تبديل نظام توزيع الكهرباء في إطار خطة موثوقية التحفيز

يعد الوضع المثالي لمفاتيح الفصل بمثابة وسيلة فعالة لتعزيز موثوقية شبكات التوزيع الكهربائية، بحيث بهدف تحسين الاستثمار في هذه المحولات الكهربائية، حيث تقدم هذه الدراسة نموذجاً متكاملاً قائماً على البرمجة الرياضية مع الأخذ في الاعتبار تركيب مفاتيح التحكم الكهربائية عن بعد واليدوية في مواقع مختلفة في شبكة التوزيع، لذلك لا ينتج عن النموذج المقترح الموقع الأمثل ونوع المفاتيح في المغذيات الرئيسية فحسب؛ بل يحدد أيضاً النوع الأمثل لمفاتيح الربط، أي المفاتيح الاحتياطية عند نقاط الاتصال الاحتياطية.

أهمية التبديل ضمن نظام توزيع الكهرباء وموثوقية التحفيز

تلعب الموثوقية دوراً أساسياً في تخطيط وتشغيل شبكات التوزيع بحيث يمكن أن تمثل ما يقرب من (50٪) من التكلفة الإجمالية للشبكة الكهربائية، ومن بين العديد من الاستراتيجيات المتاحة لتعزيز استمرارية التوريد أو موثوقية الخدمة، يعد تركيب محولات الفصل أحد البدائل الأكثر فاعلية وشائعة، وبالتالي؛ فإن الاستثمار الأمثل في محولات التوزيع لا يمكن أن يحسن بشكل كبير موثوقية الشبكة فحسب؛ بل يزيد أيضاً من كفاءة تكلفة النظام الكهربائي اجمالاً.

ووفقاً لذلك، وفي السنوات الأخيرة، تم إجراء مجموعة واسعة من الدراسات البحثية في مجال تحسين تبديل التوزيع الموجه نحو الموثوقية، وذلك استناداً إلى تقنيات النمذجة ونهج حل المشكلات، بحيث يمكن تصنيف هذه الأعمال البحثية عموماً إلى مجموعتين، وهما إرشادية وقائمة على البرمجة الرياضية.

واعتماداً لنهج النمذجة الاستكشافية؛ فقد تم تقديم نسخة ثلاثية الحالة من تحسين سرب الجسيمات (PSO)، وذلك للعثور في وقت واحد على العدد الأمثل وكذلك مواقع المقاطع وقواطع الدائرة في شبكة التوزيع الكهربائية، كما تم اقتراح نموذجاً أملاً متعدد الأهداف لمشكلة وضع مفتاح التوزيع، وذلك استناداً إلى خوارزمية (PSO) بهدف تقليل عدد المحولات المثبتة بالإضافة إلى عدد مقاطعات العملاء.

التطور الحاصل على عملية التبديل الخاصة بخطة توزيع الكهرباء

باستخدام خوارزمية البحث التفاضلي، طور الباحثون صياغة متعددة الأهداف للوضع الأمثل للمفاتيح التي يتم التحكم فيها عن بُعد (RCS)، بالإضافة الى تقليل تكلفة الطاقة المتوقعة غير الموردة (EENS) جنباً إلى جنب مع تكلفة المحولات المثبتة، وبهدف تقليل تكاليف الاستثمار والتشغيل والانقطاع مع الأخذ في الاعتبار أوجه عدم اليقين؛ فقد اقترحت نماذج تحسين البرمجة غير الخطية المختلط (MINLP) لوضع المحولات وأجهزة إعادة الإغلاق، والتي تم حلها بواسطة “تقنية التطور التفاضلي”.

ومع ذلك، لا يمكن للطرق الاستكشافية أو الاستدلالية التي تم الاستفادة منها في مثل هذه الدراسات أن تضمن الوصول إلى الحل الأمثل، كما ولا يمكن أن توفر مقياساً للمسافة من المستوى العالمي الأمثل، وللتعامل مع مثل هذا النقص المهم، وفي الآونة الأخيرة تم الوصول الى العديد من النماذج لمشكلة تحسين التبديل في نموذج البرمجة الخطية المختلطة (MILP).

تقييم وعرض للمشاكل المرتبطة بعملية تبديل توزيع الكهرباء

يتمثل الدور الأكثر أهمية لمفاتيح الفصل، والتي يشار إليها بالمفاتيح الكهربائية في جميع أنحاء هذه الدراسة من أجل البساطة، وفي عزل الخطأ أثناء إعادة التكوين بعد الخطأ لتقليل تأثير الفشل على عملاء الشبكة الكهربائية، وكمثال توضيحي؛ فإنه يجب الوضع في الاعتبار مغذي التوزيع البسيط الموضح في الشكل التالي (1)، وفي التكوين (a)؛ فإنه  ينتج عن عطل في قسم وحدة التغذية (L2) تعثر قاطع الدائرة (B1).

وبالتالي يبقى العملاء المرتبطين بنقطتي التحميل (n1) و (n2) غير متصلين حتى يتم إصلاح قسم التغذية المعيب (l2)، ومع ذلك وبالنسبة للطوبولوجيا الموضحة في الشكل (1-b)، وبعد إلغاء تنشيط وحدة التغذية عبر (B1)؛ فإنه يتم فتح المفتاح (S1) لعزل (l2) ثم يتم إغلاق (B1) لإعادة توصيل مصدر الطاقة الكهربائية لنقطة التحميل (n1).

لذلك، وفي حالة حدوث خطأ في (l2)؛ فإنه يمكن استعادة عقدة التحميل (n1) بعد ما يسمى بوقت التبديل، وهو أقل بكثير من وقت الإصلاح، ومن ثم ومن خلال إضافة مفتاح، أي (S1)؛ فإنه يتم تحسين موثوقية الشبكة ، حيث ينخفض ​​متوسط ​​وقت الانقطاع لعملاء الشبكة الكهربائية.

كما يمكن أن تكون أدوات الفصل إما (MS) أو (RCS)، وذلك من أجل تشغيل (MS)، بحيث يجب على طاقم الإصلاح القيام بالتفقد، مما قد يؤدي إلى زيادة وقت التبديل بشكل كبير، وبالتالي ونظراً لوقت التحويل المنخفض، تعمل (RCS) على تحسين الموثوقية أكثر من (MS)؛ إلا أنها أكثر تكلفة.

نمذجة المشكلة وصياغتها ضمن اطار التبديل الكهربائي

في هذا القسم، يتم تقديم نهج النمذجة أولاً، وبعد ذلك تم تطوير نموذج برمجة رياضي قياسي لتحسين التبديل المقيدة بالموثوقية في شبكات التوزيع الكهربائية.

• نمذجة المشكلة: في النموذج المقترح، يتم أخذ مغذي التوزيع النموذجي مع مفتاح ربط مفتوح عادة أو اتصال احتياطي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، ووفقاً لهذا الشكل؛ يعتبر كلا طرفي كل قسم تغذية مواقع مرشحة لتركيب المحولات الكهربائية.

• الاقتران الهدف: تمت صياغتها في المشكلة من خلال المعادلة التالية (1)، بحيث تتكون الوظيفة الموضوعية من ثلاثة شروط، وهي تكلفة الاستثمار، التكلفة التشغيلية، وهي التكلفة المتعلقة بالموثوقية (RRC)، كما أنه يمكن الاستدلال من المعادلة ذاتها، لذلك؛ فإن الهدف هو تقليل تكلفة النظام السنوية، بحيث يتم تعريف عامل الأقساط السنوية لتكلفة الاستثمار أي (δT)، أما في المعادلة (2)؛ فإنه تستخدم كدالة لمعدل الفائدة السنوي (α) والعمر الافتراضي للمفاتيح.

وفي المعادلة التالية (3)؛ فإنه يتم تمثيل تكلفة الاستثمار المطلوبة لتركيب (RCSs) و (MS)، كما وتجدر الإشارة إلى أنه بدون فقدان التعميم، حيث أن تكلفة تركيب المفاتيح في جميع المواقع المرشحة تعتبر متطابقة في (3) من أجل البساطة، ومع ذلك يمكن بسهولة أخذ تكاليف التركيب غير المتطابقة في الاعتبار، بحيث تتكون التكلفة التشغيلية المتوقعة من تكلفة التشغيل والصيانة لجميع المحولات المركبة على النحو المعبر عنه بالمعادلة (4).

أيضاً تعتبر تكلفة التشغيل والصيانة لجميع المفاتيح من نفس النوع متشابهة في (4)، بحيث يمثل التعبير في المعادلة (5) الطبيعة الثنائية لمتغيرات قرار الاستثمار، ووفقاً للمعادلة (6)؛ فإنها تتضمن (RRC)، والتي تعني الإيرادات المتوقعة المفقودة بسبب الطاقة غير المسلمة، أي المصطلح الأول في الجانب الأيمن من (6).

في المجمل تم اقتراح نموذج جديد قائم على البرمجة الرياضية في هذا الطرح، وذلك لتحسين موقع ونوع مفاتيح التوزيع في ظل تنظيم موثوقية الحوافز، كذلك كان دمج مخطط عقوبة المكافأة في النموذج وتحسين نوع مفاتيح الربط وابتكار نموذج جديد لتقييم الموثوقية واشتقاق نموذج (MILP) المبتكر لنظام المكافأة، وهو جزاء المساهمات الرئيسية للنموذج المقترح مقارنة بالحالة، كما أظهر تطبيق النموذج على نظام اختبار الدور الحاسم لخطط المكافأة والعقوبة في تحفيز شركة التوزيع الكهربائية لتعزيز موثوقية الخدمة.