تحويل نظام توزيع الكهرباء نحو الموثوقية وتحسين الربط

في العقد الماضي، جذب تعزيز موثوقية شبكات التوزيع الكهربائية عن طريق وضع التبديل الأمثل الكثير من الاهتمام، وفي حالة حدوث أعطال في وحدة تغذية التوزيع؛ فإن مفاتيح الفصل هذه ستعزل القسم المعيب، ويمكن تزويد العملاء في اتجاه مجرى النقطة المعيبة بواسطة وحدات التغذية من خلال خطوط الربط. التنمية، مثل هذه الفروع الاحتياطية قد لا تعاني فقط من الفشل، ولكن أيضاً قد لا تكون موجودة قبل وضع التبديل.

الهدف من تحويل نظام توزيع الكهرباء وتحسين الربط

جذبت موثوقية نظام التوزيع اهتماماً ملحوظاً في السنوات الأخيرة، وذلك بسبب الجزء الكبير من انقطاع التيار الكهربائي الذي يُعزى إلى الأعطال في شبكات الجهد المتوسط على وجه الخصوص، وبهدف إطلاق العنان للإمكانيات الكبيرة لتعزيز الموثوقية على مستوى التوزيع؛ فقد قام عدد كبير من الباحثين بدراسة مناهج مختلفة، من بينها تركيب مفاتيح الفصل دائماً ما يعتبر استراتيجية فعالة لتخفيف الانقطاع.

كما أنه يمكن أن يؤدي التنسيب الفعال لمثل هذه المفاتيح المتوافقة مع أقسام التغذية الزائدة أو خطوط الربط إلى تقليل مدة انقطاع العميل بشكل كبير، وفي هذا الصدد تم تطوير العديد من النماذج لتحسين الاستثمار في محولات شبكة التوزيع الكهربائية.

أما بالنسبة الى المنهجية المقدمة والموجودة في سياق خوارزمية تخطيط الشبكة الكهربائية، وهي التي تبدأ بالتبديل اليدوي الكامل قبل وضع خطوط الربط وإزالة المفاتيح اليدوية غير الفعالة من حيث التكلفة (MS) وترقية (MS) إلى قواطع الدائرة الكهربائية البعيدة أو الشبكة حيث التكلفة تكون فعالة، كما أنه من الواضح أن هذا من غير المرجح أن يصل إلى الحد الأقصى النظري لأن النهج يتكون من سلسلة من الفوائد لقرارات التكلفة.

ومع الهدف الأساسي المتمثل في تقليل الأحمال الكهربائية غير الموفرة في حالة الأعطال بأقل عدد من المفاتيح (Calderaro et al)؛ فقد طور نموذج البرمجة غير الخطية المختلط (MINLP) لمشكلة وضع التبديل الأمثل، حيث اقترح الباحثون نموذجاً يستند إلى تحسين سرب الجسيمات (PSO)، والذي يقلل من عدد مفاتيح الفصل المثبتة وعدد العملاء غير المخدومين.

الصياغة الأمثل لوضع المفاتيح الكهربائية ضمن نطاق التحويل

فيما بعد قُدمت صياغة متعددة الأهداف للوضع الأمثل للمفاتيح الكهربائية التي يتم التحكم فيها عن بعد (RCSs)، وذلك بهدف تقليل تكلفة الطاقة المتوقعة التي لم يتم خدمتها (EENS)، بالإضافة إلى تكلفة المحولات المثبتة، كما تم تقديم طريقة غير خطية لتحديد مجموعة (MS)، والتي ينبغي ترقيتها إلى (RCS) لاستعادة أكبر قدر ممكن من الحمل عن طريق تشغيل (RCS) أثناء حالات الطوارئ في الشبكة الكهربائية.

كما تم اقتراح صياغة رياضية في شكل برمجة خطية ذات عدد صحيح مختلط (MILP) من أجل الوضع الأمثل لمفاتيح التوزيع الكهربائية الخاصة، حيث يتم تقليل تكاليف نشر المحول الكهربائي وانقطاع الامداد عن العملاء، بحيث قدم الخبراء أيضاً نموذج (MILP) لتحديد ترتيب (RCS)، وذلك مع تقليل تكلفة عدم الموثوقية بالإضافة إلى تكاليف التثبيت والتشغيل للمفاتيح.

وعلى عكس الصيغ غير الخطية التي تم وضعها في البداية، والتي تتطلب طرقاً إرشادية لحلها؛ فإنه يمكن حل نماذج (MILP) المقترحة بكفاءة مع تقارب مضمون عن طريق خوارزمية الفروع والقطع، وبالتالي وعلى عكس الطرق التجريبية التي قد لا تتطلب فقط خبرة المشغل لتعديل المعطيات؛ ولكنها أيضاً قد تكون حلولها بعيدة عن الحد الأمثل.

كذلك من الممكن الاستفادة من نماذج (MILP) بسهولة للحصول على الحل الأمثل العالمي لمشكلة تحسين التبديل، ومع ذلك ونظراً لأن نموذج (MILP) الذي تم تقديمه كان رائداً؛ فإنه وفي نفس الفترة كان هناك مجال كبير لمزيد من التطوير، نتيجة لذلك تم إجراء العديد من الدراسات البحثية في السنوات الأخيرة لتوسيع نموذج (MILP) لمشكلة وضع التبديل الأمثل.

النمذجة الهندسية لمشكلة تحويل نظام توزيع الكهرباء نحو الموثوقية

يمثل الشكل التالي (1) نموذج تغذية التوزيع النموذجي الذي تم تناوله في هذا الطرح، ووفقاً لهذا الشكل؛ فقد تم تجهيز قسم التغذية الأول (L1) بقاطع دائرة في نهاية الإرسال، بحيث تم تمييزها بدوائر صغيرة وتعتبر نقاط الاتصال لجميع أقسام التغذية بعقد التحميل مواقع مرشحة لتركيب مفاتيح الفصل، وفي كل موقع مرشح يمكن تركيب إما (RCS) أو (MS).

وبالتالي، يُفترض متغيرين استثمارين ثنائيين لكل موقع مرشح، أي (xS ، RCl ، xS ، Ml)، خاصةً إذا كان الموقع المرشح في نهاية الإرسال لقسم التغذية (l) أو (xR)، (RCl)، (xR)، (Ml)، وفي حالة تطابق الموقع المرشح إلى الطرف المستقبل لقسم التغذية.

الخطة المحتملة لتعزيز دور شبكة التوزيع الكهربائية والشروع بالربط

كخطة استثمار أخرى لتعزيز موثوقية الشبكة، يتم النظر في تركيب خطوط الربط، على سبيل المثال (r1) في الشكل السابق؛ فأن كل خط ربط يربط آخر عقدة من وحدة التغذية إلى تلك الموجودة في وحدة التغذية المجاورة لها، ومن أجل الحفاظ على الهيكل الشعاعي للشبكة؛ فإنه يجب إبقاء خطوط الربط هذه مفتوحة أثناء التشغيل العادي.

ومع ذلك، وبالنسبة لإعادة تكوين الشبكة بعد حدوث الأعطال الكهربائية؛ فإنه من الممكن الاستفادة من خطوط الربط هذه لنقل جزء أو كل الطلب المتقطع إلى وحدة التغذية المجاورة، ومن ناحية أخرى إذا تم فتح طرفي خطوط الربط؛ فلن يتمكن مشغلو الشبكة من مراقبة مدى توفر خطوط الربط، وبمعنى آخر إذا لم يتم تشغيل خط التعادل؛ فلا يمكن لنظام الحماية اكتشاف أخطائه.

وبالتالي ومن الناحية العملية، يتم تنشيط كل خط ربط من جانب واحد، بينما يتم تثبيت مفتاح مفتوح عادة في الطرف الآخر، وبالتالي وبالإضافة إلى المتغيرات الثنائية الأربعة التي تشير إلى الاستثمارات التي تم إجراؤها في (RCSs) و (MS) في كلا طرفي كل خط ربط، نحتاج إلى متغير ثنائي (xr)، وذلك كمتغير استثمار لإنشاء خط التعادل (r) ومتغيرين ثنائيين هما، (xS ، NOr) و (xR ، NOr) لتحديد الجانب المفتوح عادة.

على سبيل المثال، إذا أصبحت (xS ، NOr) تساوي (1)؛ فهذا يعني أن المفتاح في الجانب المرسل من خط التعادل (r) يكون مفتوحاً بشكل طبيعي، كما يجب التأكيد على أن جانبي الإرسال والاستقبال لخطوط الربط يتم تحديدهما بشكل تعسفي ولا يشيران إلى ظروف تشغيلهما بأي شكل من الأشكال، ومن أجل ضمان تشغيل الشبكة الشعاعية أثناء تشغيل خط الربط؛ فإنه يمكن أن يكون واحد فقط من المتغيرات الثنائية (xS)، (NOr)، (xR)، (NOr) مساوياً لـ (1).

وبالمجمل تم اقتراح نموذج (MILP) في هذه الدراسة لتحسين وضع مفاتيح الفصل، أي (MSs)، (RCS) وخطوط الربط داخل شبكة التوزيع الكهربائية، وفي هذا النموذج تم اعتبار نقطة الاتصال لكل قسم من أقسام التغذية أو خط ربط محتمل لعقدة تحميل موقعاً مرشحاً لتركيب مثل هذه المحولات، كما تم اعتبار تقليل الاستثمار والتكاليف التشغيلية للمفاتيح وخطوط الربط بالإضافة إلى التكلفة المتعلقة بالموثوقية هدفاً جاداً لنموذج التحسين.