الانقطاعات المرتبطة بالبرق في أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية

تقدم هذه الدراسة نهجاً جديداً يعتمد على البيانات للتنبؤ بالانقطاعات الكهربائية المرتبطة بالبرق التي تحدث في أنظمة توزيع ونقل القدرة الكهربائية على أساس يومي، ومن أجل تطوير النهج القادر على تحقيق هذا الهدف بنجاح؛ فإن هناك أنواع مختلفة من التحديات الرئيسية التي يجب معالجتها.

تفسير سبب الانقطاعات الكهربائية المرتبطة بظاهرة البرق

البرق هو سبب رئيسي لانقطاع أنظمة توزيع القدرة الكهربائية، لذلك قد تؤدي “الفولتية الزائدة” والعابرة الناتجة عن ضربات الصواعق المباشرة أو غير المباشرة إلى إلحاق أضرار جسيمة بالمعدات الحساسة، كما ويمكن أن تؤدي إلى تأثيرات ضارة على جودة الطاقة وموثوقية النظام، ومع الاتجاهات التصاعدية في الظواهر الجوية والمناخية المتطرفة في السنوات الأخيرة؛ فإنه من المتوقع أن تزداد كثافة وتواتر أنشطة البرق.

ومن أجل تقليل الآثار المدمرة للصواعق على أنظمة التوزيع؛ تتمثل الاستراتيجية الشائعة في تنفيذ تصميم مناسب للحماية من الصواعق، أي تركيب أجهزة حماية من زيادة التيار الكهربائي وأسلاك واقية، بينما يبدو أن اتخاذ مثل هذه الإجراءات الوقائية فعال لحماية النظام من الأضرار الجسيمة، لذلك؛ فإن الانقطاعات اللحظية الناتجة عن تنشيط هذه الأجهزة الواقية يمكن أن تحدث آثاراً ثانوية على النظام المزود.

ومن ناحية أخرى، إذا تجاوز تأثير البرق المستويات المصممة لنظام الحماية الكهربائية؛ فقد تحدث أخطاء دائمة، مما يؤدي إلى تعرض النظام لانقطاع مستمر، إلى جانب تنفيذ الإجراءات الوقائية؛ فإنه حقاً من المهم أن تتخذ المرافق استجابة مناسبة لهذه الانقطاعات إما عن طريق تحديدها فور حدوثها أو من خلال التنبؤ بها.

الرجوع الى البيانات الكهربائية في سبيل تحديد أسباب الانقطاع

من خلال النظر إلى بيانات الانقطاع التاريخية وتحليل الخصائص الكهربائية للنظام وتتبع نشاط البرق في منطقة ما فور حدوث الانقطاع؛ فإنه يمكن لشركات المرافق تحديد وتمييز الانقطاعات المرتبطة بالبرق عن الأسباب الأخرى، وعلاوة على ذلك تم إجراء دراسات متعددة لتطوير نماذج لتحديد مصدر الانقطاعات، وعلى عكس ذل؛ فإن التنبؤ بالانقطاعات المرتبطة بالبرق قد تُرك دون معالجة نسبياً.

ومع ذلك ومع التقدم التكنولوجي في جمع البيانات من خلال إطار الشبكة الذكية وبسبب التحسينات الهائلة في جهود التنبؤ بالطقس؛ فقد أصبح قدراً هائلاً من بيانات الانقطاع والطقس متاحاً في السنوات الأخيرة بحيث يمكن أن يلقي هذا الضوء على الخصائص المختلفة للانقطاعات المرتبطة بالبرق.

وعلاوة على ذلك يتم الآن تطوير تقنيات تحليل البيانات المتقدمة ودمجها مع الأساليب الرياضية، مما يؤدي إلى إنشاء أدوات قوية يمكنها تعزيز القدرات التنبؤية بشكل ملحوظ، بحيث سيؤدي اعتماد هذه الأساليب التنبؤية إلى تمكين إجراءات اتخاذ القرار الفعالة وفي الوقت المناسب من قبل المشغلين وكذلك المخططين، مما يؤدي في النهاية إلى تحسين السلامة التشغيلية ومرونة النظام الكهربائي ككل.

بيانات الوصف الخاص بمواقع حدوث الانقطاعات الكهربائية

تم الحصول على بيانات الإدخال للنهج المقترح من مصدرين رئيسيين، وهما الانقطاعات المسجلة تاريخياً و تنبؤات الطقس بالرادار، بحيث يتم جمع بيانات الانقطاع من قبل شركة مرافق مملوكة لمستثمرين تخدم جنوب شرق الولايات المتحدة، كما تتضمن البيانات معلومات عن وقت ومواقع الانقطاعات المستمرة المرتبطة بالبرق والتي حدثت حول (85) محطة فرعية تقع في ولايتي كارولينا الشمالية وكارولينا الجنوبية بين عامي (2010)م و (2014)م.

كما وتتألف البيانات من حوالي (800) عينة من الانقطاعات، بحيث يتم جمع بيانات توقعات الطقس بالرادار من عدة مصادر خارجية لمحطات الطقس الواقعة بالقرب من محطات الطاقة الفرعية على مدى السنوات المذكورة أعلاه وتتضمن عدد أحداث العواصف الرعدية التي حدثت يومياً لكل محطة أرصاد جوية، وذلك من أجل حساب عدد أحداث العواصف الرعدية.

تجميع البيانات الكهربائية الخاصة بالمحطات الفرعية

كما ورد سابقاً يتمثل أحد التحديات في تطوير النهج المقترح في تحديد مدى منطقة هدف التنبؤ، وفي الواقع إذا كان المرء يعتزم توقع عدد الانقطاعات المرتبطة بالبرق في موقع أي محطة فرعية معينة؛ فقد يواجه المرء صعوبات خطيرة، بحيث تكمن هذه الصعوبات في حقيقة أن:

• يمكن أن يحدث البرق في موقع محطة فرعية، ومع ذلك قد يسافر ويصيب موقعاً على مسافة كبيرة من المحطة الفرعية والعكس صحيح.

• قد لا تتوفر تنبؤات الطقس بالرادار الدقيقة في الموقع الدقيق لكل محطة فرعية.

• درجة العشوائية عدد الانقطاعات التي تحدث لكل محطة فرعية كبير نسبياً مما يجعل من الصعب التنبؤ بها.

تجميع الانقطاعات بهدف الوصول الى مرحلة التحليل

من خلال إجراء تحليلات مختلفة؛ تم التوصل إلى استنتاج مفاده أن التنبؤ بالعدد الدقيق للانقطاعات في الأيام التي بها أحداث عاصفة رعدية قد لا يكون ممكناً، وفي الواقع تم الوصول الى أن الزيادة في عدد أحداث العواصف الرعدية لا تُترجم بالضرورة إلى زيادة في عدد حالات الانقطاع، فيما يلي نقدم الدعم الإحصائي للافتراضات التي تم وضعها.

وعلى وجه الخصوص، تم الوصول الى أن الانقطاعات المرتبطة بالبرق قد تتجمع في مجموعات قليلة يمكن التحكم فيها، وفي هذه الدراسة تكون المجموعات هي:

• صفر انقطاع.

• انقطاع واحد.

• اثنين أو أكثر من الانقطاعات.

وقبل تقديم الأساس المنطقي وراء الافتراضات؛ فإنه يتم النظر أولاً إلى عينة من مجموعة البيانات قيد الدراسة، بحيث يوضح الجدول التالي عينة من مجموعة البيانات التي تتضمن ست ملاحظات، بحيث ترتبط كل ملاحظة بأربع سمات للوقت والمنطقة وعدد أحداث العواصف الرعدية وعدد الانقطاعات، كما تحتوي مجموعة البيانات الكاملة على المعلومات المذكورة أعلاه لجميع المجالات الأربعة عشر الموضحة في الشكل التالي للأعوام من (2010)م إلى (2014)م على أساس يومي.

توقع احتمالية الانقطاع الكهربائي على اعتماداً على التحليل

استناداً إلى المنهجية السابقة؛ فقد تم الوصول الى أنه خلال الأيام التي تشهد عواصف رعدية؛ يمكن أن تكون هناك ثلاث نتائج محتملة فيما يتعلق بعدد الانقطاعات، بحيث ستكون الخطوة التالية بعد ذلك هي تحديد احتمالية حدوث كل مجموعة من الانقطاعات في يوم معين مع عدد معين من أحداث العواصف الرعدية في منطقة معينة، ولهذا الغرض نقترح أن يكون نموذج التوزيع ذي الحدين نموذجاً مناسباً لحساب احتمالية الانقطاعات المرتبطة بالبرق، وعلى هذا الأساس المنطقي هناك مقترح ثلاثي الأبعاد:

• ينتج عن كل حدث عاصفة رعدية واحدة من نتيجتين محتملتين (انقطاع أو عدم انقطاع). هذا ما تؤكده البيانات.

• احتمال الانقطاع هو نفسه لكل حدث عاصفة رعدية (لأنه يعتمد على الخصائص الجغرافية للمنطقة التي من المتوقع أن تظل كما هي إلى حد ما).

• تعتبر أحداث العاصفة الرعدية مستقلة، مما يعني أن حقيقة أن حدث عاصفة رعدية يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي لا يؤثر على احتمال حدوث انقطاع في حدث عاصفة رعدية أخرى.

وبالنهاية تم افتراض وتوقع نتائج ما بعد الانقطاع، بحيث يكون الطاقم المسؤول قادراً على إصلاح الأجهزة الواقية ، مثل الصمامات ومانعان الصواعق التي تأثرت، وبالتالي ستعمل على النحو المتوقع، كما وتجدر الإشارة إلى أنه في الحالات التي يتم فيها التعامل مع الانقطاع بشكل مناسب مع أجهزة إعادة الإغلاق الأوتوماتيكي، بحيث لا يلزم إرسال أطقم وسيستمر النظام في العمل بشكل طبيعي.