مراحل التطور الهندسي لشبكة النقل والتوزيع الكهربائية

كان الاتجاه لجهود إرسال ونقل التيار المتردد في العالم يقع ضمن مشاكل ومعضلات كبيرة، كما وأثارت التطبيقات المبكرة في ثمانينيات القرن التاسع عشر شكوكاً حول إمكانية استخدام الإرسال لمسافات طويلة تصل الى مئات الكيلومترات لمزامنة المولدات الكهربائية الكبيرة والمرتبطة معاً.

الجانب الهندسي والمراحل الأولى لشبكة النقل والتوزيع الكهربائية

في أوروبا وأمريكا الشمالية، ثبت أن القلق لا أساس له من الصحة إلى حد كبير، حيث وصلت الفولتية العامة للإرسال المبدئي إلى (200) كيلو فولت وما بعده بحلول عام (1929)م، كما وصل نقل التيار المباشر إلى مستويات مماثلة بحلول الثمانينيات، حيث أن هناك مفاضلة محتملة بين مزايا نقل الطاقة السائبة باستخدام تقنيات فئة (1000) كيلو فولت والتأثير على نظام التشغيل المتزامن عند فقدان دائرة نقل عالية السعة، على سبيل المثال، تتجاوز (1) جيجا واط.

أيضاً يبدو أن تحليل تكلفة الفائدة لتقنيات الجهد العالي وفحص الشكل التالي يعني أنه يمكن الوصول إلى حد هندسي عملي بالقرب من (1.2) ميجا فولت، وحالياً يتم تقديم أمريكا الشمالية من خلال أربع شبكات تيار متردد كبيرة متزامنة مع روابط (DC) (غير متزامنة) منخفضة السعة نسبياً بين هذه الشبكات، كذلك التوصيل البيني الغربي والتوصيل الشرقي وربط منطقة “كيبيك” وتكساس الترابط في أوروبا، كما ترتبط غالبية القارة بشكل متزامن بمعدل (50) هرتز.

في عام (2010)م كان هناك إعادة مناقشة للحجم الأمثل لربط التيار المتردد، ونظراً لأن الأداء الديناميكي يمثل مشكلة في أنظمة التيار المتردد؛ يعتقد البعض أنه قد تكون هناك قيمة في فصل الأنظمة الكبيرة المترابطة، على الأقل أثناء حالات الطوارئ المحتملة، كما أدى تنفيذ تسويق الطاقة غير المقيد والتكلفة العالية للتيار المتردد والتيار المستمر والتيار المتردد الخلفي العكسي، وذلك بين الشبكات غير المتزامنة إلى استمرار الممارسة الحالية لتشغيل الشبكات المتزامنة واسعة النطاق.

بداية تكنولوجيا النقل والتوزيع الكهربائي عبر التاريخ

يستحق ناقل الحركة عالي الجهد DC (HVDC) اهتماماً خاصاً، بحيث تم الترويج لهذه التكنولوجيا في ثلاثينيات القرن الماضي في أوروبا بواسطة (ASEA)، كذلك يمكن رؤية ميزة التيار المستمر بشكل أفضل في الدوائر الهوائية لمسافات طويلة وأيضاً في الدوائر الغاطسة وتحت الأرض، (حيث يمكن أن تكون سعة الكابلات مشكلة في الفولتية العالية للإرسال).

كما تم إثبات هذه التقنية في الخمسينيات من القرن الماضي في روسيا وتطورت إلى مشاريع بعيدة المدى كبيرة جداً، وفي عام (2012)م؛ فإنه من المتوقع أن تكون دائرة (HVDC) العلوية في البرازيل في نطاق (7) جيجاوات وتمتد لأكثر من (2500) كيلومتر، أيضاً تم تنفيذ تصميمات مبتكرة في الكابلات الكهربائية فائقة التوصيل، ومن وجهة نظر هندسة أنظمة الطاقة كانت التحديات الرئيسية في إدارة تدفق الحلقة.

وفيما بعد تم إيلاء اهتمام كبير لتقنيات هندسة النقل في القرن الأول للكهرباء، ولكن في السنوات الأخيرة كان هناك اعتراف بمستوى الاستثمار في نظام توزيع الطاقة، وبشكل عام تقوم شبكة النقل بتنشيط العديد من شبكات الإرسال الفرعية في فئة (69-138) كيلو فولت، كذلك تعمل أنظمة النقل الفرعي هذه على تنشيط العديد من المحطات الفرعية التي يتم فيها تحويل الجهد إلى جهد التوزيع.

أيضأً تطورت جهود التوزيع من بضعة كيلوفولت إلى حوالي (15) كيلوفولت في سبعينيات القرن الماضي، ويُنظر الآن في ترقية العديد من دوائر (15) كيلوفولت إلى حوالي (37.5) كيلوفولت، بحيث يُستشهد ببعض مجالات الاهتمام المعاصرة في هندسة توزيع الطاقة، وهي:

• استخدام الضوابط الإلكترونية.

• تكامل موارد التوليد الموزعة وخاصة مصادر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

• الابتعاد عن هندسة التوزيع الشعاعي التقليدية إلى الأنظمة الأولية المتصلة بالشبكة، وكذلك الأنظمة الثانوية المتصلة بالشبكة الكهربائية.

• تكامل الأحمال الجديدة وخاصة أحمال المركبات الكهربائية.

• تطوير بنى تحتية جديدة للتسعير لتعزيز التقنيات المستدامة وتكامل الموارد.

• استخدام مواد جديدة بما في ذلك العزل والمواد العازلة.

• استمرار وتوسيع الجهود في إدارة جانب الطلب.

• تحسين وإدارة الموثوقية.

عمليات التحكم والتشغيل في أنظمة الطاقة الكهربائية

نتج عن الابتكارات في الأتمتة المرتبطة بعمليات نظام الطاقة والتحكم فيه أهم التطورات والتحسينات في الشبكة الكهربائية في الثلاثين عاماً الماضية، ومع ظهور أجهزة الكمبيوتر الرقمية ذات الإطار التجاري الرئيسي؛ بدأ عصر التطورات الرئيسية في تطوير نظام إدارة الطاقة (EMS) والتحكم الآلي في نظام الطاقة السائبة، كما تتضمن المبادئ التوجيهية لتشغيل نظام الطاقة والتحكم فيه ما يلي:

• موازنة توليد الطاقة والطلب بشكل مستمر.

• موازنة العرض والطلب على الطاقة التفاعلية للحفاظ على الفولتية المجدولة.

• مراقبة التدفقات عبر خطوط النقل والمرافق الأخرى لضمان عدم تجاوز الحدود الحرارية.

• الحفاظ على استقرار النظام الكهربائي.

• تشغيل النظام الكهربائي بشكل موثوق حتى في حالة حدوث طارئ، مثل فقدان مولد رئيسي أو مرفق إرسال (معيار N 1).

• الاستعداد لحالات الطوارئ.

ومن أجل الالتزام بهذه المبادئ التوجيهية؛ يشتمل نظام (EMS) الحديث على المكونات التالية، وهي جمع المعلومات ومعالجتها والقرار والسيطرة الخاصة بتكامل النظام.

المقاييس الزمنية الخاصة بإدارة التشغيل والتحكم بالطاقة الكهربائية

هناك تفاصيل إضافية عن عناصر نظام الإدارة البيئية الحديث في الشكل التالي، حيث تم وصف المقاييس الزمنية لمختلف وظائف (EMS)، كما يتم تجميع العناصر المختلفة حسب لون التدرج الرمادي ونمط الخلفية المرتبط، كذلك ستتم مناقشة العناصر الفردية المختلفة في الشكل التالي بشيء من التفصيل، وهذه العناصر هي في المقام الأول أدوات تحليلية عالية التخصص والتي تم تطوير برامج مهمة وتقنيات التحليل العددي لها.

كذلك تطورت هذه الأدوات وتحسنت من حيث التطور والكفاءة على مر السنين. عامل رئيسي آخر أدى إلى تطورات جديدة مهمة في أدوات (EMS) هو ظهور أسواق الكهرباء في العديد من البلدان حول العالم، كما تم تطوير العديد من الأدوات التحليلية الجديدة للمساعدة في تشغيل نظام الطاقة في بيئة السوق.

كما يمكن تصنيف المبادئ التوجيهية لتشغيل نظام الطاقة المحددة سابقاً إلى فئتين رئيسيتين:

• عمليات إرسال قدرة المولد الكهربائي في الوقت الفعلي.

• عمليات الإرسال في الوقت الحقيقي.

تتضمن عمليات الإرسال العديد من الأنشطة التي يتم إجراؤها بالتوازي على أساس مستمر، وذلك على مدار (24) ساعة في اليوم ويمكن تجميعها في ثلاثة أطر زمنية متداخلة: إعادة جدولة موارد التوليد، كذلك جدولة موارد التوليد وإرسال موارد التوليد. مع ظهور العمليات القائمة على السوق، بحيث تعمل العديد من الكيانات التشغيلية أيضاً كمشغل للسوق.

وبالتالي؛ فإن الكيان التشغيلي يتحمل مسؤولية إجراء المزادات للتأكد من وجود موارد توليد كافية لليوم التالي، بحيث يتم ذلك عادةً باستخدام سوق اليوم الذي يتم فيه إجراء المزادات بناءً على توقعات كل ساعة للحمل في اليوم التالي، ولكل ساعة في اليوم التالي؛ يحصل مشغل السوق على عروض شراء وبيع عطاءات ومطابقتها للحصول على سعر مناسب.

وأخيراً يشمل مستقبل هندسة الطاقة تحديات مصادر الطاقة الأساسية وكذلك في التطور التكنولوجي للتحكم في الطاقة الإلكترونية، وعلى وجه الخصوص تم تحديد المجالات المتعددة ومنها تطوير تخزين الطاقة على نطاق واسع قابل للتطبيق، كذلك التحكم الفعال في الأحمال الكهربائية، وهي تنمية الموارد المتجددة على نطاق واسع لتحقيق قدر من الاستدامة في جميع أنحاء العالم.