تحليل أداء قياس الطور الكهربائي في نظام التوزيع
في صناعة الطاقة الكهربائية، يعد التزامن الزمني لبيانات القياس أحد المتطلبات الأكثر أهمية لأنظمة مراقبة المنطقة الواسعة لأنه يتيح تحديد زوايا الطور لجميع التفرعات، وتقليدياً استخدم مشغلو نظام النقل تقدير الحالة (SE) لحساب زوايا المرحلة هذه من خلال جمع جميع القياسات من أنظمة التحكم الإشرافي والحصول على البيانات (SCADA)، ومع ذلك؛ فإن جمع مجموعة من القياسات لفترة زمنية محددة يستغرق ثانيتين أو أكثر، مما يؤدي إلى دقة منخفضة لنتائج (SE).
وللتعامل مع هذه المشكلة، تم استخدام وحدات قياس الطور (PMUs) القادرة على قياس زوايا الطور بشكل مباشر ودقيق بناءً على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتحسين أداء (SE) من حيث دقة التقدير وسرعة الحساب، وبالإضافة إلى تحسين أداء (SE)، يتيح القياس المباشر لزوايا الطور أخذ عينات طورية سريعة (أي بحد أقصى 120 عينة في الثانية)، مما يوفر العديد من الفوائد مثل (SE) الديناميكي والعملية القائمة على القياس وتوزيع (SE).
كما ازدادت أهمية تقدير حالة نظام التوزيع (DSSE) مؤخراً بسبب الانتشار المتزايد للأجيال الموزعة (DGs) والأجهزة القائمة على إلكترونيات القدرة، أيضاً بسبب الحاجة إلى تنظيمات الجهد الكهربائي، بالإضافة إلى ذلك؛ فقد قدم نهج تقدير الحالة متعدد المناطق لمعالجة العديد من العقد ومستويات الجهد المختلفة، بحيث اعتمد النهج على خطوتين، الخطوة الأولى هي استخدام مقدرات الحالة المحلية والخطوة الثانية هي تكامل معلومات القياس من المناطق المجاورة وأداء تقدير الحالة الخطية.
كما أنه يمكن أيضاً تطبيق (DSSE) على أنظمة التوزيع الهجين (AC-DC) باستخدام تقدير الحالة الموزعة على ثلاث مراحل باستخدام قياسات (SCADA) و (PMU)، كذلك يمكن أن تلعب وحدة إدارة المشروع دوراً أساسياً في (DSSE) عند النظر في نقص أجهزة الاستشعار في أنظمة التوزيع، بحيث يعزز التزامن الزمني ومعدل أخذ العينات المرتفع أداء (DSSE) من حيث دقة التقدير ووقت الحساب ويزيد من تطوير تحليلات الشبكة الكهربائية عن طريق الاقتران بالبيانات الضخمة.
وفي الوقت نفسه؛ فقد تم اقتراح تقدير الحالة بناءً على مرشح المجموعة “كالمان” لتعزيز دقة التقدير الحالية، كما استخدمت الطريقة قياساً زائفاً استناداً إلى البيانات التاريخية وقياس وحدة إدارة المشروع وفصل معادلات تدفق الطاقة عن المقدر، كما حلل الباحثون عوامل التقدير الدقيق لمحات الجهد من (DSSE) من خلال إظهار كيف يعتمد تقدير عدم اليقين على وحدة (PMU) أو أنظمة القياس المختلطة.
متطلبات الدقة PMU بخصوص DSSE
تؤثر العديد من العوامل على دقة قياسات (PMU) على سبيل المثال، تركيب معدات الأجهزة وطرق توزيع إشارات الوقت وبروتوكولات تزامن الوقت وخوارزميات تقدير المراحل وتصميمات المرشحات، كما يمكن لمستقبل (GPS) المخصص أن يزود وحدة (PMU) بإشارات زمنية عالية الدقة، ولكن قد يكون تثبيت مستقبل (GPS) لكل وحدة (PMU) على حدة أمراً مستحيلاً، وذلك بسبب تكاليف التركيب المرتفعة والقيود المكانية.
لذلك يمكن توزيع إشارات الوقت على وحدات (PMU) متعددة من خلال أسلاك زوجية ملتوية أو كابلات متحدة المحور وفقًا للرموز الزمنية (B) لمجموعة الأجهزة متعددة المدى، وبدلاً من ذلك يمكن أيضاً نقل معلومات الوقت عبر شبكات الكمبيوتر وفقاً لبروتوكول وقت الشبكة أو بروتوكول الوقت الدقيق، كما يمكن أن تكون دقة الوقت بترتيب ميكرو ثانية أو بضعة أجزاء من الثانية اعتماداً على خطوط الاتصال أو بروتوكولات تزامن الوقت ذات الدقة وأوقات الاستجابة المختلفة.
وعلى الرغم من أن وحدة إدارة المشروع تحصل على معلومات دقيقة عن الوقت، إلا أن خوارزميات تقدير المرحلة أو فلاتر المعالجة المسبقة (أو المعالجة اللاحقة) تؤثر بالتأكيد على دقة قيم الطور المقدرة نهائياً، وعلاوة على ذلك؛ فإن هذه الخوارزميات أو المرشحات خاصة بالبائع تماماً.
وبالنظر إلى هذه العوامل المختلفة التي تحدد دقة وحدة إدارة المشروع؛ فإن تحديد متطلبات وحدة إدارة المشروع لـ (DSSE)، وذلك مع العوامل المذكورة أعلاه هو مهمة تستغرق وقتاً طويلاً، ومن ثم؛ فإن طلب الاحتفاظ بقيم الطور المستخرجة بواسطة وحدة إدارة المشروع ضمن الحدود المطلوبة لـ (DSSE) أكثر قابلية للتطبيق، على سبيل المثال تحديد مقياساً يسمى إجمالي خطأ المتجه (TVE) لاختبار أداء وحدة إدارة المشروع في بيئات مختلفة، كما أنه يمكن حساب (TVE) على النحو التالي:
كما تمت ملاحظة أن (TVE) يعكس أخطاء الحجم وأخطاء الزوايا في نفس الوقت، وذلك كما هو موصوف في الشكل التالي (1)، بحيث يكون (TVE) للطور أكبر من خطأ حجم الطور ما لم يكن خطأ الطور صفراً، كما يزيد (TVE) بنسبة تصل إلى (1٪) تقريباً، وذلك حتى مع وجود خطأ في الحجم بنسبة |(0.1٪)، وذلك عندما تنحرف زاوية الطور عن قيمتها الحقيقية بمقدار (0.5) درجة، مما يشير إلى أن خطأ زاوية الطور له تأثير كبير على (TVE) في معظم الحالات، ومن ثم، يعد (TVE) مقياساً عملياً لأداء (PMU).
صياغة (DSSE) وتقدير حالة (WLS)
تعتبر خوارزمية (SE) المستخدمة في هذه الدراسة هي طريقة المربعات الصغرى المرجحة المعروفة (WLS)، والتي تعد وسيلة مناسبة لحل (DSSE)، وذلك لأن هذه الطريقة لها أداء متسق وعالي الجودة عند تطبيقها على الشبكات الموزعة، كما يمكن تعريف نموذج القياس رياضيًا على النحو التالي:
حيث أن:
(z∈Rm): هو متجه القياس.
(m): هو عدد القياسات.
(x∈Rn): هو ناقل الحالة.
(n): هو عدد الحالات.
(h: Rn → Rm): هو متجه الوظائف المتعلقة بالحالات للقياسات.
[η∽N (0، R)]: هو متجه ضوضاء غاوسي ذو متوسط صفري مع مصفوفة التغاير الخطأ.
[R (= diag {2 (z,، σ2 (z2)، …، σ2 (zm)})] و [σ (zi)]: هو الانحراف المعياري للقياس (i -th).
وبالنسبة الى نموذج خط التوزيع يتمثل الاختلاف الرئيسي بين (DSSE) عن نظام النقل (SE) في أن أنظمة التوزيع لها هياكل خطوط غير متماثلة وتعمل في ظروف غير متوازنة، بهذا المعنى، كما يجب نمذجة خطوط التوزيع في ثلاث مراحل وذلك مع مراعاة المحاثات والسعة المتبادلة، كما يوضح الشكل التالي (2) النموذج ثلاثي الطور (π) لخطوط التوزيع التي تربط حافلتين متجاورتين، والتي تُستخدم لصياغة نماذج القياس في النهج المقترح.
أما بالنسبة الى نوع القياس؛ يوضح الجدول التالي الأنواع الثلاثة التالية من القياسات التي تم أخذها في الاعتبار بالنسبة لـ (DSSE)، وهم الفروع والحقن والقياسات الافتراضية، كما يمثل تدوين التلدة المرتفع قيمة الطور، أولاً توجد قياسات الفروع عادةً في خطوط التوزيع لمراقبة الجهد والتيار الكهربائي والقدرة الحقيقية التفاعلية.
كما حصلت أنظمة (SCADA) مسبقاً على مقدار الجهد (| V˜|) والقدرة الحقيقية أو التفاعلية (P ، Q)، أما الآن يمكن لوحدات إدارة المشروع، بما في ذلك وحدات إدارة المشروع على مستوى النقل ووحدات إدارة المشروع (μ) ، الى أن تحل محل القياسات عن طريق قياس فرق الجهد والتيار مباشرة (V˜ و I˜).
