السيطرة على المولدات والحد الأدنى من المسافة الكهربائية

تعد التذبذبات بين المناطق والفشل المتتالي من أخطر التهديدات لأمن نظام الطاقة الكهربائية، بحيث سيحدث التقسيم غير المنضبط للجزيرة في حالة التذبذب غير المستقر بين المناطق أو الفشل المتتالي التدريجي، كما يعد إنشاء جزر غير خاضعة للرقابة مع نقص في توازن توليد الأحمال والسبب الرئيسي لتعتيم النظام الكهربائي.

أهمية السيطرة على المولدات والحد الأدنى من المسافة الكهربائية

أنظمة الطاقة معرضة بشكل طبيعي للجزر غير المنضبط بعد حدوث اضطراب شديد ناتج عن إحدى آليتين، وهما الفشل المتتالي التدريجي والتذبذبات غير المستقرة بين المناطق، كذلك الفشل المتتالي هو عملية معقدة تتكون من سلسلة من الأحداث التي تحدث نتيجة للوظيفة المحلية لمرحلات الحماية الكهربائية، بحيث يؤدي الفشل المتتالي التدريجي إلى إضعاف اتصال الشبكة الكهربائية تدريجياً، مما يؤدي في النهاية إلى تفكيك نظام الطاقة بالكامل إلى جزر غير خاضعة للرقابة.

كذلك تعاني أنظمة الطاقة من التذبذبات الكهروميكانيكية التي تسببها المولدات المتزامنة المتصلة. الترددات في نطاق (0.7) إلى (2) هرتز شائعة في أوضاع التذبذب الكهروميكانيكية المحلية، بحيث تتراوح ترددات أوضاع المناطق البينية بين (0.1) و (0.8) هرتز، بحيث يمكن أن تحدث التذبذبات غير المستقرة بين المناطق بسبب مجموعات متماسكة غير مستقرة من المولدات بعد حدوث اضطراب شديد.

تأثير تذبذبات الشبكة الكهربائية على ترتيب المولدات الكهربائية

يكون التذبذب المضاد للطور للمولدات في مجموعات متماسكة مختلفة مع التخميد السلبي هو السبب الرئيسي للتذبذبات غير المستقرة بين المناطق، كما ويمكن أن يؤدي إلى فقدان التزامن بين منطقتين من نظام الطاقة والفصل النهائي لشبكة الطاقة بأكملها إلى جزر غير خاضعة للرقابة، كذلك يمكن لكلتا الآليتين أخيراً تقسيم نظام الطاقة إلى جزر مع عدم تطابق كبير بين القوة النشطة والمتفاعلة في توازن توليد الحمل الكهربائي.

كما أن هذا عدم التطابق هو السبب الرئيسي لعدم استقرار الجهد أو التردد الكهربائي الذي يدفع أنظمة الطاقة نحو التعتيم، ولتجنب الفصل غير المنضبط لشبكة الطاقة وتقليل مخاطر انقطاع التيار الكهربائي، بحيث تم اعتبار استراتيجية الجزر الخاضعة للرقابة استراتيجية دفاعية وقائية، كذلك إن تقسيم الجزر المتعمد هو استراتيجية تقسيم محكومة يمكن من خلالها من خلال فتح فروع حدودية مناسبة وتنفيذ إجراءات تصحيحية إضافية، كذلك فصل نظام الطاقة إلى جزر مستقرة يتم التحكم فيها.

ولتطبيق استراتيجية التقسيم بنجاح؛ فإنه يجب أن تكون جميع الجزر قادرة على تلبية توازن توليد الحمل والاستقرار العابر واستقرار الجهد واستقرار التردد الكهربائي، وقدرة خط النقل، ومع ذلك ومن أجل تنفيذ استراتيجية الجزر الخاضعة للرقابة؛ فإن تحديد الفروع الحدودية المناسبة التي تلبي جميع القيود يمثل تحدياً، وفيما يتعلق بالجزيرة المتعمدة لأنظمة الطاقة كاستراتيجية دفاع نهائية ضد الفصل غير المنضبط؛ تظهر التساؤلات التالية:

• متى ينبغي التعرف على الوقت الذي يكون فيه تطبيق التقسيم المتعمد أمراً لا مفر منه لتجنب الجزر غير المنضبطة؟

• كيف تحديد خطوط الحدود المناسبة لإنشاء جزر مقصودة مستقرة؟

• ما هي آلية تنفيذ سيناريو الجزر بالطريقة الصحيحة دون أي عواقب ديناميكية وعابرة؟

النهج المقترح الخاص باستقرار المولدات الكهربائية

في هذا النهج، وللحفاظ على استقرار الجزر المنفصلة وبناءً على تماسك المولدات والحد الأدنى للمسافة الكهربائية بين المولدات المتماسكة وحافلات التحميل؛ يُقترح خوارزمية من ثلاث خطوات للجزر المتحكم فيها على النحو التالي:

طريقة تحديد المولدات الكهربائية المتماسكة

تعد القدرة على التعرف في الوقت الفعلي على مجموعات متماسكة من المولدات بناءً على بيانات التذبذب المقاسة واحدة من أكثر القضايا حيوية في استراتيجية الجزر الخاضعة للرقابة، وفي شبكات الطاقة وبعد حدوث عيوب مختلفة؛ فإن هناك احتمال لتشكيل مجموعات متماسكة من المولدات بأنماط مختلفة، ونتيجة لذلك؛ فإن استخدام نمط ثابت مصمم مسبقاً لهيكل المجموعات المتماسكة قد يؤدي إلى عدم تطابق النمط الفعلي للمجموعات المتماسكة، مما يؤدي إلى استراتيجية دفاعية غير فعالة ضد الجزر غير المنضبط.

طريقة إنشاء الشبكة الكهربائية الفرعية

تعتبر كل مجموعة متماسكة من المولدات بمثابة العمود الفقري لشبكة فرعية من أجل العثور على الشبكة الفرعية المرتبطة بكل جزيرة يتم التحكم فيها، بحيث يتم تحديد الحد الأدنى للمسافة الكهربائية بين تفرعات التحميل ومولدات المجموعات المتماسكة، وذلك من خلال تنفيذ (MILP)، بحيث يتم إنشاء الشبكات الفرعية المرتبطة بالجزر الخاضعة للرقابة، والتي تتكون من مولدات متماسكة وأقرب تفرعات التحميل.

• الحد الأدنى من المسافة الكهربائية لحافلات التحميل للمولدات: يتم تقييم الحد الأدنى للمسافة الكهربائية بين جميع حافلات ومولدات الحمل باستخدام خوارزمية [Dijkstra (DA)]، وذلك لتحديد الشبكات الفرعية للجزر التي يتم التحكم فيها، وذلك وفقاً لـ (DA)، بحيث تُعتبر شبكة الطاقة بمثابة رسم بياني تُعتبر فيه التفرعات والفروع عقداً وحواف الرسم البياني على التوالي.

• إيجاد الشبكة الفرعية للجزر: بعد إنشاء مولدات مكافئة باعتبارها العمود الفقري للجزر، كما يتم تحديد الشبكات الفرعية حول المولدات المكافئة المقابلة للجزر من خلال إجراء خوارزمية التحسين، كما تتمثل المعايير الرئيسية لإنشاء الشبكات الفرعية في توصيل تفرعات التحميل بأقرب مولد مكافئ مقيد بالحفاظ على توازن توليد الحمل الكهربائي.

الجدوى التشغيلية لجزر الشبكة الكهربائية الفرعية

بعد إنشاء شبكات فرعية، ومن أجل جعل كل شبكة فرعية قابلة للتشغيل فيما يتعلق بالحمل الزائد للخط وانخفاض الجهد الكهربائي، يتم استخدام الإجراءات العلاجية المتاحة مثل إعادة جدولة التوليد وفصل الأحمال ضمن السعات المسموح بها، بحيث يمكن نمذجة هذه القيود التشغيلية باستخدام معادلات تدفق طاقة التيار المتردد أو التيار المستمر.

ولأنه نتيجة لتجاهل الجهد والقدرة التفاعلية؛ قد تكون استراتيجيات الجزر القائمة على تدفق الطاقة المستمرة غير دقيقة، لذلك تم اعتبار تدفق طاقة التيار المتردد في الأوراق الحديثة، ونظراً لأن الوقت جوهري، بحيث تستخدم بعض الخوارزميات معادلات خطية لتدفق طاقة التيار المتردد لتقليل نماذج النظام والحسابات، كما وتجدر الإشارة إلى أن النماذج الخطية غير قادرة على التقاط السلوك الفعلي لشبكة طاقة شديدة الاضطراب، مثل ظروف الجزر الخاضعة للرقابة.

لذلك ولتحسين دقة الجزر المتحكم فيه؛ فإنه يتم استخدام معادلات التيار المتردد بحيث يتم استيفاء الكفاءة الحسابية المقبولة بدون الخطية. من أجل استخدام الحد الأدنى من إعادة جدولة التوليد والحد الأدنى من فصل الأحمال، كما يمكن معالجة مشكلة كل جزيرة (J) بواسطة خوارزمية (NLP)، كما وتجدر الإشارة إلى أن جميع حافلات التحميل مزودة بميزة فصل الأحمال بسعة (20٪) من حمولتها الاسمية.

وأخيراً تم وصف تقنية جديدة للجزيرة المتحكم بها في هذه الدراسة للحفاظ على ثبات زاوية الدوار للجزر التي يتم التحكم فيها، وبناءً على ميزة تماسك المولد والحد الأدنى للمسافة الكهربائية، كذلك يتم تحديد تماسك المولدات من خلال معاملات الارتباط بين المولدات باستخدام بيانات التذبذب في الوقت الفعلي المقدمة من (WAMS)، واستناداً إلى معامل الارتباط بين المولدات؛ فإنه يتم إدخال مسافة كهربائية مكافئة يمكن من خلالها باستخدام خوارزمية تجميع (DBSCAN)، لذلك تم اقتراح طريقة سريعة لتحديد التماسك.