تحسين معدل الاستخدام لأنظمة توليد الطاقة الكهربائية

تم تناول مشكلة قياس توفر وحدات التوليد في أنظمة الطاقة الكهربائية في الدراسات باستخدام مجموعة من المعادلات التحليلية ومحاكاة مونت كارلو (MCS)، بحيث يعد (MCS) كأداة محاكاة قوية، وهو أسهل بكثير في الاستخدام من الأساليب التحليلية في قياس مدى توفر التطبيقات الكبيرة.

أهمية تحسين معدل الاستخدام لأنظمة توليد الطاقة الكهربائية

تعتبر الكهرباء بلا شك شريان حياة وأساس لا غنى عنه للحياة الحديثة، لذلك قد تمر الرحلة التي يتم إجراؤها عادةً بالكهرباء حتى تصل إلى المستخدم النهائي بمراحل مختلفة، كما يعد فهم التحديات الفنية والاقتصادية المرتبطة بكل مرحلة أمراً مهماً للغاية لضمان الحفاظ على أعلى مستوى ممكن من استمرارية الطاقة، كما يمكن تمثيل هذه المراحل من الرحلة على أنها أنظمة منفصلة ولكنها مترابطة يشار إليها باسم التوليد والنقل والتوزيع والتي تشكل معاً نظام الطاقة.

وبالتالي يتم توليد الكهرباء بشكل أساسي عن طريق وحدات التوليد، كما ويتم نقلها عبر كابلات النقل، بحيث ثم توزيعها بين المستخدمين النهائيين، وعلى غرار أي نظام فيزيائي؛ قد يواجه نظام الطاقة الكهربائية انقطاعات لا مفر منها في الطاقة بسبب الظاهرة الطبيعية المرتبطة بانقطاع مكوناته، كما يمكن تصنيف نماذج انقطاع المكونات عموماً حسب طبيعتها إلى مستقلة ومعتمدة.

لذلك قد يحدث انقطاع مستقل لأحد المكونات نتيجة لسبب يؤثر فقط على المكون المعني وليس له أي تأثير على المكونات الأخرى في النظام، ومن ناحية أخرى قد يحدث انقطاع تابع عندما يفشل أحد المكونات بسبب بدء الانقطاع المتزامن لمكون (مكونات) آخر، بحيث تتضمن أمثلة الانقطاع المستقل الانقطاع المخطط له لإجراء الصيانة المجدولة أو الانقطاع القسري بسبب التقادم المتأصل.

الأعمال ذات الصلة بتحسين استخدام أنظمة الطاقة الكهربائية

بشكل أساسي؛ هناك متغيرين رئيسيين يجب مراعاتهما عند دراسة نموذج انقطاع التيار الكهربائي لأي نظام، وهما الوقت حتى الفشل (TTF) ووقت الإصلاح (TTR)، بحيث يمثل (TTF) الوقت الذي يكون فيه المكون متاحاً وقادراً على العمل حتى يواجه انقطاعاً، ومع ذلك؛ فإن (TTR) هو الوقت اللازم لإصلاح أحد المكونات الفاشلة، ونظراً لوجود عدم يقين مرتبط بمكونات (TTF، TTR)؛ فإنه يجب تمثيل هذه المتغيرات كمتغيرات عشوائية تم نمذجتها باستخدام توزيع (توزيعات) الاحتمالات المناسب على مدار وقت التشغيل الإجمالي.

وفي الواقع يجب أن يؤخذ عدم اليقين في انقطاع المكونات في الاعتبار فيما يتعلق بتشغيل النظام والتخطيط، كما تم التأكيد عليه بحيث يتكون نظام الطاقة الكهربائية من العديد من المكونات، بما في ذلك وحدات التوليد، كما وجميعها عرضة لأنواع مختلفة من الانقطاعات.

معالجة الأعطال الحاصلة في أنظمة توليد الطاقة الكهربائية

وعلى الرغم من أن وحدة التوليد قد تتعرض للانقطاع بسبب عطل قسري غير قابل للإصلاح بسبب انتهاء عمرها الافتراضي أو حالات فشل فادح غير متوقعة؛ فإن تركيز هذه الدراسة ينصب على الفشل القسري القابل للإصلاح خلال العمر التشغيلي العادي للمكون، كما يمكن نمذجة عمر أي وحدة توليد قابلة للإصلاح باستخدام دورة تشغيل تصاعدية كفونولوجية، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

أما عندما يتم تركيب وحدة التوليد في نظام ما؛ فمن المتوقع أن تعمل للوحدات الزمنية للوقت حتى الفشل (TTF1) قبل أن تفشل، كما ويتم إصلاحها للوحدات الزمنية التي تستغرق وقت الإصلاح (TTR1) وإعادتها للعمل من أجل ( TTF2) وحدات زمنية وما إلى ذلك، وبالمثل؛ فإنه يمكن نمذجة دورات التشغيل لنظام مكون من مجموعة من وحدات التوليد، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2) لنظام وحدة من مولدين كهربائيين.

كما يمكن تعريف توافر وحدة التوليد الكهربائي (a) على أنه احتمال تنشيط (تشغيل) الوحدة خلال فترة محددة، بحيث يمكن حساب التوافر على النحو التالي:

ومع ذلك وفي معظم دراسات الموثوقية لأنظمة الطاقة؛ فإنه يتم عادةً حساب التوافر وعدم توفر أي وحدة توليد من خلال تحديد معدلات الفشل والإصلاح من البيانات التاريخية، وغالباً ما يستخدم مفهوم مخطط مساحة الحالة لنمذجة حالة تشغيل الوحدة، كما يوضح الشكل التالي (3) مخططاً لمساحة الحالة لوحدة توليد ذات حالتي تشغيل – متاح (لأعلى) وغير متاح (أسفل)، حيث (λ) و (μ) هي معدلات الفشل والإصلاح على التوالي.

كما يمثل معدل الفشل (λ) لوحدة التوليد معدل انتقال الوحدة من حالة التوفر إلى حالة عدم توفرها، كما ويمكن العثور عليها باستخدام المعادلة التالية:

وبالنسبة لمعظم دراسات الموثوقية؛ فإنه عادة ما يتم التعبير عن معدل الفشل بعدد حالات الفشل في السنة، ومن ناحية أخرى؛ فإن معدل الإصلاح (μ) وهو معدل الانتقال من حالة عدم التوفر إلى حالة التوفر، وعادة ما يتم التعبير عنه بعدد الإصلاحات في السنة، كما يمكن إعطاء معدل الإصلاح (μ) لوحدة التوليد بواسطة المعادلة التالية:

كما يمكن أن يشتمل مخطط مساحة الحالة على المزيد من وحدات التوليد الكهربائي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (4) لنظام من وحدتين حيث لكل وحدة حالتي تشغيل، وفي الواقع يمكن أيضاً تعديل المخطط ليشمل المزيد من الوحدات والمزيد من حالات التشغيل والانتقالات.

آلية توافر وحدات التوليد الكهربائي من خلال التحليل

وفقاً للدراسات، تم قياس توفر وحدات التوليد باستخدام مجموعة من المعادلات التحليلية وتقنية محاكاة مونت كارلو (MCS)، بحيث تعد الصياغة الدقيقة لمخطط حالة الفراغ، وهي الخطوة الأولى والأكثر أهمية في النهج التحليلي، كما يعتمد حجم مخطط مساحة الحالة على عدد المكونات بالإضافة إلى عدد حالات التشغيل لكل مكون.

وبالتالي؛ فإن النهج التحليلي قابل للتطبيق فقط للأنظمة البسيطة والصغيرة، وذلك لأن هذا النهج لن يكون قابلاً للإدارة بالنسبة للأنظمة الكبيرة ومتعددة الحالات، ومن ناحية أخرى؛ تعد (MCS) أداة محاكاة قوية يسهل استخدامها أكثر من الأساليب التحليلية في قياس مدى توفر التطبيقات الكبيرة، بحيث يتضمن قياس مدى توفر نظام التوليد باستخدام (MCS).

وأخيراً اقترحت هذه الدراسة طريقة فعالة جديدة لتقييم مدى توافر نظام التوليد الكهربائي، وذلك باستخدام مفهوم محاكاة الأحداث المنفصلة، كما أثبتت الطريقة الجديدة أنها متفوقة في تقييم مدى توافر نظام التوليد لكل من التقنيات التحليلية وتقنيات (MCS) من حيث البساطة الحسابية.

أيضاً تم تقديم الطريقة المقترحة من خلال أربع مراحل رئيسية، بحيث كان تشغيل نظام توليد (IEEE RBTS) قيد الدراسة لتوضيح الطريقة المقترحة، كما تم إجراء تحليل كامل لنموذج المحاكاة من خلال أربع مراحل رئيسية، كذلك تم حساب المعلمات المطلوبة لوحدات التوليد في المرحلة الأولى.

وفيما ناقشت المرحلة الثانية إطار عمل البناء وإعداد نموذج المحاكاة، بحيث حددت المرحلة (3) كيف يمكن الحصول على توافر نظام التوليد رياضياً، كما تم إجراء تقدير إحصائي للخطأ في نتائج المحاكاة في المرحلة التي تليها، كما أشارت الملاحظة إلى خطأ ضئيل، وفي البحث المستقبلي؛ فإنه يمكن دمج نموذج الحمل الكهربائي في التحليل ليشمل حساب مؤشرات موثوقية حمل التوليد باستخدام نموذج (DES).