التوزيع الإشعاعي في محطة الطاقة للتصميم على الموازنة بين التعبئة والاعتماد

Understanding Radial Distribution in Power Grids

إن تصميم شبكة الكهرباء هو العمود الفقري للحضارة الحديثة، وضمان أن تتدفق الكهرباء من مصادر توليد إلى المنازل والأعمال التجارية والصناعات، ومن بين مختلف تشكيلات شبكات التوزيع، يبرز نظام التوزيع الإشعاعي بوصفه أحد أهم التحديات الأساسية والمعتمدة على نطاق واسع، ويجعله البساطة، وانخفاض التكلفة، وسهولة العمليات، خياراً مفضلاً لكثير من المرافق، لا سيما في المناطق الريفية والمناطق الواقعة تحتها، ومع تزايد الطلب على الطاقة الكهربائية وات الشبكات أكثر تعقيداً.

وفي شبكة توزيع نصف قطري، ترتبط كل نقطة حمولة بمصدر واحد أو بطعام واحد، وتشكل هيكلا شبيها بالشجرة، وتتدفق الطاقة في اتجاه واحد: من تحت الأرض عن طريق المغذيات الرئيسية، والأفقية، والخدمات التي تنهي المستهلكين، وهذا التدفق غير المباشر يبسط تنسيق الحماية وموقع الخطأ، ولكن نظرا لوجود طريق واحد فقط من المصدر إلى الحمولة، فإن أي خطأ على امتداد هذا المسار يمكن أن يقطع الخدمة إلى جميع العملاء في المراحل السفلية.

مزايا نظم التوزيع الإشعاعي

التكلفة - الأثر

ويتطلب التشكيل الإشعاعي عددا أقل من الموصلات، والمفاتيح، والأجهزة الواقية مقارنة بالشبكات المتطورة أو المشرقة، مما يقلل مباشرة من الإنفاق الرأسمالي على الهياكل الأساسية، كما أن تكاليف الصيانة أقل لأن البساطة في النظام تعني عددا أقل من العناصر اللازمة للتفتيش والاختبار والاستعاضة عنها، أما بالنسبة للمرافق التي تعمل في إطار ميزانيات ضيقة، فإن التوزيع الإشعاعي يظل خيارا جذابا اقتصاديا.

هاء - سهولة التشغيل وإدارة الخزنة

والكشف عن الفشل في نظام إشعاعي هو أمر مباشر: فعندما يحدث خطأ، يعمل جهاز الحماية المفرط في الاتساع على تشغيل هذا المغذي، ويعزل القسم المعطل، ويمكن للمشغلين أن يحددوا المنطقة المتضررة بسرعة لأن المسار الحالي هو خط، وكثيرا ما يكون إعادة الخدمة للأقسام غير المتضررة بسيطا أو آليا، مما يقلل من تكاليف الكسر في المجرى.

المرونة والتوسيع

ومن السهل نسبيا إضافة حمولات جديدة إلى شبكة مشعة، ويمكن استغلال جزء جديد من المغذي الحالي، وإنشاء محول جديد للتوزيع، لأنه ليس نظاما مترابطا بدرجة كبيرة، يمكن إجراء تغييرات دون التأثير على تنسيق الحماية للشبكة بأكملها، مما يجعل التوزيع الإشعاعي ملائما بشكل خاص للمجتمعات المحلية المتنامية حيث يزداد الطلب على هذه الشبكة بطريقة يمكن التنبؤ بها وعلى نطاق صغير.

التحديات في التوزيع الإشعاعي: تحقيق التوازن بين القروض والقابلية للاعتماد

صعوبات تحقيق التوازن

وفي شبكة مشعية، يمكن أن تتباين الحمولات على مختلف المغذيات اختلافاً كبيراً مع مرور الوقت، وقد يرى المغذي الذي يخدم منطقة سكنية ذروته في المساء، بينما يقدم أحد المتنزهات الصناعية ذروته خلال اليوم، وبدون إدارة نشطة، يصبح بعض المغذيات أكثر من طاقتها بينما يُستخدم الآخرون استخداماً ناقصاً، ويعاني المغذيون الذين يكثرون من حجمهم من خسائر كبيرة، ويعانون من انخفاضات، ويزيدون من حيث الحجم، ويزدادون من حيث الحجم، ويزدادون من حيث سوء الاستخدام.

الخصومات الموثوقة

فالطبيعة الوحيدة التي يكتنفها التوزيع الإشعاعي تجعله في جوهره أقل موثوقية من النظم المزودة بالشبكة أو الموزعة على الشبكة، والعمود المخفض أو خطأ الكابل أو فشل المحولات يمكن أن يُستبعد مئات أو آلاف العملاء إلى أن يتم إصلاحها، وتحسن مقاييس الموثوقية مثل مؤشر متوسط درجة التداخل في التصميم، ومؤشر الترددات في نظام SAIFI (متوسط معدلات التداخل) في كثير من الأحيان.

التسرب من التربة ونوعية الطاقة

إن انخفاض حجم المغذيات الطويلة هو مسألة شائعة، فمع أن حجم التدفقات الحالية من خلال خط الارتداد ينخفض تدريجيا، وفي نهاية المطاف، يمكن أن ينخفض الفولط إلى ما دون النطاق المقبول (النسبة المئوية من الاسمية) مما يؤثر على بدء السيارات، والإضاءة، والحمولات الإلكترونية الحساسة، كما أن مشاكل نوعية الطاقة مثل التناسق والحمولة يمكن أن تتفاقم في الشبكات الموازية

استراتيجيات تحقيق التوازن في القروض في الشبكات الرمادية

إعادة تنظيم الأطعمة

وتشمل إعادة تشكيل المغذيات تغيير طبوغرافية الشبكة بفتح أو إغلاق المفاتيح لنقل الحمولات من مغذيات ثقيلة إلى أجهزة محشوة خفيفة، ويمكن القيام بذلك يدويا أثناء الصيانة المقررة أو عن طريق مفاتيح التبديل التي تخضع للمراقبة عن بعد، والهدف هو تحقيق المساواة في تحميل المغذيات وخفض الخسائر في النظم، كما أن أفضل طريقة ممكنة لتحديد نظم التوزيع الجينية أو نظم التبديل المثلى.

تنظيم مواقع البث والتخطيط

ومن الضروري تحقيق التوازن بين التنبؤ الدقيق بالشحن، ومن خلال تحليل البيانات التاريخية والأنماط الجوية والنمو الاقتصادي، يمكن للمرافق أن تتوقع زيادة الحمولة، وعندها يمكن أن تخطط لإضافة مغذيات جديدة، أو تحسين الموصلات، أو تركيب مصارف أكبر في المناطق التي يتوقع أن تصبح أكثر تحميلا، كما أن التخطيط الطويل الأجل ينطوي على النظر في دمج موارد الطاقة الموزعة (الأجهزة المقسمة) مثل التدفقات الشمسية.

Capacitor Banks for Voltage Support and Power Factor Correction

ويمكن للمصارف التي تقوم بالصيد أن تُحسن من صور التطاير وأن تقلل من تدفقات الطاقة التفاعلية، مما يقلل من حجم المغذي ويزيد من قدرته على نحو فعال ويقلل من الخسائر، ويمكن تحديد أو تحويل المكثفات المتحولة تلقائياً إلى ظروف التحميل المتغيرة، كما أن الإيداع السليم هو أمر بالغ الأهمية يمكن أن يتسبب فيه عدد كبير من المكثفات في زيادة الضغط على الحمولات الخفيفة، بينما لا يمكن أن يؤدي انخفاض عدد المكثفات إلى تصحيحه بصورة فعالة.

نظام إدارة القروض الآلي

(ج) تدمج أجهزة الاستنشاق المتقدمة في نظام التشغيل الآلي للتوزيع أجهزة الاستشعار ووحدات المحطات الطرفية النائية، وبرمجيات المراقبة لرصد ومراقبة الحمولات في الوقت الحقيقي، وتوفر أجهزة القياس الذكية بيانات استهلاكية مفصلة، تتيح للمرافق تنفيذ برامج الاستجابة للطلب، ويمكن للمرافق خلال فترات الذروة أن تضيف حمولات غير حرجة (مثل سخانات المياه ومكيفات الهواء) إلى التوازن بين النظام، وهذا النهج لا يوازن أيضاً حمولات البنية التحتية.

تعزيز الموثوقية في نظم التوزيع الإشعاعي

تغذوية احتياطية وشاحنات

ومن أكثر الطرق فعالية لتحسين الموثوقية تركيب خطوط ربط تربط بين المغذيات المتاخمة، وفي الظروف العادية، تكون هذه الروابط مفتوحة؛ وعندما يحدث خطأ على مغذي واحد، يمكن إغلاق ربطة العنق لاستعادة القدرة الصحية من مصدر بديل، مما يحول نظام الإشعاع إلى حلقة " مفتوحة عادة " ، مما يوفر فائضا دون تحميل كامل لثغرة مغلقة.

مخططات الحماية: موزعو الأقسام والمسجلون

فالأقسام هي أجهزة تعزل الأجزاء المعطلة من المغذي تلقائياً، وهي تعمل جنباً إلى جنب مع أجهزة الاسترجاع، التي تشكل قطعاً دائرياً تتراجع تلقائياً بعد خطأ مؤقت، كما أن مخططاً نموذجياً هو: التراجع، والفحص إذا كان الخطأ قد طفح (مثلاً، فرع شجرة يسقط على خط) وتراجعاً، وإذا ما استمر التوزيع، فإن الرافعات تُفتح مرة أخرى.

Smart Grid Technologies and Real-Time Monitoring

كما أن نشر أجهزة الاستشعار في نقاط رئيسية على طول أجهزة الإطعام (مثل أجهزة الرصد الخطي، ومؤشرات الدوائر المعطلة) يعطي المشغلين مكانة بارزة في ظروف النظام، كما أن البيانات المتعلقة بالفولط والتيارات ونوعية الطاقة تتيح الكشف المبكر عن الظروف الشاذة، ويمكن للمحللين المتقدمين أن يتوقعوا حدوث إخفاقات في المعدات قبل أن يتسببوا في حدوث انقطاعات، ومن ذلك مثلاً أن يؤدي رصد درجة حرارة النفط المحولات وتحميل التاريخ إلى الفشل.

التوليد الموزع والموجات الدقيقة

ويمكن أن يؤدي دمج المولدات الموزعة (السول والريح وأجهزة الديزل) على طول جهاز تغذية مشع إلى تحسين الموثوقية إذا تم تشكيله على النحو المناسب، وفي أثناء انقطاع الشبكة، يمكن للمولد المحلي أن يشكل جزيرة، وأن يوفر الطاقة للحمولات الحرجة، غير أن ذلك يتطلب الكشف عن مسارات الجزر، وحماية الأراضي، والضوابط اللازمة للحفاظ على الفول والتواتر.

مقارنة مع مواضيع التوزيع الأخرى

نظم لووب (الرنق)

وفي نظام للثغرات، يتم ترتيب المغذيات في حلقة مغلقة بحيث يمكن توفير كل حمولة من اتجاهين، وهذا يضاعف من الموثوقية لأن الخطأ من جانب واحد معزول تلقائيا، ويمكن أن تتدفق الطاقة من جهة أخرى، كما أن نظم الحفريات تميل إلى تحسين صور الفولط والخسائر الأقل بسبب تقاسم حمولة أكثر توازنا، كما أن المفاضلة هي تكلفة أعلى بالنسبة لسلوك إضافيين ومتحولين، فضلا عن تنسيق للحماية أكثر تعقيدا (مسافات متتالية).

الشبكة (منتهية)

وفي شبكة مائية، يترابط العديد من المغذيات في نقاط متعددة، ويشكلون شبكة داخل نظام التوزيع، ويوفر هذا أعلى مستوى للموثوقية والدعم بالفولط، وتشترك الشبكات في مناطق حضرية كثيفة حيث تكون كثافة الحمولة مرتفعة وتزيد تكاليفها (مثلاً، المناطق المالية)، وتظل أوجه القصور الرئيسية مرتفعة التكلفة، وموقعاً معقداً، والحاجة إلى حماية متطورة (مثلاً، حماية الشبكات).

التجمعات الانتقائية الأولية والاختيارية الثانوية

وهذه هي مخططات الهجين التي يتم فيها توفير حمولات حرجة عن طريق موصلين مستقلين للتغذية الإشعاعية (اقتراح أولي) أو محولين مع مفاتيح نقل تلقائية (اقتفاء ثانوي)، وهي توفر موثوقية عالية لزبائن معينين دون تحويل النظام بأكمله إلى مشرق، وكثيرا ما يستخدم هذا النهج في المرافق الصناعية والهياكل الأساسية الحيوية، ويعني ذلك، في المقابل، أن نشر مسارات زائدة عن الحاجة بصورة انتقائية لا يحدث إلا عند الحاجة.

الاتجاهات والابتكارات المستقبلية في التوزيع الإشعاعي

Microgrid Integration

ومع انتشار شبكات المايكريدز، ستستخدم نظم التوزيع الإشعاعي بشكل متزايد كقاعدة خلفية لمجتمعات الطاقة المحلية، وسيدير المتحكمون المتقدمون الوصل بين الشبكة الرئيسية والشبكة الصغرى، مما سيسمح بالانتقال السلس بين الوسائط المترابطة بالشبكات والطرق الجزرية، وسيتطلب ذلك بروتوكولات جديدة للاتصالات وأجهزة إلكترونية للطاقة للحفاظ على الاستقرار.

الاستخبارات الفنية للعمليات الافتراضية

ويمكن لنماذج التعلم من الآلات تحليل كميات كبيرة من البيانات التاريخية والبيانات في الوقت الحقيقي للتنبؤ بأنماط الحمولة، وفشل المعدات، والمواقع المعطلة، مثلا، يمكن للشبكة العصبية التي يتم تدريبها على التواريخ الخاطئة وبيانات الطقس أن تقدر احتمال حدوث خطأ في الاتصال بالشجر قبل حدوثه، ويمكن أن يشير التدرج الأمثل في القائمة على المعلومات إلى أفضل تسلسل لتغيير الحمولة بعد حدوث خطأ، مما يقلل من أوقات الاستعادة، وستصبح هذه الأدوات موحدة في نظم إدارة التوزيع المتقدمة.

Solid-State Transformers and Power Electronics

ويمكن للمتحولين من الدول الصلبة أن يتحكموا بصورة دينامية في تدفق الطاقة والكهرباء في شبكة مشعة، ويمكنهم أيضا أن يوفروا وصلات من البلدان النامية لدمج الطاقة الشمسية وخزن البطاريات، ويمكن للمرافق، من خلال الاستعاضة عن المحولات التقليدية الأساسية بالحديد باستخدام الأجهزة SSTs، أن تحقق استجابة أسرع لتغيرات الحمولة وتحسين نوعية الطاقة، غير أن التكلفة والكفاءة ما زالتا تشكلان تحديات أمام الانتشار الواسع النطاق.

أمن السايبر لأجهزة التألق الغريدة

ومع تزايد التشغيل الآلي للنظم الإشعاعية وارتباطها، يصبح أمن الفضاء الإلكتروني في غاية الأهمية، وتشمل نواقل الهجوم مفاتيح التبديل التي تخضع للمراقبة عن بعد، وأجهزة القياس الذكية، وشبكات الاتصال، ويجب على المرافق أن تنفذ نظما قوية للتوثيق والتشفير وكشف الاقتحام لمنع السيطرة الخبيثة على الشبكة، مما يضيف طبقة جديدة إلى تصميم عمليات التوزيع الإشعاعي وتشغيلها.

الاستنتاج: الموازنة بين البساطة والأداء

ويظل التوزيع الإشعاعي هو مجموعة العمل في مجال توليد الطاقة الكهربائية بسبب انخفاض تكلفتها وساطة عملياتها، غير أن ضعفها المتأصل في موازنة الحمولة والموثوقية يتطلب تصميماً مدروساً واستثماراً في التكنولوجيات الحديثة، حيث يمكن للمرافق أن تحقق مستويات من الأداء تكون أكثر تكلفة، وذلك عن طريق الجمع بين التدابير التقليدية - مثل إعادة تشكيل المغذيات، والمصارف التي تُعنى بالبطاقات الاحتياطية - مع التشغيل الآلي للشبكة الذكية، والتنبؤ، والتوليد الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع الموزع على نحو أكثر توزيع.

For further reading, refer to IEE Guide for Distribution System Planning and ]Department of Energy resources on distribution reliable. Also consult NREL’s grid integration studies for the latest research on DER integration into radial networks.