إعادة التشكيل الهيكلي لأنظمة توزيع الطاقة الكهربائية

تلعب أنظمة التوزيع دوراً مهماً، حيث توفر الطاقة الكهربائية لنظام التوليد للمستهلكين الأفراد، إضافة الى إعادة تكوين نظام التوزيع (DSR) هي مشكلة تحسين اندماجي على نطاق واسع، وعلى مدى السنوات الـ (45) الماضية؛ تمت دراسة مشكلة (DSR) على نطاق واسع.

الغاية من إعادة التشكيل الهيكلي لأنظمة توزيع الطاقة الكهربائية

تعد شبكة التوزيع جزءاً مهماً من البنية التحتية لنظام الطاقة التي تربط شبكة النقل بالمستخدمين النهائيين للشبكة الكهربائية، كما وتتمثل مهمتها الرئيسية في توصيل الكهرباء التي تنتجها وحدات التوليد للعملاء الأفراد للطاقة الكهربائية، وعادةً ما يتم إنشاء شبكات توزيع الطاقة في المناطق الحضرية كهيكل شبكي كما يتم تشغيلها في طوبولوجيا شعاعية مناسبة، والتي يمكن ضبطها أو تغييرها عن طريق فتح مفاتيح مقطعية مغلقة عادةً وإغلاق محولات خط الربط المفتوحة.

وبالعادة يشار إليها عادةً بنظام التوزيع إعادة التكوين (DSR)، بحيث تربط خطوط الربط بين أطراف المغذيات الشعاعية أو توفر وصلات بنقاط إمداد بديلة، بينما توفر المحولات المقطعية وصلات بينية للأقسام أو الفروع الرئيسية لكل وحدة تغذية شعاعية، بحيث يمكن التحكم في كلا النوعين من المفاتيح يدوياً أو يمكن تشغيلهما تلقائياً كمفاتيح يتم التحكم فيها عن بُعد.

كذلك تتميز أنظمة توزيع الطاقة الحديثة بعدد من المفاتيح التي يتم التحكم فيها عن بُعد، والتي يتم تنشيطها لتوفير توصيلات إمداد الطوارئ لتحسين الموثوقية أو للسماح بأعمال الصيانة والخدمة أو لضبط التكوين الأمثل للنظام أثناء التشغيل العادي، وفيما يتعلق بكل من حماية النظام والتشغيل العادي؛ فإن المفاتيح المقسمة على طول المغذيات تكون آلية ويمكن التحكم فيها باستخدام روابط اتصال مخصصة.

الخسائر الكهربائية في نظام التوزيع بسبب زيادة التيار

تعد خسائر الطاقة في نظام التوزيع أكثر من شبكة النقل بسبب ارتفاع نسبة التيار الكهربائي إلى الجهد (مقاومة خط أعلى) لخطوط التوزيع مقارنة بخطوط النقل، كما تؤثر خسائر الطاقة بشكل مباشر على التكلفة التشغيلية وخصائص الجهد الكهربائي، خاصة في أنظمة الطاقة المحملة بشدة.

ولهذا؛ فإنه تم بدء (DSR) بغرض الحصول على أقل خسائر في الطاقة أثناء ظروف التشغيل العادية، ومع ذلك؛ فإنه يشمل اليوم أيضاً أهدافاً أخرى مثل تحسين جودة الطاقة وزيادة هامش أمان الجهد وتعزيز الموثوقية وتوسيع سعة التوريد، إضافة الى موازنة الحمل الكهربائي وزيادة تغلغل التوليد الموزع (DG) واستعادة الخدمة والعزل السريع للأعطال.

الدراسات العلمية المرتبطة في إعادة تشكيل النظام الكهربائي

تصنيف الدراسات الكهربائية على أساس طرق الحل

في هذا القسم، تم استخدام مزايا وعيوب عدة طرق تجاه مشكلة (DSR)، كما وتم تقديم تقسيمها الى:

• طرق التحسين الرياضي: من المعروف أن طرق التحسين الرياضي فعالة في حل مشكلات التحسين البسيطة والخطية باستخدام مساحة بحث صغيرة نسبياً، مما يضمن التقارب نحو الحل الأفضل، ومع ذلك في مشاكل التحسين الاندماجي مع مساحة البحث الكبيرة؛ فإنها تميل هذه الأساليب إلى المطالبة بجهود حسابية أعلى وأحياناُ لا يمكن تحملها، وبمرور الوقت استخدمت العديد من الأعمال المتعلقة بـ (DSR) هذه الأساليب، مما يدل على كفاءتها في هذا المجال.

• طرق التحسين الاستكشافية: كما هو موضح؛ فإن حل (DSR) يكون من خلال التحسين الرياضي يعرض عادةً قيود المعالجة، كما تميل هذه الأساليب إلى أن تكون مضيعة للوقت، وذك بسبب عدم تطابق مساحات البحث، كما وتزداد هذه المشكلة عندما يتم أخذ متغيرات القرار الصحيحة في الاعتبار.

لذلك؛ فإنه يمكن استخدام الأساليب الإرشادية كحل للقيود الحسابية، بحيث تقوم هذه الطرق بتحليل الخيارات الممكنة واختيار حلول ذات جودة جيدة منطقياً، وذلك باستخدام عمليات بحث بسيطة خطوة بخطوة، وعلى الرغم من أن الأساليب الإرشادية يمكن أن تجد حلولًا مجدية بجهد حسابي منخفض؛ إلا أنها لا تضمن جودة هذه الحلول ولا أفضلها.

• طرق التحسين (Metaheuristic): تعد طرق (Metaheuristic) بمثابة خوارزميات بحث عشوائية تستند إلى قواعد محددة، مثل عملية التطور البشري وعملية التلدين وآلية التعلم والتعليم، وما إلى ذلك، وهي التي تحدد وتستخدم معايير بحث معينة، مثل عوامل الاختيار والطفرة والتقاطع وما إلى ذلك، وذلك أثناء عملية التحسين.

في حين أن الطرق الاستدلالية هي خوارزميات بحث خطوة بخطوة تعتمد على التجربة والخطأ، كذلك الأساليب الاستكشافية جشعة للغاية وتحتاج إلى تصميمها لتطبيق معين (طرق تعتمد على المشكلة)؛ بينما تعد (metaheuristics) بمثابة خوارزميات بحث عامة (طرق مستقلة عن المشكلة) تحتاج فقط إلى بعض الضبط الدقيق لمعاييرها المتأصلة للتكيف مع ما تحت الدراسة مشكلة.

تصنيف الدراسات الكهربائية على أساس الوظائف الموضوعية

في الآونة الأخيرة، اكتسب إدراج المجالات ذات الصلة بـ (DSR)، مثل موازنة الحمل واستقرار الجهد الكهربائي ووضع المكثف ومصادر الطاقة المتجددة وسوق الكهرباء المحلي والعالمي والمجالات المرتبطة بها على سبيل المثال، عدم اليقين والموثوقية، وهي ذات أهمية كبير، لذلك يقدم هذا القسم تصنيفاً لأعمال (DSR)، وذلك بناءً على الدراسات المقترحة من جوانب نظام الطاقة المختلفة، كما ويرد وصف موجز للأعمال ذات الصلة التي تشمل أهم المجالات ذات الصلة (DSR) على النحو التالي.

في البداية هناك تغيرات فقد الطاقة المقدرة في (SDSR)، وباستخدام تدفق طاقة التيار المباشر (DC)، مما يوضح أن الصيغة المقترحة تتيح إعادة التكوين السريع للتطبيقات عبر الإنترنت، وبعد ذلك بعامين تمت صياغة الموضوع  كمشكلة تحسين متعددة الأهداف من مرحلتين باستخدام (SA)، وبكلمات بسيطة تم تقليل الوظائف الموضوعية للخسائر وموازنة الحمل القصوى في المرحلتين الأولى والثانية من النهج المقترح على التوالي.

تصنيف الدراسات الكهربائية على أساس الابتكارات

بحسب ما تم ذكره سابقاً وعلى مدار الـ (45) عاماً الماضية؛ فقد تمت دراسة مشكلة (DSR) على نطاق واسع، لذلك تم اقتراح تصنيف أخير في هذا القسم، بحيث بهدف الاستشهاد بالأعمال التي جلبت أهم الابتكارات في المجالات المختلفة المتعلقة بـ (DSR) وتكريمها، كما يمثل هذا التصنيف أداة رائعة للباحثين الجدد لأنه يجمع الأساس البحثي فيما يتعلق بأهم ميزات (DSR).

كما تم تقديم مراجعة كاملة وتصنيف لأهم الأعمال المتعلقة بإعادة تشكيل نظام التوزيع (DSR)، بما في ذلك ليس فقط الأساليب التقليدية، ولكن أيضاً تلك التي تنطوي على موارد الطاقة المتجددة والموثوقية والتوليد والطلب وأسواق الكهرباء ووضع المكثفات وتوفير رأس المال والمجالات المرتبطة بها، على سبيل المثال تبديل التردد الكهربائي والتكلفة.

كذلك تم تصنيف (DSR) في نطاقه الكامل إلى ثلاثة تصنيفات رئيسية، أي طرق الحل والوظائف الموضوعية والابتكارات، بحيث يمثل هذا العمل أداة قيمة لأي شخص مرتبط بمجال البحث هذا، كما أنه يوفر إطاراً بحثياً واسعاً يمكن استخدامه كقاعدة لأي تحقيقات أخرى تتعلق بـ (DSR) والتحديات القادمة، لذلك يمكن لمشغلي أنظمة التوزيع استخدام هذا الإطار من أجل تحسين الصيغ والأساليب السابقة.

وأخيراً تشير التصنيفات المقدمة إلى أن معظم الباحثين قد ركزوا على حل مشكلة (DSR) من وجهة نظر ثابتة، وعلى الرغم من أنه تم العثور على عدد من الأعمال التي استخدمت نهجاً ديناميكياً، وعلاوة على ذلك ونظراً للخاصية التوافقية واسعة النطاق لمشكلة (DSR)؛ فقد كانت (metaheuristics) أكثر طرق الحل شيوعاً في هذه المسألة.