نحوه عملکرد شبکه برق
تا زمانی که با قطعی برق مواجه نشویم، برقی را که از شبکه برق خود دریافت می کنیم، مسلم فرض کنیم. اغلب ما در زمان قطعی برق دچار اضطراب می شویم تا بتوانیم برق مورد نیاز خود را تامین کنیم. شبکه برق، برق را از نیروگاه ها به خانه ها و مشاغل در سراسر کشور می رساند. شبکه وسیع تولید، انتقال و تحویل برق آن تضمین می‌کند که بتوانیم در دنیای مدرن کار کنیم. شبکه برق در صورت تقاضا نیروی برق را در اختیار ما قرار می دهد. در حالی که این شبکه بخشی جدایی ناپذیر از زندگی روزمره ما است، اکثر مردم چیز زیادی در مورد آن یا نحوه عملکرد آن نمی دانند. باید در مورد سیستم برق خود ابهامات را برطرف نموده و ببینیم که چگونه شبکه برق کار می کند، آسیب پذیری ها و چگونگی بهبود آن را شناخت.
شبکه برق چیست و کارکرد آن چیست؟
چه آن را شبکه برق، شبکه توزیع برق یا شبکه ملی بنامید، این شبکه الکتریکی، برق را در یک منطقه بزرگ تولید و توزیع می کند. این شبکه شامل شرکت های خدمات انرژی و تامین کنندگان انرژی است که برق را به خانه یا محل کار شما تحویل می دهند. شبکه برق همچنین از زیرساخت تولید و توزیع برق تشکیل شده است. هنگامی که مردم در مورد شبکه صحبت می کنند، به طور کلی به یکی از چند شبکه منطقه ای کوچکتر اشاره می کنند که به آنها اتصالات داخلی نیز گفته می شود. این شبکه ها به روشی محدود در ایستگاه های شبکه به هم مرتبط هستند اما عمدتاً به طور مستقل کار می کنند. شبکه برق سه کار را انجام می دهد: استفاده از بهترین روش از منابع انرژی را تضمین می کند، ظرفیت منبع تغذیه بیشتری را فراهم می کند و عملیات سیستم قدرت را مقرون به صرفه تر و قابل اطمینان تر می کند. ایستگاه های تولید به منظور کاهش ظرفیت تولید ذخیره، که به عنوان ذخیره چرخشی شناخته می شود، در هر منطقه به یکدیگر متصل می شوند.
شبکه برق چگونه کار می کند؟
شبکه برق یک شبکه پیچیده تولید، انتقال و توزیع برق است. اپراتورهای شبکه - نهادهایی که تولید و تحویل انرژی را مدیریت می کنند - نهادهای منطقه ای هستند که انرژی الکتریکی را هنگام حرکت از طریق یک زیرساخت ثابت کنترل می کنند. این زیرساخت - متشکل از ایستگاه های برق، خطوط انتقال و خطوط توزیع - در سراسر کشور گسترده شده است؛ اپراتورهای شبکه که گاهی اپراتورهای سیستم یا مسئولان حفظ تعادل نامیده می شوند، شبکه برق را برای تحویل برق به شما مدیریت می کنند؛ هفت مرجع متعادل کننده به عنوان اپراتورهای سیستم مستقل (ISO) یا مقامات انتقال منطقه ای (RTO) شناخته می شوند؛ این مقامات اغلب اپراتورهای شبکه نامیده می شوند. اپراتورهای شبکه، شبکه برق را نظارت می کنند، در صورت نیاز به نیروی بیشتر به نیروگاه ها سیگنال می دهند و جریان الکتریکی شبکه برق را به خطوط انتقال و شبکه توزیع حفظ می کنند. یک شبکه برق دارای سه عملکرد تولید، انتقال و توزیع است. در هر مرحله، فرآیندهای پیچیده ای در حال کار هستند.
چگونه یک نیروگاه برق تولید می کند؟
نیروگاه شرکت برق شما از سه نوع منبع انرژی برق تولید می کند:
سوخت های فسیلی مانند گاز طبیعی و زغال سنگ
برق هسته ای
منابع انرژی تجدیدپذیر از جمله انرژی خورشیدی، بادی و برق آبی
خروجی نیروگاه ها با مگاوات اندازه گیری می شود و مگاوات یک میلیون وات است. خروجی برق، مقدار برق تولیدی، بسته به اندازه یک نیروگاه متفاوت است. متوسط نیروگاه زغال سنگ حدود 750 مگاوات برق تولید می کند. نیروگاه ها از منابع انرژی برای تولید برق استفاده می کنند. ژنراتورهای توربین، برق را در نیروگاه با استفاده از سوخت یکی از سه کلاس فوق، بخار، آب یا سوخت های فسیلی تولید می کنند. توربین های بادی و فتوولتائیک های خورشیدی نیز می توانند برق تولید کنند. به ترتیب از انرژی جنبشی و انرژی شیمیایی برای تولید برق استفاده می کنند. برای چرخاندن و چرخش پره های توربین، یک ژنراتور توربین با فشار دادن سیال، اعم از آب، بخار، هوا، یا گازهای احتراق (اگزوزهای حاصل از احتراق) کار می کند. سپس، شفت روتور توربین، متصل به ژنراتور، انرژی جنبشی روتور (همچنین به عنوان انرژی مکانیکی شناخته می شود) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.
ترانسفورماتور وسیله ای الکتریکی است که انرژی الکتریکی را با استفاده از اصول القای الکترومغناطیسی از یک مدار الکتریکی به مدار دیگر منتقل می کند. ترانسفورماتورها برق تولید نمی کنند. در عوض، ترانسفورماتورها توان را از یک جریان متناوب به جریان دیگر منتقل می کنند؛ ترانسفورماتورها می توانند ولتاژ AC را افزایش یا کاهش دهند که به آن افزایش یا کاهش ولتاژ می گویند. به عنوان مثال، هنگامی که برق از نیروگاه خارج می شود، از یک ترانسفورماتور عبور می کند تا ولتاژ را افزایش دهد.
خطوط انتقال ولتاژ بالا، برق فشار قوی را در فواصل طولانی حمل می کنند و در انتقال برق به شبکه های توزیع شبکه برق نقش مهمی دارند. این خطوط برق با ولتاژ بالا تا 500000 ولت را حمل می کنند. یک کارخانه صنعتی بزرگ نیز ممکن است به خطوط فشار قوی مستقیماً از خطوط انتقال هوایی نیاز داشته باشد. بدون خطوط انتقال فشار قوی، پیچیدگی و آسیب پذیری شبکه برق گران تر و مدیریت آن دشوار می شود؛ برق با ولتاژ بالا منتقل می شود تا با جلوگیری از اتلاف انرژی، راندمان افزایش یابد. ولتاژ بالاتر یعنی جریان کمتر. به نوبه خود، جریان کمتر باعث کاهش افت مقاومت در هادی ها می شود. کاهش مقاومت باعث از دست رفتن انرژی کمتری می شود که الکتریسیته در فواصل طولانی حرکت می کند و خطوط انتقال را به بخشی ضروری از شبکه برق تبدیل می کند. دو نوع خطوط برق وجود دارد. خطوط فشار قوی برق را از نیروگاه ها به پست ها، اغلب در فواصلطولانی انتقال می دهند. از پست، خطوط توزیع برق را به مصرف کنندگان مسکونی و تجاری ارسال می کند. خطوط توزیع ولتاژ بسیار کمتری دارند.
لینک های اتصال بین شبکه ها می توانند جریان متناوب ولتاژ بالا (HVAC) یا جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) باشند؛ یک لینک HVAC یک اتصال سفت و سخت و همزمان بین دو سیستم اتصال است که باید کنترل فرکانس تقریباً یکسانی داشته باشند. با این حال، محدودیت ها یا مشکلاتی در ارتباط با اتصالات همزمان AC وجود دارد:
اگر در یک سیستم اختلالات فرکانسی وجود داشته باشد، به سیستم دیگر منتقل می شود؛ نوسانات برق در یک سیستم بر روی سیستم دیگر تأثیر می گذارد و ممکن است باعث افزایش خاموش شدن شود. به نوبه خود، این باعث می شود که کل سیستم متصل به هم از کار بیفتد؛ اگر اپراتورهای شبکه از یک خط اتصال جریان متناوب استفاده کنند، سطح خطا افزایش می یابد.
یک اتصال جریان مستقیم به طور آزاد دو سیستم متناوب را به هم متصل می کند و یک اتصال ناهمزمان (یا ناهمزمان) است.
لینک جریان مستقیم دارای مزایایی است:
اتصال جریان مستقیم به دو سیستم اجازه می دهد تا در یک فرکانس یا فرکانس متفاوت به یکدیگر متصل شوند و به هر کدام اجازه می دهد تا به طور مستقل عمل کنند و در عین حال استانداردهای فرکانس مربوطه خود را حفظ کنند؛ اتصالات HVDC کنترل سریع و قابل اعتماد بزرگی و جهت جریان برق را امکان پذیر می کنند که محدودیت های پایداری گذرا را افزایش می دهد؛ نوسانات برق در شبکه های جریان متناوب با تنظیم جریان برق جریان مستقیم از طریق اتصال جریان مستقیم مدوله می شوند.
یک رویداد واحد باعث خاموشی شبکه برق نمی شود. خرابی شبکه هم می تواند ناشی از یک سری تصادفات و گام های اشتباهی باشد که باعث افزایش قطعی های زنجیره ای شود. قطعی زنجیره ای زمانی رخ می دهد که یک عنصر از سیستم به طور جزئی یا کامل از کار بیفتد. خرابی یک بار افزایش برق در سایر عناصر سیستم مجاور ایجاد می کند که بیش از ظرفیت تحت فشار قرار می گیرند و باعث از کار افتادن آنها می شود، برای مثال، اگر فرکانس به زیر حد پایین باند (49.5-50.2 هرتز) برسد یا فراتر از حد بالایی بالا بیاید، یک شبکه برق ممکن است از کار بیفتد؛ وقتی این اتفاق می افتد، خطوط انتقال دیگر منبع تغذیه را نمی پذیرند، به این معنی که سایر اجزای شبکه، از جمله نیروگاه های تولید برق، آفلاین می شوند.
علاوه بر این، یک مقاله اخیر Scientific American راه هایی را که یک شبکه هوشمند می تواند به طور خودکار تولید و جریان برق را تنظیم کند، مورد بحث قرار می دهد. نویسندگان ادعا می کنند که چنین پیشرفت هایی شبکه برق را کارآمدتر و ایمن تر می کند.
شبکه برق کشور در برابر حملات سایبری آسیب پذیر است زیرا زیرساخت آن از یک سیستم دو بخشی استفاده می کند. اول، شبکه انتقال باید استانداردهای سختگیرانه حفاظتی را رعایت کند. با این حال، سیستم توزیع، که توسط نهادهای دولتی تنظیم می شود، حفاظت بسیار کمی در برابر حملات سایبری دارد زیرا این نهادها استانداردهای حفاظتی قوی ندارند؛ خرابی شبکه های برق کشور پیچیدگی و پول زیادی می خواهد، اما این احتمال نادیده گرفته نمی شود. همچنین آب و هوا و آتش سوزی می تواند تمام قسمت های شبکه برق را تهدید کند.
رویدادهای شدید آب و هوایی ناشی از تغییرات آب و هوایی مانند موج گرما، کولاک یا طوفان می تواند شبکه برق را تحت تاثیر قرار دهد. به عنوان مثال، 96 درصد از قطعی برق (خاموشی) مربوط به آب و هوا یا حوادث طبیعی بود که به زیرساخت سیستم های توزیع برق آسیب رساند؛ با کمال تعجب، رشد منابع انرژی تجدیدپذیر نیز شبکه را تهدید می کند. این به این دلیل است که انرژی خورشیدی و بادی گاهی اوقات می توانند برق بیشتری نسبت به اپراتورهای شبکه در سیستم شبکه برق تولید کنند. افزایش سن زیرساخت شبکه برق یکی دیگر از تهدیدات شبکه است. فرسودگی فلز و زوال تجهیزات به طور فزاینده ای در فرآیند کهنگی شبکه نقش دارد.
سیستم های کنترل صنعتی شبکه برق (ICS) در معرض خطر حملات سایبری هستند. ICS فرآیندهای الکتریکی و عملکردهای فیزیکی مورد استفاده برای اجرای شبکه برق را مدیریت می کند. دولت‌های خارجی متخاصم، سازمان‌های جنایتکار، تروریست‌ها و «هکرها» به طور بالقوه می‌توانند ICS را هدف قرار دهند، زیرا به طور فزاینده‌ای به اینترنت متصل می‌شود.
وقتی بخشی از شبکه برق قطع می شود، کسی در جایی بدون برق است. در بیشتر موارد، تغییر مسیر برق از یک بخش شبکه دیگر یا حتی یک اتصال به شبکه دیگر یک موضوع نسبتاً ساده است؛ متأسفانه، ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ امکان پذیر نیست زیرا برق یک کالای باینری (دوتایی) است (شما آن را دارید یا ندارید). با این حال، بسیاری از شرکت‌ها از باتری‌های لیتیوم یونی به عنوان راه‌حل ذخیره انرژی کوتاه‌مدت استفاده می‌کنند؛ علاوه بر این، برق آبی بر منابع آب فراوان متکی است، یک منبع انرژی بالقوه که در پاسخ به افزایش تقاضا به راحتی قابل دسترسی است.
شیوه زندگی مدرن ما امکان پذیر است زیرا شبکه برق وجود دارد. با افزایش سن و پیشرفت تکنولوژی، این شیوه زندگی به طور فزاینده ای آسیب پذیر می شود. بسیاری از سیستم‌ها و زیرساخت‌ها در قرن گذشته ساخته شده‌اند که باعث می‌شود به‌روزرسانی و جایگزینی آنها به تاخیر افتاده باشد.
حتی زمانی که فناوری کارایی عملیات روزانه را بهبود می بخشد، شبکه برق در معرض خطر رویدادهای مرتبط با آب و هوا و حملات سایبری قرار دارد. با این حال، با بهبود در فرآیندهای مدیریت امنیتی و فنی، یک شبکه هوشمند می تواند از شبکه برق محافظت کند.