الاستجابة السريعة والقياسات الهجينة لنظام التوزيع الكهربائي

تخضع شبكة التوزيع لتغييرات عميقة في الوقت الحاضر، كما وأصبح مقدر الحالة جزءاً أساسياً في غرفة التحكم لتمكين الشبكة الذكية في المستقبل، بحيث تجعل وحدات قياس الطور الجزئي (μ PMU) وأجهزة البنية التحتية المتقدمة للقياس (AMI) تقدير الحالة في الوقت الفعلي ممكناً لنظام التوزيع الكهربائي.

الغرض من الاستجابة السريعة لنظام التوزيع الكهربائي

يمكن تصنيف حالات تشغيل نظام الطاقة إلى ثلاثة سيناريوهات محتملة، وهي الحالة العادية وحالات الطوارئ والتوافقية مع تغير ظروف التشغيل، لذلك من المستحسن الحفاظ على ظروف التشغيل في حالة طبيعية وآمنة، بحيث يمكن استخدام تقدير الحالة (SE) لهذا الغرض، ونظراً لأن مجموعة الفولتية المعقدة للعقدة (أو التيارات الفرعية) يمكنها تحديد النظام بالكامل؛ غالباً ما يشار إليها بالحالة الثابتة للنظام الكهربائي.

كما كان تقدير الحالة جزءاً أساسياً من نظام إدارة الطاقة (EMS) في نظام نقل الطاقة عالي الجهد لعقود، ومع ذلك ليس هذا هو الحال بالنسبة لنظام توزيع الطاقة الكهربائية؛ بل هناك سبب وجيه لهذا التطور المتأخر في شبكة التوزيع، وتاريخياً لم تكن هناك حاجة لتطوير مثل هذه القدرة نظراً لبساطة نظام التوزيع، لذلك يحتاج فقط إلى تقدير حالة التشغيل، على سبيل المثال ذروة الحمل أو خطأ التيار الكهربائي، وذلك بدلاً من المراقبة المستمرة لحالة التشغيل الفعلية.

وبالتالي؛ فإن أدوات القياس قليلة جداً خارج المحطات الفرعية، ولكن مع تزايد الموارد المتجددة المتكاملة وفضلاً عن النطاق المتنامي باستمرار لشبكة التوزيع؛ فإن الحاجة إلى مراقبة ومراقبة وفهم نطاق التوزيع تتزايد بشكل كبير، بحيث يصبح تقدير حالة نظام التوزيع (DSSE) هو عامل التمكين الرئيسي لـ “شبكة التوزيع النشطة” (ADN)، والتي تتضمن العديد من التطبيقات، على سبيل المثال إدارة طاقة (Volt / Var) وحماية التيار الزائد والاستجابة للطلب وتكامل التوليد الموزع والإرسال وإدارة الانقطاع.

المعيقات التي تواجه قياسات الحالة في أنظمة التوزيع الكهربائي

العائقان الرئيسيان لتنفيذ مقدر الحالة في الوقت الحاضر في شبكة التوزيع هما:

• يتوفر عدد قليل جداً من القياسات وكثير منها قياسات زائفة بدقة منخفضة.

• عدم وجود طريقة مناسبة للتعامل مع العدادات الذكية المتزايدة باستمرار، على سبيل المثال (μ PMU ، AMI)، وذلك بسبب الخاصية الفريدة لهذه القياسات، ناهيك عن اتباع نهج مناسب لسرعة (DSSE) مع القياسات الهجينة.

كما أن هناك مشاكل أخرى تمت مواجهتها مقارنة بالإرسال (SE)، بحيث تمت الإشارة إلى العديد منها ومعالجتها في الدراسات السابقة، على سبيل المثال:

• تعمل نسب (X / R) المنخفضة والاختلالات ثلاثية الطور على تعقيد المصفوفة بالإضافة إلى مصفوفة الكسب.

• لا تتم مراقبة حالة صمامات المحولات الكهربائية المنظم والمفاتيح وبنك المكثف بشكل مباشر، مما يعرض إمكانية ملاحظة الشبكة الكهربائية للخطر.

إجراءات القياسات الكهربائية الخاصة بـ PMU

في شبكة التوزيع الكهربائية، يتم قياس تدفقات الطاقة النشطة والمتفاعلة وحقن الطاقة، بالإضافة إلى مقادير الجهد عن طريق نظام التوزيع (SCADA)، في حين يتم قياس أطوار الجهد الكهربائي للتفرعات المثبتة والمراحل الحالية لجميع خطوط الحادث بواسطة (μ PMU)، بحيث لا يزال طرح (μ PMU) في مرحلته الأولى، بحيث تم تنفيذ المشروع الرائد في عام (2014)م في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ويعتبر الجهاز مكلف إلى حد ما.

كذلك من غير الاقتصادي تنفيذ الأجهزة على نطاق واسع، لذلك ؛ فإن النقاط الحرجة فقط، مما يعني أن الشبكة ستصبح غير قابلة للرصد بدون أي من هذه النقاط، وهي فقط مجهزة بأجهزة (μ PMU)، وعادةً ما يُعرَّف نظام توزيع الطاقة الكهربائية لأغراض البحث في (SE) على أنه الجزء بين محطات التوزيع الفرعية ومحولات التوزيع، بما في ذلك المحولات الرئيسية المتعددة والعديد من محولات التوزيع وحافلات الجهد المنخفض بينهما.

آلية زيادة التكرار في عملية القياسات الكهربائية

يجب الوضع فب الاعتبار دائرة الخط ثلاثية الطور كما هو موضح في الشكل  التالي(1)، والتي تأخذ الاقتران المغناطيسي بين المراحل المختلفة في الاعتبار. بافتراض أن (μ PMU)، كما وتكون مثبتة في التفرع (1)؛ فإن طور الجهد ثلاثي الأطوار (V1) للتفرع (1) والطور الكهربائي (I12) للخط (1-2)، بحيث يتم قياسهما على أنه (V1 = V1∠δ1 ، I12 = I12∠θ12) على التوالي.

كما من السهل الحصول عليها من خلال:

حيث تمثل المصفوفة (z) المعاوقة الذاتية والاقتران لمراحل مختلفة.

القياسات التي تخص التيار الكهربائي للطور

لتضمين قياسات الطور الحالية، يتم استخدام الإحداثيات المستطيلة لحساب المصفوفة اليعقوبية في هذه الدراسة، وبالنسبة لمعظم طرق (SE)، تُستخدم الإحداثيات القطبية لحساب وظائف القياس ومصفوفة (Jacobian)، كما وتوفر (μ PMU) نفسها أطوار الجهد والتيار في الشكل القطبي وذلك في شبكة التوزيع، وحيث يكون التوصيل والتجاوب غير مهمين عادةً بسبب الخطوط القصيرة؛ فإن المشتقات الجزئية للقياسات الحالية ستكون غير محددة (سيكون المقام صفراً) إذا تم استخدام الإحداثيات القطبية.

عمليات القياس الكهربائية الخاصة بـ AMI

تميل (DSSE) المبكرة إلى استخدام بيانات الحمل الإحصائي للتغلب على مشكلة تكرار القياس المنخفض، ومع ذلك؛ فإن القياسات التاريخية أو بيانات الحمل المقدرة غير دقيقة إلى حد ما، على سبيل المثال يُفترض أن يكون التباين في القياسات الزائفة (20٪ ، 30٪ ، 50٪) على التوالي، ومثل هذه البيانات غير الدقيقة، لذلك ستكون النتيجة عرضة للخطر حتماً مع انتشار أجهزة القياس الذكية.

كما تُستخدم عدادات جانب المستهلك في الأصل لغرض الفوترة مع فترات أخذ عينات مدتها (15) أو (30) دقيقة، وقبل ذلك أدرك الباحثون أن هناك تأخيراً كبيراً في بيانات (AMI) بسبب معدل التقرير المنخفض، وفي هذا البحث تحديداً يتم السماح بدقيقتين من التأخير بين البيانات التي يتم أخذ عينات منها في الحقل واستلامها بواسطة غرفة التحكم، كما يتم إثبات مقدار التأخير هذا في التنفيذ العملي حيث نأخذ في الاعتبار وقت الإرسال.

ونظراً لفقدان الطاقة من محولات توزيع الجهد المنخفض للمستهلكين صغيرة نسبياً (خطوط قصيرة جداً)؛ فإن حمل المحول هو ببساطة تجميع البيانات التي تم جمعها بواسطة عدادات (AMI) في وقت معين، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (2)، بحيث يُنظر إلى كل عقد (محول LV) كنقطة بداية لشبكة الجهد المنخفض، والتي تضم حوالي (100-150) أسرة في شبكة التوزيع الحضرية عادةً، كما يمكن التعبير عن القوة النشطة والمتفاعلة للمحول (I) في الوقت (t) على النحو التالي:

ومع ذلك؛ فإن العدادات الذكية لا تنقل البيانات كلها في نفس الوقت بسبب قيود النطاق الترددي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (3)، وفاصل أخذ العينات والتحديث كلاهما (15) دقيقة، في حين أن هناك تأخير تقريبي لمدة دقيقتين بين الاثنين، لذلك قد يكون لكل متر لحظة أخذ العينات الخاصة به، وذلك بفرض أن محول التوزيع (DT) يحتوي على ثلاثة مستهلكين،

في النهاية اقترحت هذه الدراسة قاعدة خوارزمية (SE)، وهي متسلسلة محسنة على قياسات متعددة المصادر، والتي تحقق أقصى استفادة من العدادات المثبتة حديثاً ونظام المراقبة القديم، كما أنها تعمل بنية القياسات الهجينة على تحسين تكرار القياس ويضيف التلاعب ببيانات (μ PMU) الدقيقة للغاية قياسات زائفة إضافية تزيد من التكرار.