استراتيجية تخطيط وتوسعة شبكات توزيع الطاقة الكهربائية

يعتبر التخطيط لشبكات التوزيع الكهربائي معقد ويتعلق بتحديث النظام لتلبية الطلب والقيود بأفضل خطة اقتصادية.، بحيث تشمل بدائل التخطيط توسيع المحطات الفرعية وتركيب مرافق المولد الجديد الموزع (DG) وتحديث مغذيات التوزيع وما إلى ذلك، أما في الشبكات الحديثة؛ فإنه يجب أن يكتسب مخططو التوزيع الثقة في انعكاس الاستثمار.

أهمية استراتيجية تخطيط وتوسعة شبكات توزيع الطاقة الكهربائية

تبدأ شبكات التوزيع من محطات التوزيع الفرعية إلى مدخل الخدمة لمستهلكي الكهرباء، بما في ذلك محطات التوزيع الفرعية والمغذيات الأولية ومحولات التوزيع والأنظمة الثانوية، كما يمكن لشبكات التوزيع الحالية أن تخدم فقط متطلبات ومعايير العقود الماضية وليست قادرة على تلبية المهام المتجددة والتحديات القادمة، بحيث ستخضع أنظمة التوزيع والأحمال لتغيرات جذرية خلال العشرين إلى الخمسين عاماً القادمة.

وعلى سبيل المثال لا الحصر، يمكن أن نذكر خدمات العملاء المتوقعة ومستوى موثوقية النظام وخصائص الأحمال الجديدة والتكاليف الهامشية والعديد من مولدات (DG) الحالية، كذلك يمكن تصنيف أفق التخطيط لمشاكل التخطيط لتوسيع شبكة التوزيع (DEP) إلى تخطيط قصير الأجل وطويل الأجل وسنة أفقية.، بحيث يحتوي التخطيط قصير المدى عادةً على (1-4) سنوات.

كما أن الزيادة السريعة في أحمال الكهرباء يجبر سلطات نظام الطاقة على تنفيذ مخططات التخطيط التوسعي بشكل دوري، حيث أن الهدف من (DEP) العام هو تحديد مواقع ومحطات التوزيع الفرعية وحجم (DGs) ومغذيات التوزيع لتلبية المتطلبات المستقبلية على النحو الأمثل، وفي الوقت المناسب وبطريقة فعالة من حيث التكلفة، وذلك مع الاستجابة لجميع القيود والمتطلبات الفنية.

تحقيق المزايا الاقتصادية المرافقة لعملية تطوير الشبكات الكهربائية

يمكن أن يحقق (DEP) الأمثل مزايا اقتصادية للمخططين، كما ويعزز أيضاً مستوى رضا عملاء الكهرباء، وهو أمر بالغ الأهمية في بيئة سوق الطاقة المعاد هيكلتها، كذلك قدم العديد من الباحثين طرقاً مختلفة للتحسين الرياضي والفوقي لإيجاد حل مثالي لـ (DEP) الذي يمكن زيادة تعقيده بسبب مشكلة الأبعاد، بحيث يمكن أيضاً أن يكون سبب التعقيد الإضافي هو اتخاذ قرارات معقدة بشأن تخصيص المحولات والمحطات الفرعية.

كذلك يعد تعزيز المغذيات وتوسيع محطات التوزيع الفرعية وأيضاً تركيب بدائل التوزيع مثل المغذيات الجديدة والمحطات الفرعية والمحولات والمفاتيح الكهربائية المفتوحة عادةً خيارات قرار (DEP) التقليدية، وفي السنوات الأخيرة ركز الباحثون وأصحاب المصالح على التخطيط التوسعي وشراء الطاقة المولدة نظراً للمزايا، بما في ذلك الفوائد الاقتصادية وتحسين الموثوقية والخدمات الإضافية.

نموذج التخطيط والتوسع في التوزيع الكهربائي

بالبداية تكون متغيرات القرار لمشكلة (DEP) بشكل عام هي المكان والحجم وجدولة الاستثمار لتركيب معدات جديدة أو ترقية المرافق الموجودة مسبقاً، وبالإضافة إلى عدد المفاتيح وحالتها (الفتح / الإغلاق) وموقعها، كما يتخذ مالكو (DG) قرارات بشأن موقع وحجم ونوع (DG) للتركيب بناءً على الظروف الجغرافية وموارد الوقود وجدوى استخدام (RERs) مثل توربينات الرياح والألواح الكهروضوئية والكتلة الحيوية.

وفي مشكلة التصميم؛ فإنه يجب أن نحدد الأقطار المناسبة للخطوط وخيارات الموصلات (مثل الكابلات الأرضية وموصلات الخطوط الهوائية) بناءً على مستويات الجهد الكهربائي المطلوبة، هنا يهدف تعزيز الخطوط إلى زيادة قدرة المحطات الفرعية الموجودة مسبقاً ومغذيات التوزيع أو تركيب محطات جديدة إذا لزم الأمر.

كذلك (DEP) العام هو بطبيعته مشكلة برمجة غير خطية مختلطة ذات عدد صحيح مع متغيرات مستمرة ومنفصلة (ثنائية)، بحيث تمثل المتغيرات الثنائية تركيب مغذيات جديدة ومحطات توزيع فرعية وتغيير نوع الموصلات ورفع قدرة محطات التوزيع الفرعية، كذلك تمثل المتغيرات المستمرة مقدار مستوى الجهد في كل ناقل وتدفق الطاقة من المغذيات والطاقة المتولدة باستخدام (DGs) والطاقة المحقونة من المحطات الفرعية والحمل المقلص حسب الشكل التالي (1).

الشروط الرئيسية لنموذج التخطيط والتوسع في الشبكة الكهربائية

إن أهم وظيفة موضوعية لمشكلة توسيع الشبكة هي تكلفة الاستثمار وشروط التشغيل، كذلك تكلفة الاستثمار (أو التكلفة الثابتة) هي جميع التكاليف المتعلقة بترقية النظام (عن طريق تركيب أداة جديدة وتعزيز قدرة المرافق الحالية)، أيضاً تكلفة التشغيل (أو التكلفة المتغيرة) هي جميع التكاليف المتعلقة بتكاليف التشغيل والصيانة للنظام خلال فترة التخطيط بأكملها، على سبيل المثال تكلفة خسائر الطاقة وتكلفة الأحمال المقلصة وتكلفة توليد الطاقة في (DG)،.

ولتبسيط التخطيط، يتم تحويل التكاليف الثابتة والمتغيرة إلى صافي القيمة الحالية السنوية (NPV)، كما اقترحت العديد من الدراسات مناهج لتحديد متغيرات القرار لمشكلة (DEP) على النحو الأمثل وتقليل شروط التكلفة المختلفة.

ونظراً لأن كلا النوعين من التكاليف عبارة عن نفقات نقدية؛ فيمكن تجميعهما معاً من خلال مراعاة معدلات الخصم لحساب القيمة الحالية لجميع شروط التكلفة، وباستخدام معدلات الخصم يمكن تحويل شروط تكلفة زمنية مختلفة إلى القيم الحالية وضمها معاً لإنشاء دالة تكلفة واحدة، وعلاوة على ذلك تعتبر تكلفة ترددات الأعطال أي عدد الأعطال وتكلفة الطاقة غير المخدومة، أي مدة الأعطال، بحيث يمكن تجميعها كدالة تكلفة الموثوقية لتقليلها لتعزيز مستوى موثوقية الشبكة الكهربائية.

كما نحدد عادةً (DEP) كمشكلة تحسين مع العديد من متغيرات القيد، بما في ذلك:

• توازن الطاقة: يضمن هذا القيد توليد الطاقة النشط والمتفاعل والمساواة في الاستهلاك في كل خطوة زمنية.

• مستوى الجهد: لأسباب تتعلق بالاستقرار، كما يجب الاحتفاظ بانحراف الجهد ضمن بعض الحدود داخل ملف تعريف الجهد، بحيث ستوفر شركات التوزيع (DISCO) بشكل عام ملف الجهد القياسي للعملاء.

• تدفق الطاقة: يجب أن يكون تدفق الطاقة لمغذيات التوزيع ضمن السعة المسموح بها للفروع حيث نقوم بصياغة القيود بمجموعة من معادلات عدم المساواة.

• التحكم في طاقة الخرج النشطة والمتفاعلة لمنشآت (DG): يجب تعيين عتبة لتوليد الطاقة النشطة والمتفاعلة لوحدات (DG)، ونظراً لأن القدرة التفاعلية لل (DGs)، بحيث يمكن أن تؤثر على ملف تعريف الجهد وخسارة الطاقة؛ فمن أجل أفضل توزيع لل (DGs) في الشبكة.

• حد الاختراق من (DGs): يجب أن تكون الطاقة المولدة مع (DGs) أيضاً ضمن حد معين، وعادةً ما يكون مستوى اختراق وحدات (DG ~ 30-40٪) من تصنيف المحطة الفرعية الرئيسية.

• سعة المحطة الفرعية: يجب أن يكون تحميل المحطات الفرعية أيضاً ضمن الفترة المسموح بها.

• الشعاعية: بسبب المشكلات التشغيلية، يجب تشغيل مغذيات التوزيع بتكوين نصف قطري.

• إجمالي الاستثمار: المبلغ الإجمالي للموارد المالية محدود لتركيب أدوات جديدة وزيادة التسهيلات الحالية التي ستؤثر على خطة التوسع للأنظمة.

• تنظيم معامل القدرة: يجب أن تستوفي مقادير عوامل القدرة المعايير ذات الصلة.

• خسائر الطاقة: تعتبر خسائر الطاقة في الشبكة من أهم الاعتبارات وتتكون من خسائر المغذيات وكذلك المحولات.

• القيود المنطقية: تحدد هذه القيود كيف يجب أن تعمل الشبكة الكهربائية، على سبيل المثال يمكن اختيار نوع واحد فقط من المعدات من بين جميع الخيارات.

وأخيراً تستعرض هذه الدراسة الجوانب المختلفة المتعلقة بمشكلة (DEP)، بحيث يتناول بشكل صريح تطوير النظام وأفق التطوير وقيود المشكلة وأنواع المتغيرات المطلوبة في تخطيط الأنظمة الموزعة بالإضافة الى خوارزميات التحسين وطبيعة المشكلة الفردية، وكذلك المتغيرات غير المؤكدة وطرق التعامل معها.