التحسين الأمثل والمرونة لأنظمة توزيع القدرة الكهربائية

أهمية التحسين الأمثل والمرونة لأنظمة توزيع القدرة الكهربائية

تدعم الطاقة الكهربائية العديد من الأنشطة في المجتمع الحديث، كما أنه من المحتمل أن يتسبب انقطاع التيار الكهربائي المستمر في معاناة كبيرة للمجتمعات، كذلك أكثر من 80٪ من حالات انقطاع التيار الكهربائي في الولايات المتحدة بين عامي 2003م و 2012م، بحيث كانت ناجمة عن الأخطار المتعلقة بالطقس مثل أحداث الأعاصير، أيضاً كان جزء كبير من انقطاع التيار الكهربائي هذا ناتجاً عن فشل أعمدة الخشب.

ونظراً لتوافر الأعمدة الخشبية وفعاليتها من حيث التكلفة؛ فإنها تُستخدم على نطاق واسع لدعم أنظمة التوزيع، ومع ذلك تعاني أعمدة الخشب من معدل كبير من التحلل، خاصة في المناطق الساحلية ذات المستويات العالية من الرطوبة، كما تسببت الأعطال المرتبطة بالعواصف في الولايات المتحدة في تكبد خسائر اقتصادية فادحة تقدر بنحو (55) مليار دولار سنوياً.

على سبيل المثال، في عام 2005م تضرر 12000 عمود في إعصار ويلما وإعصار هوغو، بحث ترك إعصار إيرين في عام 2011م وإعصار ساندي في عام 2012م حوالي (6.69) و (8.66) مليون عميل بدون كهرباء على التوالي، وفي الآونة الأخيرة في عام 2017م، دمر “الإعصار إيرم” أكثر من 2900 عموداً كهربائياً وتسبب في انقطاع 62٪ من العملاء في فلوريدا.

وهناك العديد من الأدلة التاريخية إلى جانب القابلية العالية للمناطق الساحلية للرياح المتكررة والشديدة من الأعاصير التي تسلط الضوء على الحاجة الماسة لتحسين الأداء الحالي والمستقبلي لأنظمة التوزيع المدعومة بأعمدة خشبية في المناطق الساحلية للتخفيف من الخسائر الاجتماعية والاقتصادية المحتملة المباشرة وغير المباشرة.

كما وتتمثل الاستراتيجية العملية لتحسين أداء أنظمة توزيع الطاقة في تطبيق الصيانة الوقائية خلال فترة خدمتها، وذلك على عكس استراتيجية الصيانة من التشغيل إلى الفشل التي يتم تطبيقها بعد حدوث الفشل، بحيث يتم إجراء الصيانة الوقائية قبل حدوث فشل محتمل في تقليل احتمالية حدوث انقطاع في الخدمات التي يقدمها النظام. لهذا الغرض، بحيث تقوم المرافق بإجراء الفحص السنوي والصيانة واستبدال الأعمدة الخشبية لضمان سلامة أنظمة التوزيع.

أيضاً تتطلب استراتيجية الصيانة التي وضعها قانون السلامة الكهربائية الوطنية (NESC)، وهناك استبدال الأعمدة التي انخفضت قوتها إلى أقل من 67٪ من قوتها الأولية، ومع ذلك؛ فإن هذه الاستراتيجية الوقائية ليست مثالية لأنها تراعي فقط تقليل القوة وتتجاهل تماماً مستوى الطلب.

وعلاوة على ذلك لا يتم النظر في أهمية القطب في نظام التوزيع، وذلك وفقاً للاستراتيجية (NESC)، بحيث يتم التعامل مع القطب الذي يعمل في وحدة التغذية الرئيسية ويوفر الطاقة لعدد كبير من العملاء على قدم المساواة مع عمود في فرع جانبي للشبكة الكهربائية ويوفر الطاقة لعدد صغير من العملاء.

النظريات الخاصة بالتحسين الأمثل والمرونة لأنظمة القدرة

يتطلب تحديد خطة الصيانة الوقائية المثلى لنظام ما حل مشكلة التحسين، كما أنه يحدد نموذج التحسين المكونات التي تتطلب صيانة في كل فترة من أفق التخطيط، ولهذا الغرض تم اقتراح مشكلة (MINLP) لتحديد جدول الصيانة الوقائية الأمثل لتعزيز مرونة أنظمة توزيع الطاقة، بحيث تقلل مشكلة (MINLP) المقدمة من العدد الإجمالي المتوقع لانقطاع التيار الكهربائي طوال فترة التخطيط بأكملها التي تخضع لحد إجمالي من الميزانية ومستويات مختلفة من قيود الميزانية الدورية.

وبالتالي؛ فإن تقليل العدد الإجمالي المتوقع لانقطاع التيار الكهربائي يؤدي بشكل مباشر إلى تحسين مرونة نظام الطاقة المعرض لمخاطر الأعاصير، كما يتم النظر في إجراءين للصيانة لكل عمود خشبي لكل فترة، بما في ذلك عدم القيام بأي شيء واستبدال العمود بآخر جديد. عندما يتم استبدال عمود موجود بآخر جديد، وذلك لحين يبدأ التدهور وانتهاء العمر الافتراضي من جديد.

العدد المتوقع لانقطاع التيار الكهربائي

في نموذج (MINLP) المقترح، تعتبر الوظيفة الهدف هي العدد الإجمالي المتوقع لانقطاع التيار الكهربائي خلال أفق التخطيط، بحيث يتم تقدير العدد المتوقع لانقطاع التيار الكهربائي الناجم عن القطب في كل فترة من أفق التخطيط على أنه ناتج عدد حالات انقطاع التيار الكهربائي التي قد يتحملها النظام إذا فشل القطب واحتمال فشل القطب في تلك الفترة.

كما أنه يتم تقدير عدد حالات انقطاع التيار الكهربائي المرتبطة بكل عمود على أنه عدد العقد (العملاء) غير المتصلة بأي مصدر للطاقة (محطة فرعية) بافتراض فشل القطب، لذلك يتم تقدير احتمالية الفشل لكل قطب من خلال صيغة تعاودي.

تقدير احتمالية فشل الأعمدة: يتمثل أحد الأهداف الرئيسية لهذا الطرح في تحسين استبدال الأعمدة الخشبية لتعزيز المرونة الحالية والمستقبلية لأنظمة التوزيع، كما وتجدر الإشارة إلى أن المرافق غالباً ما تقوم بفحص وصيانة واستبدال سنوياً للحفاظ على موثوقية نظامها، ومع ذلك يتم تطبيق هذا الإجراء بناءً على الظروف الحالية للنظام.

وظيفة هشاشة متعددة الأبعاد: تتكون أنظمة التوزيع عادة من عدد كبير من الأعمدة؛ فإن هناك مجموعة من المكونات التي تختلف اختلافاً كبيراً في خصائصها، وعلى سبيل المثال، قد يختلف طول الامتداد والفئة والعمر وارتفاع الأقطاب بالإضافة إلى عدد وقطر الموصلات من قطب واحد إلى الأقطاب المجاورة، بالإضافة إلى ذلك تتطلب تحليلات المخاطر المحتملة والمرونة لخطوط التوزيع تقدير احتمالية فشل الأعمدة للعديد من عمليات إدراك سرعات الرياح واتجاهات الرياح.

المؤشرات القائمة على المخاطر: في تعزيز مرونة أنظمة التوزيع المدعومة بأعمدة خشبية يجب إعطاء الأولوية للفحص والاستبدال بناءً على المخاطر التي يمثلها كل عمود لتوصيل الطاقة للعملاء، ولهذا الغرض تم اقتراح مؤشر قائم على المخاطر يسمى الحد من الانقطاع المتوقع (EOR)، بحيث تم اعتماد هذا الفهرس هنا لتصنيف الأعمدة إلى مجموعات قليلة في بداية أفق التخطيط.

نموذج التحسين المرتبط بمرونة أنظمة توزيع القدرة الكهربائية

تقترح الدراسة الحالية نموذج (MINLP) لتحسين مرونة أنظمة التوزيع على المدى الطويل بكفاءة من خلال تخطيط الصيانة، ونظراً للتعقيد الكبير في حل مشكلات (MINLP)؛ فإن معظم الخوارزميات الحالية غير قادرة على إيجاد الحلول المثلى للمشكلات الكبيرة والمعقدة، وبالتالي لتصحيح التعقيد الحسابي لتخطيط الصيانة الوقائية المثلى على المدى الطويل لنظام يحتوي على آلاف المكونات، بحيث يتم استخدام طريقتين:

• أولاً: يتم استخدام نهج قائم على المخاطر لتجميع الأقطاب وتقليل أبعاد المشكلة.

• ثانياً: تم تطوير نموذج بديل لتقدير الوظيفة الموضوعية في مشكلة التحسين.

وأخيراً في هذه الدراسة، تم اقتراح نموذج البرمجة غير الخطية المختلط (MINLP) لتعزيز المرونة طويلة المدى لأنظمة توزيع الطاقة بناءً على تخطيط الصيانة الوقائية الأمثل، بحيث تخضع أنظمة التوزيع لأحداث إعصار احتمالية متعددة التكرار خلال فترة خدمتها، ولتحديد استراتيجية الصيانة المثلى تم دمج وظيفة موضوعية جديدة قائمة على المخاطر في مشكلة (MINLP).

وعلى هذا المقياس القائم على المخاطر هو إجمالي العدد المتوقع لانقطاع التيار الكهربائي في نظام التوزيع خلال أفق التخطيط بأكمله؛ فإنه يتم حساب الانقطاع المتوقع للقطب على أنه ناتج احتمالية فشل هذا القطب وعدد حالات انقطاع التيار الكهربائي التي قد يتحملها النظام في حالة فشل هذا القطب، كما يتم تطبيق نموذج (MINLP) المقترح على نظام توزيع طاقة واقعي لتحديد التخطيط الأمثل للصيانة الوقائية للنظام الكهربائي.