حماية الخطوط المعرضة للخطر في نظام القدرة الكهربائية

أهمية حماية الخطوط المعرضة للخطر في نظام القدرة الكهربائية

في السنوات الأخيرة، حدث العديد من حالات انقطاع التيار الكهربائي في العالم، وعلى الرغم من أن هذه الأحداث ليست متكررة، إلا أن كل حدث له تأثير كارثي على المجتمع، بحيث تسبب انقطاع التيار الكهربائي في البرازيل في مارس 2018م في فقدان حوالي ربع المستهلكين للطاقة، ونظراً لرحلة التحميل الزائد لقاطع دائرة ناقل، تفقد محطة المحول الطرفي للإرسال طاقة التيار المتردد، كما وتسبب في إغلاق ثنائي القطب.

بالإضافة إلى ذلك، كان هيكل شبكة الطاقة الكهربائية غير معقول، مما تسبب في تأثر قناة التيار المتردد/ التيار المستمر الرئيسية من الشمال إلى الجنوب، مما أدى في النهاية إلى فشل متتالي، فإنه يمكن ملاحظة أن بعض الخطوط الحرجة في النظام ساهمت في انتشار نطاق انقطاع التيار الكهربائي، لذلك  يمكن أن يؤدي البحث في هذه الخطوط الضعيفة إلى منع حدوث حالات الفشل المتتالية ومنع حدوثها بشكل فعال.

الفئات المعتمدة لحماية الخطوط المعرضة للخطر

حيث أن الفئة الأولى هي تحليل حالة نظام الطاقة على أساس الاختزالية، كما يأخذ حساب تدفق الطاقة باعتباره جوهراً ويستخدم الطريقة الحتمية أو الاحتمالية لوصف عملية انتشار الفشل المتتالي، بحيث تم تقديم “نظرية الانتروبيا” ونظرية تقييم المخاطر ومحاكاة مونت كارلو لتحديد الخطوط المعرضة للخطر، كما تم إنشاء نموذج شامل يعتمد على “إنتروبيا” نقل طاقة التدفق الفرعي وانتروبيا توزيع التدفق الفرعي، ولكنه لم يأخذ في الاعتبار تأثير سعة الفرع على النتائج.

لذلك، تم اقتراح “نموذج إنتروبيا” متدرج للطاقة بالإضافة إلى ذلك، تم إنشاء مؤشر خطر الخط باستخدام احتمالية الحمل الزائد للخط وتقلبات تدفق الطاقة، بحيث استحوذت هذه الأساليب على حالة تشغيل النظام، لكنها تفتقر إلى الاعتبار للهيكل العام للنظام، كما أن طريقة محاكاة “مونت كارلو” معروفة بنمذجة مفصلة ودقة النتائج.

كما تعتمد طريقة الفئة الثانية على نظرية الشبكة الكهربائية المعقدة، بحيث تم اقتراح العديد من خصائص الشبكة الكهربائية، مثل العالم الصغير والخصائص الخالية من المقاييس والخصائص الإحصائية للمكونات لتحليل السلوك الديناميكي للشبكات، ومع ذلك؛ فإن توزيع تدفق الطاقة في خط شبكة الطاقة يرتبط ارتباطاً وثيقاً بمقاومة الخط ولا يتدفق على طول أقصر مسار.

بالإضافة إلى ذلك؛ فإن تيار الخط المتصل بنفس العقدة مقيد “بقانون كيرشوف” وله اتجاهية، لذلك ؛ فإن مؤشرات “نظرية الشبكة المعقدة” الكلاسيكية (مثل الدرجة ومعامل التجميع وبين التباعد) لا تقيم أهمية العقد أو الفروع بشكل صحيح، لذلك تم دمج “المؤشرات الكهربائية” في المؤشرات الهيكلية لتحسين دقة التحديد.

كذلك تم استخدام عامل توزيع ونقل القدرة لتحديد سعة النقل القصوى للخط، وبالتالي إعادة النظر في الخط الفاصل من خلال “المسافة الكهربائية” المعنية، وبعد ذلك تم اقتراح “التباعد الكهربائي” والتدفق البيني، والذي اعتبر الاستخدام على الخط الفاصل بين أزواج حمل المولد الكهربائي، بالإضافة إلى ذلك تم أيضاً إدخال نظرية التدفق الأقصى.

كذلك تم استخدام نسبة تدفق خط الهدف إلى أقصى تدفق لتمييز أهمية الخط، كذلك فقد تم الحكم على أهمية الخط من خلال فرض أقصى تدفق في واجهة التدفق القصوى، ولكن في الواقع لا تراعي طريقة التدفق الأقصى سوى الضعف الهيكلي للنظام، كما ولا يتم أخذ نظام حالة التشغيل في الاعتبار بشكل كامل، حيث تم اقتراح نهج محاكاة تدفق الحمل لتصنيف المكونات في تقييم التوافر للأنظمة متعددة الحالات، والتي تستحق التعلم في التقييم الضعيف.

آلية بناء شبكة حماية الارتباط من المستوى الثاني

في حالة الفشل المتتالي لأنظمة الطاقة؛ فإن الضرر الأساسي الذي يلحق بالنظام هو انقطاع خط واحد، وذلك لأن إزالة العقدة تعادل إيقاف جميع الخطوط المتصلة بها، لذلك من أجل عكس علاقة الاقتران بين الخطوط في شبكة الطاقة بشكل أفضل، بحيث يتم استخدام حالة الطوارئ (N-1) لعكس الارتباط بين فروع الإرسال على نقل الطاقة النشط وبناء شبكة الارتباط.

ومع ذلك؛ فإن حالات انقطاع التيار الكهربائي تنتشر في شكل أعطال متتالية، وفي معظم الحالات سيكون هناك أخطاء متعددة المستويات، بحيث يتم إدراك خطأ المستوى الأول فقط، كما ويتم تجاهل أخطاء المستوى الأخير، وفي ضوء ذلك تم اقتراح شبكة ارتباط من المستوى الثاني مع الأخذ في الاعتبار الأخطاء الثانوية، وذلك من أجل عكس حالة نقل الطاقة وعلاقة الاقتران بين خطوط الطاقة بشكل أعمق دون زيادة مقدار الحساب بشكل كبير.

ومن أجل أخذ خصائص الهيكل وخصائص الحالة في الاعتبار في وقت واحد، تم اقتراح مصفوفة ارتباط محسنة تعتمد على نظام الطاقة الأصلي.

• احسب قياس تدفق الطاقة للنظام وسجل هوامش السعة لكل سطر.

• قطع كل فرع بدوره ويتم الحصول على مصفوفة زيادة تدفق الطاقة الفعلية (P) عن طريق زيادة قوة الفروع الأخرى الناتجة عن الخطأ الأولي.

• احكم على ما إذا كانت سلطة الفرع تتجاوز الحد أم لا، لذلك إذا لم يكن الأمر كذلك؛ فستنتقل العملية إلى الخطوة التالية، وبخلاف ذلك يتم حجز قيمة العنصر المقابلة للفرع في المصفوفة (P)، ثم يتم كسر فرع تجاوز الحد ويتم حساب تدفق طاقة النظام مرة أخرى وتكون مصفوفة زيادة القدرة (P) بحيث تم تحديثه وفقاً للزيادة الثانية في تدفق الطاقة.

• وأخيراً يتم الحصول على مصفوفة الارتباط المحسنة (R)، وذلك بقسمة كل عنصر في مصفوفة زيادة القدرة (P) على هامش سعة الفرع المقابل.

ووفقاً للخطوة (2) تكون مصفوفة زيادة القدرة (ΔP) كالتالي:

حيث أن (Δpij) هي زيادة قوة الفرع (j) بعد كسر الفرع (i)، كما ويمثل (n) العدد الإجمالي للفروع في النظام.

كذلك؛ فإنه يمكن إنشاء شبكة الارتباط من المستوى الثاني المقابلة لشبكة الطاقة الأصلية بناءً على (R)، بحيث يمثل الشكل التالي (1) عبارة عن نظام طاقة وشبكة ارتباطه، كما يمكن ملاحظة أن الفروع الموجودة في شبكة الطاقة الأصلية يتم تعيينها في عقد في شبكة الارتباط وتعكس الحافة في شبكة الارتباط علاقة الاقتران بين الفروع في شبكة الطاقة الأصلية بشكل واضح.

لذلك تتمتع شبكة الارتباط المحسنة من المستوى الثاني بدرجة اقتران أفضل من شبكة الارتباط من المستوى الأول التي تم إنشاؤها والاتصال بين الفروع أكثر إحكاماً، وهو ما يمكن أن يعكس بشكل أفضل نقل طاقة النظام في عملية الفشل المتتالي، وباختصار يتم تمييز بعض مزايا شبكة الارتباط على النحو التالي.

• أنه يعكس علاقة الاقتران بين الفروع في شبكة الطاقة الأصلية على وجه التحديد، بما في ذلك الخصائص الهيكلية والحالة.

• يتم تعيين اقتران قانون كيرشوف بين فروع الشبكة الأصلية في علاقة اقتران عامة، مما يسهل الاستخدام المباشر لنظرية الشبكة المعقدة.

• يتم تحويل مشكلة تقييم قابلية الفرع إلى عقدة واحدة.

وأخيراً؛ فإنه يمكن التفكير في أن شبكة الارتباط من المستوى الثاني تلتقط أول عمليتين رئيسيتين للفشل المتتالي  وهي شبكة مرجحة ثنائية الاتجاه تزيل اقتران قانون كيرشوف بين الفروع في شبكة الطاقة الأصلية.