شبكات طاقة مستوحاة من المشابك العصبية: نهج نيورومورفي لحماية الشبكات الصغيرة دون وصلات اتصال

لماذا تهم حماية الشبكات الكهربائية الصغيرة

مع إضافة الأحياء لألواح شمسية وبطاريات ومولدات محلية، تعتمد بشكل متزايد على شبكات طاقة صغيرة تسمى ميكروغريد. يمكن لهذه الأنظمة إبقاء الأضواء مضاءة أثناء العواصف وتقليل الضغط على محطات الطاقة الكبيرة، لكنها أيضًا أصعب في الحماية من أعطال كهربائية وهجمات سيبرانية. تستعرض هذه الورقة طريقة جديدة لحماية الميكروغريد من خلال استعارة أفكار من طريقة تواصل خلايا الدماغ، مما يسمح لكل وحدة طاقة باتخاذ قرارات فائقة السرعة محليًا دون الاعتماد على وصلات اتصال هشة.

حدود أدوات الحماية الحالية

تتوقع أجهزة الحماية التقليدية تيارات عطل كبيرة للغاية وتكوين شبكة مستقر إلى حد ما. في الميكروغريدات الحديثة، تقيد المحولات التيار لأسباب تتعلق بالسلامة والكفاءة، وغالبًا ما يُعاد تكوين الخطوط عندما تتصل المصفوفات الشمسية أو البطاريات أو تنفصل. هذا يجعل من الصعب التمييز بين عطل خطير وتغير طبيعي في استهلاك الطاقة. تحاول الأساليب الأحدث معالجة ذلك عبر اتصالات عالية السرعة أو حساسات متزامنة أو منطق معقد، لكن ذلك يضيف تأخيرات ومخاطر فقدان البيانات وضعف أمني سيبراني. تشتغل طرق أخرى، مثل أساليب موجات الرحلة، جيدًا على خطوط النقل الكبرى لكنها تكافح في شبكات الميكروغريد منخفضة الجهد والمترابطة بإحكام حيث تكون الإشارات أضعف والارتدادات معقدة.

الاستلهام من الدماغ

يقترح المؤلفون استراتيجية مختلفة مستوحاة من الخلايا العصبية البيولوجية. في تصميمهم، تتصرف كل مورد طاقة موزع في الميكروغريد مثل خلية عصبية بسيطة تُدعى نموذج التسريب والتكامل والإطلاق (leaky integrate-and-fire). تراقب كل وحدة الجهد المحلي والتيار والطاقة، وتجمع انحرافاتها في مؤشر اضطراب واحد. عندما يكون هذا المؤشر صغيرًا، تظل الخلية الافتراضية هادئة إلى حد كبير. مع ازدياد الاضطراب، يقصر الزمن بين «الوخزات» الكهربائية. العيوب الأقوى أو الأقرب تجعل الخلية تُطلق وخزة أسرع، تمامًا كما تطلق خلية عصبية نبضة أسرع استجابة لمحفز أقوى. عتبة تكيفية مدمجة تتحرك وفق شروط التشغيل بحيث لا تؤدي تغيرات الحمل الاعتيادية إلى إطلاق وخزات غير ضرورية.

السماح لأول وخزة باتخاذ القرار

بدلًا من إرسال قياسات مفصلة إلى «مخ مركزي»، تراقب كل الوحدات ببساطة الوخزات. قاعدة الحماية بسيطة: يُفترض أن الجهاز الذي تُطلق عصبونته الوخزة أولًا هو الأقرب إلى العطل ويقوم بفصل قاطع الدائرة المحلي. تحاكي قاعدة الأول للوخزة (First-To-Spike) كيفية استخدام أنظمة موجات الرحلة لأقدم إشارة واردة لتحديد موقع المشكلة، لكنها هنا تعمل دون نظام تحديد المواقع أو اتصالات واسعة النطاق أو حساسات تردد عالي متخصصة. وبما أن كل وحدة تتصرف اعتمادًا على قياساتها وتوقيتها فقط، فالمخطط لامركزي بطبيعته وأقل عرضة لفشل الاتصال أو الهجمات السيبرانية.

كيف يتصرف النظام الجديد عمليًا

اختبر الفريق نهجهم في نماذج حاسوبية مفصلة لشبكات ميكروغريد حلقيّة ومتشابكة، ثم على أجهزة زمن حقيقي. قاموا بمحاكاة أعطال خط واحد، أعطال خط إلى خط، أعطال ثلاثية الطور، وتغييرات حمل كبيرة عبر أطوال خطوط ومقاومات عطل مختلفة. عادة ما كشف النظام عن الأعطال وأزالها خلال 10 إلى 58 مللي ثانية، أسرع بكثير من محولات الحماية التقليدية في الميكروغريد التي غالبًا ما تستغرق 200 إلى 450 مللي ثانية، وحتى أسرع من أنظمة موجات الرحلة المبلغ عنها بنحو 60 مللي ثانية. أعطال أقوى وعلى خطوط أقصر أنتجت باستمرار وخزات مبكرة وفصل قواطع أسرع، معيدةً بشكل طبيعي سلوك "العطل الأقوى، الاستجابة الأسرع" لمُنحنيات الحماية التقليدية. في الوقت نفسه، حافظت العتبة التكيفية على هدوء الخلايا العصبية حتى أثناء تقلبات حمل كبيرة، محققة دقة كشف تزيد على 98 بالمئة وانتقائية مكانية تفوق 97 بالمئة في أكثر من 300 حالة عطل محاكية.

لماذا قد يتوسع هذا النهج مع الشبكات المستقبلية

لأن كل وحدة طاقة تحتاج فقط إلى قياسات محلية ونموذج وخز خفيف الوزن، فهذه الطريقة توفر الطاقة وسهلة التوسع. أثناء التشغيل الطبيعي، لا تُنتَج تقريبًا أي وخزات، وتحدث الحسابات فقط حول أحداث العطل النادرة. يمكن للوحدات الشمسية أو البطاريات الجديدة الانضمام إلى الميكروغريد دون إعادة برمجة متحكم مركزي، لأنها ببساطة تعمل كخلايا عصبية جديدة تطيع نفس قاعدة الأول للوخزة. يشير المؤلفون إلى بعض التحديات الباقية، مثل الأعطال ذات المقاومة العالية جدًا التي تخلق اضطرابات ضعيفة والشبكات المزدحمة حيث ترى العديد من الوحدات ظروفًا متشابهة، لكنهم يرون أن هذه الحالات يمكن معالجتها بمزيد من الضبط والتنقية المُضافة.

ماذا يعني ذلك لمستخدمي الطاقة اليوميين

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن المؤلفين أظهروا كيف يمكن للميكروغريدات أن تحمي نفسها بالتفكير أكثر شبهًا بالدماغ منه بالجهاز التقليدي. كل محول شمسي أو وحدة بطارية تستمع بعناية إلى بيئتها المحلية، تُطلق وخزات فقط عندما يحدث شيء غير اعتيادي حقًا، وتسمح لأول مستجيب بعزل المشكلة تقريبًا فورًا. تقدم هذه الاستراتيجية النيورومورفية حماية سريعة وانتقائية دون الاعتماد على شبكات اتصال هشة، ما يقدّم مسارًا نحو أنظمة طاقة محلية أكثر أمانًا ومرونة ومرونة مع استمرار انتشار الطاقة المتجددة.

الاستشهاد: Prabhakar, S., Panigrahi, B.K., Blaabjerg, F. et al. Synapse-inspired energy networks: a neuromorphic approach to microgrid protection without communication links. Commun Eng 5, 90 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00643-2

الكلمات المفتاحية: حماية الميكروغريد, الطاقة النيورومورفية, شبكات الأعصاب النابضة, الموارد الموزعة للطاقة, كشف العيوب