معالجة الفشل المتتالي في أنظمة القدرة الكهربائية

ضرورة معالجة الفشل المتتالي في أنظمة القدرة الكهربائية

وفقاً لهيئة موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية (NERC)؛ فإن التعتيم المتتالي هو “الخسارة المتتالية غير المنضبطة لعناصر النظام الناتجة عن حادث في أي مكان”، ونظراً لأنه لا تؤدي جميع حالات الانقطاع المتتالية (سلسلة من الانقطاعات المترابطة للمكونات) إلى انقطاع التيار الكهربائي (خسارة كبيرة غير مخطط لها للحمل).

لذلك يستخدم مصطلح الفشل المتتالي لتمثيل أي تسلسل من الانقطاعات المستقلة والمعتمدة، وذلك بغض النظر عما إذا كان يترتب على ذلك انقطاع التيار الكهربائي، وعادةً ما يتم تشغيل حالات الفشل المتتالية بسبب حدث اضطراب واحد أو أكثر، مثل مجموعة من خطوط النقل أو انقطاع المولد الكهربائي، كما يمكن أن تنتج الأحداث الناشئة عن مجموعة متنوعة من التهديدات الخارجية، مثل الزلازل والكوارث المتعلقة بالطقس والفشل الخفي وأخطاء المشغل وحتى أعمال التخريب المتعمدة.

ونظراً لأن أنظمة الطاقة يتم تشغيلها بشكل عام لتكون آمنة من النوع (N-1)؛ فقد تم تشغيل معظم التسلسلات التاريخية من خلال العديد من الانقطاعات مجتمعة، مما يحفز الحاجة إلى التحليل الاحتمالي، كما يمكن أن تنتج حالات الانقطاع المعتمدة في التسلسل عن مجموعة متنوعة من الآليات المختلفة بما في ذلك الأحمال الزائدة الحرارية وعدم استقرار الجهد الكهربائي وعدم الاستقرار الزاوي.

ونظراً لأن حالات انقطاع التيار الكهربائي الناتجة يمكن أن تكون كبيرة ومكلفة؛ فقد تطلب منظمو الموثوقية من المرافق بشكل متزايد دراسة مخاطر الانقطاع المتتالية في أنظمتهم وإدارتها بشكل منهجي. على سبيل المثال، تتطلب معايير تخطيط (NERC) أن “يقوم كل مخطط نقل ومنسق تخطيط بالتحقيق في احتمالية التقسيم التعاقبي وغير المنضبط للجزر في دراسات تقييم التخطيط الخاصة به”.

واستجابةً للتشريعات المتزايدة والعديد من حالات التعتيم المتتالية الكبيرة، كما يتم تطوير عدد متزايد من الأدوات في الصناعة والأوساط الأكاديمية لتلبية هذه الحاجة إلى التحليل، وبالنظر إلى أن هذه الأدوات تُستخدم بشكل متزايد لاتخاذ قرارات استثمارية كبيرة والأهمية الحاسمة لإدارة مخاطر الانقطاعات المتتالية الهائلة للتيار الكهربائي؛ فمن المهم اختبار أدوات تحليل الفشل المتتالية للتأكد من أنها توفر معلومات دقيقة ومفيدة.

المفاهيم المعيارية والتحقق من صحة أنظمة القدرة الكهربائية

المقارنة المعيارية هي عملية لقياس أداء أداة، مثل برنامج أو عملية تجارية باستخدام إجراء موثوق أو مجموعة بيانات، وذلك بطريقة تسمح لأحدها بمقارنة أداء أداة بأخرى، كما يسمح استخدام البيانات والإجراءات الموثوقة عند مقارنة الأدوات بإجراء مقارنات موضوعية نسبياً، وعلى سبيل المثال، هناك معيار (LINPACK)، والذي يستخدم لتصنيف أجهزة الكمبيوتر العملاقة، وهو عبارة عن حزمة من البيانات ومكتبات البرامج والإجراءات التي عند استخدامها بشكل صحيح.

ونظراً لأن تحليل الفشل المتتالي على عكس تحليل تدفق الطاقة الكهربائية، وهو مجال تطبيق أنظمة طاقة غير ناضج نسبياً، كما وبسبب وجود العديد من أوجه عدم اليقين والتحديات في نمذجة ومحاكاة الفشل المتتالي؛ فهناك عدد قليل من المعايير الكاملة لتحليل الفشل المتتالي، بحيث تحدد هذه الورقة ما هو موجود، كما وتقترح طرقاً لتحسين حالة الفن في المستقبل.

أيضاً ترتبط المقارنة المعيارية ارتباطاً وثيقاً بعمليات التحقق، كما يشير التحقق إلى عملية التحقق لمعرفة أن الأداة تحل المشكلة التي كان من المفترض حلها، وفي سياق أداة برمجية (كما هو الحال مع معظم أنظمة تحليل الفشل المتتالية)، يتضمن التحقق التحقق للتأكد من أن الأداة تنتج الإجابات التي يجب أن تحصل عليها (بدون عدم استقرار رقمي أو أخطاء في الذاكرة، وما إلى ذلك).

ونظراً لداخلها افتراضات على مدى واسع من ظروف التشغيل الممكنة، ونظراً لأن التحقق يدور حول تجنب أخطاء البرامج، وبدلاً من المنهجية الأساسية يركز هذا الطرح بشكل أكبر على التحقق من الصحة، وهي عملية فحص النظام للتأكد من حصوله على الإجابات الصحيحة، ووفقاً لمجموعة من معايير الصحة، بحيث يتضمن التحقق التحقق من صحة الأداة.

بينما يتضمن التحقق عادةً مزيجاً من الأداة مع نوع من بيانات الاختبار لتقييم صحة الإجابات المقدمة بواسطة طريقة ما، بحيث تجمع المقارنة المعيارية عادةً العمليتين معاً لإنشاء عملية قابلة للتكرار للتحقق من صحة الأساليب المختلفة ومقارنتها مع نفس المشكلة.

تحديات محاكاة الفشل المتتالية

تتضمن معظم طرق تحليل الفشل المتتالي استخدام أداة محاكاة الانقطاع المتتالي، كما يعد تطوير هذه الأدوات والتحقق منها في نهاية المطاف تحدياً كبيراً بسبب مجموعة الآليات العديدة والمتنوعة التي تنتشر من خلالها جميع التسلسلات الحقيقية، ولكل آلية إضافية للتتالي متضمنة في النموذج، كما يحتاج المرء إلى وضع افتراضات حول كيفية تفاعل النظام مع ظروف التشغيل المتطرفة التي نادراً ما تتم ملاحظتها.

لذلك تتضمن الآليات المحتملة التي يمكن نمذجتها مجموعة من ظواهر عدم الاستقرار والحماية التقليدية بما في ذلك الأحمال الزائدة المتتالية المتقطعة بواسطة المرحلات وفشل الترحيل الخفي وانهيار الجهد وعدم الاستقرار الديناميكي والتذبذبات بين المناطق، كما وقد نوقشت هذه بشكل كبير في الدراسات البحثية وتمت مراجعتها من قبل مجموعات العمل (IEEE) و (CIGRE).

أهمية استخدام المصادقة والمقارنة المعيارية

تعجل الآليات المعقدة العديدة المتضمنة في التعاقب حاجة أكبر لضمان صلاحية طرق التحليل، كما تعد المقارنة المعيارية والتحقق من الصحة ضروريين لتحديد جوانب التعتيم الحقيقي التي يتم إعادة إنتاجها بواسطة أنواع مختلفة من النماذج ونوع الاستنتاجات التي يمكن استخلاصها بشكل معقول من أداة معينة والقيود الموجودة لمنهجية معينة. ستكون هناك دائماً فجوة بين المحاكاة والواقع.

كذلك هناك حاجة إلى المقارنة المعيارية والتحقق من الصحة لفهم هذه الفجوة ولتفسير النتائج ولتحديد إلى أي مدى يمكن للنتائج أن تسترشد بالقرارات الهندسية، بحيث يعد فهم هذه الفجوة ضرورياً أيضاًُ من أجل تحسين الجيل التالي من أدوات النمذجة والمحاكاة.

كما تعتبر عملية التحقق من الصحة والقياس المعياري مهمة لمجموعة متنوعة من أصحاب المصلحة في صناعة الكهرباء والتحقق من الصحة مهم للباحثين الذين يختبرون الأفكار الجديدة لفهم الآثار المترتبة، على على سبيل المثال مناهج النمذجة الجديدة.

وبالنسبة لمطوري البرامج والموردين، يتيح التحقق للعملاء المحتملين فهم قيود أداة معينة واكتساب الثقة فيها، كما ويحتاج مشغلو المرافق والنظام إلى التحقق من صحة بيانات الحالة والأدوات لضمان أن قرارات الاستثمار والتشغيل تستند إلى بيانات ونماذج سليمة.

مناهج التحقق من المحاكاة المتتالية للفشل

يمكن استخدام عدة طرق مختلفة للتحقق بشكل فعال من محاكاة أنظمة الطاقة، وذلك ضمن المشكلات الأكثر رسوخاً والمقيدة والمفهومة جيداً، وذلك مثل تدفق الطاقة وتحليل الطوارئ القياسي، كما أن هناك مقياس للإجماع في مجتمع هندسة أنظمة الطاقة فيما يتعلق بكمية التفاصيل المطلوبة للإجابة على أسئلة محددة ومحددة جيداً.

وبالنسبة للمشكلات من هذا النوع، من المنطقي التحقق من صحة عمليات المحاكاة من خلال تقييم دقة نماذج المكونات وقياس مدى توافق النماذج مع القياسات، ومع ذلك؛ فإن هذا النوع من الإجماع غير موجود حتى الآن لمحاكاة وتحليل الفشل المتتالي، ونتيجة لذلك؛ فإن مناهج التحقق المصممة بالكامل على الأساليب التقليدية للمشكلات الأكثر رسوخاً ليست عملية بشكل عام.