محاكاة الوقت الحقيقي لأنظمة توزيع القدرة الكهربائية

أهمية محاكاة الوقت الحقيقي لأنظمة توزيع القدرة الكهربائية

سيؤدي تطوير نظام شبكات القدرة الكهربائية إلى “شبكة ذكية”، إلى إطلاق إمكانات لا يمكن تصورها للاستجابة للتأثيرات البيئية وأهداف كفاءة الطاقة وظروف معيشية أفضل لمجتمعاتنا، ومع ذلك تتطلب الترقية أجهزة أكثر ذكاءً بشكل ملحوظ مدمجة في أنظمة الطاقة الحالية، وفي هذا السياق أبرزت أهمية الذكاء الموزع والتحليل للتعامل مع تحديات الأتمتة الحالية.

كما أن أهمية تطوير الأنظمة الأساسية المضمنة التي يمكنها إجراء عمليات التحقق الديناميكية في الوقت الفعلي في الميدان، وذلك بالنسبة لأنظمة التوزيع المتطورة، لذلك من المتوقع أن تتعايش العديد من ديناميكيات التحكم مع الديناميكية الكهربائية التقليدية للشبكة الكهربائية، ونظراً لأن معظم التعقيد الكلي مرتبط بتفاعل الأجهزة التلقائية؛ فإن المحاكاة الديناميكية هي البديل الرئيسي للتحليل الشامل لأنظمة التوزيع المستقبلية.

كما أصبح التحقق من صحة الأجهزة والعمليات الاستراتيجية والتأثير على عمليات النظام قبل النشر أكثر أهمية وتحدياً، وعلاوة على ذلك ترتبط تقنيات التحقق المختلفة أيضاً باختيار التخصيص والحجم وتعديل الإعدادات وتدريب المستخدم من بين التطبيقات الأخرى، كما يتم تناول هذه العمليات عادةً في ثلاث فئات من منصات التحقق، حيث يتم اختيار نوع التحقق عادةً بناءً على عوامل اقتصادية ودقيقة وواقعية.

وعادة ما يتم التعرف على التنفيذ التجريبي كمصدر موثوق للغاية للتحقق، بحيث تستخدم المرافق أجزاء صغيرة من شبكاتها لاختبار التنفيذ الحقيقي للنهج قيد الدراسة، حيث أن نتائج هذا التحقق واقعية للغاية، كذلك يتم تضمين الظروف الكهربائية الحقيقية للتحقق من صحة استراتيجية أو جهاز جديد.

ومع ذلك؛ فإن هناك قيود كبيرة في التكلفة والمخاوف الأمنية، حيث تخضع المعدات أو الخوارزميات الميدانية الجديدة لظروف غير متوقعة يمكن أن تسبب أضراراً مادية لصحة الإنسان والبنية التحتية الكهربائية، وذلك حتى مع وجود احتياطات واستثمارات كافية، وعادة ما يتطلب هذا البديل أطول وقت للتنفيذ (على سبيل المثال، أشهر أو سنوات).

كما يركز هذا الطرح على البديلين الآخرين المتبقيين للحصول على عمليات تحقق آمنة وموثوقة للشبكات الذكية، بحيث يتم تطبيق نهج الاختبار على نطاق واسع لأداء النمذجة والتحقق من الصحة عن طريق تمثيل موسع لنظام الطاقة، كما أن هناك الكثير من التطورات التجريبية التي تم الإبلاغ عنها حول التطبيقات التي تغطي البحث والتصميم للشبكات الصغيرة والتوليد الموزع والمصادر المتجددة والنقل الكهربائي من بين أشياء أخرى كثيرة.

كما تركز بعض التطورات على استخدام تطبيقات البرامج والواجهات الكهربائية الأساسية لإعادة إنتاج التشغيل المعقد المتوقع للنظام، على سبيل المثال، تعتبر هذه المنصات قادرة على التفاعل مع بروتوكولات الاتصالات الميدانية من أجل إشراك وحدات تحكم خارجية وعدادات متعددة الأغراض.

المفهوم الدقيق للمحاكاة في الوقت الحقيقي

تم استخدام محاكاة التسلسل الزمني بنجاح بواسطة محاكيات الوقت الفعلي كأداة لدعم عمليات التصميم والتحليل والتحقق من الصحة في أنظمة القدرة، ونظراً لوجود قدر كبير من الأبحاث الأكاديمية السابقة في هذا المجال، يقدم هذا القسم المفاهيم والتطورات ذات الصلة لوضع سياق للتحديات والأهداف الرئيسية لهذا البحث.

التعاريف والتصنيفات الخاصة بمحاكاة الوقت الحقيقي

من الممكن العثور على مجموعة متنوعة من التعريفات لـ Real-Time) (RT))، وذلك نتيجة للتنوع الغني للتطبيقات في مختلف المجالات وتطور التطبيقات الحسابية، وعلى عكس الموضوعات الحسابية الأخرى؛ فإن هذا المفهوم له اختلافات كبيرة في سياقات معينة، لذلك من الملائم تضمين تعريف مناسب لمنصة المحاكاة المقترحة.

التعريف الأول: “نظام الوقت الفعلي هو نظام كمبيوتر يجب أن يفي بقيود وقت الاستجابة المحدودة أو يخاطر بعواقب وخيمة، بما في ذلك الفشل”.

التعريف الثاني: “نظام الزمن الحقيقي هو نظام يعتمد صحته المنطقية على كل من صحة المخرجات وتوقيتها”، بحيث تكون مخرجات النظام عبارة عن نتائج عددية “لمحاكاة أنظمة التوزيع”، ومن حيث التوقيت؛ فإن النظام الأساسي المقترح مطلوب لتوفير تباين منخفض في الأوقات الحسابية، بينما ترتبط صحة المخرجات بالدقة العددية للجهود والتيارات المحسوبة.

كما يتم تحديث عملية المحاكاة بشكل مستمر من خلال قياسات الواجهات الكهربائية، وبالتالي يمكن أن تتفاعل النتائج التي تم الحصول عليها مع التغيرات الديناميكية في نظام الطاقة الحقيقي، وفي هذا السياق، غالباً ما يتم تصنيف هذه الأنظمة على أنها تفاعلية، حيث تستجيب مهام البرمجة لسلسلة من التفاعلات من الخارج.

لذلك؛ فإنه من الشائع العثور على هذه التطبيقات للمحاكاة في الوقت الفعلي داخل الأنظمة الأساسية الحسابية المعروفة باسم المضمنة، بحيث تتكون هذه الأجهزة من “وحدة معالجة مركزية” على الأقل ومجموعة من الأجهزة الطرفية المخصصة لتوفير واجهات مع الخارج.

تطبيقات في أنظمة القدرة الكهربائية

كان التطور التكنولوجي لنظام التوزيع موضوع اهتمام لأنواع عديدة من البحث في نمذجة الشبكة الذكية، ونظراً لأن المحاكاة الحسابية هي أداة شائعة في هذه العملية؛ فقد حدد بعض المختصين الخصائص الرئيسية لمحاكي أنظمة الطاقة الكهربائية لحل الاحتياجات الحالية والمخطط لها، وفي هذا المنظور يمكن تلخيص الخصائص الرئيسية في مرونة النموذج وإمكانية التشغيل البيني مع منصات التحقق الأخرى والتكامل المتقدم لخوارزميات الأتمتة.

بحيث تم استخدام هذه المبادئ وغيرها في العديد من الدراسات باستخدام نهج المحاكاة في الوقت الفعلي، وهناك سلسلة من تطبيقات الوقت الفعلي التي تبرز جوانب تصميم متنوعة، بحيث تغطي هذه المراجعة معماريات حسابية جديدة أو مناهج النمذجة النظرية أو عمليات التنفيذ المضمنة، كما تشير جميع هذه المنصات إلى بدائل مختلفة لتقديم استجابات حتمية بدقة عالية وحسن توقيت.

المحاكي مدمج في الوقت الحقيقي

تم تصميم النظام الأساسي المقترح بأربع وحدات رئيسية لتحقيق الاستخدام الأمثل لموارد الأجهزة والبرامج على الأجهزة المدمجة، كما يتم بعد ذلك اقتراح مهام (Solver)، المجدول، الشبكة والتطبيق كمجموعة من الإجراءات الفرعية التي يمكن تنفيذها على نطاقين رئيسيين للتطبيق، وذلك كما هو مبين بالشكل التالي (1).

في المقام الأول، يمكن استخدام المنصات المدمجة كجهاز محاكاة ذاتي (الجانب الأيمن في الشكل 1). وفي هذه الحالة، يكون المستخدم قادراً على إجراء عمليات محاكاة في الوقت الفعلي على كل عقدة محاكاة مع زمن انتقال منخفض مطلوب لمحاكاة القياس المستمر للإشارات الكهربائية على الشبكات الحقيقية.

كما يسمح تصميم الأجهزة والبرامج للمنصة بالتثبيت في المعامل أو المواقع الميدانية، مثل المحطات الفرعية أو أعمدة الطاقة أو المستخدمين النهائيين، وذلك حسب الشكل التالي (2)، وفي هذا السياق سيكون العديد من وكلاء الشبكة قادرين على الحصول على تنفيذ مفيد للنهج المقترح، بحيث تتضمن القائمة التالية نقطة بداية مع بعض التطبيقات التي يمكن أخذها في الاعتبار، ومع ذلك هناك مجموعة واسعة من الحلول التي يمكن تطويرها بناءً على هذا المفهوم.

• الباحثون والمصنعون الذين لديهم متطلبات للتحقق من صحة الأجهزة أو الاستراتيجيات الجديدة بتكلفة منخفضة في الوقت الفعلي التي يُراد نشرها على أنظمة واسعة النطاق.

• الباحثون والمصنعون المهتمون باقتراح وحدات تحكم مدعومة بمحاكاة في الوقت الفعلي لزيادة قدرتها على التكيف أو الأداء أو تقليل عدد الإعدادات.