اقرأ في هذا المقال
شهدت أنظمة الطاقة الكهربائية زيادات كبيرة في عدد الأجهزة الذكية والمتصلة والقابلة للتحكم التي يتم توزيعها، مما أدى إلى درجة عالية من الذكاء في الشبكة الكهربائية، بحيث تشمل هذه الأجهزة، والمملوكة للمرافق والمملوكة للمستهلكين على حد سواء، كذلك توليد الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة.
تحديد أهمية أجهزة الشبكة الكهربائية والتشغيل البيني
تعد البنية التحتية للطاقة الكهربائية الآمنة والموثوقة والمرنة والنظيفة عنصراً أساسياً في المجتمع الحديث، بحيث يمكن أن يؤدي الفشل في البنية التحتية للطاقة الكهربائية إلى فقدان الإنتاجية الاقتصادية وزيادة مخاطر الخسائر في الأرواح بسبب انقطاع الخدمة، كذلك يمكن أن يحدث انقطاع التيار الكهربائي على نطاق إقليمي نتيجة لأحداث طبيعية مثل العواصف الشديدة والزلازل أو كجزء من حالات الفشل المتتالية المعقدة مثل انقطاع التيار الكهربائي في أمريكا الشمالية عام (2003)م.
وفي الآونة الأخيرة في أوائل عام (2021)م، أدت العواصف الشتوية الحادة والقاسية إلى حدوث إخفاقات متتالية في مجلس الموثوقية الكهربائية في تكساس للربط البيني في الولايات المتحدة، مما يؤكد استمرار تعرض شبكات الطاقة للأحداث الطبيعية، بحيث تؤدي الخسائر الكبيرة في التوليد بسبب الأعطال الناجمة عن أحداث مثل حرائق الغابات، مثل حريق (Canyon 2)، (Blue Cut fire).
أيضاً إلى عدم استقرار النظام وانقطاعه، لذلك من الضروري ليس فقط تحسين موثوقية شبكة الطاقة لمنع حدوث أعطال في النظام، ولكن أيضاً لتحقيق مستوى عالٍ من المرونة لاستعادة العمليات العادية بعد الانقطاعات، وبسبب الانتشار المتزايد لموارد الطاقة الموزعة (DER) والأجهزة الإلكترونية الذكية (IED)؛ فإن هناك اهتمام متزايد باستخدام (DER) كأجهزة إدارة “الشبكة” لدعم المرونة التشغيلية عبر مجموعة من الظروف التشغيلية.
زيادة مستويات اختراق وتحديات نظام التوزيع الكهربائي (DER)
في جميع أنحاء العالم، تؤدي معايير الحافظة المتجددة والمصلحة العامة وتكاليف المعدات المتناقصة إلى زيادة اختراق (DERs)، وهذا يشمل كلاً من (DERs) المنفعة وغير المفيدة مثل الخلايا الكهروضوئية الشمسية (PV) وأنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS)، وعلى مستوى التوزيع الكهربائي في الولايات المتحدة، شهدت العديد من الولايات نمواً مستداماً في منشآت (DER).
كما واستمرت في القيام بذلك في كثير من الحالات، بحيث يتم توصيل (DERs) بالأنظمة أحادية الطور ذات الجهد المنخفض لمحولات التوزيع، بحيث يتيح هذا التصميم البسيط اعتماد (DER) على مستويات أعلى من قبل المستهلكين المحليين والتجاريين الصغار، ومع ذلك ومع زيادة مستويات الاختراق لـ (DERs) غير المنفعة؛ فإن استخدام نفس الهيكل البسيط غير المنسق يمكن أن يؤثر سلباً على تشغيل الأنظمة المنسقة مركزياً مثل الإصلاح الذاتي.
الذكاء الموزع وقابلية التشغيل البيني عند حافة الشبكة الكهربائية
تتيح المعلومات والضوابط الموزعة المرونة اللازمة لتسهيل التكامل الآمن والموثوق والآمن لـ (DERs) القائمة على العاكس، وبغض النظر عن هيكل ملكية الأصول؛ فقد تم توحيد ودراسة هيكل تحكم هرمي للشبكات الصغيرة ذات وظائف التحكم الأولية والثانوية والثالثة، بحيث يوفر التحكم الأساسي (السريع والجهاز المحلي) مراجع التيار الكهربائي والجهد على مستوى العاكس، كما وينظم أيضاً مشاركة الطاقة من خلال تقنيات مثل التحكم في التدلي.
لذلك يوفر التحكم الثانوي (الأبطأ والمتوسط) عناصر تحكم مثل تحسين جودة الطاقة وتنظيم تدفق الطاقة الحقيقي والتفاعل في النظام. يدير التحكم الثلاثي (الأبطأ، المستوى العالمي) تنسيق الموارد والترابط وتحسين التكلفة وتشمل هذه الطبقة تطبيقات مثل الإصلاح الذاتي.
ونظراً لأن المزيد والمزيد من المرافق تستثمر في أنظمة التحكم من الدرجة الثالثة، مثل (ADMS) أو أنظمة إدارة موارد الطاقة الموزعة (DERMS) لإدارة وإرسال نقاط المجموعة إلى أصول شبكة التحكم الأولية (مثل أجهزة الحماية والتحكم والعاكسات)، لذلك سيصبح الأمر أكثر صعوبة في تنسيق تدفقات الطاقة ثنائية الاتجاه من التوليد المتقطع أو لمعالجة أحداث الانقطاع غير المخطط لها.
حيث أن هذا صحيح بشكل خاص بدون نظام تحكم ثانوي مؤتمت لتوحيد ونقل البيانات القابلة للتنفيذ بسرعة بين أنظمة المكتب الخلفي والأجهزة الطرفية، ومع ذلك؛ فإن الواجهات المباشرة بين أنظمة التعليم العالي تأتي مع تحديات كبيرة مثل زمن انتقال النظام وإخلاص الهيكل وتنسيق الحماية الكهربائية، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن معظم قرارات إدارة الشبكة التقليدية مركزية.
تقييم قابلية التشغيل البيني على نطاق واسع
في نظام التحكم الكهربائي الموزع، يمكن لـ (DERs) والأجهزة الميدانية الأخرى التواصل من نظير إلى نظير في طبقة التطبيق، كما تتمثل ميزة هذه البنية في أنها تتجنب الاضطرار إلى إرسال جميع الإشارات عبر مركز تحكم مركزي، بحيث يجب اختبار هذه القدرات الإضافية لوظائف نظام الطاقة الحالية والتحقق من صحتها قبل النشر الميداني.
كذلك يمثل هذا مشكلة قابلية التشغيل البيني وقابلية التوسع، كما يلزم إجراء تقييم سريع وفعال من حيث التكلفة لعدد كبير من الأجهزة المنتشرة في منطقة جغرافية كبيرة محتملة، وربما اعتمدت طرق الاختبار القديمة اعتماداً كبيراً على الأجهزة ذات الموقع المشترك باستخدام الإدخال والإخراج التناظري والرقمي (المدخلات / المخرجات).
لكن؛ فإن ظهور أدوات محاكاة الأجهزة في الحلقة (HIL) في الوقت الفعلي يمكن أن يسرع من جهود الاختبار إلى حد كبير، تقليل الحواجز أمام النشر، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن توسيع قدرات الاتصال يتيح الربط الشبكي للعديد من المواقع، بحيث يمكن الآن نشر محاكاة مكونات نظام الطاقة وتحقيق قابلية توسع فعالة من حيث التكلفة مع عدم التضحية بسرعة ودقة النتائج، وهذا يمكن أن يقلل التكاليف وأوقات الإعداد بشكل كبير لتقييم أنظمة التحكم المعقدة والخوارزميات.
توزيع الذكاء والتحكم وإمكانية التشغيل البيني
كما تمت مناقشته في قسم المقدمة، بحيث تتزايد أهمية المعلومات الموزعة لمرافق الطاقة، كما كانت المعلومات الموزعة أيضًا نقطة محورية للمعايير المنشورة مؤخراً، مثل معيار (IEEE 1547-2018) “التوصيل البيني وإمكانية التشغيل البيني لموارد الطاقة الموزعة”، بحيث يصف هذا المعيار بروتوكولات الاتصال مثل [Smart Energy Profile 2 (SEP2)] وبروتوكول الشبكة الموزعة [3 (DNP3)- SunSpec Modbus].
كما ويعد توحيد البروتوكولات الخاصة باتصالات (DER) خطوة مهمة إلى الأمام ومن المحتمل أن يؤدي إلى تحسين وظائف الشبكة الكهربائية، ولكن هذا لا يدعم حالياً الاتصالات من نظير إلى نظير مع الأجهزة المتفجرة المرتجلة الأخرى أو يوفر فرصاً للتعديل التحديثي للأصول الموجودة مسبقاً.
لذلك يتطلب التنسيق التشغيلي لمجموعة فرعية من (DERs) مع نظام مركزي للشفاء الذاتي اتصالات مع الموقع المركزي وعادةً ما يكون مركز عمليات التوزيع الكهربائي، مثل هذه الواجهات مع الأنظمة المركزية تمثل مشاكل في قابلية التوسع وأنماط الفشل وأوقات اختفاء الاتصالات، بحيث تم اقتراح وفحص أشكال مختلفة من الضوابط الموزعة في الدراسات.
بالمجمل تم تقديم منصة تجريبية متعددة المواقع متصلة بالشبكة بشكل آمن لتقييم التحكم الموزع وقابلية التشغيل البيني في هذه الدراسة، ومع زيادة قدرة (DER) المثبتة، لذلك يعد نشر المعلومات والتحكم على مستوى الشبكة حلاً محتملاً لإدارة الأصول وزيادة مرونة النظام الكهربائي.
