نمذجة الموثوقية وتقييم الشبكة الكهربائية المعزولة

أهمية نمذجة الموثوقية وتقييم الشبكة الكهربائية المعزولة

الشبكات الصغيرة (MGs) هي أنظمة إلكترونية فيزيائية (CPSs)، حيث النظام المادي عبارة عن نظام طاقة صغير يدمج موارد الطاقة الموزعة ومعدات توزيع الطاقة والأحمال، كما يهدف النظام السيبراني إلى مراقبة النظام المادي والتحكم فيه وإدارته، كما وتحقيق التشغيل الموثوق والآمن والفعال لمجموعات (MGs)، كما يتم دائماً صياغة نظام التحكم داخل (MGs) كنظام هرمي، بما في ذلك التحكم الأولي والثانوي والثالث.

لذلك قد يؤدي فشل الأنظمة السيبرانية أو أعطال أنظمة التحكم الكهربائية إلى فصل الأحمال أو ترتيب التوليد الذي سيؤثر على موثوقية (MGs)، كما يعد نمذجة (MGs) من مناهج (CPS)، وذلك للكشف عن علاقات الترابط بين الأنظمة الإلكترونية والفيزيائية، وذلك أمراً مهماً لضمان التشغيل الموثوق به لـ (MGs).

وتقييم موثوقية الطاقة (CPSs)، على سبيل المثال (MGs) وأنظمة التوزيع الكهربائية، وهو أحد موضوعات البحث الساخنة مؤخراً، بما في ذلك نمذجة موثوقية النظام السيبراني، وهناك نمذجة علاقات الترابط بين الأنظمة السيبرانية والأنظمة المادية، وفي نماذج الموثوقية للأنظمة الإلكترونية، وهناك نماذج الدولتين تم توسيعها لتشمل نماذج أداء الإرسال الديناميكي للمعلومات، وذلك مع الأخذ في الاعتبار تأثيرات أعطال الاتصالات، على سبيل المثال خطأ الإرسال والتأخير.

تمت معالجة علاقات الترابط بين النظام السيبراني والنظام المادي من منظور الترابط المباشر، وغير المباشر، كما يشير الاعتماد المتبادل المباشر (DI) إلى أن أي فشل للعنصر السيبراني يؤدي إلى فشل العنصر المقابل في الشبكة المادية، وعلى سبيل المثال فشل عنصر حماية وحدة التغذية أو وحدة التحكم في القاطع يعادل فصل القاطع، وهذا يعني الاعتماد المتبادل غير المباشر (II) أن فشل العنصر السيبراني.

لذلك لا يتسبب بشكل مباشر في فشل أو تغيير سلوكيات العنصر في النظام المادي، ولكنه سيؤثر على أداء النظام، على سبيل المثال يتم تقييم تأثيرات عناصر المراقبة والحماية على موثوقية المحطة الفرعية وتأخيرات وأخطاء الإرسال على شبكة التوزيع و (MG) على التوالي، بحيث تظهر الدراسات الحالية أن الفشل المحتمل لـ (II) له تأثيرات أكبر على موثوقية النظام الكهربائي.

النظام  الفيزيائي السيبراني IMG

لتوضيح الترابط بين فشل العناصر وموثوقية النظام في التحكم في التردد الكهربائي؛ فإنه تم تصميم نماذج (IMG) من منظور النظام الفيزيائي السيبراني في هذا القسم، بما في ذلك النظام الفيزيائي السيبراني (IMG) والتحكم في التردد وتحليل الترابط.

كما تشتمل أنظمة (IMG)، باعتبارها أنظمة فيزيائية إلكترونية، وعلى كل من النظام المادي والنظام الإلكتروني، بحيث يتضمن النظام المادي لـ (IMG) قواطع الدائرة وخطوط النقل والمحولات وموارد الطاقة الموزعة (DERs)، مثل مولدات توربينات الرياح (WTGs) والخلايا الكهروضوئية (PVs) وأنظمة تخزين الطاقة (ESSs) ومولدات الديزل (DGs).

كما وتتمثل مهمتها في توليد ونقل وتوزيع الطاقة الكهربائية داخل المناطق المحلية، بحيث يشتمل النظام السيبراني على معدات جمع المعلومات وأنواع مختلفة من وحدات التحكم ومعدات الاتصال، مثل مركز التحكم (MG -MGCC) وموصل التوصيل العام (PCC) ووحدة التحكم بالمصدر الصغير (MC) ووحدة التحكم في الحمل (LoC) والدائرة جهاز التحكم بالقواطع (CBC) والمحول المحتمل (PT) والمحول الحالي (CT) ومفتاح الشبكة (SW) وخطوط الألياف الضوئية، وهي مسؤولة عن استشعار الحالة والتحكم في الجهاز في الأنظمة المادية.

كما تم اعتماد نوعين من مخططات التحكم على نطاق واسع لـ (IMGs)، أي المركزية والموزعة، وفي التحكم المركزي؛ فإنه يتم ضمان التشغيل المستقر بواسطة (MGCC) من خلال جمع بيانات النظام وإصدار أوامر التحكم، وفي التحكم الموزع يتم استبدال MGCC بصناع القرار الموزعين في جميع أنحاء الشبكات.

لذلك يتم الانتهاء من حساب وإصدار أمر التحكم من قبل صانع قرار محدد، وذلك وفقاً لمعلومات صانعي القرار الخاصين به والمجاورين، وذلك بالنظر إلى أن المصادر تقع عن كثب؛ فإنه يتم اعتماد مخطط التحكم المركزي على نطاق واسع في الممارسة، وفي هذا البحث يتم تقييم موثوقية أنظمة التحكم في أنظمة الطاقة وفقاً لنظام التحكم المركزي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، حيث يتم توضيح علاقة الاتصال بين أنظمة الطاقة والإتصال.

التحكم في تردد (IMG): يتم استخدام بنية تحكم هرمية ثلاثية المستويات للتحكم في ترددات (IMG)، والتي يتم إجراؤها بطريقة مركزية، بحيث يعتبر عنصر التحكم الأساسي مسؤولاً عن التحكم الصحيح في وحدات (DER) من خلال (MCs)، وذلك بالإضافة إلى متابعة توازن الطاقة محلياً في التحكم الثانوي، كما تتم مراقبة انحراف تردد النظام بواسطة (MGCC).

كما ويتم حساب قيم الضبط وتخصيصها لوحدات (DER) المعنية للحفاظ على التردد عند القيمة المقدرة. وذلك استناداً إلى الطاقة المتجددة ومعلومات التنبؤ بالحمل الحمل الكهربائي، كما يتم تحسين ناتج (DER) القابل للتحكم في مستوى التحكم العالي عبر الإرسال الاقتصادي وما إلى ذلك، كما ويظهر مخطط التحكم الهرمي في الشكل التالي (2).

وكما هو مبين في الشكل السابق؛ فإنه يمكن تحليل تدفق المعلومات في عملية التحكم في التردد من خلال:

• التحكم الأساسي: يتم الحصول على إشارات الجهد والتيار ثلاثية الطور محلياً في (MCs)، كما ويتم حساب قيمة التحكم في التردد الأساسي بواسطة وحدة حساب الطاقة ووحدة التحكم في التدلي في (MCs) ويتم نقلها إلى (DERs).

• التحكم الثانوي: يتم الحصول على إشارات الجهد ثلاثية الطور بواسطة (PT) المثبتة على الناقل ويتم نقلها إلى (MGCC) عبر (SWs) وخطوط الاتصال، كما يتم حساب قيمة تعديل التردد الثانوي بواسطة (MGCC) وتخصيصها إلى (MC) من خلال (SWs) وخطوط الاتصال.

• التحكم الثلاثي: يتم حساب نقاط ضبط (DERs) بواسطة (MGCC) بناءً على القدرة والتنبؤ بالحمل ويتم إرسالها إلى (MCs) من خلال (SWs) وخطوط الاتصال.

الترابط المادي السيبراني في التحكم في التردد: يمكن تقسيم العناصر السيبرانية إلى فئتين بناءً على الرسم التخطيطي المادي السيبراني ونظام التحكم في التردد، الأول هو عنصر (DI) السيبراني، و على سبيل المثال في حالة فشل (MCs)، لذلك لا يمكن لـ (MGCC) ووحدة التحكم في استقرار النظام مراقبة والتحكم في (DERs) ذات الصلة.

ولضمان التشغيل الآمن والمستقر لـ (MGs)، بحيث يجب إيقاف تشغيل (DERs) في ظل هذه الظروف،  عندما يفشل (CBC ، CT )، كذلك لا يمكن لجهاز التحكم في استقرار النظام اكتشاف أجهزة قاطع الدائرة والتحكم فيها، مما يشير إلى أن قاطع الدائرة يعمل في حالة غير محمية، كما أنه يجب فصل هذه الدائرة بواسطة وحدة التحكم في الثبات لمنع الأضرار المحتملة للمعدات الكهربائية.

والعنصر الآخر هو العنصر السيبراني الثاني، أي أن فشل العناصر السيبرانية لا يتسبب بشكل مباشر في فشل العناصر المادية، ولكنه يؤدي إلى حدوث خلل في التحكم في التردد الكهربائي، وذلك كما هو موضح أعلاه، لذلك قد يؤدي فشل العنصر السيبراني الثاني إلى:

• حظر معلومات الإدخال.

• فقدان أو تأخير إشارات القياس والتحكم.

• إشارة تحكم غير طبيعية من (MGCC) بسبب خطأ معلومات الإدخال.