تطوير نموذج خاص لمحطة فرعية لأبحاث الشبكة الكهربائية

أهمية تطوير نموذج خاص لمحطة فرعية لأبحاث الشبكة الكهربائية

يؤدي اندماج المستشعرات والحوسبة المتطورة وعلوم البيانات ومنصات الحوسبة عالية الأداء وتقنيات المعلومات والاتصالات (ICT) إلى دفع كل مجال هندسي تقليدي إلى نموذج تشغيلي جديد قائم على البيانات، لذلك لن يكون للمرافق الكهربائية استثناء لمثل هذه الابتكارات لأنها تتبنى بشكل سريع دمج تقنيات المعلومات والاتصالات في أنظمتها.

كما يتم نشر غالبية أجهزة الاستشعار في أنظمة الطاقة في المحطات الفرعية، والتي تعمل كمصادر للبيانات، بحيث يتم استهلاك البيانات التي تم الحصول عليها بواسطة تطبيقات نظام إدارة الطاقة (EMS) في مراكز التحكم، وبالكاد يجد باحثو هندسة الطاقة إمكانية الوصول إلى المحطات الفرعية ومراكز التحكم لإجراء التجارب.

كما استلزم هذا تطوير أحواض اختبار فيزيائية مصغرة وأحواض اختبار محاكاة في الوقت الفعلي للأجهزة في جميع أنحاء العالم، كما تم تطوير اختبار الشبكة الذكية للبحث في مجال المراقبة والحماية والتحكم على نطاق واسع (WAMPAC) في مختبر أبحاث أنظمة الطاقة (ESRL) في جامعة فلوريدا الدولية، كما تم تطوير محاكي نظام الطاقة القابل لإعادة التكوين المستند إلى محول الطاقة الإلكتروني مع البنية التحتية للقياس والاتصالات في جامعة (تينيسي نوكسفيل).

أيضاً تمت ترقية محاكي الطاقة التناظرية (APS) وتشغيله آلياً لنشر نظام متعدد العوامل قائم على المناعة البشرية (MAS)، بحيث تمت مناقشة تطوير اختبار الشبكة الذكية لجزيرة جيجو (كوريا الجنوبية) على نطاق واسع، كما يتم تقديم اختبار الطاقة المنزلية الذكية، وذلك مع مصادر الطاقة المتجددة وإدارة جانب الطلب، كما تم تطوير العديد من قواعد الاختبار الأخرى لدراسة تأثير التكامل المتجدد في الشبكات الصغيرة.

كما تم بحث أتمتة المحطات الفرعية المقدم، كما يعتبر المحطة الفرعية كعقدة بسيطة، كذلك تم اقتراح نموذج محاكاة لنظام اختبار الموثوقية [IEEE (RTS)ٍ] المكون من (24) نقطة تفرع، وذلك مع التأكيد على أهمية نماذج قاطع الناقل على نماذج فرع الناقل، كما توضح فراش الاختبار المقدمة، وهو نظام أتمتة المحطات الفرعية القائم على (IEC 61850) مع تكوين قاطع أحادي ناقل واحد.

كما يتم استخدام نموذج مغذي شعاعي لمختبر الحماية، بحيث يتم إعادة إنتاج النموذج الأولي لمحطة فرعية حقيقية بجهد (110) كيلو فولت بمقياس (1/10)، وذلك باستخدام النماذج ثلاثية الأبعاد لمواد التشغيل ومعدات الطاقة للمحطة الفرعية، كما تستخدم معظم الفحوصات المختبرية الحالية الواردة في الدراسات ونماذج نقاط التفرع.

أي أنها تعتبر المحطة الفرعية كعقدة واحدة كما هو موضح في الشكل (1-b)، بحيث تُستخدم نماذج فرع التفرعات على نطاق واسع في دراسات التخطيط والتشغيل، كما يتم اشتقاق نماذج فرع الناقل من تكوينات قاطع ناقل المحطة الفرعية (قاطع العقدة)، وهي ترتيبات تنفيذ ميدانية فعلية، وذلك للنمذجة والتحليل المبسط. نماذج فرع الحافلات ليست مناسبة للدراسات المتعلقة بقاطع الدائرة الكهربائية.

تكوينات قواطع نقاط التفرع الكهربائية

تعتبر تكوينات (Bus-Breaker) هي هياكل تنفيذ عملية مستخدمة لتوصيل المكونات الكهربائية في المحطة الفرعية، كما أن هذه التكوينات تملي فلسفات الحماية الكهربائية، وهي تكوينات (CT / PT) المرتبطة، كذلك عدد مدخلات ومخرجات (SCADA) وموثوقية المحطة الفرعية.

كما يتم تطبيق العديد من ترتيبات قواطع التفرعات في المحطات الفرعية ذات الجهد العالي، بالإضافة الى ترتيبات المحطة الرئيسية مذكورة أدناه:

• نقطة تفرع واحدة – قاطع واحد (SBSB).

• ناقل مزدوج – قاطع واحد (DBSB).

• لوحة التفرع الرئيسية والنقل (MTB).

• قاطع ونصف (قاطع واحد ونصف) (BH).

• قاطع مزدوج للوحة التفرع المزدوجة (DBDB).

• (Ring bus – RB).

كما تستخدم غالبية المحطات الفرعية ذات الجهد العالي (132 كيلو فولت إلى 400 كيلو فولت) في الهند، حسب المخطط (4)، كما تستخدم معظم المحطات الفرعية في محطات الطاقة المخطط الثالث، أو مخطط ناقل النقل الرئيسي المزدوج المتغير (DMTB)، كما يستخدم مخطط (5) يستخدم في (765) كيلو فولت وما فوق المحطات الفرعية.

كما تصف الأقسام التالية نموذج المحطة الفرعية المستخدم في المختبر والذي يسمح بتحقيق أي من المخططات التي تمت مناقشتها أعلاه في محطة فرعية واحدة، كما أن هذا النموذج مقترح فقط لتطوير نموذج المحطات الفرعية الفيزيائية المصغرة للاستخدام المختبري.

حيث أن مدى ملاءمتها وقابليتها للتطبيق لتنفيذ المحطات الفرعية الحقيقية وأغراض النمذجة والمحاكاة خارج نطاق الدراسة، كما ينصب التركيز الأساسي على ترتيبات محطة (Bus-Breaker) وقاطع الدائرة (CB) والعزل ومضاهاة مفتاح الأرض وآليات التعشيق الخاصة بهم وترتيبات المحولات الحالية والمحتملة (CT- PT) والتشغيل المحلي عن بُعد للمحطة الفرعية والمزامنة.

نموذج المحطة الكهربائية الفرعية المعمم المقترح

يمثل الرسم التخطيطي أحادي الخط (SLD) لنموذج المحطة الفرعية المعمم المقترح لتنفيذ المختبر مبين في الشكل التالي (2)، بحيث يحتوي نموذج المحطة الفرعية على ثلاث حافلات محددة كـ (Bus-1) و (Bus-2) و (Transfer Bus)، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (2)، حيث أن هناك (8) فتحات مرتبطة بـ (8) قواطع دوائر مستخدمة في نموذج المحطة الفرعية المعمم.

كما أنه يخدم أربعة مغذيات والخلجان المقابلة مصممة على أنها (Bay-1 ، Bay-3 ، Bay-4 ، Bay-6)، بحيث يتم تعريف (Bus coupler-Bay) للتوصيل الكهربائي لـ (Bus-1 ، Bus-2) على أنه (Bay-7)، كما تم تحديد خليج قارنة التوصيل للحافلة للتوصيل الكهربائي (للتفرع-1) أو (التفرع -2) بتفرع النقل، وذلك باسم النقطة (Bay-8)، كما تمثل (Bay-2) و (Bay-5) فتحات التكسير الأوسط لتحقيق مخططات الكسارة ونصف.

كما تستخدم الرموز القياسية (89) للعزل، (PT) للمحول المحتمل، (CT) لمحول التيار الكهربائي و (52) لقاطع الدائرة (CB)، في (SLD. 89L)، بحيث يمثل خط المعزل، كما يشير الرقم الموجود قبل هذه الرموز إلى رقم الفتحة المقابل، كما يمثل الحرف (E )في نهاية رقم المعزل (89) مفتاح التبديل الأرضي المقابل.

وأخيراً قدمت هذه الدراسة نموذجاً واقعياً ومحطة فرعية معمماً واقعياً فريداً لأبحاث الشبكة الذكية والتعليم في المختبر، كما يمكن إعادة تكوين نموذج المحطة الفرعية المقترح لتحقيق أي تكوين عملي لقضيب النقل وترتيبات التصوير المقطعي المرتبط، بحيث تمت مناقشة نهج للحصول على ترتيبات مختلفة لشريط الحافلات في محطة فرعية واحدة.

كما يتم محاكاة قواطع الدائرة والعوازل المرتبطة بها باستخدام الموصلات، أيضاً يتم توفير المخصصات لتشغيل العصابات والتشغيل أحادي القطب من (CBs)، بحيث تم تنفيذ منطق التعشيق المتبع في هذا المجال لتقليد عملية محطة فرعية واقعية في المختبر، كما تم تصميم لوحة اتصال الهيكل لتمكين تحقيق طوبولوجيا نظام الطاقة المختلفة.

كذلك تم تركيب ست لوحات فرعية، بأربع مغذيات (سعة 65 أمبير ، 415 فولت) لكل لوحة في المختبر، أيضاً يتم توفير وصف تفصيلي لخصائص إعادة التكوين ومنطق التحكم المستخدم في التنفيذ، كما يهدف التصميم المقترح إلى سد الفجوة بين الممارسات الميدانية والبحث الأكاديمي.

أيضاً سيمكن نموذج المحطة الفرعية المعمم المقترح الباحثين من تجربة والتحقق من صحة معظم نتائج البحث، والتي لا يمكن التحقق منها عمليًا في أنظمة الطاقة الحقيقية، كما يأمل الباحثون أن تزيد هذه المرافق في المؤسسات البحثية من مصداقية البحث الأكاديمي وتمكن الصناعات من اعتماد التقنيات بشكل أسرع.