تأهيل أنظمة نقل الطاقة الكهربائية لمواجهة أحوال الطقس

تسلط الاضطرابات الكهربائية التاريخية الضوء على تأثير الطقس المتطرف على مرونة نظام الطاقة، وعلى الرغم من أن حدوث مثل هذه الأحداث أمر نادر الحدوث؛ إلا أن بداية تأثيرها المحتمل تتطلب تطوير تقنيات مناسبة لتقييم المرونة لالتقاط آثارها وتقييم الاستراتيجيات ذات الصلة للتخفيف منها.

أهمية تأهيل أنظمة نقل الطاقة الكهربائية تحت ظروف الأحوال الجوية

قد تؤثر الظروف الجوية القاسية مثل الأحداث عالية التأثير منخفضة الاحتمال (HILP) بشكل كبير على المرونة التشغيلية لنظام الطاقة، كما تشير توقعات تغير المناخ إلى أن تواتر وشدة مثل هذه الأحداث قد تزداد في المستقبل القريب، لذلك لا يجب أن تكون أنظمة الطاقة موثوقة فقط في مواجهة التهديدات المعروفة وذات المصداقية؛ بل يجب أيضاً أن تكون مرنة في مواجهة أحداث (HILP).

يتضح تأثير الطقس القاسي مثل الفيضانات والأعاصير والعواصف الجليدية بشكل متزايد على شبكات الطاقة في جميع أنحاء العالم، بحيث ركزت نمذجة تأثيرات الطقس المتطرف على موثوقية أنظمة الطاقة بشكل أساسي على توصيف تأثير الظروف الجوية على سمات الموثوقية لمكونات نظام الطاقة، أي معدلات الفشل والاستعادة.

الاستعانة بالتقنيات الحديثة لحصر مشاكل تأهيل الخطوط الكهربائية

كما تم استخدام تقنيات مختلفة، مثل نمذجة ماركوف ومحاكاة مونت كارلو التسلسلية (SMCS)، بحيث يتم توفير مراجعة شاملة لتقنيات تقييم الموثوقية المتعلقة بالطقس، بينما يتم توفير المنهجيات والتحديات لتقييم مخاطر الانقطاعات المتتالية من ناحية أخرى، وبشكل مختلف عن الأعمال السابقة التي تركز بشكل أكبر على الموثوقية، كما تم تطوير النماذج الكمية والمقاييس واستراتيجيات التحسين الموجهة نحو المرونة.

وفي هذا الصدد، تم تقديم لمحة عامة عن الدراسات البحثية السابقة حول مرونة أنظمة الطاقة في ظل الكوارث الطبيعية، كما تم تقديم إطار لفهم وتصور وتعزيز مرونة أنظمة الطاقة، ومع ذلك؛ فإن هذه الأعمال السابقة، لذلك لا تصف كيفية بناء نموذج هشاشة الشبكة الكهربائية أو تنفيذ النهج الشامل اللازم لتحديد قدرة الشبكة على الصمود في وجه الأحوال الجوية القاسية.

كما تقدم هذه الدراسة منهجية شاملة لتقييم المرونة متعدد الأزمنة والأقاليم وتعزيز أنظمة الإرسال لظروف الطقس القاسية، ومع تطبيق على نمذجة تأثير العواصف الشديدة على شبكات النقل؛ فإن هذا النهج هو امتداد لنهج نمذجة (CAT) الذي تستخدمه صناعة التأمين للحصول على الخسائر المتوقعة لمحفظة التأمين لخطر معين، مثل الزلازل والفيضانات والرياح وما إلى ذلك.

بناء وتصور هياكل البنية التحتية المناسبة لخطوط النقل الكهربائية

تكتسب بعض الطرق شعبية وقد تم تبنيها مؤخراً من قبل “الوكالة الدولية لإدارة الطوارئ”، وذلك لطريقتها الموحدة لتقدير الخسائر الناجمة عن الزلازل والفيضانات والأعاصير (HAZUS)، وفي هذا العمل تم القيام بتوسيع المجالات لالتقاط تأثيرات النظام على البنية التحتية للكهرباء بسبب العواصف الشديدة، ونظراً لأن نموذج المحاكاة هذا ومؤشرات المرونة الخاصة ستكون هي نفسها بالنسبة للمخاطر الأخرى؛ فهي قابلة للتطبيق أيضاً عليها.

ومع ذلك، يجب استخدام نموذج مخاطر جديد ومنحنيات هشاشة، كما يمكن القول أيضاً أنه من الممكن تطبيق النهج على المخاطر معاً، ومع ذلك إذا لم تكن المخاطر مستقلة؛ فيجب تطوير نماذج مخاطر احتمالية مشتركة، وبالمثل إذا كانت استجابة البنية التحتية تعتمد أيضاً على خطرين، على سبيل المثال الضرر الناجم عن الرياح والجليد؛ فيجب استخدام منحنيات الهشاشة التي تراعي مجموعة هذه المخاطر التي يتم اختبارها.

نمذجة وتقييم المرونة لمكونات وممرات النقل الكهربائي

تم تطوير نموذج نظام لتقييم تأثير العواصف على مرونة شبكات النقل، كما ويشمل ذلك نمذجة الهشاشة للأبراج والخطوط الكهربائية الفردية وتقييم المرونة في مواجهة العواصف الشديدة.

افتراضات النمذجة

يمثل تحليل المخاطر على المستوى الوطني لأنظمة الهندسة البيئية المعقدة والمقرنة تحديات خاصة من حيث الحصول على البيانات والحساب العددي وعرض النتائج، لذلك تم تطوير منهجية هنا تعالج هذه الصعوبات من خلال التقريبات المناسبة التالية التي تقلل من تعقيد العمليات، والتي يتم النظر فيها أثناء التقاط سلوك النظام الرئيسي، ولكن دون التأثير على عمومية وإمكانية تطبيق المنهجية نفسها:

• لا يتأثر التوليد بشكل مباشر بالعاصفة (باستثناء توليد الرياح)، على الرغم من أنه يمكن فصل عقد التوليد بسبب انقطاع ممرات النقل.

• لا يتغير الحمل قبل وأثناء وبعد حدث الطقس، وبالتالي تعتبر مستقلة عن الطقس.

• من المفترض أن تشترك جميع الأبراج والخطوط في نظام الاختبار المستخدم في نفس وظيفة الهشاشة، بحيث يتم اشتقاق هشاشة البرج من نمذجة التحليل الإنشائي، بينما تعتمد هشاشة الخط على التحليل الإحصائي.

• بينما تم تصميم الأبراج وفقاً لمعايير مشتركة؛ إلا أن هناك بعض الاختلافات في التصميم، على سبيل المثال الأبراج الطرفية والزاوية، وعلى الرغم من تجديد الأبراج بالكامل كل (20) عاماً، إلا أن الحالة الدقيقة لكل برج غير معروفة.

• يعتبر انقطاع كل برج إرسال مستقلًا عن حالة الأبراج المجاورة.

نمذجة الأبراج الهشة

تصف وظيفة الهشاشة احتمال فشل هيكل أو مكون هيكلي، وذلك بشرط التحميل الذي يربط الشدة المحتملة لخطر، على سبيل المثال سرعة الرياح على برج التزويد، وعلى هذا النحو؛ فهي مفيدة للتضمين في “مونت كارلو” للتقييمات القائمة على المخاطر لمجموعات أصول البنية التحتية لخطر معين.

كذلك يمكن اشتقاق منحنيات الهشاشة من خلال:

• تجريبياً من التحليل الإحصائي لمجموعة كبيرة من حالات الفشل الملحوظة.

• تجريبياً عن طريق الأبراج الفاشلة عمداً.

• باستخدام نموذج المحاكاة الهيكلية بشكل تحليلي.

• باستخدام حكم الخبراء أو (v)، وذلك من خلال مجموعة الطرق السابقة.

غالباً ما يمكن إنشاء المنحنيات التجريبية لأبراج شبكات التوزيع الكهربائية التي يوجد بها المزيد من سجلات الفشل بسبب عددها الأكبر ومعيار التصميم الأقل، ومع ذلك في هذه الحالة كان لابد من إنتاج منحنيات هشاشة تحليلية، ونظراً لعدم كفاية حالات الفشل المرتبطة بالرياح لأبراج النقل في المملكة المتحدة وعالمياً لتطوير منحنيات تجريبية.

نمذجة هشاشة الخط الناقل

تتأثر مرونة خط النقل بالمثل بالظروف الجوية المحلية، مما قد يؤدي إلى فشل الخط لعدة أسباب، على سبيل المثال فشل القيد، بحيث يعتبر فشل الخط مستقلاً عن فشل الصرح، لذلك هناك حاجة إلى منحنى مختلف لهشاشة الطقس، كما يوضح الشكل التالي (1) الحالة الأساسية، وهي مثالاً لمنحنى هشاشة الخط والذي يربط احتمالية فشل خط النقل بسرعة الرياح.

تقييم مرونة ممر النقل الكهربائي

يوضح الشكل التالي (2) إجراء المحاكاة العام لتحديد تأثير أي خطر على حالة كل ممر إرسال في كل خطوة محاكاة لنهج (SMCS)، وفي هذا التطبيق المحدد يشير الخطر (h) إلى شدة العاصفة (w)، ومن ثم ؛ فإن [PL (h) ، PT (h)] في الشكل يتوافقان مع [PL (w) ، PT (w)] على التوالي.

وأخيراً وصفت هذه الدراسة وأظهرت منهجية احتمالية لتقييم تدابير التكيف لزيادة مرونة أنظمة الطاقة في مواجهة الطقس المتطرف، وهي جزء لا يتجزأ من المنهجية المقترحة هو النظر في الهشاشة المتعددة الأوقات والمتعددة لمكونات نظام الطاقة في الظروف الجوية القاسية، وذلك مع التركيز على مقاومة شبكة النقل الكهربائي لظواهر الرياح الشديدة.