استعادة الخدمة المطلوبة لشبكات نقل التوزيع الكهربائية

مع النشر السريع للبنية التحتية المتقدمة للقياس (AMI) وأتمتة التوزيع الكهربائي (DA)؛ فقد أصبح الإصلاح الذاتي عاملاً رئيسياً لتعزيز مرونة الشبكة وبعد حدوث خطأ دائم؛ فإنه يقوم مشغل شبكة التوزيع (DNO) بتنفيذ مخطط الإصلاح الذاتي لتحديد موقع الخطأ وعزله واستعادة مصدر الطاقة للأجزاء الخارجة عن الخدمة.

أهمية استعادة الخدمة المطلوبة للشبكات الكهربائية

يعتبر استمرار إمدادات الكهرباء بمثابة مصدر قلق كبير لمشغلي النظام بعد الخصخصة وتحرير صناعة الطاقة، وكحلقة وصل أخيرة بين المستخدمين النهائيين والمرافق؛ فإنه يجب أن يكون لشبكات التوزيع إمدادات كهرباء موثوقة وفعالة للعملاء، ومع ذلك ونظراً لأن شبكة التوزيع تعمل بطوبولوجيا شعاعية؛ فإن أي خلل في الشبكة سيؤدي إلى انقطاع الإمداد للعملاء في المراحل النهائية مع الجزء المعيب.

كما تشير الإحصائيات إلى أن شبكات التوزيع تساهم في الغالب في عدم توفر التيار الكهربائي، وبالتالي من المهم تعزيز مرونة شبكات التوزيع، وفي حالات الطوارئ؛ فإنه يُمكّن الإصلاح الذاتي شبكة التوزيع من استعادة نفسها تلقائياً وبذكاء للحصول على أفضل حالة ممكنة مع مجموعة من المعدات والخوارزميات وتقنيات الاتصال.

وكل ذلك من خلال تثبيت البنية التحتية المتقدمة للقياس (AMI) وأجهزة أتمتة التوزيع (DA) مثل الوحدات الطرفية البعيدة (RTUs) والأجهزة الإلكترونية الذكية (IEDs)، بحيث تكون الشبكة قادرة على اكتشاف حالة التشغيل واتخاذ الإجراءات التصحيحية.

وفي حالة وجود عطل دائم؛ فإن نظام الإصلاح الذاتي قادر على اكتشاف موقع الخطأ وعزل الأجزاء المعيبة، وبعد ذلك؛ فإنه يبدأ في استعادة الأجزاء خارج الخدمة عن طريق التحكم في أجهزة (DA)، على سبيل المثال فتح أو إغلاق مفاتيح التحكم عن بُعد (RCS) وإرسال وحدات التوليد الموزع (DG).

دور تطبيقات الإصلاح الذاتي في استعادة شبكات التوزيع الكهربائية

تزود تطبيقات الإصلاح الذاتي شبكات التوزيع بفوائد وظيفية ومالية، وبالنسبة للفوائد الوظيفية؛ فإنه يمكن لنظام الإصلاح الذاتي أن يحسن بشكل كبير مؤشرات الموثوقية للشبكة مثل مؤشر متوسط مدة انقطاع النظام (SAIDI) ومؤشر متوسط تردد انقطاع النظام (SAIFI)، وبالنسبة للفوائد المالية؛ فإن مخطط الإصلاح الذاتي يعزز استمرارية إمدادات الكهرباء وبالتالي يقلل من فقدان الطلبات غير الموفرة، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يوفر العمالة والمركبات بسبب موقع الخطأ السريع والدقيق.

كما يعتمد التنفيذ الناجح للإصلاح الذاتي على النشر الشامل لموقع الخطأ والعزل واستعادة الخدمة، وكجانب أساسي من جوانب الإصلاح الذاتي؛ فقد جذبت استعادة الخدمة اهتماماً كبيراً، لذلك تستعرض هذه الدراسة مناهج استعادة الخدمة الحالية لشبكات التوزيع.

موقع الأعطال والعزل واستعادة الخدمة الطلوبة

• موقع الخطأ والعزل: تحدث أنواع مختلفة من الأعطال في شبكات التوزيع، ووفقاً للإحصاءات؛ فإن أكثر من (80 ٪) من الأعطال في خطوط التوزيع هي أعطال أحادية الطور إلى الأرض، واعتماداً على نوع التأريض المحايد لشبكات التوزيع؛ فإن الخطأ أحادي الطور إلى الأرض له خصائص مختلفة ويحتاج إلى تقنيات كشف مختلفة.

أما بالنسبة للشبكات المؤرضة المحايدة بشكل فعال؛ فإنه يتم إنشاء مسار ماس كهربائي عند حدوث خطأ أحادي الطور إلى الأرض، لذلك هناك تيار عطل كبير يمر عبر وحدة التغذية المعيبة وأجهزة الحماية التي يتم تنشيطها على الفور لقطع تيارات الأعطال مع حماية التيار الزائد ذات التسلسل الصفري، ومع ذلك؛ فإن الحماية من التيار الزائد غير فعالة بسبب خصائص الخطأ غير الواضحة في حالة خطأ المعاوقة العالية.

• مراحل استعادة الخدمة: بمجرد عزل الجزء المعيب، تتم استعادة المناطق الخارجة عن الخدمة في بداية الجزء المعيب على الفور عن طريق إغلاق قاطع دائرة خرج التغذية، كما تتم استعادة المناطق الخارجة من الخدمة إلى الجزء المعيب باستخدام استراتيجيات استعادة الخدمة.

لذلك تُستخدم شبكة اختبار في الشكل التالي (1) لتوضيح إجراءات استعادة الخدمة بإيجاز بناءً على إعادة تشكيل الشبكة والشبكات المجهرية الجزرية، بحيث تحتوي الشبكة الكهربائية على ست مناطق ووحدة (DG)، وذلك مع إمكانية البدء الأسود متصلة في المنطقة (6).

وعى فرض حدوث عطل دائم في المنطقة (1)؛ فإنه ونتيجة لذلك يبقى المحولين (S1) و (S2) مفتوحان لعزل المنطقة (1)، ثم يعيد مشغل شبكة التوزيع (DNO) وتكوين هيكل الشبكة لاستعادة المنطقة (2) خارج الخدمة عن طريق إغلاق مفتاح الربط 1 (TS1)، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (2)؛ فإنه وأثناء إعادة التشكيل، يجب استيفاء قيود التشغيل مثل توازن القدرة التفاعلية والجهد والتيار والطوبولوجيا الشعاعية.

وبوجود فرض يتضمن حدوث عطل دائم في المنطقة (5) على سبيل المثال، وبعد حدوث الخطأ؛ فإنه يتم فصل وحدة (DG) على الفور لتجنب التأثيرات العكسية، وذلك وفقاً لسياسات التشغيل الحالية، كما ويتم فتح المحولين (S5) و (S6) لعزل المنطقة المعيبة (5)، وفي مثل هذه الحالة، لا تتوفر مسارات الاستعادة إلى المنطقة (5).

لذلك؛ فإنه يتم إعادة تشغيل وحدة (DG) وإرسالها لتزويد أحمال الانقطاع محلياً، بالإضافة الى تشكيل شبكة صغيرة كما هو موضح في الشكل السابق (2)، وأثناء تشكيل الشبكة الصغيرة قد يتسبب التقاط الحمل المفاجئ وتدفق الحمل البارد وتنشيط خطوط التفريغ في حدوث انتهاكات للتردد وقيود الجهد الكهربائي، ونظراً لعدم وجود مولدات متزامنة يمكن التحكم فيها في الشبكة المصغرة؛ فإنه يجب أن تتمتع وحدة (DG) واحدة على الأقل بالقدرة على التحكم في التردد والجهد في الشبكة الصغيرة.

لذلك يجب مراعاة القيود الإضافية أثناء تكوين الشبكة المصغرة، بما في ذلك قيود معدل استجابة التردد الكهربائي وقيود احتياطي الدوران وقيود الحمل الكهربائي الإضافي القصوى، وما إلى ذلك، علاوة هذا؛ فإنه يجب أن يأخذ تشكيل وتشغيل الشبكة الكهربائية المصغرة معايير الأمان على سبيل المثال معيار الأمان المطلوبة ضمن نطاق (N − 1).

وبشكل عام؛ فإن استعادة الخدمة لها الأهداف الثلاثة التالية:

• الهدف الأول: استعادة أكبر عدد ممكن من الأحمال الكهربائية خارج الخدمة.

• الهدف الثاني: تقليل وقت استعادة الخدمة.

• الهدف الثالث: تقليل خسائر الخط في الشبكة الكهربائية باستخدام الهيكل الجديد.

وللأهداف المذكورة أعلاه أولويات مختلفة، كذلك من الأولويات القصوى تعظيم الأحمال خارج الخدمة المستعادة خاصة للعملاء المهمين مثل المستشفيات والقطاعات الحكومية، وذلك لتجنب التسبب في الكثير من الانزعاج للعملاء، بحيث يجب تقليل وقت استعادة الخدمة إلى الحد الأدنى، على سبيل المثال عن طريق تقليل عدد عمليات التبديل وإعطاء الأولوية الثانية.

ونظراً لأن الشبكة المكونة حديثاً لن تدوم لفترة طويلة؛ فإن تقليل الخسائر لن يوفر فائدة كبيرة وله الأولوية الأخيرة، وباختصار يمكن استعادة الخدمة مشكلة معقدة لأنها تمثل اندماجية بسبب إجراءات التحويل المنفصلة والمقيدة غير خطية بسبب قيود غير خطية، كما وتكون متعدد الأهداف.

بشكل آخر تستعرض هذه الدراسة مناهج استعادة الخدمة الحالية لشبكات التوزيع، بحيث تشمل أساليب استعادة الخدمة بدون أنظمة الاتصال وحماية المرحل الكهربائي والتحكم التلقائي في إعادة الإغلاق والتحكم التلقائي في التبديل الاحتياطي و (FA)، وذلك على أساس المفاتيح الذكية، بحيث يمكن لهذه الأساليب استعادة عملاء انقطاع التيار على الفور بناءً على منطق التشغيل المحدد مسبقاً لوحدات التحكم المحلية، ومع ذلك؛ فإنه من الصعب تنسيق الوحدات المحلية في المواقف المعقدة.