لتقييم اتزان شبكات الكهرباء.. نظام مصري مستحدث لاكتشاف التأرجح في الطاقة

داليا الهمشري

2024-05-23

0 1٬124

الأستاذ بقسم القوى والآلات الكهربية في كلية الهندسة بجامعة عين شمس الدكتور محمد الشيمي

تتعرض شبكات الكهرباء لعدد من التحديات التي تهدد سلامتها وتغذية الأحمال المتصلة بها، مثل مشكلة التأرجح في الطاقة، وما ينتج عنها من فقدان محتمل للتزامن بشبكة القدرة الكهربية.

لذا حظيت هذه المشكلة بقدر كبير من الاهتمام خلال الأعوام السابقة؛ لتجنّب حدوثها وتلافي آثارها بالمنظومة الكهربية، والاقتصاد عمومًا.

وفي هذا الإطار، توصّل باحثون مصريون من جامعة عين شمس إلى نظام مُستحدث -اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)- لاكتشاف التأرجح في الطاقة، وتقييم الاتزان في شبكات القدرة الكهربية باستعمال تقنية "إنترنت الأشياء".

وشارك في إعداد هذه الدراسة من كلية الهندسة بجامعة عين شمس كل من المهندس إيهاب أحمد المتولي رئيس قسم الاتصالات والأتمتة بشركة بجيسكو للخدمات والاستشارات الهندسية (PGESCO)، والأستاذ المساعد بقسم القوى والآلات الكهربية الدكتور محمود عبد الله عطية، والأستاذ الدكتور بقسم القوى والآلات الكهربية الدكتور محمد الشيمي محمود.

اضطرابات في تدفق الطاقة

قال الأستاذ بقسم القوى والآلات الكهربية في كلية الهندسة بجامعة عين شمس الدكتور محمد الشيمي، إن الأعطال وبعض الإجراءات التشغيلية أو الوقائية -مثل فصل وتوصيل الخطوط وتغيرات الأحمال المفاجئة وخروج المولدات وغيرها من الإجراءات الشائعة والحتمية في أنظمة الطاقة- قد تؤدي إلى اضطرابات مفاجئة في تدفّق الطاقة.

وأضاف الشيمي -في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة- أن هذا التأرجح في الطاقة ينتشر اعتمادًا على طوبولوجيا الشبكة، و يؤثّر بالتبعية في التشغيل المتزامن للمولدات المتأرجحة؛ ما يؤدي في النهاية إلى حدوث ظاهرة انزلاق قطب المولد (Pole slipping).

وتابع أن هذه الأحداث -عادةً- ما تجري في غضون مدة زمنية قصيرة.

واستطرد قائلًا، إنه وفقًا لمخطط الوقاية التقليدي المُطبَّق -حاليًا- في معظم محطات توليد الكهرباء، فقد يتفاعل جهاز الوقاية من انزلاق القطب الخاص بالمولد مع هذا التأرجح، ويفصل ذلك المولد.

وأوضح أن هذا الإجراء الموضعي قد يؤدي إلى تقسيم الشبكة في مواقع محددة مسبقًا (تحددها دراسات الاتزان) إلى عدّة شبكات مصغرة مستقلة (جزر) في أسرع وقت ممكن؛ وذلك لمنع حدوث إظلام شامل إذا استمر التشغيل غير المتزامن للشبكة.

شبكات الكهرباء

نظام وقاية متقدم

أشار الشيمي إلى أن استعمال نظام وقاية متقدم مبني على شبكة اتصالات ذات نطاق واسع (WAN) يمكن أن يوفر إجراءً أقل حدّة من فصل المولد مباشرة وتعريض الشبكة لخطر الانقسام إلى جزر، ومن ذلك، على سبيل المثال: إجراء فصل خط من خطوط نقل الطاقة.

ولفت إلى تقنية WAN المتقدمة التي يمكن أن تحقق هذه الإجراءات الانتقائية؛ لأنها تتمتع بخاصيتين مهمتين، هما: المراقبة الآنية لحالة اتزان المولدات المتصلة بشبكة الكهرباء، والكشف السريع عن المولدات غير المتزنة لإعطاء الوقت الكافي بعد اكتشاف عدم الاتزان الوشيك لاتخاذ الإجراءات التصحيحية.

إلّا أنه أوضح أن أن أنظمة WAN القائمة والمتمثلة في تقنيات WAMS/WAMPAC تعاني من بعض القيود التنفيذية؛ ولذا نفّذ الفريق البحثي نظامًا مُستحدثًا يسعى إلى التغلب على قيود تقنيات WAMS/WAMPAC WAN القائمة.

ويوضح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- حزم GOOSE packets المنطلقة من جهاز قياس IED الموصل بالمولد المتأرجح، إذ يتناسب معدل إرسال الحزم مع معدل تغير زاوية جهد المولد:

حزم بيانات بروتوكول الحدث العام لمحطات الكهرباء

النظام المُستحدث

نجح الباحثون المصريون في التغلب على قيود التقنيات السابقة من خلال إنشاء مفهوم التقدير غير المتزامن للتغير في زاوية جهد طرف المولد، ليوفر بديلًا للأسلوب التقليدي للتقدير المتزامن للقيمة المطلقة لزاوية جهد المولد والمطبّق في أنظمة WAMS/WAMPAC.

ومن ثم، فإن وحدات قياس متجه الجهد PMU المُستعمَلة في هذه الأنظمة -التي تعتمد على القياسات المتزامنة للزاوية المطلقة- أصبحت غير مطلوبة أساسًا في النظام المستحدث.

وهذا يشكّل سمة رئيسة في القيمة الاقتصادية لذلك النظام، إذ سيكون من السهل الاستفادة من أجهزة القياس الإلكترونية IEDs الموجودة فعليًا في محطات توليد الطاقة، التي تقيس عادة جهد أطراف المولدات.

إلى جانب ذلك، فإن النظام الجديد سيجعل من السهل الاستغناء عن متطلبات التزامن في كل محطة، مثل توفير اتصال مباشر بالأقمار الصناعية، للحصول على الزمن المرجعي، مثل نظام GPS.

الكشف عن التأرجح

من خلال النظام المستحدث، سترسل أجهزة IEDs معلومات تغيير الزاوية من خلال بروتوكول "الحدث العام لمحطات الكهرباء" (GOOSE) أو (R-GOOSE) العالي السرعة إلى جهاز IED مركزي للكشف عن التأرجح وتقييم الاتزان.

لذلك، تتبنى الطريقة المُستحدثة نهجًا جديدًا يستعمل -لأول مرة- الخصائص الأساسية لبروتوكولات اتصالات شبكة البيانات بدلًا من تطبيق خوارزميات رياضية متباينة ومعقدة، كما هو مستَعمَل في تقنيات WAMS/ WAMPAC الحالية.

وبناءً على ما سبق، سيمهّد النظام المُستحدث الطريق لتوحيد عملية تقييم الاتزان واستعمال شبكات حزم البيانات الحديثة بسرعات تبلغ 100 ميغابايت/ثانية أو 1 غيغابايت/ثانية بدلًا من تقنية (Time Division Multiplexing TDM) المتقادمة، التي تُستعمَل غالبًا في اتصالات وحدات PMU؛ ما يساعد على سرعة اكتشاف التأرجح قبل وصوله إلى مرحلة عدم الاتزان.

وفي النظام المستحدث، يمكن استعمال شبكة خاصة واسعة النطاق (WAN) القائمة والمملوكة لمشغّلي شبكة الطاقة، أو شبكة WAN عامة (مثل إنترنت الأشياء) لنقل حزم بيانات GOOSE أو R-GOOSE.

ويوضح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- النظام المُستحدث منفّذًا على شبكة 5G الخلوية:

النظام المُستحدث منفذًا على شبكة 5G الخلوية

اتصال عالي الجودة

قال الدكتور محمد الشيمي -خلال تصريحاته إلى منصة الطاقة-، إن استعمال شبكات حزم البيانات الخاصة (PDNs) يُعدّ الاختيار المُفضل، والأكثر تحكمًا لتبادل المعلومات المهمة والحرجة التي ينقلها بروتوكول "الحدث العام لمحطات الكهرباء" GOOSE أو R-GOOSE.

إلّا أن تقنية إنترنت الأشياء (IoT) جعلت بالإمكان توفير اتصال عالي الجودة بين محطات توليد الكهرباء البعيدة، بطريقة أوفر اقتصاديًا.

فعلي سبيل المثال: تحقق تقنية GOOSE القائمة على الإيثرنت عبر مركز شبكة 5G (EoGRE) المتطلبات الصارمة لقِصَر زمن التراسل لبروتوكول GOOSE بشكل جيد.

لذلك، يمكن تطبيق تقنية EoGRE لنقل رسائل GOOSE عبر شبكات الجيل الخامس الخلوية 5G في اكتشاف التأرجح وتقييم الاتزان، ولكن يبقى الحاجز المهم الذي يجب أخذه في الحسبان، وهو: التنفيذ المتكامل لشبكات 5G في مناطق المحطات التي تُطبّق نظام تقييم الاتزان الجديد.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..