استقرار نظام الطاقة الكهربائية مقابل التحديات المادية

يمكن أن يكون للكوارث الطبيعية غير المتوقعة أو التحديات المادية عواقب مختلفة، بما في ذلك انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع وطويل الأجل على أنظمة القدرة الكهربائية، بحيث يجب أن تكون أنظمة الطاقة مقاومة للأحداث غير المرغوب فيها، ولا يتأثر أدائها بسهولة بمثل هذه الظروف.

ضمان استقرار نظام الطاقة الكهربائية مقابل التحديات المادية

يعتمد مجتمع اليوم بشكل كبير على الخدمات التي تقدمها البنية التحتية لشبكة الطاقة، وعند حدوث أزمة غالباً ما تفقد هذه الشبكات قدرتها على تقديم الخدمات بسبب تلف معدات الشبكة الكهربائية كبنية تحتية حيوية، بحيث يتم التعرف على أمن أنظمة الطاقة على أنه تحد عالمي يرتبط ارتباطاً وثيقاً باستقرار المجتمع وتحسين الظروف الاقتصادية، لذلك كانت دائماً واحدة من أولويات السلطات والمنظمات والمؤسسات الاجتماعية المختلفة تأمين الحصول على نظام الشبكة الكهربائية.

كما أن التفسير المقدم هو أن نظام الطاقة باعتباره رأس مال ثمين وواسع يؤثر بشكل عميق على حياة الإنسان. زادت الحوادث ذات التأثير المنخفض والاحتمالية المنخفضة (HILP) من المخاوف بشأن الموثوقية المعتادة والنهج الموجه نحو المرونة، بحيث يعتبر التعامل مع المواقف الصعبة غير المتوقعة والنادرة تحدياً كبيراً.

وكبنية تحتية حيوية؛ فإنه من المتوقع أن يكون نظام الطاقة أكثر مرونة بكثير لأحداث (HILP)، بحيث تسمى المرونة قدرة نظام الطاقة على الصمود الفعال لأحداث (HILP) لضمان الحد الأدنى من إمدادات الطاقة الممكنة والاستعادة السريعة للتشغيل المنتظم، وبالتالي تشكل أجزاء مختلفة من المجتمع تحديات لتحسين استجابة الشبكة لأحداث (HILP).

الإجراءات الاستباقية للتهديدات المادية على أنظمه الطاقة

بمجرد أن يتأثر أمان نظام الطاقة بشدة بسبب التهديدات المختلفة، قد يتم تقسيم نظام الطاقة إلى عدة مناطق، وقد تواجه المناطق الكبيرة انقطاع التيار الكهربائي العالمي، ونتيجة لذلك هناك خسائر اقتصادية واسعة النطاق، وأحياناً في الأرواح البشرية وحتى الخصوصية والأمن القومي، بحيث يمكن رؤية العديد من أوجه التشابه في حالات انقطاع التيار الكهربائي الأخيرة في مراجع مختلفة.

على سبيل المثال، في (4) نوفمبر (2006)م، أدى انقطاع التيار الكهربائي في الجزء الغربي من الاتحاد لتنسيق شبكة نقل الكهرباء (UCTE) إلى انحراف حاد في التردد الكهربائي، مما أدى إلى تقسيم الشبكة بالكامل إلى ثلاث مناطق وانقطاعات في تلبية احتياجات أكثر من (15) مليون مشترك في المنازل الأوروبية.

إلى جانب ذلك، وجدت الحياة البشرية في العقود الأخيرة اعتماداً متزايداً على تكامل الأنظمة المترابطة على نطاق واسع، وكمصدر للطاقة للبنى التحتية الأخرى، تقع الكهرباء في موقع مركزي وتلعب دوراً حيوياً في الأنظمة الأخرى.

تحديد قضايا المرونة في أنظمة الطاقة الكهربائية

إدخال مؤشر الأداء (PI) في نظام طاقة مرن

لتقييم مرونة نظام الطاقة، أولاً يجب تحديد المؤشرات الكمية وحسابها لوصف مكونات الميزات، بحيث يوضح الشكل التالي (1) مؤشر أداء نموذجي (PI) لنظام الطاقة من حيث الوقت وحدث اضطراب شديد، وعند تحديد (PI) يمكن اعتبار حمل النظام هدفه حسب الحاجة، كذلك قيمة الأحمال الكهربائية المتبقية على الشبكة الكهربائية، كذلك يمكن تحديد عدد المعدات الصحية والكهربائية في النظام كمؤشر على أداء النظام.

كما يتضح المنحنى جيداً أن عملية الاستعادة أو المرونة للشبكة ليست أسية أو خطية مع ميل ثابت في الممارسة، أيضاً لا ينخفض أداء النظام بسرعة بعد الاضطراب (t0)، وبالنظر إلى مقدار التحمل الذي يتمتع به؛ فقد يستغرق الأمر بعض الوقت حتى ينخفض أداء النظام، كذلك يمكن تسمية هذه المرحلة من سلوك النظام بمرحلة المنع، وذلك اعتماداً على حالة تشغيل المستخدم وقوة الشبكة.

وفيما بعد أدى تأثير أحداث (HILP) على نظام الطاقة والمخاطرة الاقتصادية والاجتماعية اللاحقة إلى خلق حاجة أساسية على مستوى العالم لرفع مرونة أنظمة الطاقة، بحيث يلخص الشكل التالي (2) الاستجابة الزمنية لنظام الطاقة للكوارث الطبيعية.

صنع أنظمة الطاقة المرنة

تختلف التهديدات التي قد تؤثر على مرونة نظام الطاقة اعتماداً على احتمالية حدوثها وشدة العواقب وإمكانية التنبؤ وتوافر التقنيات، وفي الوقت نفسه يتم عادةً تقسيم البنية التحتية للكهرباء والأصول بناءً على الأداء بين أنظمة التوليد والنقل والتوزيع الكهربائي.

كما أن كل واحد منهم لديه نطاق مادي وقابلية للتأثر بالتهديدات وأنماط الحوكمة المختلفة فيما يتعلق بالملكية ومسؤولية الإدارة، بحيث يعد تحديد إطار عمل للمرونة أكثر منهجية ومعايير محددة يمكن استخدامها لرصد وتقييم المرونة في نظام الكهرباء مجالاً بحثياً سريع التطور.

المواد وطريقة جعل الشبكات والمحطات الفرعية مرنة

يجب أن يكون الهدف الأساسي هو توفير طاقة كهربائية كافية للمستهلكين بأقل تكلفة ممكنة والمعايير المطلوبة، ومن وجهة نظر إدارة الأصول؛ فإنه يجب تنفيذ الاستراتيجيات الاقتصادية لتقليل تأثير التهديدات المختلفة على أصولها وتلبية طلب المستهلك باستمرار، خاصة في المواقف الحرجة، بحيث يجب أن تتضمن الوظيفة الموضوعية (OF) ظروف التشغيل العادية والحرجة، لذلك يتم تقديم (OF) المقترح بواسطة:

تكلفة تركيب المحطات الفرعية

تفترض هذه الدراسة تحديد موقع المحطة الفرعية وموقعها وعدد الأحمال، لذلك يجب توفير إجمالي إمداد الطاقة للأحمال والخسائر بواسطة المحطة الفرعية، بحيث يجب تحديد قدرة المحطة الفرعية عن طريق حل مشكلة (ORDNS)، وتكلفة تركيب المحطة الفرعية مبينة في العلاقة:

مصاريف الموثوقية

في الحياة اليومية اليوم، تجدر الإشارة إلى أن شبكات التوزيع معترف بها على أنها البنية التحتية الأساسية في توفير الطلب على الطاقة، ونظراً لأن الأخطاء البشرية أو الطبيعية وحدوث الانقطاعات أمر طبيعي في نظام الطاقة؛ فإن شركات التوزيع تلبي طلب المستهلكين حتى في حالة حدوث أخطاء، لذلك يجب حساب الانقطاعات لجميع المشتركين.

بالنهاية يجب تصميم نظام الطاقة بحيث يكون مقاوماً للأحداث غير المتوقعة المختلفة، مثل الكوارث الطبيعية أو الهجمات الإلكترونية أو المادية مع تأثيرات عالية التأثير منخفضة الاحتمال (HILP) على استقرار الشبكة، وفي الوقت نفسه يجب أن يتمتع النظام أيضاً بالمرونة الكافية حتى يتمكن من التكيف مع اضطراب شديد دون أن يفقد أدائه الكامل، إلى جانب ذلك يجب أن يستعيد نفسه فورًا بعد حل مثل هذا الاضطراب.

وفي هذه الدراسة تحديداً تم شرح المفاهيم المتعلقة بالمرونة في نظام الطاقة ضد الاضطرابات الشديدة، كما وتم تقديم مكونات هذا المفهوم وعملية التقييم الخاصة به، كما تم تقديم التصميم الأمثل للمحطات الفرعية المرنة في شبكة طاقة حقيقية، وذلك ضد الهجوم المادي للحفاظ على استقرار الشبكة، كما اقترحت هذه الدراسة حلاً مثالياً للتخصيص المتزامن لمشكلة توجيه المغذي ومرافق المحطات الفرعية.

كما تم اعتماد أنواع الموصلات المثبتة والتصلب الاقتصادي لخطوط الطاقة بسبب الهجمات المادية على البنية التحتية التشغيلية الحضرية الحيوية، بحيث تم حساب معطيات شبكة التوزيع باستخدام خوارزمية (GWO) لحل الأشكال الوظيفية المثلى، بما في ذلك تصميم شبكة التوزيع الأمثل وأنماط تصميم شبكة التوزيع المرنة المثلى، كما تم تأكيد فعالية طريقة المرونة المقترحة وفقاً لتحليل النتائج التي تم الحصول عليها.