تقييم العقدة الحرجة في أنظمة الطاقة الكهربائية الفيزيائية

أهمية تقييم العقدة الحرجة في أنظمة الطاقة الكهربائية الفيزيائية

ينجم انقطاع التيار الكهربائي عن شبكة الطاقة عن عوامل داخلية وخارجية، بما في ذلك التحميل الزائد وفشل التحكم أو الحماية والكوارث الطبيعية، التي تتسبب في انسحاب بعض العقد الافتراضية في شبكة اتصالات الطاقة من العملية، مما يتسبب في حدوث أعطال متتالية، لذلك؛ فإن التركيز على قوة العقدة الحرجة في العمليات اليومية يساعد على تحسين سلامة تشغيل الشبكة الكهربائية وتقليل احتمالية انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع.

حيث أن مركزية العقدة المجمعة ودرجة فصل الفشل المتتالي، كما وأُقترح طريقة تقييم لأهمية عقد الشبكة المقترنة للتمييز بين العقد الحرجة في شبكة اتصالات الطاقة، بحيث قيمت العقد الحرجة في شبكة اتصالات الطاقة على أساس طريقة التقييم الشامل لصنع القرار متعدد السمات، كما تم استخدم طريقة وزن المعلومات غير الحاسوبية لحساب الوزن الموضوعي لمركزية الدرجة والمركزية البينية لتحديد أهمية كل عقدة بواسطة خوارزمية (TOPSIS).

ولإكمال تحديد العقد الحرجة في اتصالات الطاقة شبكة الاتصال؛ فقد استخدم طريقة تقلص العقدة لتقييم أهمية العقد في شبكة الاتصالات، بحيث تم تطوير مجموعة فهرسة لشبكات الاتصال باستخدام نظرية النظام المعقدة التي تضمنت درجة تركيبة العقدة وكفاءة الاتصال لتقييم أهمية العقدة، بحيث أدخل فهرسة المعلومات لتحديد وتصنيف العقد الحرجة في نظام الطاقة الفيزيائية السيبراني، ومع ذلك في هذه الدراسات، تمت دراسة أهمية كل عقدة فقط لعقدة واحدة في النظام الكهربائي.

ومع ذلك، في بعض النظم الطبيعية؛ فإنه لا تعتبر بعض العقد مهمة عند النظر إليها بشكل فردي ولكنها مهمة عند دمجها مع العقد الأخرى، على سبيل المثال يوضح الشكل التالي (1) مخطط توصيل عقدة (IEEE-14) مبسطاً؛ وبافتراض أنه كلما زاد تأثير العقدة؛ زادت أهمية العقدة كمعيار قياس؛ فإن العقدة (4) هي العقدة ذات التأثير الأكبر في النظام عند النظر إليها بشكل فردي لأن عدد العقد التي تؤثر عليها العقدة (4) أو تصل إليها هو (5)، وهو الأكبر بين العقد الأخرى.

على سبيل المثال تؤثر كل العقد (2 ، 5 ، 6 و، 9) على (4) عقد أخرى أو تصل إليها، لذلك تعتبر العقدة (4) أكثر أهمية من العقد (2 ، 5 ، 6 ، 9)، ومع ذلك عند النظر في مجموعة العقد وعندما نقارن {2 ، 4} بـ {5 ، 6}، نلاحظ عدد العقد التي تؤثر عليها معاً، وخاصةً عندما تحدث عقدة لها نفس التأثير داخل مجموعة؛ فإنها تُحسب مرة واحدة فقط. عدد العقد التي تتصل بها {2 ، 4} بشكل مشترك هو (1 ، 3 ، 5 ، 7، 9).

خوارزمية تقييم مجموعة العقدة الحرجة

نموذج النظام والمصفوفات: يظهر نموذج النظام المستخدم في هذه الدراسة في الشكل التالي (2)، وفي شبكة الطاقة الكهربائية؛ فإنها نقوم بتبسيط المعدات المدروسة على النحو التالي، وهي المولدات الكهربائية والمحطات الفرعية عبارة عن عقد وخطوط النقل عبارة عن حواف وقيم التفاعل هي أوزان الحواف، وفي شبكة الاتصالات؛ فإنها نقوم بتبسيط مراكز الإرسال كعُقد وخطوط الاتصال كحواف ومعدلات استخدام الارتباط كأوزان حافة.

وبالتالي، تشكل العقد الخاصة بشبكة الطاقة وشبكة الاتصالات اتصال اقتران “واحد لواحد”، بحيث تستخدم شبكة الاتصالات العقد ذات الدرجة الأعلى كمراكز الإرسال الأولية والاحتياطية، وهذه العقد لا تتصل بعقد شبكة الطاقة مباشرة؛ بل تدفق الطاقة والمعلومات على الخط المزدوج ثنائي الاتجاه. بالإضافة إلى ذلك، لكل من شبكة الطاقة وشبكة الاتصالات هياكل طوبولوجية وحالات عقدة مختلفة.

كما أن التحكم في الشبكة هو موضوع بحث مهم، ولجعل الشبكة قابلة للتحكم، غالباً ما نختار كيفية التحكم في العقد، ولكن في العديد من السيناريوهات من غير الواقعي التحكم في جميع العقد في الشبكة، لا سيما في الشبكات واسعة النطاق، ولتوفير التكاليف يمكن التحكم في الشبكة بالكامل باستخدام وحدات التحكم في بعض العقد، وباستخدام علاقات الاقتران؛ فإنه يمكن لهذه الاستراتيجية تحقيق التحكم في التثبيت.

حاصل نظام (Rayleigh) والحد الأدنى من القيمة الذاتية: يظهر تعريف حاصل رايلي [R (x)]، ولأي متجه (x∈C)، حيث (C) هي مجموعة الأرقام المركبة، وفي شبكة الطاقة وشبكة الاتصالات في التعريف (1)، حيث تتوافق القيم القصوى والدنيا مع القيم الذاتية لـ مصفوفة لابلاسيان لشبكة الطاقة وشبكة الاتصالات على التوالي.

خوارزمية لتقليل التعقيد الحسابي: استناداً إلى نظرية تحليل المصفوفة، يمكن البدء في عملية الفرز لتقليل مقدار الحساب، لذلك إذا تم تقييم مجموعة العقدة الحيوية بشكل مباشر؛ فسيكون عدد مجموعات العقدة(ClN) كبيراً واختيار مجموعة العقدة المثلى من هذه المجموعات سيكون مضيعة للوقت، خاصة في الشبكات الكبيرة، لذلك نستخدم عمليتي فحص لتقليل التعقيد الحسابي.

خوارزمية مجموعة العقدة الحرجة لنظام الطاقة السيبراني الفيزيائية: سنقدم الآن الخطوات العامة للحكم على مجموعات العقد الحرجة لنظام الطاقة الفيزيائية السيبرانية، والتي تم وصفها في الخوارزمية، ونظراً لأن تركيز هذه الدراسة هو استراتيجية اختيار عقد التثبيت وتحسين استراتيجية التحكم في التثبيت؛ فلا يزال بإمكان الشبكة الحفاظ على اتصال جيد عند التحكم في عدد أقل من العقد.

كما تميز أصغر قيمة ذاتية غير صفرية لمصفوفة لابلاسيان اتصال الشبكة، مما يشير إلى أنه كلما كانت القيمة الذاتية أكبر، بحيث كان الاتصال أفضل، لذلك يمكن استخدام قيمة (eigenvalue) لتقييم استراتيجية اختيار العقدة، وبعد ذلك يتم استخدام بعض نظريات تحليل المصفوفة لتسهيل الاشتقاق المقترح لمجموعة عقدة التحكم لتقليل مقدار الحساب.

وأخيراً تم اقتراح خوارزمية تعتمد على نظرية التحكم في التثبيت لتقييم مجموعات العقد الحرجة في نظام الطاقة الفيزيائية السيبرانية الموزون الموجه، بحيث تستخدم هذه الخوارزمية أصغر قيمة ذاتية غير صفرية لمصفوفة لابلاس المعدلة كمؤشر تقييم بمساعدة نظرية تحليل المصفوفة، بحيث بعد العديد من عمليات المحاكاة، لذلك كانت الاستنتاجات كما يلي:

• يتم تقليل التعقيد الحسابي بشكل ملحوظ من خلال عمليتي الفرز في الخوارزمية المقترحة في هذه الدراسة، كما يمكن تحديد مجموعات العقد الحرجة في نظام الطاقة الفيزيائية السيبرانية الموزون الموجه بدقة أكبر مقارنة باستراتيجيات تقييم العقدة الأساسية الأخرى.

• لا تقترن عقدتا مركز الإرسال النشط والاحتياطي مباشرةً بشبكة الطاقة لشبكتي الاتصال، وذلك على الرغم من وجود تكلفة عند إضافة عقدتين كمراكز إرسال نشطة واحتياطية، إلا أنه يتم تحقيق نتائج أفضل، كما تعد مجموعة العقدة المكونة من جميع عقد شبكة الطاقة أكثر أهمية من مجموعة العقد التي تتكون من جميع العقد الخاصة بأنظمة الطاقة الفيزيائية السيبرانية الكبيرة والصغيرة الحجم لشبكة الاتصالات.

• مع زيادة عدد عقد التحكم، يتحسن اتصال نظام الطاقة السيبراني الفيزيائي حتى يميل إلى الاستقرار، وذلك بالمقارنة مع طريقة توصيل اقتران “واحد لواحد”، بجيث يمكن أن تؤدي طريقة توصيل اقتران “متعدد إلى متعدد” إلى اتصال أفضل لنظام الطاقة السيبراني الفيزيائي ضمن مجموعة عقدة بنفس عدد العقد.

وفي العمل المستقبلي؛ فإنه يتم التخطيط لاستخدام المزيد من الأساليب لتقليل التعقيد الحسابي في نظام الطاقة الفيزيائية السيبرانية الموجه على نطاق واسع.