تحليل نظام الطاقة الكهربائية الديناميكي والمتوافق مع CIM
التبادل الفعال للمعلومات بين مشغلي نظام النقل (TSO) ومشغلي أنظمة التوزيع (DSO) وشركات التوليد مطلوب لتخطيط الشبكة الكهربائية وعمليات أنظمة الطاقة، على سبيل المثال المراقبة في الوقت الحقيقي وتحليل الحالة المستقرة، بحيث تتطلب هذه الوظائف درجة عالية من التنسيق والاتساق في عمليات تبادل البيانات، والتي يمكن تبسيطها إلى حد كبير من خلال معيار تبادل البيانات المشترك.
كذلك اعتمدت الشبكة الأوروبية لمشغلي أنظمة نقل الكهرباء (ENTSO-E) اللائحة (EC 714/2009) للتبادلات عبر الحدود في شبكة الكهرباء لضمان تنسيق “تبادل البيانات وقواعد التسوية وأمن الشبكة والموثوقية وقابلية التشغيل البيني (IOP) قواعد وقواعد الشفافية.
وللامتثال لهذه القواعد، تعد أدوات البرامج إحدى الوسائل الأساسية لأداء مهام التحليل والتنسيق، بحيث تعمل اللجنة الفنية الدولية للكهرباء [(IEC) 57 (TC57)] ومجموعة العمل (13) ومعهد أبحاث الطاقة الكهربائية على تطوير نموذج المعلومات المشترك (CIM) لتوفير دلالات النمذجة القياسية لتبادل معلومات أنظمة الطاقة الكهربائية.
بينما توفر (IEC CIM) أساساً متيناً لتبادل المعلومات، إلا أنها لا تضمن أي استجابة لمحاكاة النموذج، بحيث تحدد (IEC CIM) للديناميكية نموذجاً قياسياً ذي صلة مع معلمات للتبادل، ومع ذلك يتم تمثيل السلوك الديناميكي المادي فقط في مخطط كتلة وليس في شكل رياضي (معادلات)، وبمعنى آخر لا يتم تبادل الافتقار إلى وصف رياضي صارم يحدد كل نموذج من نماذج نظام الطاقة (فقط المعلمات والمخططات التصويرية)، وبالتالي لا يمكن أن يكون (IOP) متاحاً إلا من خلال مقارنة العديد من نتائج التنفيذ.
التحولات من نموذج إلى نموذج
(MDSE) هي مجموعة فرعية من التطوير المستند إلى النموذج (MDD) الذي يتكون من نموذج تطوير يعتمد على النماذج، والذي يعتمد على استخدام معايير مجموعة إدارة الكائنات (OMG)، كما تستخدم هذه الدراسة معايير (OMG)، مثل (UML) و (SysML)، وذلك لوصف منهجية (MDSE) لتحويل النموذج والمحاكاة الديناميكية، بحيث تتطلب عملية تطوير البرامج داخل (MDSE) نماذج وتحولات نموذجية، كما تتطلب هذه التحولات، بحيث يوضح الجدول التالي وصفاً لتقنيات التحويل تلك.
لذلك تقوم معظم أدوات تحليل نظام الطاقة فقط بتنفيذ تحويلات (T2T)، والمعروفة في مجال نظام الطاقة باسم “المحللون” أو “محولات أو مرشحات تنسيق ملف البيانات” في الآونة الأخيرة، وذلك بهدف اعتماد معايير (CIM)، بحيث تقوم بعض أدوات تحليل نظام الطاقة بتنفيذ واجهات برمجية، وذلك لتحويل (M2T) لقراءة ملفات (CIM) في تنسيق وتمثيل بيانات أداة الملكية الداخلية للأدوات، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).
أيضاً تم بناء تحول (M2M)، وذلك مع التركيز على تمثيلات ودلالات (UML) و (SysML) من (CIM) ولغة (Modelica، بحيث يمثل سير العمل في الشكل التالي (2) عملية تحول بين (CIM) و (Modelica) كما تُستخدم قواعد الخرائط لقراءة نموذج المصدر في (CIM)، وإنشاء بنية فئة قائمة على (SysML Modelica) (كنموذج metamodel)، بحيث يتم استخدام النموذج المعياري لإنشاء النموذج المستهدف في (Modelica) والذي سيتم استخدامه في عمليات المحاكاة الديناميكية.
اختيار المواصفات الخاصة بـ (UML) و (SysML)
(UML) هي واحدة من “المواصفات القياسية” (OMG ISO)، وذلك لنمذجة النظام الكهربائي، بحيث يلعب (UML) دوراً مهماً في (MDD)، وذلك بتوفير لغة نمذجة موحدة لإنشاء نماذج لتطوير البرامج، كما يتكون (UML) من مجموعة من عناصر النموذج التي تمثل تحليلاً لخصائص وسلوك النظام.
لذلك يتم تصنيف هذه العناصر في الفئات التالية، وهي المصنفات التي تصف مجموعة من الكائنات والأحداث التي تصف مجموعة من الأحداث وسلوكيات تصف مجموعة من عمليات الإعدام المحتملة، لذلك يتم تمثيلها جميعاً بواسطة دلالات (UML) التي تقدم تفسيراً قياسياً للنظام الذي يتم تصميمه.
كذلك يتم تصنيف دلالات (UML) في فئتين، وهما الفئة الهيكلية وتحديد معنى عناصر النموذج لمجال هندسي في نقطة زمنية محددة، أي ضمن تمثيل رسم تخطيطي للفئة والسلوكية وتحديد عناصر النموذج التي تتغير بمرور الوقت، أي ضمن تمثيل مخطط تسلسلي.
لذلك يحدد (OMG) امتداداً لـ (UML) لنمذجة تطبيقات هندسة النظام التي تأخذ في الاعتبار الأجهزة والبرامج والمعلومات والعمليات، حيث يوفر (SysML) مبادئ تصميم إضافية، مثل نمذجة المتطلبات وإعادة استخدام الرسوم البيانية لفئة (UML) كمخططات كتلة تدعم “النمذجة البارا مترية” (IOP) إلخ، وفي هذا الطرح تم استخدام تمثيلين من دلالات (UML) و (SysML) لنمذجة نظام الطاقة.
معيار التبادل بين (CIM) ونموذج الشبكة المشتركة (CGMES)
لم يكن تنسيق (TSO) في إجراءات “التخطيط والتشغيل”، مثل أمن النظام وحساب السعة وتخطيط انقطاع التيار الكهربائي، ليكون كافياً لتجنب حدوث اضطراب كبير في النظام في عام 2006م، مما أثر على أجزاء رئيسية من أوروبا، وبعد هذه الأحداث حددت مجموعة المنظمين الأوروبيين للكهرباء والغاز مجموعة من التوصيات التي تنص على الحاجة إلى الامتثال والاتساق وتسليط الضوء على أهمية الترابط وتبادل المعلومات للتطبيقات الوطنية لنماذج الشبكة، والتي تشير إلى كل من الاستاتيكية والديناميكية.
في هذا السياق، بذلت (ENTSO-E) جهوداً كبيرة في اعتماد (CIM) لتحسين وسائل تبادل المعلومات بين (TSO)، كما اعتمدت (ENTSO-E) ملفات تعريف (IEC CIM) مختلفة للامتثال للوائح والتفويضات، وبالتالي تمت الموافقة على (CGMES)، بحيث يتم تنفيذ مطابقة أدوات النمذجة والمحاكاة والتحليل مع (CGMES) من خلال اختبارات (IOP)، كما يعكس (CGMES) متطلبات (TSO) الحالية للنمذجة الدقيقة لمنطقة (ENTSO-E) لتدفق الطاقة وحسابات الدائرة القصيرة والمحاكاة الديناميكية.
- (IEC 61970-552 CIM) تنسيق تبادل نموذج لغة الترميز الموسعة (XML) يحدد نمط اللغة وقواعد التنفيذ لبناء جملة بيانات CIM.
- تحدد قاعدة (IEC 61970-301 CIM) حزمة (UML) للمعلومات الثابتة التي تحتوي على دلالات (UML) للخصائص الفيزيائية لشبكة الطاقة والخصائص الكهربائية وغير الكهربائية للنماذج الثابتة للمعدات.
- (IEC 61970-302 CIM) لمواصفات الديناميكيات و (IEC 61970-457 CIM) لـ (DY)، بحيث حدد حزمة (UML) للمعلومات الديناميكية التي تحتوي على دلالات (UML) للخصائص الديناميكية لنماذج المعدات.
(CIM) للتحليلات الديناميكية لنظام الطاقة
يغطي (CIM) احتياجات دراسات تحليل شبكة الطاقة ويستند إلى (UML)، كما يحدد التمثيل الدلالي (CIM) جميع المكونات الأساسية والطوبولوجيا لشبكة الطاقة، وذلك بسلوكها المستقر ووصف محدود لديناميكياتها، بحيث يستخدم (CIM) دلالات (UML) الهيكلية وتحديد مجموعات من الفئات والسمات وقواعد الربط بين الفئات، وذلك لتمثيل الأشياء المادية وخصائصها.
لذلك يتم تمثيل علاقة الفئات في مخططات فئات (UML) المختلفة التي تصنف معلومات الشبكة في حزم مختلفة، كما تشكل مجموعة هذه الحزم نموذج (CIM) الأساسي بالكامل، لذلك يتم تمثيل النموذج الأساسي (CIM) بموجب معيار (IEC 61970) الذي يغطي نماذج “نظام الطاقة الأساسية” (IEC 619170-301) والنماذج الديناميكية الأساسية (IEC 67190-302)، كما تغطي (CGMES) مجموعات فرعية مختلفة من هذه المواصفة القياسية.
- ملف تعريف المعدات (EQ) (استناداً إلى IEC 61970-452) الذي يحدد الفئات والسمات بالمعلومات الأساسية لنماذج المعدات.
- يصف ملف تعريف الهيكل (TP) (استناداً إلى IEC 61970-456) كيفية توصيل النموذج، بحيث يحتوي على معلومات عن فئات المحطة الطرفية وعلاقتها بفئات المعدات الموصلة وفئات العقدة الطوبولوجية.
- ملف تعريف متغير الحالة (SV) (استناداً إلى IEC 61970-456) هو نتيجة لمعالج الهيكل وحسابات تدفق الطاقة.
- يحدد (DY) استناداً إلى (IEC 61970-302 و IEC 61970-457) ذات الفئات والسمات لسلوك الجهاز.
