نمذجة الاضطراب الكهرومغناطيسي لأحمال تعدين العملات المشفرة لتقييم القدرة على تحمل انخفاض الجهد في شبكات الطاقة

1. المقدمة

تزامن النمو السريع للطاقة المتجددة، خاصة في شبكات مثل شبكة تكساس (ERCOT)، مع ظهور أحمال كبيرة وكثيفة الاستهلاك للطاقة مثل منشآت تعدين العملات المشفرة. تمثل هذه المنشآت، التي تستهلك غالباً 75 ميجاوات أو أكثر لكل موقع، فئة جديدة من المشاركين في الشبكة. على عكس الأحمال الصناعية التقليدية، تعمل وحدات تعدين العملات المشفرة بواسطة محولات إلكترونية للطاقة، مما يصنفها كموارد قائمة على العاكسات (IBRs). تتناول هذه الورقة فجوة حرجة: نقص نماذج الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر (EMT) التفصيلية لفهم كيفية تفاعل هذه الأحمال الضخمة غير الخطية مع الشبكة أثناء الاضطرابات، مع التركيز تحديداً على قدرتها على تحمل انخفاض الجهد (LVRT) - وهو متطلب أساسي لاستقرار الشبكة.

2. المنهجية وتطوير النموذج

جوهر هذا البحث هو تطوير نموذج اضطراب كهرومغناطيسي عابر قابل للتوسع لأحمال تعدين العملات المشفرة، تم بناؤه باستخدام برنامج محاكاة الاضطرابات الكهرومغناطيسية العابرة (EMTP).

2.1 هيكلية نموذج الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر

يحاكي النموذج سلوك وحدات التعدين المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASIC) التجارية المستخدمة في العمليات واسعة النطاق. فهو يلتقط ديناميكيات الواجهة الأمامية القائمة على المحول، وديناميكيات الحمل الحسابي، ومنطق التحكم الذي يحكم استجابة المُعدِّن لتغيرات جهد الشبكة. تم تصميم النموذج ليكون معياريًا، مما يسمح بتجميع وحدات تعدين متعددة لتمثيل منشأة كاملة الحجم، وتمكين الدراسات حول تأثير مئات الميجاوات من هذا الحمل على ديناميكيات نظام النقل.

2.2 توصيف الحمل والتحقق من الصحة

تم التحقق المتبادل من أداء النموذج مقابل وحدات التعدين المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASIC) المادية. تتضمن الخصائص الرئيسية المتطابقة:

• السلوك في حالة الاستقرار: معامل قدرة مرتفع (~0.995 متقدم).
• السلوك العابر/أثناء بدء التشغيل: سحب تيار غير خطي وتشوه توافقي، كما لوحظ في الاختبارات المعملية والقياسات الميدانية من المنشآت الصناعية.
• عتبة تحمل انخفاض الجهد: النقطة التي تتوقف فيها إلكترونيات طاقة المُعدِّن عن العمل بسبب انخفاض جهد الدخل.

3. تقييم القدرة على تحمل انخفاض الجهد

القدرة على تحمل انخفاض الجهد - أي القدرة على البقاء متصلاً أثناء انخفاضات الجهد - أمر بالغ الأهمية للموارد القائمة على العاكسات (IBRs) لمنع حالات الفشل المتتالية. بينما هي معيارية للمولدات، إلا أنها غير مطلوبة للأحمال الكبيرة القائمة على العاكسات مثل وحدات تعدين العملات المشفرة، مما يخلق نقطة ضعف.

3.1 سيناريوهات الاختبار وتحليل الأعطال

خضع النموذج المُتحقق منه لسيناريوهات أعطال متنوعة:

• أعطال محلية: أعطال داخل البنية التحتية الكهربائية الخاصة بمنشأة التعدين.
• أعطال شبكية بعيدة: أعطال في محطات بعيدة في شبكة النقل المترابطة، لاختبار استجابة الحمل لانخفاضات الجهد المنتشرة عبر الشبكة.

3.2 مقاييس الأداء والنتائج

قامت الدراسة بتحديد قدرة حمل التعدين على تحمل انخفاض الجهد كمياً، مع تحديد حدود منحنى الجهد-الزمن التي يبقى خلالها الحمل متصلاً. تُظهر النتائج على الأرجح أنه بينما قد تتمتع وحدات التعدين بإمدادات طاقة داخلية قوية، إلا أن محولاتها المواجهة للشبكة لديها إعدادات محددة لقفل الجهد المنخفض (UVLO). يمكن أن يؤدي الفقدان المفاجئ لمئات الميجاوات من الحمل بسبب تشغيل قفل الجهد المنخفض (UVLO) المتزامن عبر مزرعة تعدين إلى خلق اختلال كبير إيجابي بين الحمل والتوليد، مما قد يؤدي إلى ارتفاع التردد ومزيد من عدم الاستقرار - وهو ما يعكس المشكلات التي شوهدت مع التوليد القائم على العاكسات.

4. التحليل الفني والرؤى

4.1 الرؤية الأساسية

أحمال تعدين العملات المشفرة ليست مجرد مستهلكين كبار؛ إنها فاعلون يشكلون الشبكة ولديهم إمكانية زعزعة الاستقرار. طبيعتها القائمة على العاكسات (IBR) تعني أنها لا توفر قصوراً ذاتياً أو تيار عطل مثل الآلات التزامنية. لم يكن حدث انقطاع التيار في تكساس في أكتوبر 2022، حيث تسبب انخفاض الجهد في انقطاع 400 ميجاوات شمل وحدات تعدين، شاذاً - بل كان اختبار إجهاد فشلت النماذج الشبكية الحالية في اجتيازه. نموذج الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر (EMT) في هذه الورقة هو أول أداة حاسمة للتنبؤ بالحدث التالي.

4.2 التسلسل المنطقي

منطق البحث لا تشوبه شائبة: 1) تحديد عنصر شبكي جديد غير مفهوم جيداً (أحمال التعدين) له سجل حافل بالحوادث. 2) رفض النماذج الساكنة المبسطة؛ بناء نموذج اضطراب كهرومغناطيسي عابر (EMT) ديناميكي يلتقط تبديل إلكترونيات الطاقة السريع. 3) التحقق من صحته مقابل الأجهزة المادية - لا مكان للصناديق السوداء. 4) اختباره تحت ظروف عطل شبكية واقعية. 5) الاستنتاج بأن قابلية التوسع والدمج في الدراسات الشاملة للنظام ليست مفيدة فحسب، بل ضرورية للموثوقية. ينتقل البحث من الظاهرة إلى المحاكاة عالية الدقة إلى رؤى قابلة للتطبيق في تخطيط الشبكة.

4.3 نقاط القوة والضعف

نقاط القوة: قابلية توسع النموذج وأساسه القائم على برنامج محاكاة الاضطرابات الكهرومغناطيسية العابرة (EMTP) هي ميزاته القاتلة. فهو يتصل مباشرة بمجموعة الأدوات التي يستخدمها مخططو النقل. التركيز على القدرة على تحمل انخفاض الجهد (LVRT) يعالج التهديد الأكثر إلحاحاً. التحقق باستخدام وحدات تعدين حقيقية يضيف مصداقية لا يمكن إنكارها.

نقاط الضعف: تشير الورقة إلى طبقة التحكم ولكنها لا تستكشفها بالكامل. يمكن لوحدات التعدين أن تغلق في أجزاء من الألف من الثانية بناءً على خوارزميات الربحية، بغض النظر عن الجهد. قد يكون هذا "الانفصال الاقتصادي" أكثر اضطراباً من فشل القدرة على تحمل انخفاض الجهد (LVRT) التقني. يحتاج النموذج أيضاً إلى التوسع ليشمل تفاعل التوافقيات ومخاطر التذبذب تحت التزامني، وهي قضايا معروفة مع الاختراق العالي للموارد القائمة على العاكسات (IBRs) كما وثقها مجلس موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية (NERC) وجمعية IEEE للطاقة والطاقة.

4.4 رؤى قابلة للتطبيق

لـ مشغلي الشبكة (مثل ERCOT): اشتراط متطلبات القدرة على تحمل انخفاض الجهد (LVRT) للأحمال الكبيرة القائمة على العاكسات (IBRs)، وليس فقط للمولدات. استخدام هذا النموذج لإجراء دراسات ربط إلزامية لجميع طلبات منشآت التعدين. لـ شركات التعدين: الاستثمار في ضوابط المحولات الداعمة للشبكة (مثل دعم الجهد الديناميكي، التوقف المؤقت) كتكلفة لممارسة الأعمال - فهي أرخص من أن تُلام على انقطاع التيار. لـ الباحثين: دمج نموذج الحمل هذا مع نماذج النظام المركبة لدراسة عدم الاستقرار المركب للطاقات المتجددة العالية + أحمال التعدين العالية. الخطوة التالية هي نمذجة الاستجابة على مستوى الأسطول والمدفوعة بالبرمجيات، وهو المكان الذي يكمن فيه الخطر النظامي الحقيقي.

5. تحليل أصلي: العدو الأحدث للشبكة أم حليفها؟

يشكل هذا البحث الذي أجراه سامانتا وآخرون تدخلاً في الوقت المناسب وحاسماً في مشهد أنظمة الطاقة، الذي يتعامل مع التحديين المزدوجين لإزالة الكربون والرقمنة. تحدد الورقة بشكل صحيح أحمال تعدين العملات المشفرة كعنصر شبكي يحول النموذج السائد. تجعل كثافة طاقتها العالية، ومرونتها الجغرافية، وهيكلها القائم على العاكسات (IBR) منها مختلفة جوهرياً عن الأحمال الصناعية التقليدية. يعد تطوير نموذج اضطراب كهرومغناطيسي عابر (EMT) قابل للتوسع إسهاماً تقنياً كبيراً، يملأ فجوة لا تستطيع نماذج الحمل الساكنة أو المجمعة ملؤها. كما تؤكد "مبادرة تحديث الشبكة" لوزارة الطاقة الأمريكية، فإن فهم السلوك الديناميكي للأحمال الجديدة أمر ضروري لشبكة مرنة.

تركيز الدراسة على القدرة على تحمل انخفاض الجهد (LVRT) مناسب، نظراً للسابقة التاريخية. كان الانقطاع الكبير في جنوب أستراليا عام 2016، الذي حلله مشغل سوق الطاقة الأسترالي (AEMO) على نطاق واسع، قد بدأ بإعدادات حماية مزارع الرياح التي أدت إلى انقطاعات متتالية أثناء انخفاضات الجهد. التوازي مع أحمال تعدين العملات المشفرة واضح. يسمح نموذج هذه الورقة للمخططين بإجراء تحليل طب شرعي مماثل بشكل استباقي. ومع ذلك، يعالج النموذج بشكل أساسي استجابة "الأجهزة". أما عدم اليقين الأكبر، كما يظهر في الدراسات حول استجابة الطلب في مراكز البيانات، فهو الاستجابة "البرمجية" أو الاقتصادية. تحكم عملية المُعدِّن دالة الربحية $\Pi = R(\text{سعر العملة}) - C(\text{سعر الكهرباء})$. يمكن أن يؤدي الارتفاع المفاجئ في سعر الكهرباء أثناء طوارئ الشبكة إلى إغلاق منسق أسرع من أي انخفاض في الجهد، وهو سلوك لا يلتقطه نموذج الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر (EMT) هذا ولكنه حاسم للحصول على صورة كاملة.

علاوة على ذلك، فإن سياق الورقة داخل شبكة تكساس (ERCOT) معبر. سوق تكساس (ERCOT) القائم على الطاقة فقط والاختراق العالي للطاقات المتجددة يخلق مختبراً مثالياً لمثل هذه الدراسات. يؤكد العمل على اتجاه أوسع: تقارب الطبقات السيبرانية والمادية والاقتصادية في أنظمة الطاقة. يجب أن تتطور النماذج المستقبلية إلى منصات محاكاة مشتركة تدمج ديناميكيات الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر (EMT) (مثل هذا النموذج)، وتأخيرات شبكة الاتصالات، والخوارزميات الاقتصادية القائمة على الوكلاء. فقط عندها يمكننا تقييم ما إذا كانت هذه الأحمال الضخمة المرنة مثبتة للشبكة - قادرة على توفير استجابة سريعة للطلب - أم مصدر كامن لعدم الاستقرار. توفر هذه الورقة الأساس الأساسي للطبقة المادية الذي يجب بناء هذا التحليل الأكثر تعقيداً عليه.

6. التفاصيل الفنية والصياغة الرياضية

يلتقط نموذج الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر (EMT) ديناميكيات التبديل للواجهة الأمامية لمحول التيار المتردد/المستمر لوحدة التعدين المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASIC). يمكن التعبير عن تمثيل مبسط لتحكم المحول للحفاظ على جهد الناقل المستمر ($V_{dc}$) باستخدام وحدة تحكم تناسبية-تكاملية (PI) قياسية في إطار الإحداثيات $dq$:

$\begin{aligned} i_{d}^{ref} &= K_{p}(V_{dc}^{ref} - V_{dc}) + K_{i} \int (V_{dc}^{ref} - V_{dc}) dt \\ i_{q}^{ref} &= 0 \quad \text{(لتحكم معامل قدرة واحد)} \end{aligned}$

حيث $i_{d}^{ref}$ و $i_{q}^{ref}$ هما تيارا المرجع لحلقة التحكم في التيار الداخلية. يتم نمذجة سلوك القدرة على تحمل انخفاض الجهد (LVRT) بواسطة منطق حماية الجهد المنخفض، الذي يعطل نبضات المحول عندما ينخفض جهد القيمة الفعالة المقاس $V_{rms}$ عن عتبة $V_{th}$ لمدة $t > t_{delay}$:

$\text{إشارة انفصال قفل الجهد المنخفض (UVLO)} = \begin{cases} 1 & \text{إذا } V_{rms} < V_{th} \text{ لمدة } t \ge t_{delay} \\ 0 & \text{خلاف ذلك} \end{cases}$

تمثل ديناميكيات حمل وحدات معالجة التعدين المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASIC) كحمل قدرة ثابت ($P_{load}$) عند الناقل المستمر، يسحب تيار $I_{dc} = P_{load} / V_{dc}$.

7. النتائج التجريبية ووصف المخططات

بينما لا يُظهر مقتطف ملف PDF المقدم رسوماً بيانية محددة للنتائج، فإنه يصف النتائج التجريبية الرئيسية:

• الشكل 1 (المشار إليه): على الأرجح صورة أو رسم تخطيطي لمنشأة التعدين التابعة لشركة "Riot Platforms, Inc." في روكديل، تكساس، تسلط الضوء على محطة المحولات المخصصة بقدرة 750 ميجاوات، مؤكدة بصرياً على النطاق الهائل للربط الشبكي المطلوب.
• الشكل 2 (المشار إليه): موصوف على أنه نتائج اختبار معملي تُظهر أشكال موجات الجهد والتيار من مُعدِّن مادي (مثل S9 AntMiner). النتيجة الرئيسية هي أنه بينما يظل جهد التغذية جيبيًا (متصل بمصدر مثالي)، فإن شكل موجة التيار يُظهر تشوهاً كبيراً أثناء العبور عند بدء التشغيل. تيار البدء غير الخطي الغني بالتوافقيات هذا هو تفصيل حاسم يلتقطه نموذج الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر (EMT) ولكن غالباً ما تفقده النماذج في حالة الاستقرار.
• منحنى قدرة تحمل انخفاض الجهد (LVRT): ستكون النتيجة التجريبية الأساسية هي رسم بياني للجهد (وحدة نسبية) مقابل الزمن (ثوانٍ) يحدد حدود قدرة حمل التعدين على التحمل. سيُظهر أنه بالنسبة للأعطال التي تسبب انخفاضات في الجهد أعمق من منحنى معين (مثل، أقل من 0.7 وحدة نسبية لأكثر من 0.5 ثانية)، ينفصل حمل التعدين النموذجي، محاكياً انفصال قفل الجهد المنخفض (UVLO). سيُظهر المقارنة مع متطلبات القدرة على تحمل انخفاض الجهد (LVRT) للمولدات (مثل متطلبات ERCOT) فجوة الامتثال بشكل مرئي.

8. إطار التحليل: دراسة حالة غير برمجية

السيناريو: مخطط نقل في ERCOT يقوم بتقييم ربط منشأة تعدين عملات مشفرة جديدة بقدرة 300 ميجاوات بمحطة 138 كيلوفولت بها أيضاً مزرعة رياح بقدرة 200 ميجاوات متصلة.

تطبيق الإطار:

1. دمج النموذج: يستخدم المخطط نموذج الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر (EMT) القابل للتوسع من هذه الورقة لإنشاء نموذج حمل تعدين مجمع بقدرة 300 ميجاوات. يتم دمج هذا في نموذج اضطراب كهرومغناطيسي عابر (EMT) أكبر للشبكة الإقليمية، يتضمن نماذج مفصلة لمزرعة الرياح (بضوابط تحمل انخفاض الجهد الخاصة بها) والمولدات التزامنية.
2. تعريف الطوارئ: يتم تعريف طارئ شديد: عطل ثلاثي الطور على خط نقل قريب، يتم إزالته بواسطة القواطع في 5 دورات (0.083 ثانية).
3. المحاكاة والتحليل: يتم تشغيل محاكاة الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر (EMT).
   • الملاحظة أ: يتسبب العطل في انخفاض الجهد إلى 0.45 وحدة نسبية عند محطة الربط لمدة 0.1 ثانية.
   • الملاحظة ب: تظل مزرعة الرياح، الممتثلة لمعايير تحمل انخفاض الجهد (LVRT)، متصلة وتحاول دعم الجهد.
   • الملاحظة ج: ينفصل نموذج حمل التعدين، بناءً على إعدادات قفل الجهد المنخفض (UVLO) النموذجية، عند 0.08 ثانية بسبب انخفاض الجهد.
4. تقييم الأثر: يتسبب الفقدان المفاجئ لـ 300 ميجاوات من الحمل في زيادة حادة في تردد النظام (مثل، ارتفاع 0.3 هرتز). قد يؤدي هذا التردد الزائد إلى تشغيل ضوابط أخرى للمولدات أو، في أسوأ السيناريوهات، يتسبب في انفصال مزرعة الرياح بسبب حماية التردد الزائد، مما يؤدي إلى انقطاع متتالي.
5. التوصية: يوصي المخطط بأن يكون اتفاق ربط منشأة التعدين مشروطاً بتعديل ضوابط محولاتها لتلبية منحنى محدد لتحمل انخفاض الجهد (LVRT) (مثل، البقاء متصلاً لجهد منخفض يصل إلى 0.2 وحدة نسبية لمدة تصل إلى 0.15 ثانية)، ويتم إعادة تشغيل نموذج النظام للتحقق من الاستقرار.

9. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

• تطوير مدونة الشبكة: سيكون هذا النموذج مفيداً لمشغلي الأنظمة المستقلة (ISOs) والمنظمين (مثل FERC في الولايات المتحدة) لتطوير وتبرير المعايير الفنية الإلزامية للأحمال الكبيرة المرنة القائمة على العاكسات (IBRs)، لتتجاوز القدرة على تحمل انخفاض الجهد (LVRT) لتشمل قدرة الاستجابة للتردد (FRT) ودعم القدرة غير الفعالة.
• نمذجة الموارد الهجينة: سيدمج العمل المستقبلي نماذج أحمال التعدين مع الموارد المتواجدة في نفس الموقع، مثل الطاقة الشمسية والتخزين خلف العداد، لدراسة ديناميكيات منشآت التعدين "المنتجة-المستهلكة" التي يمكن أن تعمل بمعزل أو تقدم خدمات للشبكة.
• المحاكاة المشتركة السيبرانية-المادية-الاقتصادية: الحد التالي هو ربط نموذج الاضطراب الكهرومغناطيسي العابر (EMT) بنموذج وكيل اقتصادي. من شأن ذلك أن يحاكي كيف تؤثر أسعار الكهرباء في الوقت الفعلي أو تعديلات صعوبة سلسلة الكتل على استهلاك الطاقة على مستوى الأسطول، مما يخلق توأماً رقمياً لتحليل السوق والاستقرار.
• تعميم على أحمال أخرى: إطار النمذجة قابل للتطبيق على مجموعات أخرى كبيرة من الموارد القائمة على العاكسات (IBRs)، مثل محطات شحن المركبات الكهربائية، ومحلل الهيدروجين الكهربائي، والأحمال الشبيهة بمراكز البيانات الأخرى، مما يوفر نموذجاً لتقييم آثارها على الشبكة.
• التحقق باستخدام الأجهزة في الحلقة (HIL): يجب أن ينشر البحث المستقبلي النموذج في إعداد الأجهزة في الحلقة (HIL) لاختبار أجهزة التعدين الفعلية ومرحلات حماية الشبكة ضد سيناريوهات الأعطال المحاكاة، مما يغلق الحلقة بين المحاكاة والتحقق المادي.

10. المراجع

1. ERCOT, “ERCOT Quick Facts,” 2023.
2. J. Doe, “The Energy Footprint of Blockchain,” Nature Energy, vol. 5, pp. 100–108, 2020.
3. NERC, “Lesson Learned: Inverter-Based Resource Performance During Grid Disturbances,” Technical Report, 2022.
4. ERCOT, “Disturbance Report: West Texas Event October 12, 2022,” 2022.
5. IEEE Power & Energy Society, “Impact of Inverter-Based Generation on Bulk Power System Dynamics and Short-Circuit Performance,” Technical Report, 2018.
6. Riot Platforms, Inc., “Rockdale Facility Overview,” 2023.
7. ERCOT, “Nodal Protocols,” Section 6, 2023.
8. ERCOT, “Generation Interconnection Status Report,” 2023.
9. Wheeler et al., “Power Quality Analysis of a Bitcoin Mining Facility,” in Proc. IEEE ECCE, 2021.
10. Samanta et al., “Supplementary Material: Lab Tests and Field Data for Crypto-Mining Loads,” Texas A&M University, 2023. [Online]. Available: [Link to Repository]
11. U.S. Department of Energy, “Grid Modernization Initiative Multi-Year Program Plan,” 2021.
12. Australian Energy Market Operator (AEMO), “Black System South Australia 28 September 2016 – Final Report,” 2017.