تحسين حماية نظام القدرة باستخدام أنظمة المراقبة

الحاجة الى تحسين حماية نظام القدرة باستخدام أنظمة المراقبة

تعد مراقبة المنطقة الواسعة (WAM) أحد أهم التطورات الجديدة في أنظمة الطاقة الحديثة، وذلك من خلال التطورات في تقنية القياس المتزامن وإنشاء وحدات قياس الطور (PMUs)، بحيث تستطيع (WAM) تقديم عرض في الوقت الفعلي للسلوك الديناميكي لنظام الطاقة الذي يتم تحديثه مرة واحدة في كل دورة، كما أثبتت هذه المعلومات أنها مورد لا يقدر بثمن لإنشاء تطبيقات جديدة يمكن أن تفيد في حماية نظام الطاقة والتحكم فيه.

أيضاً حددت تقارير التعتيم الأخيرة أن الإخفاقات في أنظمة الحماية الكهربائية قد ساهمت في العديد من حالات “انقطاع التيار الكهربائي” الأخيرة، لذلك أصبح الدور الذي يمكن أن تلعبه (WAM) في تعزيز حماية نظام الطاقة مجالاً ذا أهمية كبيرة، كما أن سرعة الاستجابة المطلوبة للحماية الأولية عالية جداً لقياسات منطقة واسعة لتلعب دوراً هاماً.

وعلاوة على ذلك؛ فإن الحاجة إلى قياسات منطقة واسعة كجزء من الحماية الأولية محدودة، وذلك لأنها تحمي عنصراً معيناً من نظام الطاقة، ومع ذلك يمكن تحسين جوانب حماية نظام الطاقة التي لها متطلبات أقل من حيث سرعة الاستجابة (مثل حماية النسخ الاحتياطي) وتكون أقل انتقائية باستخدام قياسات منطقة واسعة للإشراف على سلوكهم.

حيث يمكن استخدام قياسات المنطقة الواسعة كأساس لإنشاء حماية نظام تكيفي أو مخططات جديدة لحماية سلامة النظام أو حتى مفاهيم حماية جديدة تماماً (على سبيل المثال، التكيف في الوقت الحقيقي للتوازن بين الأمن والاعتمادية).

وبشكل ضمني؛ فإن قياسات المنطقة الواسعة وحدها ليست كافية لتحقيق هذه التعزيزات المحتملة، بحيث قدم إدخال المرحلات الرقمية مستوى غير مسبوق من القوة الحسابية في المحطة الفرعية، وقد أدى ذلك إلى زيادة كبيرة في نطاق الوظائف التي يمكن أن يقدمها أي نظام حماية، كما تؤدي هذه القدرة المعززة بالفعل إلى انتقال قدر متزايد من الذكاء واتخاذ القرار من مركز التحكم إلى المحطة الفرعية ومفاهيم الحماية الجديدة التي تمت مناقشتها هنا هي امتداد لذلك.

ومع ذلك؛ فإنه وبالإضافة إلى هذه القوة الحسابية المتزايدة وتوافر قياسات منطقة واسعة، وهي أحد المتطلبات الرئيسية لأي تطبيق واسع النطاق هو بنية تحتية للاتصالات مناسبة لدعمها، بحيث يمكن أن تختلف احتياجات الاتصال لمفاهيم (WAP) المختلفة بشكل كبير.

مراقبة المنطقة الواسعة لأنظمة القدرة

تجمع (WAM) القياسات من المواقع البعيدة عبر نظام الطاقة وتجمعها في الوقت الفعلي في لقطة واحدة لنظام الطاقة لفترة معينة، بحيث تعد تقنية القياس المتزامن (SMT) مكوناً أساسياً من مكونات (WAM) حيث تتيح للقياسات أن تكون مختومة بدقة، وذلك باستخدام إشارات التوقيت من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في المقام الأول.

كما تسمح هذه الطوابع الزمنية بدمج القياس بسهولة وإجراء قياسات زاوية الطور باستخدام مرجع مشترك، حيث تم تطوير وحدات إدارة المشروع في أوائل الثمانينيات، وهي الشكل الأكثر استخداماً لتقنية القياس المتزامن، كما تقيس وحدات إدارة المشروع أطوار الجهد والتيار الكهربائي بمعدل مرة واحدة لكل دورة ويصف معيار (IEEE C37.118) المستوى المطلوب لأداء القياس وبروتوكول الاتصال لهذه القياسات.

كما وتجدر الإشارة هنا إلى أن هذه المواصفة القياسية توفر خيار تضمين القيم التناظرية والرقمية في تدفقات القياس، بحيث يسمح هذا بتدفق إشارات الحالة الثنائية وقياسات شكل الموجة الكهربائية باستخدام البروتوكول المستخدم.

كذلك يمكن أن تكون بنية (WAMS) شديدة التعقيد، بحيث توفر العديد من الأمثلة على كيفية تصميم (WAMS)، أيضاً يعد زمن الوصول والارتعاش والموثوقية لشبكة الاتصالات في (WAMS) جانباً حيوياً لضمان أن (WAMS) مناسب لدعم وظائف الحماية.

التحديات التي تواجهها حماية نظام القدرة

نظرة عامة على حماية نظام القدرة

يتمثل دور حماية نظام الطاقة في فصل العناصر المعيبة والمحملة فوق طاقتها للحفاظ على العنصر من التلف ومنع الخطأ من تدهور الأمن وحماية المنطقة المحيطة من الخطر الجسيم، كما يتم توفير حماية المعدات هذه بشكل أساسي من خلال عمليات التكسير ويمكن تقسيمها إلى حماية المعدات الأساسية والاحتياطية.

لذلك تتجنب الحماية الأولية تلف المعدات عن طريق عزل المعدات المحمية عن النظام، حيث أنه انتقائي للغاية ويعمل في (3∼4) دورات فقط، وعادةً ما يتم تكرار المرحلات المستخدمة لتقديم التحكم الأساسي مرة واحدة أو أكثر لتجنب أي فشل في إزالة الخطأ.

حالات الفشل المتتالية لنظام حماية القدرة

يمكن وصف حالات الفشل المتتالية على أنها سلسلة من حالات الفشل في نظام الطاقة التي تحدث واحدة تلو الأخرى ويحدث كل فشل بسبب عواقب الإخفاقات السابقة، على سبيل المثال، هناك سلسلة من الرحلات الخطية بسبب انتهاك الحدود الحرارية.

كما يمكن عادةً تحديد حدث بدء التتالي بسهولة، ومع ذلك؛ فإنه من المهم أن تضع في اعتبارك أنه أثناء العملية يكون من الصعب التعرف بوضوح على حدث سيبدأ في النهاية سلسلة، كما يمكن أن تحدث حالات فشل التتالي بسرعة كبيرة بعد حدث البدء وقد ساهمت في العديد من حالات انقطاع التيار الكهربائي الأخيرة، كما أن الإجراءات التكيفية السريعة المطلوبة لمنع هذه التسلسلات هي خارج نطاق معظم حماية نظام الطاقة الحالي.

التشغيل الصحيح ولكن غير المناسب للمرحلات

ساهم التشغيل غير الصحيح لمرحلات الحماية في حدوث عدد من حالات الفشل المتتالية وانقطاع التيار الكهربائي، حيث تستخدم مرحلات الحماية الحالية في المقام الأول الخصائص الثابتة التي لا تتكيف مع ظروف النظام الحقيقية، وهذا يعني أنه من الممكن لهذه الحماية أن تعمل بشكل صحيح ولكن بشكل غير مناسب.

كما وقد تفاقمت هذه المشكلة بسبب التغييرات في ممارسات تشغيل أنظمة الطاقة، على سبيل المثال، زيادة التركيز على العوامل التجارية والبيئية، حيث أدت هذه التغييرات إلى تنوع متزايد في توليفات التوليد وأنماط تدفق الأحمال. لذلك، كما يمكن أن يتغير مستوى الخطأ ونمط تدفق الحمل للنظام بسرعة ويصبح نطاق ظروف التشغيل المحتملة واسعاً بشكل متزايد.

لذلك قد جعل هذا الإعداد المناسب للحماية أكثر صعوبة، حيث إنه من الصعب تحديد الإعدادات التي ستكون قابلة للتطبيق لجميع ظروف التشغيل المحتملة وحالات الطوارئ، كما وقد ساهم هذا في التشغيل الصحيح ولكن غير المناسب لمرحلات الحماية، حيث أن مرحلات حماية النسخ الاحتياطي تعمل دوماً بشكل خاص ومنفرد.

الإخفاقات المخفية الخاصة بديمومة عمل المرحلات

على الرغم من التحديات التي تواجهها حماية نظام القدرة الكهربائية الحديث والتعقيد المتزايد للحماية، تعمل الحماية الحديثة بشكل جيد للغاية وتقريباً جميع عمليات الترحيل صحيحة ومناسبة، ومع ذلك لعبت إجراءات الحماية غير الصحيحة دوراً في بدء وانتشار العديد من حالات انقطاع التيار الكهربائي الرئيسية.

وذلك بحيث يتمثل أحد الموضوعات الشائعة في هذه الأحداث في وجود إخفاقات خفية تسببت في عمل التتابع بشكل غير صحيح فور اتخاذ إجراء حماية آخر في منطقتهم المحلية، بحيث يُعرَّف الفشل الخفي على أنه عيب دائم غير مكتشَف في مرحل الحماية الذي يتسبب في عمل المرحل بشكل غير صحيح وإزالة عناصر النظام كنتيجة لحدث تبديل آخر في النظام.