تحسين انخفاض مرونة النظام الكهربائي بسبب العواصف الهوائية

تقدم هذه الدراسة إطاراً جديداً لتكوين الجزر قبل العواصف، والذي يأخذ في الاعتبار إخفاقات شبكات التوزيع التي تسببها الأشجار، وفي الإطار المقترح يتم قياس التأثيرات المباشرة وغير المباشرة للعواصف على خطوط التوزيع، وبالتالي يُقترح نموذج “سلسلة ماركوف” المنفصل الجديد لتمثيل أوضاع الفشل في كل مدة عاصفة.

أهمية تحسين مرونة النظام الكهربائي ومعالجة المؤثرات الطبيعية

يمكن أن تؤدي الحوادث المتعلقة بالطقس إلى تأثيرات سلبية على شبكات الطاقة الكهربائية، وفي هذا السياق؛ فإنه ينبغي اتخاذ تدابير موجهة نحو المرونة من قبل مشغلي النظام، وعلى وجه الخصوص تلعب الإجراءات الاستباقية الموجهة نحو التشغيل دوراً حاسماً في تحسين مرونة نظام التوزيع، ومن أجل تنفيذ هذه التدابير؛ فإنه من الضروري توقع انقطاع في أنظمة التوزيع  الكهربائية (DS).

كما أن العواصف الشديدة لها تأثيرات كارثية على مكونات نظام الطاقة، وفي هذا السياق يعد تطوير النماذج التي يمكنها التنبؤ بانقطاع المكونات قبل العواصف مهمة حاسمة لمرافق شبكة الطاقة، وفي الواقع يمكن للتنبؤ بالانقطاع أن يؤثر بشكل كبير على الجهود المتعلقة بالعواصف لمرافق الكهرباء، وذلك بناءً على نتائج التنبؤ بالانقطاع، بحيث يمكنهم التخطيط للاستجابة الطارئة للعاصفة.

وعلى سبيل المثال؛ فإنه يمكن للأدوات المساعدة تقدير مقدار موارد الإصلاح المطلوبة لإصلاح الأضرار المحتملة، وفي حالة العواصف الهوائية؛ فإن الأشجار هي السبب الرئيسي لفشل مكون (DS)، وفي هذا الصدد، يجب دمج الأشجار في الدراسات المتعلقة بالعواصف لـ (DSs)، ومع ذلك؛ فإن نمذجة الإخفاقات التي تسببها الشجرة مهمة صعبة، بحيث تكمن الصعوبة في السلوك العشوائي للأشجار أثناء العواصف.

الدراسات البحثية المعنية بتطوير منظومة تحسبن شبكات التوزيع الكهربائية

في مختلف الدراسات، تم تطوير عدة طرق لنمذجة فشل الشجرة أثناء العواصف، والتي يمكن تقسيمها إلى ثلاث مجموعات، نماذج توضيحية، آلية، نماذج إحصائية، أما في النماذج التوضيحية؛ فإنه يتم التحقيق في العلاقات السببية بين العوامل المختلفة، مثل الأنواع والأبعاد، وهذه النماذج مناسبة للظروف التي لا توجد فيها بيانات تاريخية كافية.

أما في نماذج مخاطر الرياح الميكانيكية؛ فإنه يتم تحليل تحميل الرياح على الأشجار، وبالتالي يتم حساب احتمال فشل الأشجار أثناء العواصف، بحيث تتطلب النماذج الميكانيكية بعض البيانات التفصيلية لكل شجرة، مثل كتلة الشجرة، ومع ذلك يبقى من الصعب جداً جمع مثل هذه البيانات التفصيلية لجميع الأشجار، بحيث تهدف تقنيات النمذجة الإحصائية إلى التنبؤ باحتمالية تلف الأشجار باستخدام طرق التعلم الآلي.

وللقيام بذلك، يحتاج الخبراء إلى البيانات المتعلقة بالأشجار مثل مواقع الأشجار والارتفاعات لمختلف العواصف والمواقع، وبناءً على المناقشة أعلاه؛ فإنه يمكن أيضاً التأكيد على أن الأوراق المشار إليها تركز فقط على نمذجة تلف الأشجار، ولا تحقق في آثار فشل الأشجار على خطوط الكهرباء.

الإطار العلمي لضبط مرونة النظام الكهربائي بمقاومة العوامل الطبيعية

في هذا القسم، سوف يتم وصف الهيكل العام للإطار المقترح، وبعد ذلك يتم عرض مثال توضيحي لتنفيذ الإطار على شبكة توزيع بسيطة.

وصف عام للإطار المقترح

يوضح الشكل التالي (1) الهيكل العام للطريقة المقترحة، بحيث يتكون الإطار المقترح من مرحلتين. في المرحلة الأولى، كما يتم تحديد جميع خطوط التوزيع المعرضة للعواصف، وللقيام بذلك، يتم استخدام نماذج تفاعل ماركوف المقترحة وشجرة الخط، أما في المرحلة الثانية؛ فإنه يتم تنفيذ الإطار المقترح لتشكيل الجزر باستخدام نتائج المرحلة الأولى كمدخلات، كما تم بناء الإطار المقترح بناءً على المنهجية المذكورة أعلاه من خلال الخطوات التالية:

 المرحلة الأولى: احتمال فشل خطوط التوزيع العلوية تحت التأثيرات المباشرة وغير المباشرة للعواصف الهوائية، بحيث يمكن تقسيم هذه المرحلة إلى أربع خطوات على النحو التالي:

• يتم جمع المعلومات حول الأشجار وتوزيع الهياكل العلوية وتنبؤات العواصف.

• يتم إنشاء نموذج ماركوف المقترح لشجرة في كل فترة زمنية من مدة العاصفة، بالإضافة إلى ذلك يتم حساب احتمالات انتقالها بناءً على خصائص الشجرة والعاصفة الهوائية في تلك الفترة الزمنية، وبناءً على نتائج هذا النموذج؛ فإنه يتم حساب احتمال فشل الشجرة في كل حالة للفترة الزمنية ذات الأهمية.

• استناداً إلى قيم الاحتمالات التي تم الحصول عليها في الخطوة السابقة وخصائص الشجرة وخصائص العاصفة؛ فقد يحسب نموذج تفاعل (الخط – الشجرة) المقترح احتمال الفشل الناجم عن الشجرة لكل خط توزيع (تأثير غير مباشر) في كل فاصل زمني للعاصفة.

• باستخدام منحنيات الهشاشة؛ فإنه يتم حساب احتمالات فشل خطوط التوزيع والأعمدة تحت التأثير المباشر للعواصف.

المرحلة الثانية: تبني الجزر بالشكل الأمثل قبل العواصف، والتي يمكن تلخيصها في الخطوات التالية:

• يتم تشغيل إطار التحسين المقترح.

•  يتم تحديد تكوينات الجزر المبنية.

مثال توضيحي: في هذا الجزء، يتم تنفيذ الإطار المقترح على شبكة توزيع العينات، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، ومن المفترض أن عاصفة رياح قادمة ستضرب الشبكة الكهربائية، مما يتسبب في حدوث ثلاثة أخطاء دائمة على طول شبكة التوزيع.

باستخدام نتائج المرحلة الأولى من الإطار المقترح، تم التعرف على ثلاثة فروع، وهي (2-3)، (6-10)، (14-15)، وذلك على أنها عرضة للعاصفة القادمة، لذلك سوف يتضرر فرعان (2-3)، (14-15)، وذلك بسبب سقوط الأشجار (تأثير غير مباشر للعاصفة)، بينما سيتضرر الفرع (6-10) بشكل مباشر من العاصفة، وبعد ذلك تحدد المرحلة الثانية حدود الجزيرة بحيث يتم تعظيم كمية الطاقة المقدمة المرجحة ذات الأولوية بعد العاصفة.

وفي الوقت نفسه، يتم تقليل ضعف الفروع النشطة أثناء العاصفة، وهكذا تم إنشاء جزيرتين لتزويد الأحمال الحرجة، أما في الجزيرة (1)؛ فإنه يتم تنشيط ثلاثة فروع، بحيث يوفر (DG 1) الحمل الكهربائي الحرج (1)، وذلك من خلال الفروع (1–2)، (2-8).

وكل ذلك لأن ضعف هذا المسار أمام العاصفة القادمة أقل من المسار الذي يشمل (8-7 ، 7-6 ، 6-5 ، 5-1)، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يتم تنشيط الحمل الحرج (3) من خلال الجزيرة رقم (2)، وعلاوة على ذلك ومن خلال تنفيذ هذا الإطار، ونظراً لأن الشجرة تقع بالقرب من الفرع (5-13)؛ فلن يتم تنشيط هذا الفرع، بحيث سيقلل هذا من ضعف الشبكة الكهربائية من خلال الفروع النشطة للعاصفة القادمة.

بالمجمل تقترح هذه الدراسة إطاراً جديداً لدمج أوضاع فشل الأشجار في استعادة الأحمال الكهربائية الحرجة في حالة العواصف الهوائية، كما وتم تطوير “سلسلة ماركوف” المنفصلة الجديدة التي تحاكي استجابة الشجرة خلال فترة زمنية من مدة العاصفة، وبالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح نموذج جديد للتفاعل بين الشجرة والخط لتقدير تأثيرات كل وضع من أنماط فشل الشجرة على خطوط التوزيع المجاورة لها، بحيث تم تصميم تشكيل الجزيرة الاستباقي كمشكلة تحسين (MILP) وبعد ذلك تم اقتراح إطار عشوائي من مرحلتين لتوصيف عدم اليقين المرتبط بمتطلبات الحمل، أما بالنسبة لهذا الإطار العشوائي؛ فإنه يأخذ في الاعتبار مشكلة تخصيص سعر الصرف السوقي أيضاً.