معيقات الحماية الفنية المرتبطة بالشبكة الكهربائية الصغيرة

يتم تحديد ومناقشة التحديات المرتبطة بتنفيذ أنظمة حماية الشبكات الكهربائية الصغيرة بالتفصيل، وعلاوة على ذلك؛ فإنه تم إجراء دراسات محاكاة مختلفة لإثبات تحديات حماية الشبكة الصغيرة المرتبطة بأنماط التشغيل المختلفة، بحيث تقدم هذه الدراسة معلومات أساسية للباحثين ومهندسي الحماية.

التركيز على معيقات الحماية الفنية المرتبطة بالشبكة الكهربائية

الشبكة المصغرة عبارة عن مجموعة من (DERs) والأحمال داخل حدود كهربائية محددة كما هو معروف هندسياً، بحيث تعتمد (DERs) على مصادر الطاقة المتجددة وغير المتجددة، بحيث توفر (DERs) غير القابلة للتجديد طاقة ثابتة، لكن (DERs) المستندة إلى الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح متقطعة.

كما أن هذه تعتمد على الظروف البيئية، كذلك يعتمد توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية على كثافة الإشعاع الشمسي، بالإضافة الى شدة الإشعاع الشمسي ليست ثابتة طوال اليوم، كما تنخفض شدة التشعيع في الطقس الغائم، لذلك؛ فهو يؤثر على توليد (DERs) القائم على الطاقة الشمسية الكهروضوئي، كذلك يعتمد توليد طاقة خرج (DER) القائم على توربينات الرياح على سرعة الرياح.

ونظرًا لأن سرعة الرياح ليست ثابتة؛ فإن توليد الطاقة (DER) القائم على توربينات الرياح ليس ثابتاً، لذلك و بسبب الطبيعة المتقطعة المذكورة أعلاه للـ (DERs) الشمسية والرياح؛ فإن توليد الطاقة الإجمالي لجميع (DERs) في الشبكة الصغيرة ليس ثابتاً، وبالتالي؛ فإن هذه التقلبات في توليد الطاقة أزعجت نظام الحماية المصغرة لأن تيار العطل يختلف مما يؤدي إلى سوء تشغيل المرحلات.

معيقات الحماية الكهربائية وفقاً لنوع الشبكات الصغيرة

يمكن فصل تحديات الحماية (AC Microgrid) بشكل عام إلى نوعين، وهما “تحديات الحماية” عندما يكون الوضع التشغيلي المتصل بالشبكة المصغرة ومشاكل الحماية عندما يكون الوضع التشغيلي لشبكة صغيرة محصوراً، أما في “الوضع التشغيلي” المتصل بالشبكة؛ فإنها ترتبط مشكلات الحماية بوقت استجابة (CB) في (PCC) للشبكة الصغيرة وشبكة المرافق والتعثر الخاطئ في أجهزة العزل وإعادة المزامنة وكذلك سرعة إعادة توصيل الشبكة المصغرة بشبكة المرافق بعد المشكلة تم حلها.

كذلك يتم أيضاً النظر في وقت استجابة (CBs) أو (PDs) الأخرى في (microgrid)، وذلك أثناء الوضع المتصل بالشبكة للأحداث، أما في الوضع التشغيلي الجزري للشبكة الصغيرة؛ يعتمد وقت استجابة (PDs) للأحداث في الشبكة الصغيرة على مضاعفات الشبكة المصغرة، كما يتمثل الاهتمام الرئيسي في الوضع التشغيلي للجزيرة في تقليل تيار الدائرة القصيرة حيث يكون وقت استجابة حماية التيار الزائد (OC) أكبر من الوقت المطلوب.

كما تمت مناقشة أنواع مختلفة من تحديات حماية الشبكة المصغرة مع تكامل موارد الطاقة المتجددة في الشكل التالي (1)، وعلى الرغم من أن شبكات التيار المتردد المصغرة لها العديد من المزايا؛ إلا أن هناك تحديات تتعلق بحماية شبكات التيار المتردد المصغرة التي يحاول مهندسو وباحثو النظام حلها، ولتحديد الأداء الآمن والموثوق لشبكة نظام الطاقة (PDs) المناسبة جنباً إلى جنب مع التشغيل السريع والانتقائية الأفضل والمرونة وفرص الإعداد الجديدة، كما يجب اختيار التكلفة المنخفضة.

ديناميكيات التحكم في حجم التيار الكهربائي الخاطئ

كما تمت مناقشته سابقاً؛ فإن بعض (DERs) المستندة إلى الطاقة المتجددة تكون متقطعة، كذلك المساهمة الحالية للخطأ من قبل (DERs) متقطعة أيضًاً، بحيث يعتمد تيار الخلل على طبيعة (DERs) والحجم وموقع التكامل في الشبكة الصغيرة، كذلك يعمل اتصال (DER) في شبكة الجهد المنخفض على تحويل مستوى الخطأ إلى مستوى كبير بشكل عام في وضعين تشغيل أساسيين متصلان بالشبكة والجزيرة.

أما في الوضع التشغيلي المتصل بالشبكة؛ يكون تيار العطل مرتفعاً بشكل كبير بسبب مساهمة كل من (DERs) وشبكة المرافق داخل الشبكة الصغيرة التي تغذي الخطأ، ولكن في الوضع التشغيلي للجزيرة؛ فإنه يكون تيار الخطأ منخفضاً جداً لأن (DERs) منخفضة الطاقة هي المصدر الوحيد في شبكة صغيرة، وعلاوة على ذلك؛ فإن التغذية الحالية للخطأ بواسطة (DER وتتغير فيما يتعلق بنوع (DER)، بحيث يساهم (DER) من النوع المتزامن في حدوث خطأ بتيار (5) مرات أكثر من التيار المقدر.

الأعطال والأحداث أثناء وضع الاتصال بالشبكة الكهربائية الصغيرة

أثناء الوضع المتصل بالشبكة، وخاصةً عندما يحدث الخلل على جانب شبكة المرافق؛ فإنه يجب ألا تنتقل (PDs) لـ (DERs) قبل أن تحافظ (PCC PDs) و (DERs)، وذلك على النشاط التشغيلي أثناء اكتشاف الأعطال وتعطل أجهزة (PDC PDs)، وللتعرف على مثل هذا الموقف؛ فإنه يجب أن يكون لدى جميع (DERs) قدرة تجاوز الأخطاء، أما عندما يحدث الخطأ في جانب الشبكة الصغيرة أثناء الوضع المتصل بالشبكة؛ فإنه يجب أن تعزل وحدة التغذية وخط الجزء المعيب عن الشبكة بأسرع ما يمكن.

كما يعتمد وقت عمل حماية الأجهزة على تعقيد الشبكة الصغيرة ونظام الحماية المستخدم وميزات الشبكة المصغرة، بحيث تحدث بعض الأحداث غير المتعلقة بالخطأ في (LV) في (PCC)، أي المراحل المفتوحة غير الخاطئة وظروف عدم توازن الجهد التي يصعب اكتشافها وقد تخلق أيضاً مشكلات للمصادر الدقيقة الأحمال الكهربائية الحساسة.

لذا؛ فإنه يجب تطوير بعض مخططات الحماية للتعامل مع مثل هذه المواقف، ومن ناحية أخرى وعندما يحدث الخلل داخل حدود الشبكة الصغيرة أثناء الوضع المتصل بالشبكة؛ ينبغي عمل نظام الحماية الداخلية للشبكة الصغيرة ويعزل الخطأ، بحيث يظهر نموذج محاكاة في الشكل السابق (2)، والذي تم تصميمه لتحليل التحدي الأساسي الذي تمت مناقشته للأخطاء أو الأحداث أثناء الوضع المتصل بالشبكة الكهربائية.

أخطاء وأحداث أثناء وضع (Islanded)

إن نوع المشكلات التي تحدث في الشبكات الصغيرة التي تعمل أثناء وضع الجزر يختلف عن الشبكات الصغيرة المتصلة بالشبكة، أما أثناء الوضع التشغيلي المتصل بالشبكة لشبكة (microgrid)؛ فإنه يكون لتيار العطل حجم كبير يتم الحصول عليه من شبكة المرافق لرحلة مرحلات وأجهزة حماية (OC) التقليدية.

كشف حالة (Islanded)

يساعد اكتشاف الجزر على الانتقال السلس والآمن للوضع التشغيلي المتصل بالشبكة الصغيرة إلى وضع الجزر، أما الجُزر هي حالة يتم فيها فصل الشبكة الصغيرة عن شبكة المرافق عند حدوث أي عطل على جانب شبكة المرافق أو حدوث حالة (LOM)، حيث (LOM) هو شرط عندما يكون مصدر شبكة المرافق معزولاً ولا يزال جزء حمل المرافق متصلاً بشبكة صغيرة.

عملية التعمية الخاصة بالحماية الكهربائية

في نظام القدرة الشعاعية التقليدي، تم تكوين قيمة الالتقاط لمرحل (OC) وفقاً لقيمة المعاوقة الإجمالية لوحدة التغذية بحيث يتم تعيين قيمة الالتقاط لمرحل (OC) بطريقة تجعل قيمته دائماً أكبر من تيار التغذية المقنن وأصغر من أدنى قيمة لتيار ماس كهربائي، ومع دمج (DER) في نظام الطاقة الشعاعي التقليدي هذا؛ فإن يعمل نظام الطاقة هذا كشبكة صغيرة.

في النهاية تم القيام بعرض وتحليل نقدي وبياني لأنواع مختلفة من مناهج الحلول لاستكشاف لقضايا الحماية المعيقات الفنية المرتبطة بالشبكات، ولقد وجد أن المعرفة المسبقة بالظروف الأساسية للنظام الكهربائي المعني بالدراسة يعتبر عنصراً هاماً أثناء تصميم نظام حماية مُحكم للشبكة الكهربائية المصغرة.