الحماية الكهربائية القائمة في مناطق أنظمة التوزيع

يتم تعريف الحماية الكهربائية التكيفية على أنها نظام في الوقت الفعلي يمكنه تعديل إجراءات الحماية وفقاً للتغييرات في حالة النظام، بحيث يتم تنسيق نظام الحماية التكيفية (APS) بشكل تقليدي من خلال نظام إدارة مركزي موجود في المحطة الفرعية لنظام التوزيع الكهربائي.

تحليل الحماية الكهربائية القائمة في مناطق أنظمة التوزيع

يعد نظام الحماية جزءاً مهماً من الشبكة الكهربائية للكشف السريع عن الأعطال وعزلها، بحيث يجب أن يفي نظام الحماية بمتطلبات الحساسية والانتقائية، كذلك الحساسية فهي قدرة نظام الحماية على اكتشاف الأخطاء وعزلها بسرعة قبل انتهاك هوامش استقرار شبكة الطاقة الكهربائية الانتقائية، كذلك هي قدرة نظام الحماية على عزل الخطأ، بحيث يتأثر أقل عدد من الأحمال بانقطاع التيار الكهربائي.

كم يتمثل دور نظام الحماية في تعزيز موثوقية نظام الطاقة ومرونته وتجنب الانقطاعات الكبيرة التي قد تؤدي إلى آثار متتالية محتملة، لذلك يفتقر نظام الحماية التقليدية إلى المعلومات البحثية اللازمة لتعديل إجراءاته بناءً على ظروف النظام السائدة، بحيث يستخدم إعدادات ثابتة لمرحلات الحماية التي تم ضبطها جيداً فقط لظروف التشغيل الثابتة والعادية.

ومع ذلك في نظام التوزيع الحديث (DS)؛ فإنه يمكن أن يكون تشغيل نظام الحماية التقليدي غير فعال للغاية بسبب الاختراق العالي لموارد الطاقة الموزعة (DERs)، كما تنبع التحديات المقدمة من خصائص تيارات الأعطال التي توفرها الموارد القائمة على العاكس (IBRs)، والتي تكون محدودة وقد تتضمن فقط مكونات تسلسل إيجابي.

علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي وجود (DERs) على طول دوائر التوزيع إلى فرض حالة تدفق عكسي للقدرة تعرض للخطر انتقائية وحساسية نظام الحماية الأساسي وتؤدي إلى أحداث غير مرغوب فيها مثل التعثر المتوافق، ومن ناحية أخرى يمكن أن تتبنى (DS) الحديثة طوبولوجيا دوائر مختلفة لاستيعاب إمداد موثوق ومرن للطاقة للمناطق الحرجة من خلال فروع متعددة.

تطبيق الحماية التكيفية على سائر أجزاء النظام الكهربائي

تم تناول الحماية التكيفية لأنظمة التوزيع، كما أن معظم أنظمة الحماية التكيفية الحالية مركزية تعتمد على مجموعة من القواعد المنطقية المحددة مسبقا، بحيث يتم تقديم نظام حماية تكيفي يشرف على تكوين الدائرة ويرسل الإعدادات المناسبة إلى المرحلات الكهربائية من مجموعة من الإعدادات المحددة مسبقاً، كما تم اقتراح منصة حماية تكيفية مركزية تقوم بحساب إعدادات المرحلات بطريقة محسنة.

كما أن هناك خوارزمية تحسين للعثور على الإعدادات المثلى لمرحلات التيار الزائد في نظام التوزيع، بحيث يدرس تأثير (DERs) على حماية نظام التوزيع ويصمم نظام حماية تكيفي للتخفيف من تلك الآثار، كما تم اعتماد تقنية البرمجة الخطية لتنسيق المرحلات في نظام حماية تكيفي، بحيث تم تناول الحماية التكيفية لمرحلات التيار الزائد في نظام التوزيع الكهربائي.

أيضاً تم اقتراح مخطط حماية تكيفية لأنظمة التوزيع التي تعدل إعدادات الترحيل من خلال التنبؤ بتوليد (DERs)، لذلك يتم استخدام أداة حل تحسين النقاط الداخلية المعتمدة على لغة البرمجة الرياضية للعثور على إعدادات الترحيل المثلى في بيئة حماية تكيفية، كذلك تم تقديم مركز حماية مركزي للشبكات الصغيرة التي تغير إعدادات الترحيل بطريقة تكيفية.

منهجية الحماية الكهربائية والمعيارية المحلية

في النهج الذي اقترحه هذا البحث؛ فإنه يتم تثبيت كل وحدة (LAMP) بالتوازي مع مرحل الحماية التقليدي المستخدم في (APS)، بحيث سيعمل (LAMP) طوال الوقت، كما ويوفر فائضاً للحماية التكيفية لـ (DS)، وعلى وجه الخصوص وفي حالة تعطل نظام الاتصال؛ ستكون (APS) التقليدية غير فعالة، كما ويمكن لبرنامج (LAMP) اكتشاف الأخطاء وعزلها بشكل فعال.

كما يوضح الشكل التالي (1) موقع كل وحدة من وحدات (LAMP) في النظام، لذلك سوف يستخدم (LAMP) محولات التيار والجهد المحلي ويمكنه إرسال أمر رحلة إلى قاطع الدائرة المحلي، وذلك لإظهار وظيفة (LAMP) المقترحة، بحيث يتم أخذ جزء من نظام ناقل (IEEE 123) كما هو موضح في الشكل التالي (2) في الاعتبار، أيضاً استخدم برنامج (PSS®CAPE) لمحاكاة سيناريوهات الخطأ.

كذلك يمكن لوحدات (LAMP) أن تستوعب حماية أقل للنظام، بحيث ترتبط كل وحدة (LAMP) بمنطقة تشغيل، وعلى سبيل المثال في الشكل (2)؛ فإنها تشتمل منطقة (LAMP R1) على جميع الخطوط والكابلات والتفرعات بين النقطة (149) كنقطة البداية والتفرع (13) باعتبارها النقطة النهائية التي يوجد بها المصباح الأمامي (R2).

أيضاً من المتوقع أن يوفر كل برنامج (LAMP):

• حماية أولية لمنطقته.

• حماية احتياطية لوحدات المصباح الموجودة أمامه.

ولاستيعاب عملية (LAMP) جيدة التنسيق؛ تقترح هذه الدراسة استخدام منطقتي حماية لكل وحدة (LAMP)، وذلك بالنسبة لمنطقة الحماية (1)، بحيث تعمل وحدة (LAMP) على الفور، بينما وبالنسبة للمنطقة (2)، لذا تعمل وحدة (LAMP) مع بعض التأخير لضمان هامش مقبول للفاصل الزمني للتنسيق (CTI) مع وحدات (LAMP) أمامها.

إجراءات التدريب المرتبطة بالحماية الكهربائية التكيفية

يتضمن نهج الحماية التكيفية المحلية المقترحة ثلاثة مصنفات رئيسية، أي مقدر طوبولوجيا الدائرة الكهربائية ومصنف نوع الخطأ ومصنف منطقة الخطأ، بحيث يتم توفير إجراءات التدريب لكل من هذه المصنفات على النحو التالي:

• مقدر طوبولوجيا الدائرة: يتم إجراء تقدير طوبولوجيا الدائرة أثناء حالة التشغيل العادية للنظام باستخدام (SVM)، بحيث يتضمن الإدخال إلى مصنف (SVM) قيم الجهد ثلاثي الطور وقيم جذر متوسط التربيع الحالية (RMS) والقدرة النشطة والمتفاعلة المقاسة في موقع (LAMP).

• مصنف نوع الخطأ: يستخدم مصنف نوع الخطأ (SVM) آخر لتحديد نوع الخطأ، أي ثلاث مراحل على الأرض وخط واحد إلى الأرض، واستناداً إلى الجهد ثلاثي الطور المقاس محلياً وقيم (RMS) الحالية بالإضافة إلى تيار التسلسل الصفري.

• مصنف منطقة الخطأ: يتم إجراء تصنيف منطقة الخطأ بعد اكتشاف نوع الخطأ، كما أنه لكل نوع يتم استخدام سيناريوهات الخطأ المحاكاة في مواقع مختلفة على طول كل مقطع خط لتدريب مصنف التعلم الآلي، بحيث يتم تصنيف البيانات على أنها المنطقة (1) والمنطقة (2) بناءً على موقع الخطأ.

وقت الاستجابة الكهربائية والتكلفة الخاصة بـ (LAMP)

سيتضمن الجزء الأكبر من وقت استجابة وحدة (LAMP)، وهو الوقت اللازم لحساب قيمة (RMS) للقياسات المطلوبة وهي (الجهد والتيار ثلاثي الأطوار)، كما يتطلب هذا عادةً حوالي نصف دورة (8 مللي ثانية في نظام 60 هرتز)، بحيث يعتمد وقت استجابة خوارزميات التعلم الآلي على المعالج الدقيق المستخدم في تطبيق (LAMP).

وفي هذا النهج المقترح؛ فإنه يتم إجراء تقدير الهيكل أثناء الحالة الطبيعية للنظام، وبعد حدوث الخطأ يتم تشغيل مصنف (SVM) لتحديد نوع الخطأ أولاً، ثم يتم نشر (SVM) لاكتشاف منطقة الخطأ، كما وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن تنفيذ كل وحدة من وحدات (LAMP) على معالج دقيق، بحيث ستقتصر تكلفة تنفيذ النهج المقترح على تكلفة المعالجات الدقيقة التي تستضيف وحدات (LAMP)، كما يمكن لكل وحدة (LAMP) استخدام محولات التيار والجهد الكهربائي الحالية.

أخيراً يقدم هذا البحث وحدات الحماية المعيارية التكيفية المحلية (LAMP) لتحسين التشغيل الموثوق به لنظام الحماية في ظل الأحداث الشديدة، بحيث تعمل وحدات (LAMP) بالتوازي مع المرحلات التقليدية التي يتم تنسيقها بواسطة (APS)، خاصةً إذا تم تحديد مشكلة في نظام الاتصال الخاص بـ (APS)؛ فستعمل وحدات (LAMP) كنسخة احتياطية موثوقة لحماية المعدات المخصصة لها بشكل تكيفي.