاً للتطوير ذروة الطلب في فصل الشتاء على نظام الطاقة الأيرلندي.

كما أن جميع المولدات الكهربائية باستثناء مولدات هي آلات متجاوبة (Prg) تعمل في الوضع الحساس للترددات، بحيث تتغير طاقة الخرج مع نموذج حاكم قياسي (IEEEG1)، كذلك نمذجة المولد (G30) عبارة عن محطة مائية مزودة بحاكم قياسي (IEEEG3)، كما يوفر المولد (G39) القصور الذاتي ولكن بدون تدلي متأصل؛ فهو مولد غير مستجيب (Pnrg)، كما تم تجهيز جميع المولدات التقليدية بنظام منظم الجهد الأوتوماتيكي (IEEE) من النوع (1) ولا يتم استخدام مثبتات نظام الطاقة، كما تم نمذجة تبعية الجهد للأحمال باستخدام (1) و (2).