الحماية من فشل أنظمة الكهرباء والغاز الطبيعي

ضرورة الحماية من فشل أنظمة الكهرباء والغاز الطبيعي

أدت الزيادة الحادة في إجمالي السعة المركبة لمولدات الغاز الطبيعي إلى تكثيف التفاعل الديناميكي بين أنظمة الكهرباء والغاز الطبيعي، مما قد يؤدي إلى انتشار الفشل المتتالي عبر النظامين اللذين يستحقان بحثاً مكثفاً، وذلك بالنظر إلى سلوكيات الاستجابة الزمنية المميزة للنظامين، بحيث سيتم مناقشة نهج محاكاة متكامل لمحاكاة عملية انتشار الفشل المتتالي لأنظمة الكهرباء والغاز الطبيعي المتكاملة (IEGSs).

لذلك يمكن للضواغط التي تعمل بالكهرباء والمثبتة على طول خطوط أنابيب الغاز، وذلك بشرط أن تعوض عن فقد الضغط بسبب “احتكاك ناقل الحركة” أو نقل الحرارة عن طريق استهلاك الطاقة الكهربائية، وفي الواقع؛ فإنه يمكن للضواغط تحمل الضغوط وتسهيل توصيل “الغاز الطبيعي” إلى عقد التحميل، وخاصة عقد توليد الكهرباء التي تعمل بالغاز.

كما تفرض التفاعلات المعقدة والاعتماد المتبادل بين الشبكتين الماديتين المتميزتين تحديات ملحوظة على التشغيل الموثوق لـ (IEGS)، بحيث يمكن أن ينتشر الاضطراب أو الفشل المحلي في أحد الأنظمة إلى الآخر وحتى ينعكس مرة أخرى إلى النظام الأصلي من خلال مكونات اقتران الطاقة، والذي من خلاله يستمر هذا التفاعل الديناميكي حتى يتم الوصول إلى حالة عملية جديدة.

لذلك في (IEGS)؛ فإن هناك العديد من أنواع التفاعلات التي يمكن أن تنشر الاضطرابات أو الإخفاقات المحلية في جميع أنحاء النظام بأكمله، على سبيل المثال في حالات الطقس القاسي  على سبيل المثال الأيام الباردة غير المعتادة، لذلك قد يصل الطلب على الكهرباء والغاز إلى الذروة معاً، كما يمكن أن يؤدي الطلب المتزايد على الغاز إلى رفع معدلات التدفق الكتلي بشكل كبير ومن خلال الضواغط وفي نفس الوقت خفض ضغوط المدخل في المولدات الكهربائية التي تعمل بالغاز.

ونتيجة لذلك، تحتاج الضواغط إلى استهلاك المزيد من الطاقة الكهربائية للحفاظ على التشغيل العادي للمولدات التي تعمل بالغاز، والتي تكون إلى جانب ذروة الطلب على الكهرباء، بحيث يمكن أن تزيد من الضغط على تشغيل نظام الطاقة، وبالمثل؛ فإنه عندما يتسبب عطل محلي في نظام الكهرباء في انقطاع قسري عن الضواغط، يمكن أن تنخفض ضغوط الدخول في المولدات التي تعمل بالغاز تدريجياً.

كذلك عندما تكون الضغوط أقل من العتبة؛ فإنه سيتم إجبار مولدات الكهرباء على عدم الاتصال، مما يؤدي إلى مزيد من إعادة جدولة نظام الكهرباء، وبالتالي من الضروري التحقيق في إجراء انتشار الفشل المتتالي في (IEGS).

الأبحاث الخاصة بحماية أنظمة أنظمة الكهرباء والغاز الطبيعي

ركزت الأبحاث الحالية حول (IEGS)، وذلك بشكل أساسي على تحليل الترابط بالإضافة إلى الجدولة والتخطيط المنسقين، كما تمت دراسة التأثير أحادي الاتجاه لتوليد الكهرباء من الرياح المتقطعة على تقلبات الضغط في خطوط أنابيب الغاز، وذلك من خلال اعتماد معادلات ديناميكيات الغاز الطبيعي الخاصة بالموائع، وذلك في حين أن تأثير التغيرات في ضغوط الغاز ومعدلات التدفق الكتلي واستهلاك الكهرباء للضاغط على إعادة توزيع تدفق الطاقة.

أيضاً تم تطوير محاكاة شبه ديناميكية من خلال توسيع أداة المحاكاة (SAInt)،وذلك لتحليل تأثير الاعتماد المتبادل على أمن الإمداد، كما تم تحليل تأثيرات الترابط بين أنظمة الكهرباء والغاز الطبيعي من حيث أمن إمدادات الطاقة، وكل ذلك عبر نموذج تدفق الغاز المستقر، بحيث تم اقتراح نموذج قوي لالتزام الوحدة المقيدة بالأمان لتعزيز الموثوقية التشغيلية لـ (IEGS) ضد انقطاع خطوط النقل الكهربائية.

وفيما بعد تم تقديم نموذج تخطيط قوي للتحسين المشترك طويل الأجل لـ (IEGS)، وذلك لتقليل إجمالي تكاليف الاستثمار والتشغيل، بحيث تم وضع استراتيجية تشغيل قائمة على التحسين الفاصل لـ (IEGS)، وذلك مع الأخذ في الاعتبار استجابة الطلب وعدم الاعتماد على طاقة الرياح.

كما تم التحقيق في الحجم الأمثل للوحدة لنظام الطاقة المتكامل، وذلك باستخدام تحسين الفاصل الزمني متعدد الأغراض ومنهج الاستدلال الواضح، كما تم اقتراح نموذج منسق لـ (IEGS)، بحيث تمت صياغته كمشكلة برمجة خطية مختلطة (MILP)، وذلك لدراسة الترابط بين الشبكات الكهربائية في نقل الطاقة الكهربائية المتولدة بالغاز الطبيعي.

بحيث تم تطوير منهجية تحليلية لتحديد المرونة التشغيلية والقيود التي سيقدمها نظام الغاز إلى نظام الطاقة، كما تمت دراسة صيغة (MILP)، وذلك للربط بين أنظمة الكهرباء والغاز، مع مراعاة كفاية الغاز لضمان موثوقية نظام الطاقة وتم تطوير نموذج جدولة قوي لنظام (IEGS) المتكامل مع الرياح، وذلك مع الأخذ في الاعتبار حالات الطوارئ (N-1) لكل من خطوط أنابيب الغاز وخطوط نقل الكهرباء.

آلية وإطار المحاكاة المشتركة لانتشار الفشل المتتالي في IEGS

أصبح تشغيل أنظمة الكهرباء والغاز الطبيعي مترابطاً بشكل متزايد، وذلك بسبب الترابط المادي المكثف عبر أصول اقتران الطاقة في كلا النظامين، كذلك انتشار الفشل المتتالي هو نتيجة لهذا الترابط والاقتران، بحيث يوضح الشكل التالي (1) مخططاً توضيحياً لآلية انتشار الفشل المتتالي بين النظامين، كما يُشار إلى أنظمة الغاز الطبيعي والكهرباء على أنها (A) و (B) على التوالي، بينما يحدث التفاعل من خلال عنصرين من مكونات اقتران الطاقة.

كما أن الثوابت الزمنية للديناميكيات في البنية التحتية للكهرباء والغاز الطبيعي تختلف من ميلي ثانية إلى ساعات، أي أن نقل نوعي الطاقة يحدث في أطر زمنية مختلفة، وذلك على وجه التحديد، بحيث تنتقل الطاقة الكهربائية بسرعة الضوء، بينما تكون سرعة توصيل الغاز الطبيعي منخفضة عادةً (10 م / ث)، وبالتالي، بعد حدوث اضطراب أو عطل، قد يحول نظام الكهرباء نفسه إلى حالة تشغيل جديدة على الفور، بحيث يتم النظر في نموذج الحالة المستقرة لتدفق الطاقة الكهربائية.

وعلى العكس من ذلك في نظام الغاز؛ فإنه لا يمكن إهمال التطور الزمني لمعدلات التدفق الشامل والضغوط بعد حدوث اضطراب أو فشل، ونتيجة لذلك سيتم تطبيق النموذج الديناميكي لالتقاط السلوكيات الديناميكية لنقل الغاز الطبيعي، خاصة أثناء عملية التكاثر، وهو من أجل وصف الآثار المباشرة وغير المباشرة للاضطرابات التي تنشأ من نظام واحد وتنتشر إلى الآخر بدقة، بحيث يجب تنفيذ المحاكاة المشتركة المتكاملة لأنظمة الغاز والطاقة الكهربائية في إطار موحد.

أيضاً يظهر إطار المحاكاة المشتركة المقترح في الشكل التالي (2)، وذلك مع متطلبات الكهرباء الأولية المعروفة ومتطلبات الغاز غير المولدة وضغوط مصدر الغاز، كما يتم تنفيذ الجدولة المثلى لنظام الكهرباء مع الأخذ في الاعتبار تدفق الطاقة المستقر في كل فترة (Δtp).

وخلال هذه الفترة الزمنية بين جدولين متتاليين للكهرباء؛ فإنه يتم إجراء حساب تدفق الغاز الطبيعي الديناميكي بخطوة محاكاة أقصر بكثير (Δtg)، بحيث سيغطي التنفيذ المتناوب لجدولة الكهرباء وحساب تدفق الغاز الطبيعي عملية تطور الوقت بأكملها، وكل ذلك سوف يكون بهدف تحقيق حل محاكاة مشترك متكامل.