مراحل تطور أنظمة الطاقة الكهربائية الذكية والعدادات الذكية

أهمية تحديد مراحل تطور أنظمة الطاقة الكهربائية الذكية والعدادات الذكية

تم تقديم فكرة الشبكات الكهربائية في القرن التاسع عشر، ولكن تم تبنيها في البلدان المتقدمة في عام (1960م)، حيث كان لشبكة الطاقة في ذلك الوقت اختراق وقدرات كبيرة وكفاءة مناسبة بالإضافة إلى الموثوقية، كما تم استخدام الوقود الأحفوري والمحطات النووية والطاقة الكهرومائية بشكل أساسي لتوليد الطاقة لأنها كانت الأكثر اقتصادا وكفاءة في ذلك الوقت.

كما بدأ استهلاك الطاقة في الازدياد مع مرور الوقت وبلغ ذروته في القرن العشرين مع تطور الصناعة ونمو القطاع السكني، وللتعامل مع هذه الزيادة الكبيرة في الطلب على الطاقة؛ كانت هناك حاجة إلى المزيد من شبكات الطاقة الكهربائية لتزويد الطاقة خلال وقت الذروة ولحماية النظام من الجودة الرديئة لإمدادات الطاقة وتذبذبات الجهد الكهربائي.

لذلك ومن أجل التعامل مع هذه المشكلة؛ أدخل مزودو الكهرباء (DSM) لتحسين الطاقة في جانب الاستهلاك من خلال السياسات وأنماط الاستهلاك المختلفة للطاقة مثل ملء الوادي وتحويل الحمل الكهربائي وقص الذروة وما إلى ذلك، كما يؤدي تدهور ذروة الطلب إلى خفض رسوم طلب العملاء.

كذلك يتم تحقيق قص الذروة من خلال المراقبة الصريحة للأنظمة المسؤولة عن القمم، بحيث يساعد على تحقيق التوازن بين السعة المتاحة والطلب دون الحاجة إلى توليد إضافي، وبالتالي تقليل تكاليف رأس المال والصيانة ورسوم الوقود، في حين أن تحويل الأحمال يسمح للمستهلكين بتحويل الحمل إلى خارج ساعات الذروة، بحيث يوضح الشكل التالي (1) تقنيات (DSM) المختلفة.

وفي القرن الحادي والعشرين، ونظراً للتقدم الهائل في تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT)، جربت صناعة الطاقة دمج أجهزة الاستشعار الذكية في شبكة الطاقة، وهكذا أصبحت فكرة الأمين العام حقيقة واقعة، كما مكنت الميزات الجديدة من آلية الفوترة بالتضمين، مما أدى إلى إلغاء متطلبات القياس الدقيق.

وعلاوة على ذلك؛ فإن التطورات في تكنولوجيا الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والمد والجزر والطاقة الحرارية الأرضية لم تعزز فقط قدرة توليد الطاقة للنظام، ولكن أيضاً تخلصت من الأضرار البيئية على عكس الأنماط القديمة لتوليد الطاقة، وبالإضافة إلى ذلك ساهم مفهوم وتوفر أنواع مختلفة من التوليد اللامركزي ليس فقط في توفير الطاقة ولكن تم أيضاً تقليل تكلفة توزيع الطاقة الكهربائية.

التطور الزمني الحاصل على العدادات الكهربائية الذكية

يقدم هذا القسم تطور العدادات المؤدية إلى (SMs) كما هو موضح في الشكل التالي:

العدادات الكهروميكانيكية: النوع الأول والأكثر شيوعاً بين جميع أنواع عدادات الكهرباء هو مقياس الوات ساعة الكهروميكانيكية، بحيث يتضمن ملفين استقرائيين وقرص معدني دوار، كما تنتج الملفات الحثية تدفقاً مغناطيسياً حيث تتدفق الطاقة من خلالها مما يؤدي إلى مزيد من دوران القرص.

كما تتناسب سرعة دوران القرص مع الطاقة ولإصدار فواتير للمستهلكين مقابل استهلاكهم للطاقة، بحيث يتم حساب ثورات القرص، كما جعلت البساطة في التصميم العدادات الكهروميكانيكية شائعة، وذلك على الرغم من أنها لم توفر أي ميزات إضافية، ومع التقدم التكنولوجي تطلبت شبكات الطاقة تحسين المراقبة والتحكم في جوانب عدادات الطاقة مما أدى إلى تطوير عدادات إلكترونية.

العداد الرقمي الإلكتروني: العدادات الإلكترونية مبنية على تقنية رقمية دقيقة (DMT)، مما يحميها من المكونات المتحركة الثقيلة المستخدمة سابقاً في العدادات الكهروميكانيكية، كما أن هذه العدادات أكثر دقة بسبب الطبيعة الرقمية ووضعت الأساس لـ (SMs)، ومع تقدم التكنولوجيا تم تقديم ميزات إضافية لجعلها أكثر ذكاءً مما يوفر مزايا لكل من المستهلكين والموردين.

وعلاوة على ذلك، كان الموردون قادرين على توفير الطاقة بكفاءة من خلال نشر تسوية الحمل والتسعير في الوقت الحقيقي (RTP) باستخدام وظائف الوصول عن بعد، كما أعطى تطور العدادات الرقمية الإلكترونية المرونة حيث يمكن إضافة ميزات جديدة بمجرد توصيل وحدات إضافية.

كما كان للجيل الأول من عدادات الإلكترونيات الرقمية القدرة على الإبلاغ عن استهلاك الطاقة للمورد، وبالتالي تحقيق مفهوم قراءة العدادات الآلية (AMR) وقراءة العدادات عن بعد (RMR)، ومن ثم يمكن لموردي الطاقة معرفة بيانات استهلاك الطاقة دون تدخل بشري من مسافات طويلة، حيث أدى هذا أيضاً إلى الجيل الثاني من عدادات الإلكترونيات الرقمية التي تتضمن بنية تحتية متقدمة للقياس (AMI) يمكنها إدارة الطلب على الطاقة.

كما يتكون (AMI) من تتبع استهلاك الطاقة الذكي الذي يتضمن نقل البيانات وتخزينها باستخدام خوادم تبادل المعلومات في شبكات البيانات، حيث أدى ذلك إلى تطوير (SMs) التي جعلت مفهوم (SGs) حقيقة واقعة من خلال تقديم ميزات ذكية مثل مراقبة الأجهزة والتحكم فيها والاتصال والفوترة ثنائي الاتجاه وتخزين البيانات وإدارة الحمل وتحديد أعطال النظام وسرقات الطاقة وتطور المدن الذكية وتحسين الأمن والسلامة ومراقبة الانبعاثات.

العدادات الذكية (المتطورة): تسجل (SMs) استخدام الطاقة وتنقل البيانات إلى خادم البيانات المركزي بشكل دوري لغرض المراقبة والتحكم والتحليل، مما يؤدي إلى تطوير نظام (SEMS) فعال وكفء، كما ويرد عمل (SMs) في الشكل التالي، كما ويتم شرحه على النحو التالي.

كما هو معروف بأن العدادات يمكنها أيضاً قياس نطاق واسع من المتغيرات الكهربائية مثل التيار والجهد والتردد ومعامل القدرة الكهربائية، بحيث يتم تسجيل هذه المتغيرات في وقت محدد وتختلف دقة تسجيل البيانات من بضع دقائق إلى بضع ساعات حسب المتطلبات، كما يوفر تسجيل البيانات المتكرر رؤية شاملة للأحداث ويسمح باكتساب فهم أفضل لأنماط استخدام الحمل.

وغالباً ما تؤدي تنبؤات الحمل إلى ضعف (DSM)، ولكن بفضل (SMs) حيث يمكنهم التخطيط لاستراتيجيات (DSM) فعالة وكفؤة وموثوقة، إلى جانب ذلك، تبدأ (SMs) في التنبيهات والإخطارات في حالة وجود أي معامل كهربائي ينحرف عن الحد القياسي، حيث أن هذه التنبيهات مفيدة في تحديد أوجه القصور في النظام وفقدان الطاقة والقضاء عليها مما يؤدي إلى إدارة الحمل بكفاءة وتحليل الأعطال وتوصيف الحمل.

وعادة ما يتم إرسال بيانات (SM) إلى الخادم المركزي بعد فترات دورية حيث يمكن الوصول إليها، بحيث تتيح البنية التحتية للاتصالات إمكانية مشاركة البيانات بين (SMs) والخادم باستخدام اتصال لاسلكي أو سلكي اعتماداً على المسافة من الخادم إلى الأداة المساعدة، كذلك قد يكون هناك مجموعة أولية وثانوية من الروابط لتبادل البيانات التي توفر الموثوقية والمتانة في نظام الاتصال، وبشكل عام يتيح اتصال البيانات في (SM) إمكانية التتبع الفوري والتحكم في الأحمال الكهربائية المختلفة.

وعلاوة على ذلك، تمتلك (SMs) أيضاً القدرة على تخزين البيانات وهو أمر مفيد في حالة فشل الاتصال، وفي وقت لاحق وبمجرد إعادة إنشاء الاتصال؛ فإنه يمكن توصيل البيانات المخزنة إلى الخادم، كما يمكن تحسين سعة تخزين البيانات وفقاً لتفصيل البيانات، وعادةً ما يتم تخزين البيانات لحوالي (2-3) أشهر، كما يوفر تخزين البيانات الحماية ضد الإخفاقات الطبيعية، وخاصة تلطيف العدادات الذي يهدف إلى تقويض البنية التحتية للاتصالات.