والشبكة الكهربائية هي أكبر آلة بنيت على الإطلاق، وهي شبكة متفرقة ودينامية تربط بين توليد الطاقة وبلايين الأجهزة، وإن استقرارها هو الجوهر بالنسبة للمجتمع الحديث، ومع ذلك فإن الأدوات التقليدية المستخدمة في رصدها كانت مصممة من أجل عصر أبطأ وأكثر قابلية للتنبؤ، فقد اعتمد المشغلون على وحدات تصريف الطاقة الذرية، وعلى مدى عقود، وعلى نظام مراقبة التوابع ومقتني البيانات، الذي أخذ قياسات كل ثانيتين.

والحل لهذه الفجوة الحرجة هو وحدة قياس درجة الفوار، التي تعرف أيضا باسم " متزامنة الفهرفة " ، وهي وحدة توفر قياسات ذات عينة زمنية عالية الاستبانة للفولط والحاضر في نقاط متعددة عبر الشبكة، وقد حولت وحدات الإزالة بواسطة نظام الطاقة الكهربائية المتزامن والدينامي رصد الشبكة من نظام تفاعلي وطب شرعي إلى تطبيقات استباقية وواقعية.

فهم التكنولوجيا الأساسية: ما هو المغني؟

A phasor is a mathematical representation of a sinusoidal waveform, such as voltage or current. It is defined by its maitude] (the amplitude of the wave) and its ]phase angle (the equivalent of the wave from a reference point).

ويعد جهاز متعدد الأطراف جهازاً متخصصاً يستغرق 60 قياساً في الثانية (أو 30 أو 50 أو 120 قياساً حسب تواتر نظام الطاقة وتشكيله) وكل قياس هو صورة رقمية دقيقة للفولط وجهاز الموجات الحالي، والابتكار الحاسم هو استخدام النظام العالمي لتحديد المواقع إلى مقاس زمني محدد، مع حل ثاني دقيقة واحدة، ويعني هذا التتزامن مع إجراء قياسات من جانب أوغن في فلوريدا.

ويخضع تدفق البيانات من وحدة عسكرية لإدارة معيار معهد المهندسين الكهربائيين والإلكترونيين C37.118، ويحدد هذا المعيار متطلبات التزامن، وصيغ البيانات، وبروتوكولات الاتصالات، ويكفل أن تكون وحدات الإزالة من مختلف الجهات المصنعة تعمل معاً دون هوادة في إطار نظام رصد المناطق الواسعة، ويحدّد المعيار أن درجة الفرز العالية جداً من المقياس 1 يجب أن تكون أقل دقة من المستوى الذي يكفله القياس.

مجموعة الـ "ب مـا هـدبـر"

  • GPS Receiver:] Provides the precise 1 Pulse-Per-Second (1PPS) signal required for time-stamping.
  • Anti-Aliasing Filters:] Pre-condition the analog voltage and current signals from the potential transformers (PTs) and current transformers (CTs) on the power lines.
  • Analog-to-Digital Converter (ADC): ] Converts the conditioned analog signal into a digital bitstream at a very high sampling rate (often 4,800 to 14,400 samples per second).
  • Phasor Microprocessor (DSP): ] A Digital Signal Processor (DSP) that performs a Fourier Transform on the digital data stream to extract the fundamental frequency phasor (magnitude and phase angle) for each cycle of the power system.
  • Compmunication Module:] Packages the coincidehrophasor data frames and transmits them over a network to a central Phasor Data Concentrator (PDC).

الاستحقاقات التشغيلية: قيمة الرؤية العالية الحل

وتأثير وحدات الإزالة على عمليات الشبكة عميق، فهي توفر طبقة جديدة تماما من الرؤية التي تمكن المشغلين من رؤية السلوك الدينامي للشبكة كما يحدث، وفيما يلي حالات الاستخدام الرئيسية التي أدت إلى اعتماد تكنولوجيا وحدة الإزالة في جميع أنحاء العالم.

التوعية بالحالة في المنطقة الواسعة

وبدلا من النظر إلى قراءة واحدة للحافلات، يمكن لمشغل غرفة المراقبة الآن أن يرى خريطة آنية للاختلافات في الزاويات في كامل الترابط، ويدل الفرق المتزايد بين المنطقتين على الإجهاد النظامي وزيادة خطر عدم الاستقرار، وتسمح بيانات وحدة إدارة المركبات للمشغلين بتصوير " استقرار الشبكة " واتخاذ إجراءات تصحيحية، مثل إعادة توجيه الجيل أو تحميل النسيج، قبل أن يُحدث هذا الانذار التقليدي.

تقدير الدولة الديناميكية

(أ) إن عملية التقييم التقليدية [التقديرات الحكومية] هي العملية الرياضية التي تستخدمها نظم إدارة الطاقة لتقدير حالة الشبكة القائمة على قياسات الوكالة، لأن بيانات الهيئة غير متزامنة وبطيئة، فإن النظام التقليدي لتقدير الحجم غير الخطي الذي يجب حله بصورة متكررة، وهو ينتج " مقياساً ثابتاً " للنظام.

كشف الضرر والتضليل

وشبكة الطاقة عرضة للترددات الكهربائية الميكانيكية المنخفضة التردد (من 0.2 إلى 3 Hz) وهي " أجنحة " طبيعية في تدفق الطاقة بين المولدات، وإذا لم تكن هذه الطلقات مخفضة بشكل سليم، فإنها يمكن أن تنمو في حجمها وتؤدي إلى تفكك النظام.

تحليل ما بعد الحضر (الطب الشرعي)

وعندما يحدث خطأ أو اضطراب، فإن تسلسل الأحداث أمر حاسم لفهم ما حدث وكيفية منعه في المستقبل، إذ يلتقط المدونون الرقميون التقليديون بيانات عالية السرعة، ولكنهم يقتصرون على استبدال واحد، ولا يتزامنون، وتوفر بيانات وحدة التفتيش المشتركة تسجيلا دقيقا على نطاق المنظومة لتدفقات الطاقة المتأرجحة العالية الدقة.

التقييم النموذجي

غير أن هذه النماذج غالباً ما تكون غير دقيقة لأنها تتضمن افتراضات بشأن أداء المولدات وخصائص الحمولة ومعايير خطية، وتوفر بيانات وحدة الإزالة معياراً مثالياً للتحقق من هذه النماذج، ومن خلال مقارنة الاستجابة المحاكاة لنموذج ما على الاضطرابات مع بيانات وحدة الإزالة المقاسة، يمكن للمهندسين تحديد الأخطاء النموذجية وإدخال التصويبات.() وهذه العملية معروفة بأنها [FLity:0]

PMUs and the Integration of Renewable Energy Sources

إن الضغط العالمي على إزالة الكربون يؤدي إلى تدفق هائل من مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مثل الطاقة الشمسية والريحية، وهذه المصادر تختلف اختلافا أساسيا عن المولدات التقليدية المتزامنة )الفحم والغاز والنووية(، وهي تتصل بالشبكة عن طريق الكترونيات الكهربائية، ولا سيما المحارق، وتختلف خصائصها الدينامية عن " الآلات المتزامنة " .

وتعد وحدات الإزالة ضرورية لإدارة هذا الانتقال، إذ إن البيانات العالية السرعة والمتزامنة التي توفرها هي بيانات حاسمة الأهمية في مراقبة سلوك الهيئات الدولية المعنية بمكافحة الاتجار بالأشخاص، وعلى سبيل المثال، فإن اللوب المزود بالمرحلة (PLL) في منحرف يتزامن ناتجه مع تواتر الشبكة، يمكن أن تصبح غير مستقرة إذا ما تغيرت سرعة التطاير الشبكي أو الزوايا بسرعة كبيرة.

وعلاوة على ذلك، تستخدم وحدات الإزالة لرصد مدى توافر الطاقة المتجددة، ويمكن أن يتسبب الظل الذي يغطي مزرعة كبيرة من الطاقة الشمسية في انخفاض متسارع في إنتاج الطاقة ( " حدث حرام " ) ويمكن أن تكشف بيانات وحدة جمع الأموال عن هذا الحدث فورا تقريبا، مما يتيح لمشغلي النظم إرسال احتياطيات سريعة التهريب أو الحد من الحمولة للحفاظ على التوازن بين العرض والطلب، وبدون وجود بارز توفره وحدات الإزالة، فإن إدارة شبكة ذات تخترق كبير.

التحديات في مجال نشر وحدات الشرطة العسكرية وإدارة البيانات

وعلى الرغم من قيمتها الهائلة، فإن نشر وحدات الإزالة ليس بدون تحديات كبيرة، ويجب على المرافق التغلب على العقبات المتصلة بالهياكل الأساسية والمالية وعلوم البيانات.

The Synchrophasor Data Tsunami

ويولد تدفق واحد من وحدات الشرطة العسكرية بواقع ٦٠ عينة في الثانية حوالي ٢,٥ من GB من البيانات في السنة، وستنشأ فائدة تبلغ ٥٠٠ وحدة من وحدات الإزالة أكثر من ١,٢ من TB من البيانات الخام سنويا، وهذا الانخفاض في البيانات، الذي كثيرا ما يسمى " أمواج تسونامي " ، يشكل تحديا هائلا لسلسلة الاتصالات، والتخزين، والمحللين.

الخصومات الأمنية

وبإضافة آلاف أجهزة الاستشعار الذكية والشبكية إلى الشبكة، تزيد وحدات الشرطة من سطح الهجوم على التهديدات الإلكترونية زيادة كبيرة، ويمكن أن ينطوي نجاح سلسلة البيانات الإلكترونية على إدخال بيانات كاذبة (هجوم " القذف الجماعي " )، أو تعطيل نظام الرصد، أو حتى إرسال إشارات مراقبة مضللة، حيث أن طبيعة الكشف عن المجازفات في هذه البيانات تجعل النظام متماسكاً بوجه خاص.

تكاليف الهياكل الأساسية المرتفعة

وتكلفة جهاز وحدة عسكرية خاصة بحد ذاته متواضعة نسبيا (بآلاف الدولارات)، ولكن التكلفة الإجمالية للملكية أعلى بكثير، وكل وحدة من وحدات الشرطة تحتاج إلى شبكة اتصالات عالية السرعة وموثوقة (في كثير من الأحيان بصرية الألياف)، وهيائي للنظام العالمي لتحديد المواقع، وتكاملها مع شركة PDC ودائرة إدارة البيئة، كما أن تكلفة تركيب الهياكل الأساسية للاتصالات لأغراض عمليات فرعية عن بعد يمكن أن تكون باهظة.

نوعية البيانات والتحقق منها

وكما هو الحال بالنسبة لأي جهاز استشعار، يمكن فساد بيانات وحدة التفتيش الخاصة بإخفاقات في المعدات أو انقطاع الاتصالات أو أخطاء في المعايرة، ويمكن أن تؤدي البيانات السيئة التي تدخل نظاماً بيئياً إلى عدم صحة تقديرات الدولة وقرارات سوء التشغيل، ويجب التحقق باستمرار من جودة البيانات، ويشمل ذلك التحقق من مجموعات البيانات المفقودة، والطوابع الزمنية السيئة، والقيم الخارجية المدى، والقفز التدريجي.

The Future of Grid Monitoring with PMUs

ومن المقرر توسيع دور وحدات الإزالة بشكل كبير مع زيادة تعقيد الشبكة وحفزها على البيانات.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

ويمكن أن تكون بيانات [الاستبانة العالية والمنضبطة زمنياً من وحدات الإزالة مناسبة مثالية للتعلم الآلي (ML) من الخوارزميات، ويمكن تدريب نماذج حركة التحرير على الاعتراف بـ " علامات " عدم الاستقرار الوشيك، أو الأخطاء الوشيكة، أو سلوك المعدات غير الشاذة قبل أن تسبب مشكلة، ومن خلال الجمع بين بيانات وحدة الحد الأقصى والتنبؤات الجوية وبيانات الخروج التاريخي، يمكن للمرافق أن تبني نظماً تنبؤية التي تقلل من سرعة التقلبات

Micro-Synchrophasors

وقد أدى نجاح وحدات الإزالة في شبكة النقل (الفولط العالي) إلى تطوير ميكيرو - بوموس (ميكروموزا) لشبكة التوزيع (فولتاج منخفض) وأصبحت شبكات التوزيع أكثر نشاطا بموارد الطاقة الموزعة مثل الطاقة الشمسية السطحية والمركبات الكهربائية وتخزين البطاريات على الوجه الأمثل.

نظم مراقبة المناطق البحرية

والهدف النهائي لتكنولوجيا وحدة التفتيش المشتركة هو تجاوز الرصد وتحولها إلى مراقبة آلية تماماً، مغلقة، وبدلاً من أن يرى المشغل عملية تذبذب وتصدر يدوياً أمراً، فإن نظام مراقبة الأسلحة النووية (WACS) () سيستخدم بيانات وحدة التحكم في الممتلكات الشخصية لتكييف المولدات مباشرة، أو محولات البيوتادايين، أو أجهزة التحكم في الترددات الحرارية في الواقع.

خاتمة

وقد انتقلت وحدات قياس درجة الفواسير من مختبرات البحوث لتصبح تكنولوجيا تشغيلية لا غنى عنها لإدارة الشبكات الحديثة، وهي توفر السرعة والدقة والمزامنة اللازمة للحفاظ على الاستقرار في نظام طاقة يتسم بقدر متزايد من الدينامية والتعقيد، وفي حين أن التحديات المتصلة بالتكلفة وإدارة البيانات وأمن الفضاء الإلكتروني ما زالت قائمة، فإن فوائد تعزيز الأمن، والتكامل المتجدد الفعال، والنموذج المتقدم للنظام، لا تزال كبيرة جدا لتجاهلها، حيث أن الصناعة لا تزال تفكك الغلا ورقمنة.