التخطيط العشوائي لنظام التوزيع واعتبارات المولدات الكهربائية

تسلط التجارب الأخيرة لأحداث الطقس المتطرفة الضوء على أهمية تعزيز مرونة أنظمة التوزيع الكهربائية، وفي هذه الحالة، تؤدي مرونة تخطيط أنظمة التوزيع إلى حل فعال لحماية النظام الكهربائي من هذه الأحداث عبر تصلب الخط وتركيب المولدات الكهربائية الموزعة (DGs).

الهدف من التخطيط العشوائي لنظام التوزيع الكهربائي

أدت الظروف المناخية القاسية في السنوات الأخيرة إلى انقطاعات طويلة وواسعة النطاق لخدمات الكهرباء مع خسائر اقتصادية هائلة، على سبيل المثال، تسبب “إعصار هارفي” في انقطاع التيار الكهربائي الذي أثر على عدة ملايين من العملاء في تكساس لمدة (14) يوماً، ولسوء الحظ كان من المتوقع أن تزداد وتيرة وشدة الظواهر الجوية المتطرفة مثل الفيضانات والأعاصير نتيجة لتغير المناخ.

لذلك، ومن أجل تحسين مرونة أنظمة التوزيع؛ فإنه يمكن اعتماد ثلاثة أنواع من الاستراتيجيات بما في ذلك التخطيط وإجراءات ما قبل الكوارث الطبيعية والتشغيلية، بحيث كان تحسين مرونة أنظمة توزيع الكهرباء ضد الظواهر الجوية القاسية من خلال تدابير التخطيط قضية حاسمة لعمليات شبكة الطاقة، كما يمكن أن يقلل الاستثمار الإضافي في مرونة شبكة التوزيع من تكاليف التشغيل الإضافية بسبب الأحداث المناخية القاسية.

وفي هذا الصدد، يعد تقوية خطوط التوزيع المعرضة للخطر وتركيب مولدات مطورة (DGs) تدابير دفاعية فعالة تتخذها المرافق لتحسين المرونة، بحيث يمكن أن يؤدي تقوية خطوط التوزيع بمواد أقوى إلى تقليل تعرضها للكوارث الطبيعية، وبالتالي تمكينها من توفير الأحمال الحرجة، وبالإضافة إلى ذلك أثناء الأحداث المناخية القاسية، مثل الإعصار؛ فإنه بسبب احتمال فقدان الشبكة الكهربائية الرئيسي.

كما أنه يمكن للمولدات الكهربائية التي يمكن التحكم فيها توفير الطاقة للأحمال الكهربائية الحرجة وتشكيل شبكات صغيرة ذاتية التزويد لزيادة إمكانات استعادة الحمل بعد حدث طقس شديد، لذلك؛ فإن تطوير نموذج تخطيط نظام توزيع مرن للتصميم الأمثل لتدابير التخطيط يمكن أن يقلل بشكل كبير من الآثار السلبية للكوارث الطبيعية.

استراتيجية التخطيط التي تستند الى الدقة ومرونة التوزيع الكهربائي

من الواضح أن مسألة تخطيط نظام التوزيع المرن ترتبط بمستوى عالٍ من عدم اليقين، بحيث تم بالفعل استخدام نظرية قرار فجوة المعلومات (IGDT) وأطر التحسين القوية والصادرة على أنها ثلاثة أنواع من نمذجة عدم اليقين لمواجهة هذا التحدي، كما تم تقديم استراتيجية تعتمد على تقنية (IGDT) لتسهيل اتخاذ القرار لمخططي نظام التوزيع عند حدوث الكوارث الطبيعية.

كما تم تقديم نموذج مخطط ثلاثي المستوى (مخطط – مخاطر – نفور)؛ وذلك للتخطيط في شبكات الغاز الطبيعي والطاقة المتكاملة المعرضة للكوارث الشديدة، بحيث يستخدم هذا العمل تقنية تحسين (IGDT) لتحسين مرونة النظام المتكامل في ظل الأحداث الشديدة، كما تم تقديم نموذج تخطيط قوي التوزيع على مرحلتين متعدد السيناريوهات للتحوط ضد الموارد الهجومية العشوائية للكوارث الطبيعية.

وفي المرحلة الأولى؛ فإنه يتم حماية نظام التوزيع من الكوارث الطبيعية من خلال توزيع التوليد الموزع المخطط مسبقًا وتصلب الخط، وأيضاً يتم استخدام تشكيل الشبكة الصغيرة وإعادة تشكيل الشبكة لتعزيز المرونة التشغيلية لأنظمة التوزيع.

أما في المرحلة الثانية تم اقتراح نموذج أمثل للتخطيط والهجوم وإعادة التكوين لتعزيز مرونة أنظمة التوزيع ومكافحة الكوارث الطبيعية، كما تم تقديم نموذج تقوية أمثل ثلاثي المستويات لتحسين مرونة أنظمة التوزيع في مواجهة الهجمات الضارة، ومع ذلك؛ فإن تقنية (IGDT) والتحسين القوي يمكن أن تكون متحفظة للغاية ومرهقة من الناحية الحسابية في تخطيط نظام التوزيع المرن.

كما تم اقتراح نموذج برمجة عشوائي لتخصيص ميزانية محدودة لتقوية شبكات التوزيع واعتماد نموذج عدد صحيح مختلط عشوائي من مرحلتين لحماية شبكات التوزيع في مواجهة الظواهر الجوية المتطرفة، بحيث تضمنت المرحلة الأولى تحديد قرارات التصميم الموجهة نحو المرونة من خلال النموذج، وفي المرحلة الثانية تم تقييم تكلفة تشغيل النظام في منتصف وبعد الحدث وتكلفة إصلاح الضرر.

صياغة المشاكل الخاصة والمرتبطة بالتخطيط المرن لنظام التوزيع

يوضح الشكل التالي (1) الإطار المقترح لتحسين التخطيط المرن لنظام التوزيع، وذلك قبل حل نموذج (SMILP)، بحيث يتم نمذجة عدم اليقين في انقطاع الخط كعملية عشوائية، وبعد ذلك يتم إنشاء مجموعة من السيناريوهات التي تمثل تحقيق عدم اليقين في انقطاع الخط، ثم في الخطوة الأولى يتم اتخاذ قرارات الاستثمار مثل تركيب (DG) وتصلب الخط بناءً على ميزانية معينة.

أما في الخطوة الثانية؛ فإنه يتم تشكيل شبكات صغيرة ديناميكية ومن ثم يتم تقليل تكلفة تشغيل النظام من حيث فصل الأحمال الأمثل في كل سيناريو انقطاع غير مؤكد، وفي الواقع تم دمج الاستراتيجيات التشغيلية لما بعد الحدث في تخطيط الشبكة الكهربائية قبل الحدث لتحسين المرونة في كل من خطوات التخطيط والتشغيل.

وفي الخطوة التالية؛ فإنه يتم حل النموذج العشوائي ذي المرحلتين باستخدام حزم البرامج المتاحة، بحيث تساعد نتائج محاكاة النموذج المرافق في اتخاذ قرار بشأن تقوية شبكات التوزيع الخاصة بهم وتخصيص (DGs) الاحتياطية الجديدة مع تكاليف الاستثمار والاستعادة المثلى.

وفي ما يلي، تتم صياغة الإطار العشوائي ذي المرحلتين لنموذج التخطيط في ظل عدم اليقين، والتي تتكون من مشكلة المرحلة الأولى مع الأخذ في الاعتبار تخصيص (DG) وتصلب الخط في القسم (a)، ومشكلة المرحلة الثانية مع الأخذ في الاعتبار تكوين الشبكات الصغيرة وإعادة تشكيل الشبكة وموارد الطاقة الموزعة في القسم (b) ونمذجة عدم اليقين في القسم (c).

نموذج تخطيط نظام التوزيع: في هذا القسم، تقلل الوظيفة الهدف من تكلفة الاستثمار في المرحلة الأولى وتوقع تكلفة التخلص من الأحمال تحت سيناريوهات تلف الخط في المرحلة الثانية، وذلك كما هو موضح في المعادلة التالية، ومن الجدير بالذكر أن تكلفة فصل الأحمال تستخدم لتقييم أداء نظام التوزيع أثناء الأحداث المتطرفة، كما وقد تم استخدام هذا المؤشر على نطاق واسع لتقييم مرونة نظام التوزيع بميزانية معينة، بحيث يضع مخطط نظام التوزيع مخططاً لتخصيص الموارد من أجل تحسين مرونة أنظمة التوزيع.

الاستراتيجيات العملية في المرحلة الثانية: بموجب قرار تخطيط معين، يتم تحسين مرونة أنظمة التوزيع من خلال الاستراتيجيات التشغيلية لما بعد الحدث لتشكيل الشبكات الصغيرة وإعادة تشكيل الشبكة وموارد الطاقة الموزعة، وعلى وجه الخصوص تتمثل الوظيفة الموضوعية للمرحلة الثانية في تقليل تكاليف التخلص من الأحمال، وذلك كما هو موضح في المعادلة التالية، كما وقد تم استخدام هذه المعادلة في وظيفة التخطيط للمرحلة الأولى.

إنشاء سيناريوهات تلف الخط: في هذه الطرح، تعتبر الحالة التشغيلية لخطوط التوزيع ضد الأعاصير مجموعة غير مؤكدة، بحيث يوضح الشكل التالي (2) عملية إنشاء سيناريو إخراج الخط، وفي شبكات التوزيع؛ فإنه يمكن أن تتلف خطوط التوزيع العلوية (الموصلات) والأعمدة بفعل الأعاصير، كما يتم إعطاء وظيفة هشاشة الموصلات والأعمدة على النحو التالي:

في هذه الدراسة، تم اقتراح نموذج جديد لتخطيط نظام التوزيع المرن، وذلك مع تصلب الخط ووضع (DG)؛ استناداً إلى التحسين العشوائي على مرحلتين لتقليل تكاليف التخلص من الأحمال ضد الكوارث الطبيعية، وللقيام بذلك على النحو الأمثل؛ تم استخدام طريقة التحكم السيد والعبد لتنسيق الموارد داخل كل شبكة صغيرة في المرحلة الثانية.