مقاومة الاضطرابات الطبيعية وتحقيق مرونة الشبكة الكهربائية

البنية التحتية للكهرباء هي نظام شريان حياة بالغ الأهمية له أهمية قصوى في حياتنا اليومية، بحيث تتميز مرونة نظام الطاقة بالقدرة على مقاومة الاضطرابات والتكيف معها والتعافي منها في الوقت المناسب، كما يهدف نظام الطاقة المرن إلى التعامل مع الاحتمالات المنخفضة والأحداث عالية الخطورة.

أهمية مقاومة الاضطرابات وتحقيق مرونة الشبكة الكهربائية

يعتبر نظام الطاقة هو أساس المجتمع الحديث، بالإضافة الى تشغيله الآمن والفعال هو شرط أساسي لحياتنا الاجتماعية والاقتصادية، وعلى الرغم من حدوث فشل في المكونات غالباً بسبب الطقس أو طبيعته العشوائية، إلا أن أنظمة الطاقة مصممة لمقاومة انقطاع المكونات العشوائية بموجب مبدأ الأمان (N-1)، ومع ذلك؛ فقد جلبت العديد من الكوارث الطبيعية والهجمات التي من صنع الإنسان مؤخراً تحديات غير مسبوقة لأنظمة الطاقة، مما تسبب في انقطاع مستمر للتيار الكهربائي.

كما أن ذلك يسلط الضوء على الموقف الذي يكون فيه نظام الطاقة غير مهيأ للأحداث المتطرفة على نطاق واسع ومستوى الخطورة، على سبيل المثال في في عام (2008) للميلاد، بحيث ضربت عاصفة ثلجية جنوب الصين وتسببت في أكثر من (129) عطلاً في الخط، مما أدى إلى انقطاع التيار الكهربائي عن (14.66) مليون أسرة، وذلك في زلزال شرق اليابان الكبير في عام (2011)م.

أيضاً عانت أكثر من (4) ملايين أسرة من انقطاع التيار الكهربائي لأكثر من سبعة إلى تسعة أيام، وفي عام (2012)م تحديداً، هبط إعصار ساندي على الساحل الشرقي للولايات المتحدة وتسبب في انقطاع التيار الكهربائي لملايين الأشخاص أما في عام (2016)م، حيث ضرب إعصار مقاطعة جيانغسو بالصين وتعثر أكثر من خطي نقل بقدرة (500) كيلوفولت وأربعة خطوط نقل بقدرة (220) كيلوفولت وثمانية خطوط نقل بقدرة (110)،  كيلوفولت.

التهديدات التي يتعرض لها نظام الطاقة خلال الكوارث الطبيعية

تشتمل التهديدات التي يتعرض لها نظام الطاقة أيضاً على أخطاء بشرية وهجمات من صنع الإنسان، وذلك حسب المخطط الواضح بالشكل التالي، وفي عصر الشبكة الذكية تجعل مكونات الاتصال والحوسبة والتحكم المدمجة في نظام الطاقة النظام أكثر تعقيداً وضعفاً في نفس الوقت، بحيث يتأثر نظام الطاقة بالعشوائية الجوهرية والاضطرابات الخارجية، كما ويعتمد تشغيله على تدفق الطاقة وتدفق رأس المال وتدفق المعلومات.

وكنظام إلكتروني فيزيائي واسع النطاق؛ فإنه يمكن أن يكون نظام الطاقة الكهربائية عرضة للهجمات المستهدفة، على سبيل المثال تعرض (17) موضعاً كهربائياً لهجوم بالرصاص، وذلك في “ميتكالف كاليفورنيا في عام (2013)م، مما يدل على أن نظام الطاقة هدف سهل للهجمات الإرهابية، لذلك في مواجهة التهديدات المتزايدة وتعقيد النظام؛ فإنه يعد بناء المرونة في البنية التحتية للطاقة لدينا مهمة صعبة.

بينما ينبغي اعتماد معايير بناء أعلى مقاومة للكوارث؛ فإن التحديث الشامل للنظام بأكمله مكلف للغاية بحيث لا يمكن تحقيقه، أما كبديل تم طرح مفهوم نظام الطاقة المرن كحل للتعامل مع الأحداث المتطرفة ذات الاحتمالية المنخفضة والخسارة العالية.

كما أشارت الكوارث الطبيعية الشديدة السابقة، بحيث أدركت المرافق أنه لا يمكن منع جميع الأحداث في جميع الأوقات، لذلك عندما يكون فصل الأحمال الكهربائية أمراً لا مفر منه، يكون من الأكثر فعالية من حيث التكلفة السماح للنظام بالعمل بطريقة متدهورة لفترة قصيرة من الوقت، وذلك قط للعودة إلى مستوى التشغيل العادي بسرعة وكفاءة.

تحقيق المرونة المطلوبة من نظام الطاقة الكهربائية

• استكشاف جوهر المرونة: في هذا القسم، تتم مناقشة تعريف المرونة، بحيث تم تقديم المرونة لأول مرة في عام (1972)م، وذلك كمفهوم في النظام البيئي، والذي أشار إلى “مقياس لاستمرار الأنظمة وقدرتها على استيعاب التغيير والاضطرابات مع الحفاظ على نفس العلاقات بين السكان أو متغيرات الحالة”، وعلى مدى العقود القليلة الماضية، تم اعتماد المرونة على نطاق واسع في البحث في علوم البيئة والاقتصاد  وعلوم المواد وهندسة الكوارث وما إلى ذلك.

على الرغم من عدم وجود توافق في الآراء حول تعريف المرونة، إلا أن جوهر تعريفات المرونة هو نفسه بشكل عام، أي أنه مفهوم شامل يشمل أداء النظام قبل وبعد الأحداث الكارثية، لذلك يمكن تعريف المرونة على أنها “قدرة الكيان على توقع ومقاومة وامتصاص والاستجابة والتكيف والتعافي من الاضطراب”، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2).

• زيادة الوعي بالمرونة في نظام الطاقة: مع الاعتراف بأهمية المرونة، تم وضع أولويات البحث في جوانب مختلفة من النظام الكهربائي، وفي عام (2009)م تحديداً زعمت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) أن المرونة يجب أن تكون سمة من سمات الشبكة الذكية، وعلى وجه التحديد الاستعداد الوطني للبنية التحتية الحيوية وتم التركيز على أن نظام الطاقة بالغ الأهمية بشكل فريد نظراً لوظائفه التمكينية التي يوفرها عبر جميع البنى التحتية الحيوية الأخرى.

كما تعتبر البنية التحتية المتقادمة السبب الرئيسي لانقطاع التيار الكهربائي في الولايات المتحدة، لذلك يذهب الاستثمار في الولايات المتحدة بشكل أساسي إلى جهود تحديث الشبكة الكهربائية، على سبيل المثال وبموجب قانون الانتعاش وإعادة الاستثمار الأمريكي لعام (2009)م من قبل وزارة الطاقة؛ فقد بلغ إجمالي الاستثمار في تحديث الشبكة حوالي (9.5) مليار دولار.

التقييم الحقيقي لمرونة نظام الطاقة الكهربائية

هنا يتم تحديد ومراجعة الأعمال المتعلقة بتقييم مرونة نظام الطاقة، بحيث يتم تسهيل تطبيق التخطيط المرن والتشغيل من خلال التقييم المناسب للمرونة والمقاييس المرتبطة بها، كما كان هناك قدر كبير من المؤلفات حول هذا الموضوع المتعلق بتعريف المرونة وتقييمها، وعادةً ما تنقسم الأعمال الحالية حول تقييم المرونة إلى مجموعتين، وهما الأساليب النوعية والأساليب الكمية.

• تقييم مرونة نظام الطاقة النوعي: تم سرد الطرق الرئيسية لتقييم مرونة نظام الطاقة النوعي في الشكل التالي (3)، وفي التقييم النوعي، بحيث يمكن النظر في الجوانب المختلفة وقدرات المرونة المختلفة في وقت واحد، كما تشمل الجوانب التي يتم أخذها في الاعتبار في التقييم النوعي عادةً نظام الطاقة والأنظمة الأخرى المترابطة، مثل نظام المعلومات وسلسلة إمداد الوقود وما إلى ذلك.

• تقييم مرونة نظام الطاقة الكمي: من ناحية أخرى، غالباً ما تعتمد الأساليب الكمية على القياس الكمي لأداء النظام، كما أن المقاييس الكمية مفيدة عند تقييم فعالية بعض تدابير المرونة أو مقارنة مستوى مرونة الأنظمة المختلفة، ووفقاً للمراجعة تنعكس المرونة كمياً في انخفاض حجم ومدة الانحراف عن الأداء المستهدف.

• إطار تقييم المرونة: من التحليل أعلاه، يمكن تفسير مفهوم المرونة من وجهات نظر مختلفة وفقاً لتفضيل الباحث أو أولويته، وهنا تم تقديم إطار شامل لتقييم مرونة نظام الطاقة، وكما هو موضح في الشكل التالي (5)، بحيث يؤكد هذا الإطار على الفكرة الكامنة وراء تقييم المرونة دون معالجة التفاصيل الفنية.

وفي نهاية ذلك أصبح إنشاء نظام الطاقة المرن وتحسين المرونة من المتطلبات الحتمية لنظام الطاقة، وفي مواجهة الأحداث المتطرفة؛ فإنه يتم التعرف على المرونة باعتبارها خاصية أساسية للبنى التحتية الحيوية وكذلك المجتمع بأسره، وعلى الرغم من الكم الهائل من الأبحاث؛ لا تزال المرونة موضوعاً جديداً في نظام الطاقة، ولتوضيح الغموض تجري بالعادة مراجعة شاملة للأعمال الحالية المتعلقة بتقييم المرونة وتحسين تقنيات أنظمة الطاقة الكهربائية.