نقل المفاتيح الكهربائية بالاعتماد على مصفوفة الطوبولوجيا المتقاربة

الطريقة التقليدية للبحث في قسم الإرسال بشكل عام لديها مشكلة الحذف واستهلاك الوقت، بحيث تم اقتراح خوارزمية متقاربة طوبولوجيا لمصفوفة تجاور شبكة الطاقة، بحيث يقوم بتجميع قاعدة تحويل النواقل بناءً على قاعدة تحويل مصفوفة بسيطة وتحديد أقسام النقل الرئيسية.

أهمية نقل المفاتيح الكهربائية ضمن نطاق مصفوفة الطوبولوجيا

تسبب العديد من حالات انقطاع التيار الكهربائي في العالم في عواقب وخيمة، على سبيل المثال في تاريخ  (14) أغسطس (2003)م، كلف انقطاع التيار الكهربائي في أمريكا الشمالية حوالي (40) مليار دولار، وفي (4) نوفمبر (2006)م، أدى انقطاع التيار الكهربائي في أوروبا الغربية إلى الظلام في العديد من المدن المهمة في فرنسا وألمانيا وإيطاليا وإسبانيا والنمسا.

كذلك امتد انقطاع التيار الكهربائي في الهند إلى ثلاث شبكات كهرباء إقليمية في شمال وشرق وشمال شرق الهند، مما أثر على حوالي (600) مليون شخص، وعلى الرغم من اختلاف الأسباب؛ إلا أن لديهم عملية تطورية مماثلة من الفشل المتتالي، حيث أن شبكة الطاقة كانت تحت حمولة ثقيلة ومكونات متعددة مجدولة لانقطاع التيار الكهربائي.

وبعد فشل عرضي لأحد المكونات؛ فإنه يتم قطعه بواسطة جهاز الحماية، كما يتم نقل تدفق الطاقة الذي يحمله هذا المكون إلى خطوط النقل المجاورة، مما يجعل تدفق الطاقة على الخطوط المجاورة المحملة في الأصل ثقيلاً يخترق حد الاستقرار الحراري بسرعة، ويتسبب في انتقال أجهزة الحماية الكهربائية من الحمل الزائد على التوالي، مما يؤدي إلى حدوث أعطال متتالية.

كما يتم الكشف عن التعتيم الواسع النطاق عن المشكلات التالية في مراقبة تشغيل شبكة الطاقة الحالية من خلال:

• تزيد النسبة العالية للطاقة الجديدة والحمل المتزايد من تعقيد تشغيل شبكة الطاقة، بحيث تتغير منطقة التحميل ومنطقة توليد الطاقة في النظام بشكل متكرر مع وضع التشغيل لشبكة الطاقة، مما يتسبب في تغيير خطوط نقل الأحمال الكهربائية الكبيرة باستمرار، كما تصبح مراقبة أمن النظام أكثر صعوبة.

• لم يتم إيلاء الاهتمام الكافي لترابط المكونات في شبكة الطاقة، خاصةً إذا لم يكن للخطوط المجاورة هامش نقل كافٍ لامتصاص تدفق الطاقة المنقولة؛ فإن انقطاع خط الحمل الثقيل سيؤدي إلى فشل متتالي، وفي النهاية يتطور إلى خط خطير على نطاق واسع حادثة.

تحديد العلاقة بين نقل المفاتيح وظروف الانقطاعات الكهربائية

تم العثور على خوارزمية سريعة لتحديد الخطوط ذات الارتباط القوي والتحليل الإضافي لتأثير الانقطاعات على الخطوط الأخرى، وهو مهم بشكل خاص في صياغة استراتيجيات أكثر منطقية للتعامل مع الأعطال لمنع حدوث انقطاع التيار الكهربائي، ووفقاً لتجربة تشغيل شبكة الطاقة؛ فإنها توجد روابط ضعيفة في شبكة الطاقة يسهل تجاوزها حد تدفق الطاقة الكهربائية.

كذلك غالباً ما تكون الروابط الضعيفة هي خطوط التوصيل بين منطقة الإمداد بالطاقة ومنطقة التحميل، ولحل هذه المشكلة، تم اقتراح مفهوم يسمى “Key Transmission Section-(KTS)”، لكن تعريفه يختلف لأغراض التطبيق المختلفة، بحيث يتم استخدام (KTS) المقيدة بالثبات بشكل أساسي في أبحاث استقرار شبكة الطاقة، بينما تركز العلاقة الفيزيائية الثابتة.

كما يجسد (KTS) الحلقة الضعيفة في شبكة الطاقة، ونظراً للنطاق الكبير للربط البيني لشبكة الطاقة والنسبة العالية من الوصول إلى الطاقة الجديدة والفشل العشوائي للمعدات والانقطاع المخطط له والمتغيرات الأخرى؛ فإنه يتغير (KTS) بشكل متكرر.

وفي المرحلة الأولية من الحمل الزائد، يجب البحث بسرعة عن (KTS) المكون من خطوط متأثرة بشكل كبير بنقل تدفق الطاقة، ثم يتم اعتماد تدابير التحكم في حالات الطوارئ مثل ضبط خرج المولد أو قطع الأحمال الكهربائية للتخلص من الحمل الزائد، بحيث تعد كيفية التعرف بسرعة على (KTS) بالتوافق مع تغيير تشغيل شبكة الطاقة هي التكنولوجيا الأساسية لمنع كارثة الشبكة الكهربائية.

التعريف بقسم نقل وتغيير المفاتيح الكهربائية

في التشغيل الفعلي لشبكة الطاقة، يقسم المرسل شبكة الطاقة إلى عدة مناطق فرعية وفقاً للموقع الجغرافي لمصدر الطاقة الرئيسي والحمل، وبناءً على تحليل بيانات التشغيل التاريخية لشبكة الطاقة؛ فإنه يتم تحديد خطوط التوصيل ذات الارتباط القوي بين المناطق الفرعية على أنها (TS)، كما أن هناك نوعان من الخصائص الرئيسية لـ (TS).

أولاً (TS) عبارة عن مجموعة من خطوط الربط بين منطقة فرعية متصلة وشبكة خارجية، وعند إزالة جميع الخطوط المتصلة؛ فإنها ستصبح المنطقة الفرعية شبكة معزولة، وثانياً يجب أن يكون اتجاه تدفق الطاقة لجميع الخطوط المدرجة في (TS) هو نفسه، بحيث يعكس هذا خاصية نقل الطاقة في (TS) من منطقة التوليد إلى منطقة التحميل.

وعندما تكون قدرة الإرسال في الاتجاه المعاكس أقل من (٪10) من (TS)؛ فلا يزال يُنظر تقريباً إلى أن اتجاه تدفق القدرة في (TS) هو نفسه، بحيث يتم قبول الخصائص المذكورة أعلاه لـ (TS) من قبل العديد من الخبراء، والتي يمكن استخدامها لمنع أخطاء الحمل الزائد المتتالية الناتجة عن نقل تدفق الطاقة لانقطاع المكونات، وباختصار ؛ فإنه يتم تعريف (TS) هو كما يلي:

• (TS): هو مجموعة من خطوط النقل متصلة بين منطقتين متصلتين بنفس اتجاه تدفق الطاقة ولديها خاصية مجموعة القطع في مخطط طوبولوجيا الشبكة تحت تدفق مرجعي معين للقدرة، كذلك عدد (TS) ضخم وطريقة تشغيل شبكة الطاقة معقدة.

ونظراً لعدم خطية نموذج شبكة الطاقة، سيكون لانقطاع الخطوط في (TS) المختلفة تأثيرات مختلفة على الخطوط الأخرى، بحيث يجب مراقبة (TS) فقط التي تحتوي على خطوط مترابطة بشدة. عندما يكون هناك خط مضمن في هذا النوع من (TS) خارج الخدمة، كما سينتقل تدفق الطاقة على الخط إلى الآخرين في (TS)، مما يؤدي إلى فشل متتالي، كذلك يتم تقديم تعريف (KTS) على النحو التالي:

• (KTS): بالنسبة إلى (TS) معين؛ فإنه يتأثر تدفق الطاقة للخطوط المتبقية بشكل كبير بفصل أي خط وهو ما يسمى قسم نقل المفتاح.

أنواع مصفوفات الجوار لشبكة الطاقة الكهربائية

يعتمد تحديد (KTS) على البحث السريع في (TS) لشبكة الطاقة، بحيث يمكن تلخيص نظام الطاقة في رسم بياني عندما تتم دراسة البنية الطوبولوجية للشبكة فقط دون مراعاة الخصائص الكهربائية لمكونات الشبكة، كما يتم تمثيل الناقل في شبكة الطاقة بالرأس (v)، حيث يتم تمثيل الفرع بالحافة e. بالنسبة لشبكة الطاقة التي تحتوي على (n) من الناقلات وخطوط (m).

كذلك يمكن تمثيل طوبولوجيتها بالرسم البياني الخاص [G (V ، E). حيث ، V = {v1، v2،…، vn}، E = {e1، e2،…، em}]، كما أنه يمكن بناء نموذج طوبولوجيا شبكة الطاقة كرسم بياني غير موجه، وبعد البحث عن مجموعات القطع من الهيكل وتحديدها كمناطق فرعية لشبكة الطاقة؛ فإنه يتم استخدام اتجاه تدفق طاقة الخط للتحقق مما إذا كان يمكن تحديد مجموعة القطع على أنها (TS).

بالنهاية ينتج عن التوليد غير المؤكد لنسبة عالية من الطاقة الجديدة تقلبات متكررة في الطاقة بين منطقة التحميل ومنطقة التوليد، بحيث يعد وضع تشغيل شبكة الطاقة معقداً للغاية بسبب الفشل العشوائي للمكونات والانقطاع المخطط له والمتغيرات الأخرى ويتغير (KTS) بشكل متكرر في شبكة الطاقة، ومع تغيير وضع التشغيل لشبكة الطاقة؛ فإنها تعد التكنولوجيا الرئيسية لتحديد (KTS) بسرعة.