دراسة الشبكات السكنية ذات الجهد الكهربائي المنخفض

ضرورة دراسة الشبكات السكنية ذات الجهد الكهربائي المنخفض

أصبحت الشبكات الكهربائية السكنية منخفضة الجهد (LV) إحدى طليعة البحث والتطوير في الشبكة الذكية بسبب عدد من الابتكارات في جانب الطلب، ومن الأمثلة على ذلك اللوحات الكهروضوئية (PV) والمركبات الكهربائية (EVs) وما يرتبط بها من تشغيل من مركبة إلى شبكة وبرامج الاستجابة للطلب ومراقبة استخدام الطاقة المنزلية والشبكات الصغيرة السكنية.

كما أنه نتج عن هذه التطورات حاجة كبيرة للأدوات التي يمكنها نمذجة ومحاكاة الشبكات السكنية بشكل صحيح وفعال، كذلك من المتوقع أن تدعم الأدوات عدداً من أنشطة بحث الشبكة الذكية المتعلقة بجانب الطلب، وذلك كما هو موضح أدناه.

بحث مراقبة الحمل غير التدخلي (NILM): يحاول هذا البحث تحديد استخدام الطاقة للأجهزة المنزلية الفردية بناءً على الطاقة المقاسة عند نقطة دخول الخدمة فقط، ونظراً لإمكانياتها الكبيرة في توفير الطاقة وتحليل البيانات؛ فقد أصبح (NILM) موضوعاً بحثياً ساخناً للغاية تتبعه مختلف التخصصات.

كذلك التحدي الملحوظ الذي واجهه هذا البحث هو كيفية التحقق من العديد من خوارزميات (NILM) المنشورة، حيث تعد منصة المحاكاة التفصيلية التي يمكنها نمذجة السلوكيات الكهربائية لمختلف الأجهزة المنزلية أحد الحلول الجذابة لهذا التحدي.

تكامل المولدات المحلية (مثل الكهروضوئية): تم اقتراح عدد من موضوعات البحث في هذا الاتجاه، مثل التشغيل الأمثل للشبكة السكنية والتبديل بين الشبكة المتصلة و أوضاع الجزر والتقليل من عدم توازن توليد الأحمال وما إلى ذلك، بحيث تعتبر منصة المحاكاة المناسبة أداة أساسية لتقييم أداء مختلف التقنيات المقترحة أو المنشورة.

مخاوف تتعلق بجودة الطاقة: أثار اعتماد تقنيات الحمل والتوليد الجديدة في المنازل وشبكات الجهد المنخفض مخاوف بشأن التأثيرات المحتملة على جودة الطاقة، كذلك أحد الأمثلة على القلق هو ارتفاع الجهد المحايد إلى الأرض (NEV) بسبب توصيل الأحمال الكبيرة مثل شواحن (EV) بين الطور والمحايد، مما قد يؤدي إلى حوادث جهد شارد، وهناك مصدر قلق آخر هو المركبات التوافقية بين الأجهزة، أيضاً هناك حاجة إلى نماذج مفصلة لشبكات الجهد المنخفض لتحليل مثل هذه المشاكل.

دراسات الاستجابة للطلب: تتحكم برامج الاستجابة للطلب في تشغيل بعض الأجهزة في المنازل أو تؤثر على تشغيلها من خلال وسائل مثل تسعير وقت الاستخدام. للتنبؤ بفاعلية برنامج الاستجابة للطلب، بحيث يجب أن يفهم ونمذجة ومحاكاة خصائص استهلاك الطاقة المنزلية، ونظراً لأن الأجهزة المنزلية تعمل بطريقة احتمالية، كما أن هناك حاجة إلى عدد كبير من محاكاة أسلوب مونت كارلو لتحديد نتيجة برامج الاستجابة للطلب إحصائياً.

تقييم محاكاة الشبكة السكنية ذات الجهد الكهربائي المنخفض

استجابة للاحتياجات المذكورة أعلاه، تم إيجاد منصة عامة لمحاكاة الشبكة السكنية ذات الجهد المنخفض والتي يمكن استخدامها لتقييم العديد من أفكار وتقنيات الشبكة الذكية في جانب الطلب، بحيث تأخذ المنصة في الاعتبار الخصائص المشتركة لمجالات البحث الأربعة المحددة سابقاً، وهي تغطي فترة محاكاة ممتدة لا تقل عن (24) ساعة ولها دقة إخراج تبلغ لقطة واحدة في الثانية.

ومن ناحية أخرى، تم تصميم جهاز المحاكاة المقترح لمحاكاة الأنظمة السكنية ذات الجهد المنخفض، وذلك من خلال الخصائص الرئيسية لهذه الأنظمة هي:

• تغيرات الحمل العشوائية.

• طوبولوجيا الشبكة متعددة الأطوار.

• التوافقيات وعابرات بدء تشغيل المحرك.

عدم تدخل المشغل، حيث أن تطبيقات المحاكاة هي توفير منصة وبيانات للبحث عن استجابات الطلب وخوارزميات (NILM) وتأثير الأحمال الجديدة والمولدات الكهربائية.

منصة المحاكاة المقترحة الخاصة بالشبكة السكانية

على غرار محاكاة وتحليل نظام الطاقة العالية الجهد، تتطلب دراسات الشبكة السكنية نوعين عريضين من الأدوات، الأول هو محاكاة الاستجابات الديناميكية أو الثابتة لشبكة تقابل حدثاً واحداً مثل عطل ماس كهربائي أو تغيير الحمل، كما تتوفر العديد من الأدوات التجارية لتلبية احتياجات المحاكاة الديناميكية مثل (PSCAD / EMTDC) ، (MATLAB / Simulink) واحتياجات محاكاة الحالة المستقرة مثل (CYME/ PSS  Adept / DIgSILENT).

كم أن النوع الثاني هو محاكاة سلوك شبه ثابت لشبكة خلال فترة ممتدة مثل عدة ساعات تقليد سلسلة من الأحداث التي تحدث في النظام. جهاز محاكاة تدريب مرسل نظام الطاقة هو مثال على هذه الأداة لأنظمة الجهد العالي، حيث أنه لم يتم تطوير هذه الأداة للشبكات السكنية ذات الجهد المنخفض.

لذلك؛ فإن الهدف من المنصة المقترحة هو تلبية هذه الحاجة، ونظراً لأنه يغطي فترة ممتدة، يجب معالجة عدد من المشكلات الفريدة، مثل وقت تشغيل أحد الأجهزة ومدة بقائه قيد التشغيل ،وما هو مستوى الإشعاع الشمسي النموذجي في لقطات مختلفة وما إلى ذلك.

المتطلبات العامة لمنصة المحاكاة

من خلال تحليل الخصائص المشتركة لمجالات البحث الأربعة الموضحة في القسم الأول، تم تحديد المتطلبات العامة التالية لمنصة محاكاة الحالة شبه المستقرة.

فترة المحاكاة الممتدة: يعتمد تشغيل الأحمال السكنية بشكل كبير على الوقت، على سبيل المثال من المرجح أن تتم أنشطة الغسيل في الصباح، بينما يتم تشغيل أجهزة التلفزيون في الغالب في المساء، بحيث تتطلب العديد من الأبحاث المذكورة في القسم الأول نمذجة أنشطة الشبكة خلال فترة (24) ساعة على الأقل.

نمذجة السلوك العشوائي للأحمال السكنية والمولدات: نظراً لأن الأحمال والمولدات في شبكة الجهد المنخفض تعمل بطريقة عشوائية خلال فترة المحاكاة، يجب أن تكون الأداة المقترحة قادرة على التعامل مع الأحداث الاحتمالية، وفي أي لحظة يجب أن تحدد الأداة حالة تشغيل الحمل أو المولد بناءً على ملفات تعريف التشغيل التي تتميز بوظائف التوزيع الاحتمالية.

إخراج عالي الدقة: يجب أن يكون النظام الأساسي أيضاً قادراً على إخراج استجابات الشبكة بدقة لقطة واحدة في الثانية، بحيث يرجع هذا المطلب بشكل أساسي إلى التطبيق الأول، أي لدعم أبحاث (NILM.)، وذلك وذلك لأن خوارزميات (NILM) تحتاج إلى استخدام أكبر عدد ممكن من التوقيعات الكهربائية للأجهزة المنزلية، كذل الدقة المقترحة بالكاد كافية لالتقاط عابرات بدء تشغيل المحرك والتي تعد توقيعاً مهماً لخوارزميات (NILM).

نموذج الشبكة متعدد الأطوار: الشبكة السكنية عبارة عن دائرة متعددة الموصلات مع أحمال متصلة من الطور إلى المحايد ومن الطور إلى الطور، بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يحتوي على نقاط أساس مختلفة يمكن أن يكون لمقاومات التأريض تأثير على استجابات الشبكة، لذلك يجب أن يشتمل جهاز المحاكاة على كل موصل للنظام بحيث يمكن دراسة حالات مثل عدم توازن الحمل وضعف المحايد والإلغاء التوافقي.

التوافقيات وبدء تشغيل المحرك: التوافقيات وعابرات بدء تشغيل المحرك التي تنتجها العديد من الأحمال السكنية تحمل توقيعات كهربائية فريدة، بحيث تُستخدم هذه التوقيعات لتعريف الجهاز بواسطة العديد من خوارزميات (NILM)، لذلك من المهم جداً لمنصة المحاكاة أن تصمم مثل هذه التوقيعات، بالإضافة إلى ذلك التوافقيات وعابرات بدء تشغيل المحرك هي اضطرابات يجب تقييمها من منظور جودة الطاقة.

كما يمكن تلبية المتطلبات المذكورة أعلاه باستخدام نموذجين لشبكة الجهد المنخفض، الأول هو النموذج الكهربائي الذي يمثل الخصائص الكهربائية للشبكة والأحمال وآخر هو نموذج السلوك الذي يغطي العمليات العشوائية للأحمال الناتجة عن سلوك سكان المنزل.