المحطة الفرعية: الاستراتيجيات الرئيسية لتعزيز استقرار الشبكة وكفاءتها

لماذا يُعَد تحديث المحطات الفرعية حجر الزاوية في استقرار الشبكة

فكّر في محطات التحويل على أنها العقل المدبر وراء شبكاتنا الكهربائية، حيث تُعنى بكل شيء بدءًا من تغيير مستويات الجهد ومرورًا بتوازن الأحمال وعزل الأعطال لمنع انقطاع التيار الكهربائي بشكل غير متوقع. لكن المشكلة تكمن في ما يلي: فإن أغلب هذه المرافق قد تجاوزت عمرها الافتراضي بكثير، إذ بُنيَت في زمنٍ كان فيه تشغيل الشبكة أبسط بكثير. والآن تتعرّض هذه المحطات لضغوط هائلة ناجمة عن طلبات جديدة متنوّعة، مثل شحن المركبات الكهربائية (EV) في كل مكان، وتركيب ألواح الطاقة الشمسية على أسطح المباني، وتزايد حدوث الظواهر الجوية المتطرفة أكثر من أي وقت مضى. وببساطة، فإن المعدات القديمة ليست مُصمَّمة للتعامل مع تدفّق الطاقة ثنائي الاتجاه القادم من مصادر الطاقة المتجددة الصغيرة النطاق. ولنكن صريحين: ف никто لا يرغب في إنفاق المال لإصلاح شيءٍ ما إلا بعد أن يتعطّل تمامًا، ما يعني أن المشكلات تتدهور تدريجيًّا مع مرور الوقت. وعندما تتعطّل محطة تحويل، فإن تأثيرها لا يقتصر على منطقة واحدة فقط، بل قد تؤدي إلى انقطاع التيار في مناطق بأكملها؛ ووفقًا لأبحاث معهد بونيمون التي أُجريت العام الماضي، فإن تكلفة كل انقطاع كهربائي كبير تبلغ نحو ٧٤٠,٠٠٠ دولار أمريكي على شركات توزيع الكهرباء. وهنا تظهر أهمية التكنولوجيا الحديثة. فتركيب أنظمة مثل نظام الإشراف والتحكم الإشرافي (SCADA) يمكّن المشغلين من مراقبة حالة المعدات باستمرار، كما أن هناك أجهزة حماية متطورة وأدوات قائمة على الذكاء الاصطناعي تساعد في التنبؤ بالأعطال قبل وقوعها. وهذه التحسينات تحوّل ما كان في السابق عناصر ساكنة في النظام إلى مكوّنات نشطة تساهم فعليًّا في الحماية من حالات الانقطاع. ومع ذلك، إذا أهملنا الاستثمار في هذا النوع من التحديثات، فإن شبكة الكهرباء بأكملها ستظل عُرضةً للخطر، مما يعرّض المستشفيات للخطر أثناء العواصف، ويسبّب مشكلات جسيمة للشركات التي تعتمد على إمدادات طاقة مستقرة، خاصة تلك التي تدير مراكز بيانات ضخمة لا تتوقف أبدًا عن العمل.

الدعائم الأساسية لتحديث المحطات الفرعية: الأتمتة، والمرونة، والذكاء

هندسة المحطة الفرعية الرقمية وتكامل معيار IEC 61850

تُغيِّر المحطات الفرعية الرقمية قواعد اللعبة من خلال استبدال الأسلاك النحاسية القديمة بكابلات الألياف البصرية واتصالات الإيثرنت. ويسمح هذا الترتيب لجميع تلك الأجهزة الإلكترونية الذكية بالتحدث مع بعضها بعضاً في الوقت الفعلي طوال النظام كله. وهناك معيارٌ يُدعى IEC 61850 يعمل كـ«لغة مشتركة» تغطي كل شيء بدءاً من ريليهات الحماية ووصولاً إلى العدادات وأجهزة التحكم المصنَّعة من قِبل شركات مختلفة. ولن تعود الحاجة بعد الآن إلى التعامل مع الأنظمة الخاصة المغلقة! ويحب المهندسون هذا المعيار لأنه يخفف عنهم عبء التعامل مع مشكلات التوافق العديدة. ووفقاً للتقارير الميدانية، يمكن لهذه التغييرات أن تخفض نفقات الهندسة بنسبة تصل إلى ٣٠٪ تقريباً، كما تُسهِّل اكتشاف المشكلات وتحلّها بشكل أسرع. وعند تنفيذ حافلات العمليات (Process Buses)، تصبح التوصيلات الكهربائية أبسط بكثير أيضاً. وبعض التثبيتات تسجِّل انخفاضاً في درجة التعقيد يصل إلى ٧٠٪. وهذا يعني أنه أصبح من الممكن إضافة مصادر الطاقة الموزَّعة مثل مزارع الطاقة الشمسية دون الحاجة إلى هدم غرف التحكم بأكملها لمجرد تهيئة مساحة للمعدات الجديدة.

تعزيز محطات التحويل لتصبح مقاومةً لتغيرات المناخ في مواجهة الأحداث الجوية القصوى

ووفقًا لتقرير وزارة الطاقة لعام ٢٠٢٣، فإن نحو ٤٠ في المئة من حالات تعطل المحطات الفرعية حول العالم تُعزى فعليًّا إلى الظروف الجوية القاسية. وقد أدى ذلك إلى قيام العديد من شركات المرافق العامة باستثمار أموالٍ في كلٍّ من التحديثات المادية وإدخال إجراءات تشغيلية محسَّنة على مرافقها. وبخصوص التعامل مع الفيضانات تحديدًا، يعمد المهندسون عادةً إلى رفع المكونات الحيوية إلى ارتفاعٍ كبيرٍ جدًّا فوق ما يُعتبر مستوى الفيضان الطبيعي في معظم المناطق. بل إن بعض المنشآت تذهب إلى أبعد من ذلك باستخدام غلافٍ مقاومٍ للماء خاصٍّ يشبه تلك المستخدمة في الغواصات. أما بالنسبة للحرائق البرية، فقد برز اتجاهٌ نحو تطبيق طبقات واقية مقاومة للحرارة على المعدات، وتدوير الكابلات تحت سطح الأرض كلما أمكن ذلك، وتثبيت مستشعرات ذكية قادرة على كشف المؤشرات الأولى لنشوب الحرائق عبر أنظمة الذكاء الاصطناعي. وبعيدًا عن التحسينات التي تطال البنية التحتية المادية فقط، فإن بعض الشبكات الكهربائية تستخدم اليوم برمجياتٍ لتحليل بيانات الطقس في الوقت الفعلي، تقوم تلقائيًّا بإعادة توزيع الأحمال الكهربائية قبل وصول العواصف الكبرى إلى المناطق الساحلية. وأفادت إحدى شركات توليد الطاقة بأنها نجحت في خفض انقطاعات الخدمة خلال موسم الأعاصير الأخير بنسبة تصل إلى نحو ثلثيها بفضل هذه التدابير الاستباقية.

الصيانة التنبؤية المدعومة بالذكاء الاصطناعي ومراقبة صحة الأصول في الوقت الفعلي في المحطات الفرعية

تبدأ محطات التحويل الكهربائية اليوم في الاعتماد على الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بمشاكل المعدات قبل حدوثها، مما يجعل شبكة الطاقة بأكملها أكثر موثوقية بكثير. تُحلِّل هذه الأنظمة الذكية السجلات القديمة للأداء إلى جانب البيانات الحية المستمدة من أنواع مختلفة من المستشعرات. وتتحقق من أمور مثل صور الحرارة والتفريغات الكهربائية الصغيرة التي قد تشير إلى وقوع مشكلة ما مع المحولات أو قواطع الدوائر أو تلك المكونات الكبيرة عالية الجهد التي لا نفكر فيها غالبًا. عندما تقوم الشركات بإصلاح المشكلات بهذه الطريقة بدلاً من الانتظار حتى مواعيد الفحص المقررة، فإنها تقلل من انقطاعات التيار غير المتوقعة بنحو النصف. كما تدوم المعدات نفسها لفترة أطول أيضًا، ربما بنسبة تتراوح بين 20 إلى 40 بالمئة إضافية. وهذا يُترجم إلى وفورات هائلة عبر القطاع بأكمله، تقدر بنحو 740 مليار دولار سنويًا وفقًا لتقديرات حديثة. تتطلب جداول الفحص التقليدية فحص كل شيء بغض النظر عن الحالة الفعلية، ولكن باستخدام هذه الطريقة الجديدة، يأتي الطاقم الفني فقط عندما يتم اكتشاف مشكلة فعلية. وهذا يوفر المال ويمنع الأعطال الكبرى التي قد تترك أحياء بأكملها بدون كهرباء أثناء العواصف أو فترات ذروة الاستهلاك.

تحويل بيانات أنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) ووحدات قياس الطور (PMU) إلى رؤى توجيهية

تولِّد أنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) ووحدات قياس الطور (PMUs) مجموعات ضخمة من البيانات التشغيلية. وتقوم الذكاء الاصطناعي بتحويل هذه المعلومات الأولية إلى معلومات قابلة للتنفيذ من خلال:

• كشف الشذوذ : الكشف عن الانحرافات في استقرار الجهد أو الأنماط الحرارية
• التنبؤ بالعطل : التنبؤ بتدهور العزل في القواطع الكهربائية قبل حدوث العطل بفترة تتراوح بين ٣ و٦ أشهر
• الاستخدام الأمثل للموارد : تحديد أولويات مهام الصيانة استنادًا إلى درجة الأهمية والتأثير المالي

تُطبِّق الخوارزميات المتقدمة ارتباطًا بين سجلات أحداث نظام التحكم والإشراف (SCADA) وبيانات التردد من مقاييس التزامن الكهربائي (PMU) لتحديد تدخلات دقيقة — مثل إعادة معايرة أجهزة الحماية قبل أن تتضخَّم حالات عدم انتظام الجهد. وبذلك، ينتقل مشغِّلو شبكات التوزيع من إجراءات الإصلاح الاستجابية إلى عمليات تشغيل دقيقة، ما يرفع معدل توفر المحطات الفرعية بنسبة ٣٠٪ في المناطق التي تشهد ضغوطًا مناخية.

الآثار التشغيلية والتنظيمية لتحديث المحطات الفرعية على كفاءة الشبكة

تعزِّز المحطات الفرعية المُحدَّثة كفاءة الشبكة من خلال الأتمتة والرصد في الوقت الفعلي. ويسمح اكتشاف الأعطال تلقائيًّا باستجابات ذاتية لإصلاح الأعطال — مما يقلِّل بشكل كبير من مدة انقطاع التيار الكهربائي ويحدُّ من التدخلات اليدوية. كما تسهِّل هذه التحديثات دمج مصادر الطاقة المتجددة عبر موازنة المدخلات المتغيرة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ديناميكيًّا، مع تقليل خسائر النقل إلى أدنى حدٍّ ممكن.

يتم دفع عجلة التحديث بقوة في هذه الأيام نتيجة لمتطلبات التنظيم. فكلاً من لجنة تنظيم الطاقة الفيدرالية (FERC) ومؤسسة معايير موثوقية الشبكة الكهربائية (NERC) قد وضعتا معايير تربط بشكل مباشر موثوقية النظام بالمسائل المالية؛ إذ تحصل الشركات على مكافآت عند أدائها الجيد، وتواجه تكاليف فعلية في حال عدم تحقيقها للمستويات المطلوبة. أما شركات توليد الطاقة التي تتبنى أنظمة الصيانة التنبؤية وتكنولوجيا المرحل الرقمي، فهي تجد نفسها لا تكتفي باستيفاء متطلبات الامتثال فحسب، بل تصبح أيضًا مؤهلة للحصول على تمويل إضافي يهدف إلى تعزيز مرونة الشبكة الكهربائية. وما نشهده هنا هو تحولٌ جذري في طريقة عمل شركات المرافق العامة ككل. فبدلًا من التعامل الدائم مع الأزمات فور ظهور المشكلات، بدأت هذه الشركات تفكر مسبقًا في إدارة الشبكة. وكلما تم تحديث محطة فرعية ما، فإن ذلك يحسّن فعليًّا أداء شبكة الكهرباء بأكملها، مما يولّد تحسينات متراكمة في الكفاءة عبر النظام بأسره.

الأسئلة الشائعة

ما هي التحديات الرئيسية المرتبطة بالمحطات الفرعية القديمة؟

تعاني المحطات الفرعية القديمة من صعوبة في تلبية الطلبات الجديدة مثل شحن مركبات الكهرباء، ودمج الألواح الشمسية، والأحداث الجوية المتطرفة. وغالبًا ما تعتمد على معدات قديمة لا يمكنها التعامل بكفاءة مع تدفقات الطاقة ثنائية الاتجاه.

ما هي التقنيات المستخدمة في تحديث المحطات الفرعية؟

يشمل تحديث المحطات الفرعية تقنيات مثل أنظمة التحكم الآلي عن بعد (SCADA)، والبنية الرقمية للمحطات الفرعية، ودمج المعيار IEC 61850، والكابلات الليفية الضوئية، واتصالات الإيثرنت، وأدوات الذكاء الاصطناعي، وتقنيات التدعيم المقاومة للمناخ.

كيف يساهم الذكاء الاصطناعي في الصيانة التنبؤية في المحطات الفرعية؟

يستخدم الذكاء الاصطناعي بيانات الأداء التاريخية ومدخلات المستشعرات في الوقت الفعلي للتنبؤ بفشل المعدات قبل حدوثه. تمتد هذه الطريقة من عمر المعدات، وتقلل الانقطاعات غير المتوقعة، وتُحقق وفورات كبيرة في تكاليف عمليات الصيانة.

لماذا تعتبر المطابقة التنظيمية مهمة في تحديث المحطات الفرعية؟

يرتبط الامتثال التنظيمي بموثوقية النظام والأداء المالي، حيث يُكافئ الشركات التي تلتزم بالمعايير ويفرض تكاليف على تلك التي لا تحققها. ويشجع الامتثال على الاستثمار في تقنيات التحديث لتعزيز مرونة الشبكة وكفاءتها.