التخطيط الموسع لشبكة التوزيع الكهربائية متعدد المراحل

تعتبر الموثوقية عامل أساسي في تخطيط توسيع شبكة التوزيع الكهربائية، ومع ذلك تعتمد تقنيات تقييم موثوقية التوزيع القياسية على قياس تأثير مجموعة محددة مسبقاً من الأحداث على استمرارية الخدمة من خلال محاكاة مخرجات المكون واحداً تلو الآخر.

أهمية التخطيط الموسع لشبكة التوزيع الكهربائية

بحصة تزيد عن (90٪)، تكون أنظمة التوزيع مسؤولة عن غالبية حالات انقطاع التيار الكهربائي، وبالتالي من أجل الحد من هذه المشكلة في أنظمة الطاقة المستقبلية؛ فإنه تم إدخال العديد من السياسات التنظيمية للتحكم في موثوقية خدمة شركات التوزيع، وفي ظل هذه السياسات يعتبر النظر في الموثوقية في تخطيط توسيع شبكة التوزيع متعدد المراحل أمراً بالغ الأهمية لتحسين جودة تقديم الخدمة للمستهلكين.

كما أنه يتم تحديد قرارات التوسع المثلى على مدى أفق التخطيط بناءً على المفاضلة بين تكاليف الاستثمار المتكبدة لتعزيز استمرارية التوريد والفوائد من مستوى الموثوقية المحسن، بحيث تشمل هذه الفوائد:

• الحد من خسارة الإيرادات بسبب الطاقة غير المخدومة أثناء انقطاع العملاء.

• تقليل العقوبات المالية التي يفرضها منظمو نظام التوزيع في حالة ضعف موثوقية الخدمة.

• تلقي المكافآت التي تقدمها الجهات التنظيمية إذا كانت الموثوقية مستوى أعلى من عتبة معينة.

ومن أجل تقدير هذه الفوائد المالية، أي قيمة الموثوقية؛ فإنه يجب تحديد مستوى الموثوقية لشبكة التوزيع، بحيث يتم استخدام مؤشرات مختلفة لتحقيق هذه الغاية، ومن بينها مؤشر متوسط ​​مدة الانقطاع في النظام (SAIDI) ومؤشر متوسط ​​تردد انقطاع النظام (SAIFI) والطاقة المتوقعة غير المخدومة (EENS) هي الأكثر استخداماً.

كما أنه يتم حساب (SAIDI)، (SAIFI)، (EENS) بشكل عام باستخدام طرق تحليلية متنوعة تعتمد على تفرعات الأحداث ومجموعات العقد المرتبة والأقسام الفرعية ومجموعات القطع الدنيا، على سبيل المثال لا الحصر، ولسوء الحظ تتطلب هذه الأساليب محاكاة فردية لتأثير جميع انقطاعات المكونات قيد الدراسة أو نمذجة طوبولوجيا الشبكة الكهربائية، والتي هي نتيجة لمشكلة تخطيط التوسع كمعامل محدد.

كما أنه يمنع كلا الجانبين تطبيق البرمجة الرياضية القياسية على تخطيط توسيع شبكة التوزيع المقيدة متعددة المراحل، وبالتالي اعتمد الباحثون والممارسون عادةً مناهج تكرارية، حيث تُعرف طوبولوجيا الشبكة في كل تكرار، مما يتيح استخدام تقييم الموثوقية القائم على المحاكاة.

تقييم الموثوقية الكهربائية غير القائم على المحاكاة

بدلاً من ذلك، بدأ الباحثون في التركيز على تقييم الموثوقية غير القائم على المحاكاة، بحيث يتم اكتساب ملاءمة التقنيات الدقيقة على حساب عدم دقة النمذجة أو التكلفة الحسابية، كما تم تقديم أول صيغة رياضية صريحة لتقييم الموثوقية، وذلك لتوصيف تأثير انقطاعات الإصلاح على مؤشرات الموثوقية، كما تم اقتراح نموذج موسع يتضمن إعادة تشكيل جزئية للشبكة بعد حدوث الأعطال، حيث تم استخدام صيغة خيالية قائمة على النظام تعتمد على تعداد جميع انقطاعات المكونات.

كما تم التغلب على مشكلة الأبعاد الخاصة، وذلك من خلال مجموعة من التعبيرات الجبرية أثناء التعامل أيضاً مع إعادة تشكيل الشبكة الجزئي بعد الخطأ، وذلك على عكس النماذج المستندة إلى عقدة التحميل، كما تم اعتماد منظور موجه للنظام الكهربائي، وذلك مع إمكانية نمذجة مماثلة لتلك الموجودة، بحيث تمت صياغة إعادة تشكيل إضافية للشبكة بعد حدوث الأعطال مع الأخذ في الاعتبار تشغيل مفاتيح الربط الكهربائية.

النموذج المقترح لتخطيط وتوسيع شبكة التوزيع الكهربائية المقيدة

يهدف تخطيط توسيع شبكة التوزيع المقيدة متعددة المراحل إلى تحديد أقل تكلفة من إجراءات الاستثمار على أصول الشبكة كثيفة رأس المال، أي المحطات الفرعية وأقسام التغذية، وتحسباً للطلبات المتزايدة على مدى أفق التخطيط، وبالنسبة إلى الموثوقية؛ فإنه يتم تنفيذ التقييم التحليلي المعروف، والذي تمت مناقشته، وبالتالي يعتمد تقييم الموثوقية على الافتراضات العملية التالية، والتي يتم تبنيها عادةً من أجل قابلية التتبع.

• يتم النظر فقط في الانقطاعات المستمرة بسبب انقطاع فرع واحد. تتميز حالات انقطاع الفروع بمعدلات الفشل وفترات الانقطاع.

• يتم النظر في نظام توزيع شعاعي متوازن أو شبكي وإن كان يعمل شعاعياً، حيث يتم تجهيز كل فرع متصل بمحطة فرعية بقاطع دائرة بدون وحدة إعادة إغلاق عند خرج المحطة الفرعية، وعلاوة على ذلك تم تجهيز جميع الفروع بمفتاح يتيح الاستعادة الجزئية، أي عزل جزء من النظام في اتجاه مجرى الخطأ من أجل تلبية طلب الجزء الصحي من النظام.

وبالتالي، وبمجرد حدوث عطل مستدام؛ فإن أول قاطع دائرة في اتجاه المنبع لرحلات الأعطال، وبالتالي تقليص جميع متطلبات تحميل المصدر، وبعد ذلك يتم إعادة تكوين طوبولوجيا النظام عن طريق مفاتيح التشغيل وقواطع الدائرة لتقليل الطاقة غير الموردة

وتحقيقا لهذه الغاية؛ فإنه يتم فتح أول مفتاح تبديل للخطأ من أجل عزل الخطأ، ثم يتم إغلاق قاطع الدائرة بحيث يتم استعادة الإمداد لجميع متطلبات الحمل بين قاطع الدائرة والمفتاح، وأخيراً وبمجرد إزالة الخطأ المعزول؛ فإنه يتم إغلاق المفتاح المقابل وإعادة إنشاء الخدمة الكاملة.

وبالتالي، تتأثر عقد التحميل بانقطاعات من نوعين، وهما:

• انقطاعات الإصلاح والتبديل، والتي لا يتم استعادة الإمداد لها حتى يتم إصلاح الضرر.

• انقطاعات التبديل فقط، والتي ترتبط بإعادة تكوين الشبكة المنفذة إلى مسح مكون معيب.

كما أنه من المسلم به أن التقييم الكامل للموثوقية، بحيث يجب أن يأخذ في الاعتبار الأخطاء المؤقتة والحمل الكهربائي الزائد للخط وإعادة تكوين الشبكة الإضافية بعد حدوث الخطأ لاستعادة الخدمة لعقد التحميل المصب للخطأ، ومع ذلك؛ فإن هذا التعميم سيجعل المشكلة مستعصية بشكل أساسي من خلال التحسين، مما يتطلب استخدام الاستدلال أو المحاكاة المتكررة.

وعلى الرغم من قيود النمذجة هذه؛ فإن حل مشكلة تخطيط التوسع المقيدة متعددة المراحل، وعلى الرغم من تجاهل تلك الجوانب العملية، وهو مقبول بالفعل لأغراض تخطيط التوزيع الكهربائي ويزود المخطط بتقدير أولي لمخطط توسع فعال من حيث التكلفة وموثوق.

كما أنه يتم توفير وصف مفصل للنهج المقترح بعد ذلك، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي، بحيث تتم معالجة تخطيط توسيع شبكة التوزيع المقيدة متعددة المراحل من خلال صياغة مثيل للبرمجة الخطية المختلطة التي يتم حلها بشكل فعال عن طريق البرامج الجاهزة على أساس أحدث فرع وقص الخوارزمية.

في هذه الدراسة، تم تقديم نموذج جديد لدمج تقييم الموثوقية التحليلية بشكل صريح في صياغة تخطيط التوسع متعدد المراحل لشبكات التوزيع الكهربائية، ووفقاً لممارسات الصناعة؛ فإنه يتم تقدير قيمة الموثوقية بناءً على التكاليف المرتبطة بخطط تحفيز الموثوقية بالإضافة إلى خسارة الإيرادات بسبب الطاقة غير المخدومة أثناء حالات الطوارئ.

ومن أجل حساب التكاليف المتعلقة بالموثوقية بشكل صحيح؛ فقد تم تصميم تعبيرات مبتكرة قائمة على (MILP) لمؤشرات الموثوقية المستخدمة على نطاق واسع، وهي (SAIDI)، (SAIFI)، (EENS)، والتي تتيح التجربة العددية المبلغ عنها استخلاص استنتاجين رئيسيين، وهما:

• الجهد الحسابي المطلوب من خلال النهج المقترح للوصول إلى حلول شبه مثالية عالية الجودة مقبول.

• أن يتغلب النموذج المقترح على مشكلة الأبعاد التي تميز الحالة.