تصميم نظام الحماية في شبكات الطاقة: الحسابات والمبادئ وأفضل الممارسات

إن تصميم نظام الحماية في شبكات الطاقة هو من الانضباطات الهندسية البالغة الأهمية التي تكفل سلامة البنية التحتية الكهربائية وموثوقيتها واستقرارها التشغيلي، وهي تكفل الكشف فوراً عن الأخطاء وعزلة مع الحد الأدنى من تعطيل بقية نظام الطاقة، وبدون مخططات حماية مصممة تصميماً مناسباً، يمكن أن تروج الأخطاء عبر الشبكة، وتضر بالمعدات الباهظة الثمن، وتتسبب في انقطاعات واسعة النطاق، ويستكشف هذا الدليل الشامل المبادئ الأساسية، ومنهجيات الحسابات، والاعتبارات التصميم، وأفضل الممارسات التي يجب أن تخلق نظم الحماية الفعالة.

Understanding Power System Protection

إن حماية نظام الطاقة هي مجموعة منسقة من الأجهزة والأساليب التي تهدف إلى الكشف عن الأخطاء الكهربائية في الشبكات الكهربائية، وعزلها وتقليلها إلى أدنى حد، والهدف الرئيسي هو حماية الموظفين والمعدات من الآثار الخطيرة للأخطاء الكهربائية، مع الحفاظ على إمدادات الطاقة المستمرة لأجزاء غير متأثرة من الشبكة، ومن الأهداف الرئيسية ضمان السلامة، التي تشمل حماية الحياة البشرية، والمشغلين، والأفراد من الآثار الخطيرة للأخطاء الكهربائية، مثل الصدمات الكهربائية، والنيران.

ويتمثل الشاغل الرئيسي لحماية نظام الطاقة في الحماية من آثار التيارات المدمرة العالية بصورة غير عادية، وقد تسبب هذه التيارات الشاذة، إذا تركت دون رقابة، حرائق أو انفجارات، مما يشكل خطرا على الأفراد والمعدات المدمرة، ويجب أن تستجيب نظم الحماية الحديثة في غضون مليارات لمنع الفشل المسبب للاختلالات التي يمكن أن تؤدي إلى انتشار الاضطرابات والخسائر الاقتصادية الكبيرة.

The Evolution of Protection Engineering

ومع تزايد تعقيد شبكة الطاقة مع التكامل المتجدد، يجب أن تتطور الموارد القائمة على اللافقاريات، والتشغيل الآلي الرقمي، والشواغل المتعلقة بالأمن السيبراني، وذلك لضمان موثوقية النظم، والسلامة، والقدرة على التكيف مع العمليات، حيث تواجه خطط الحماية التقليدية المصممة لتوليد المتزامنات التقليدية تحديات بسبب الطابع الدينامي للشبكات الحديثة، ونظرا لارتفاع التغلغلغلغل في الشبكات المتجددة، فإن أعلى مستوى للشبكة هو أكثر دينامية، وانخفاض نسب الدائرة القصيرة، مما يجعل نظم الحماية التقليدية أكثر تعقيدا.

المبادئ الأساسية لنظم الحماية

ويستند تصميم نظام الحماية الفعال إلى عدة مبادئ أساسية تعمل معاً لضمان الأداء الأمثل، وهذه المبادئ تسترشد بالمهندسين في اختيار الأجهزة المناسبة، وتحديد الظروف، وتنسيق عناصر الحماية المتعددة في جميع أنحاء الشبكة.

الانتقائية

والهدف من خطة الحماية هو إبقاء نظام الطاقة مستقراً عن طريق عزل العناصر التي هي في حالة خطأ، مع ترك أكبر قدر ممكن من الشبكة في طور التشغيل، مما يقلل من فقدان الحمولة، وتسمى هذه الممتلكات من نظام الحماية انتقائية، ويكفل الانتقائية عدم ربط الجزء الأدنى الضروري من النظام إلا عندما يحدث خطأ، مما يسمح لبقية الشبكة بمواصلة العمل بشكل طبيعي.

ولتحقيق الانتقائية، يقسم نظام الطاقة إلى مناطق حماية، ويحتوي كل منها على عنصر نظام الطاقة (المولد والحافلات والمحولات والنقل أو التوزيع، والحركة) الذي ينبغي حمايته، ولكل منطقة جهاز حماية خاص بها، ويراعي أوجه القصور داخل حدودها، ولا تترك المناطق أي جزء من الشبكة دون حماية، وتتداخل المناطق عادة مع أجهزة انفصال دائرية ذات مجموعتين من المحولات والمخلفات.

الحساسية

:: الحساسية: يجب على الأجهزة أن تكتشف حتى أصغر قيمة للأخطاء وأن تستجيب لها، ويمكن لنظام حماية حساس أن يحدد الظروف الخاطئة حتى عندما تكون التيارات الخاطئة منخفضة نسبيا، مثل الأخطاء الشديدة، ويجب أن تكتشف الأخطاء حتى ولو كانت ضئيلة، ولا سيما في ظروف التخلف الشديد، وهذا أمر مهم بصفة خاصة في شبكات التوزيع التي لا تزال فيها الأخطاء الأرضية من خلال النبات أو غيرها من مسارات الخطر العالية المقاومة.

السرعة

ويجب أن تعزل الأعطال بسرعة لمنع إلحاق أضرار بالمعدات، وتؤثر سرعة إزالة الأخطاء تأثيرا مباشرا على مدى الضرر الذي لحق بالمعدات واستقرار نظام الطاقة، وهذا الرد الآلي يحدث عادة في غضون ثوان، ويحول دون حدوث إخفاقات في التكديس عبر نظام الطاقة، ويقلل التطهير من الأعطال الحرارية والميكانيكية من الضغوط على المعدات، ويقلل إلى أدنى حد من تواتر الارتداد العشائري، ويساعد على الحفاظ على استقرار النظام بالحد من الانحرافات والانحرافات.

الموثوقية: القابلية للتبعية والأمن

وهناك جانبان من جوانب التشغيل الموثوق لنظم الحماية: القابلية للاعتماد والأمن، والقابلية للتبعية هي قدرة نظام الحماية على العمل عندما يُطلب منه إزالة عنصر مُعطل من نظام الطاقة، والأمن هو قدرة نظام الحماية على تقييد نفسها من العمل أثناء خطأ خارجي.

ويجب ألا تعمل الحماية بشكل غير صحيح خلال الظروف العادية للنظام، ويمكن أن تتسبب الرحلات الجوية في تجاوزات غير ضرورية، إذ أن اختيار التوازن المناسب بين الأمن وإمكانية الاعتماد على تصميم نظام الحماية يتطلب إصدار حكم هندسي ويختلف على أساس كل حالة على حدة، وهذا التوازن هو أحد أكثر الجوانب تحديا في تصميم نظام الحماية، حيث أن زيادة إمكانية الاعتماد على الحماية قد تقلل من الأمن والعكس.

البساطة والاقتصاد

الاقتصاد: يجب على الأجهزة أن توفر أقصى قدر من الحماية بتكلفة دنيا: البساطة: يجب على الأجهزة أن تقلل من دائرة الحماية ومعداتها، وفي حين يجب أن تكون نظم الحماية شاملة وموثوقة، ينبغي أن تكون أيضاً بسيطة قدر الإمكان لتيسير الصيانة، والتشويه، والعمل، كما أن مخططات الحماية المعقدة للغاية تزيد من احتمال سوء التنفيذ وتزيد من صعوبة تحليل الأخطاء.

أنواع التخلف في نظم الطاقة

ومن الضروري فهم مختلف أنواع الأخطاء التي يمكن أن تحدث في شبكات الطاقة من أجل تصميم خطط الحماية المناسبة، ويمكن تصنيف التخلف عن الدفع على أساس خصائصها ومدتها وعجزها.

التخلف غير المتناظر وغير المتناظر

وتشكل الأخطاء المتوازنة من ثلاث مراحل، وإن كانت أقل شيوعا، أشد حالات الخطأ من حيث الحجم الحالي للخطأ، وتنتج الأخطاء غير المتماثلة تيارات غير متوازنة وتتطلب تحليلا باستخدام عناصر متماثلة، والأخطاء من الخط إلى الأرض هي أكثر أنواعها شيوعا، ولا سيما على خطوط النقل العام، ولكن نظرا لأن جميع الأخطاء تقريبا على خطوط التقلب العالية هي ردود فعل من مرحلة واحدة إلى أخرى، وهي ردود فعل أساسية متخصصة.

الوثبات المزروعة والمرتفعة الحدوث

وتفترض الأخطاء المزروعة عدم وجود خطأ في الحسابات الجارية، وتمثل أسوأ سيناريو في الحسابات الحالية الخاطئة، ونحن نصنف الأخطاء المكبوتة بأنها إما لحظية (تخليص ذاتي أساسا) أو مستمرة (تتطلب أداة حماية لقطع السلطة إلى أن يُبرأ الخطأ من قبل الأطقم الميدانية)، وعلى النقيض من ذلك، تحدث أخطاء عالية في التعامل مع الأسطح ذات المقاومة الكبيرة.

الفشل المتطور

ونسلم أيضا بأن الأخطاء قد تكون ثابتة أو آخذة في التطور (المعروفة أيضا بالأخطاء المتعددة المراحل) - تبدأ الأخطاء المتطورة كنوع أو تنطوي على مرحلة أو مرحلتين، ثم تتغير بمرور الوقت إلى نوع آخر أو تنطوي على مراحل إضافية، ويمكن أن يحدث هذا التقدم بسبب انهيار العزل أو حركة السلوك أو العوامل البيئية، ويجب أن تكون نظم الحماية قادرة على كشف الأخطاء وإزالةها في أي مرحلة من مراحل تطورها.

عناصر نظام الحماية

وتشكل عناصر حماية نظام الطاقة الأساس لأي مخطط وقائي يعمل بشكل موحد على كشف وعزلة وتخفيف الأخطاء في شبكات الطاقة الكهربائية، ويعتبر فهم دور وخصائص كل عنصر أمرا أساسيا لتصميم نظام الحماية بفعالية.

عمليات التأخير في الحماية

أحد أهم العناصر هو نقل الحماية الذي يُستخدم كـ "الحبوب" لنظام الحماية هذه الأجهزة ترصد البارامترات الكهربائية مثل البروتج والحال والتواتر وتقارنها بعتبات ما قبل الضبط، وعندما يكتشف الشذوذ، مثل الدائرة القصيرة أو الحمولة الزائدة، يُشير البقّار إلى جهاز كسر الدائرة لفصل القسم المُصاب بالخطأ.

وتأتي عمليات النقل الوقائي في أنواع مختلفة، منها الكهربية والقوى والرقمية، حيث يقدم كل منها سمات وتطبيقات فريدة حسب متطلبات النظام، وتوفر عمليات النقل الرقمية الحديثة مزايا كبيرة تشمل مهام الحماية المتعددة في جهاز واحد، وقدرات الاتصالات المتقدمة، وتسجيل الأحداث، والملامح الذاتية التشخيصية، كما يمكنها أن توفر قياسات دقيقة وخططا للحماية التكيفية تكيف الأوضاع استنادا إلى شروط النظام.

أجهزة التحويل

ويكتسي المحولون الحاليون (الفرق العاملة) والمحولون الفولطية أو محولات فولتات الخزانات أهمية حاسمة في توفير نسخ مخفضة من تيارات النظام وفولاذات إلى أجهزة الحماية، ويعتمد أداء مخططات الحماية اعتمادا كبيرا على القياس الدقيق للفولط والتوقيعات الحالية (حسب مبادئ التشغيل للعوامل المدمجة للحماية).

فرق الإرسال

إن أجهزة كسر الدائرة هي أجهزة التدقيق النهائية التي تقطع التيارات التي تصيبها من جراء الأعطال الجسدية عندما تُمر بها عمليات الحماية، وإذا وقع خطأ، فإن إعادة الشحن ترسل قيادة إلى مفرقعة دوائر، وتعزل المعدات المعطلة أو خط النقل، كما أن القدرة على التوقف، والوقت التشغيلي، وموثوقية أجهزة كسر الدوائر، هي معايير حاسمة يجب النظر فيها أثناء تصميم نظام الحماية.

نظم الاتصالات

وبالإضافة إلى ذلك، يُعتبر نشر مخططات الرصد والحماية والمراقبة في المناطق الواسعة أحد أهم التطورات في شبكات الطاقة الحديثة، وتستلزم مخططات برنامج الرصد العالمي للأخشاب المدارية النظر بصورة منهجية في عناصر الاستشعار داخل شبكات الطاقة لجمع قياسات متزامنة زمنياً للمراحل والتواتر الحاليين والمليئيين، التي تنقل بعد ذلك من خلال شبكة اتصال من وحدات الإزالة، وتتيح هذه النظم نظم الحماية المتقدمة مثل التكيف مع برامج الحماية على المدى الطويل.

أساليب حساب مجموعات الحماية

وتشكل الحسابات الدقيقة الأساس لتصميم نظام الحماية الفعال، ويجب على المهندسين إجراء تحليلات مختلفة لتحديد مواقع إعادة الشحن المناسبة التي تكفل الأمن والقابلية للاعتماد على السواء.

الحسابات الجارية

ويعد تحديد التيارات القصوى والحد الأدنى للأخطاء في مختلف المواقع في جميع أنحاء الشبكة نقطة الانطلاق في تصميم نظام الحماية، وجمع بيانات الدائرة القصيرة وبيانات تدفق الحمولة، وحساب أعلى وأدنى قيمة للحاضر المعطل في المرحلة والأرض، وينبغي أن تكون هذه القيم لكل موقع من مواقع النقل، وتستخدم هذه الحسابات عادة طريقة المكونات المتكافئة للأخطاء غير المتوازنة والتحليلات اللاحق بالنسبة للدراسات على نطاق المنظومة.

وتحدد الحسابات الحالية القصوى للخطأ متطلبات وقف العمل بالنسبة لكسرات الدوائر والضغوط الحرارية والميكانيكية على المعدات، وتساوى الحسابات الحالية المتعلقة بالأخطاء الدنيا في الأهمية، حيث أنها تحدد متطلبات الحساسية المتعلقة بعمليات النقل الواقية، بما يكفل استمرار اكتشاف الأخطاء في نهاية المناطق المحمية بصورة موثوقة.

إعادة تحديد الحسابات

وضع مُبيد حماية هو إعطاءه مجموعة دقيقة من التعليمات، أنت تخبره بالضبط كم من الوقت الحالي أكثر من اللازم، وكم من الوقت يجب أن ينتظر قبل أن يخبرنا بكسر الدائرة أن يرحل، إنها قيم محسوبة بعناية استناداً إلى خصائص نظام الطاقة و التيارات الخطأ المحتملة التي وجدناها كيف نحسبها سابقاً.

وبالنسبة لعمليات التأخير المفرطة، يجب أن يكون الوضع الحالي للشحن فوق الحد الأقصى للشحن الحالي، ولكن دون الحد الأدنى للخطأ الحالي، ومن النهوج المعتادة تحديد الملتقط عند 125-150% من التيار الأقصى للشحن، مع إجراء تعديلات على أساس التقاطات الباردة، وتيارات بدء السيارات، وتيارات الإرسال التحويلي، ثم تعدل أجهزة الاتصال الزمنية لتحقيق التنسيق السليم مع أجهزة التيار.

فترات التنسيق

ويُعتبر هامش الوقت التنسيقي هو الحد الأدنى من الوقت بين منحنى التشغيل لجهازين وقائيين من سلسلة واحدة، عادة 0.3-4 ثانية لتنسيق الانتقال إلى مرحلة التأخير، وهذا الهامش الزمني يؤدي إلى تسامح وقت التشغيل في إعادة الشحن، وفترة تشغيل الدوائر، وأخطاء تكنولوجيا المناخ، وحواف الأمان، ويكفل مركز تكنولوجيا المناخ أن يكون للجهاز في أسفل المجرى وقت كاف لتصفية الخطأ قبل تشغيل جهاز الموجة الأمامية.

حسابات الحماية التفاضلية

:: مخططات الحماية التفاضلية تقارن بين التيارات التي تدخل وتغادر منطقة محمية، وبالنسبة للمحولين والمولدات والحافلات، يجب أن تُحسب حالات التأخير المتمايزة للأخطاء في تكنولوجيا المناخ، وأخطاء قياس التبديل، وحواف الأمان، والخطأ الحالي في المحولات CTE = 10 في المائة، وخطأ قياس الطول = 0.5 في المائة، وهامش أمان + 5 في المائة في حساب المنحدر: ⁇ في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة

حسابات الحماية من بعد

فعلى سبيل المثال، تستخدم برامج الحماية عن بعد، التي تستخدم على نطاق واسع لحماية خطوط النقل، استخدام الفولط والقياسات الحالية لتقدير مدى التخلف الذي شوهد من نقطة القياس، وكشف وجود الخطأ داخل الخط (الخطوط المحمية) وتشمل عمليات نقل المسافة حساب الوصولات المنطقة استنادا إلى خط الوصل، حيث عادة ما تكون المنطقة 1 مصممة على 80-9 في المائة من طول الخط الاحتياطي الفوري، وتبلغ المساحة التي تغطي فترة الحماية فيها 120 إلى 15 في المائة.

دراسات التنسيق

ويكفل تنسيق عمليات النقل الوقائية عزل الأخطاء في نظام الطاقة الكهربائية عن طريق أقرب جهاز وقائي في المراحل الأولى مع التقليل إلى أدنى حد من منطقة التعطل، ومن الضروري إجراء دراسة تنسيق شاملة لضمان أن تعمل جميع أجهزة الحماية معاً بطريقة متسقة.

عملية دراسة التنسيق

وتمثل دراسة التنسيق تحليلا منهجيا لجميع أجهزة الحماية من مصدر المرافق إلى آخر حمولة، والهدف هو ضمان الانتقائية في جميع الظروف الخاطئة، وتشمل عملية الدراسة عدة خطوات رئيسية:

• بيانات الجماع: جمع المعلومات عن جميع المكونات: المحولات، والكابلات، والسيارات، ووسائل الحماية القائمة، ويشمل ذلك حالات الاختراق، والتقديرات، ونسب الأشعة المقطعية.
• نموذج النظام: وضع مخطط واحد لنظام الطاقة، هذا مخطط مبسط يبين كيف أن كل شيء مرتبط.
• إجراء تحليل للخسائر: حساب التيارات القصوى والحد الأدنى للخطأ في نقاط رئيسية في النظام، مثل كل حافلة.
• ابدأوا في الجهاز بعيداً عن مصدر الطاقة و ارجعوا إلى المجرى

سلسلة من الدورات الدراسية

والخصائص التي تعطى في الوقت الراهن هي عروض بيانية عن كيفية استجابة أجهزة الحماية لمختلف حجمها الحالي، وهذه المنحنىات تقطع أوقات العمل مقابل الحجم الحالي على نطاقات السوقيات، مما يتيح للمهندسين تصور التنسيق بين الأجهزة المتعددة، وتقترن المنحنىات التي لها أهمية تنسيق النقل بالانتقائية، وتُعين البطاقات مع مدونة، عند الاقتضاء، لتيسير تحديد جداول الوصلات المباشرة.

أدوات برامج التنسيق

واليوم، تكتمل هذه العملية تقريبا باستخدام برامج متخصصة، كما أن برامج مثل برنامج التدريب التقني، وبرامج الطاقة الكهربائية، وشركة سهلة الصنع هي معايير صناعية، ويمكن للبرنامج أن يقوم بعد ذلك بحساب تيارات الخطأ في أي مرحلة من مراحل النظام، وخزن مكتبات واسعة النطاق من منحنىات التعاون التقني لآلاف من مختلف المتاجر، وأجهزة الكسر، والبخرفات من مختلف الجهات المصنعة، والسماح للمهندسين بسحب المنحنى وقطعها، وتكييفها، وتنسيقها على الفور.

خطط الحماية لمختلف المعدات

وتتطلب عناصر مختلفة من نظم الطاقة مخططات حماية متخصصة تتناسب مع خصائصها الفريدة وطرق فشلها.

خط الحماية

وتشكل خطوط الانتقال ذات التأثير العالي عادة شبكة شبيهة بالشبكة، ولذلك قد يتدفق التيار إلى الخطأ من أي اتجاه، مما يجعل عمليات النقل غير المباشرة في معظمها غير ملائمة للحماية، بحيث تستخدم عادة المسافات والمواصلات التجريبية، وتوفر الحماية من التفكك السريع لجزء كبير من الخط، بينما تتيح مخططات الحماية التجريبية باستخدام قنوات الاتصال التعثر الفوري طوال الخط بأكمله.

وتستخدم هذه التتابعات التي لا تتكرر في الكشف، ففي أثناء العملية العادية، يكون التسلسل الصفري ضئيلا جدا، وبالتالي فإن القيمة الحالية العالية التي تعتمد على تشكيلة الشبكة، وليس على الحمولة (الجارية)، مؤشر ملائم وموثوق به على خطأ أرضي، والحماية من الأخطاء الأرضية مهمة بوجه خاص بالنسبة لخطوط النقل بسبب ارتفاع تواتر الأخطاء من خط إلى آخر.

حماية المتحولين

فالحماية الكهربائية للمحول تستخدم في معظمها تكاليف التفاضل، ويمكن الجمع بين هذه الحماية وبين أحد الحافلات أو المولدات، وتتطلب خدمات النقل وظائف متعددة للحماية تشمل الحماية المتمايزة للأخطاء الداخلية، والحماية المفرطة للأخطاء الخارجية، والدعم، ونقل الضغط المفاجئ للكشف عن التداول الداخلي، والحماية الحرارية لظروف الحمولة الزائدة.

ويجب أن تشكل الحماية التفاضلية للمتحولين مصدر مغناطيسي لتيارات الإصطدام التي يمكن أن تُقيَّم مرات عديدة في الوقت الراهن ولكنها ليست ظروفاً خاطئة، وتستخدم البطولات الرقمية الحديثة ضبط النفس أو تقنيات الحجب للتمييز بين الإغراء والأخطاء الداخلية.

حماية المولدات

والمولدات مكلفة ومعقدة من معدات الشبكة، وبالتالي تستخدم الأجهزة الأكبر عشرات أنواع أجهزة الحماية، ويجب أن تعالج خطط حماية المولدات العديد من الظروف الشاذة، بما في ذلك أخطاء المحركات، والأخطاء الدوارة، وفقدان السخرية، والتسخين المفرط، والتحمّل المفرط، والتخلف المفرط، والتكرار، والتخلف، والقوى العكسية، والتحميل غير المتوازن.

حماية الأطعمة

فالحماية المفرطة هي أحد أبسط برامج الحماية وأكثرها شيوعاً، وهي تعمل عندما يتجاوز التدفق الحالي من خلال نظام عتبة ما قبل بدء التشغيل، مما يشير إلى وجود خطأ مثل الدائرة القصيرة أو الحمولة الزائدة، وتستخدم عمليات التأخير المفرطة على نطاق واسع في شبكات التوزيع المنخفضة الترددات ويمكن تحديدها للعمل مع تأخير زمني لضمان التنسيق السليم مع أجهزة الحماية الأخرى.

Motor Protection

ويجب أن تعالج حماية السيارات مسألة الإفراط الحراري، وظروف الدوار المقفلة، والتوازن التدريجي، والتخلف، والأخطاء الأرضية، والأخطاء التدريجية، والنماذج الحرارية في إطار عمليات النقل الحديثة لحماية السيارات، تتبع التدفئة على أساس الحجم والمدة الحاليين، وتوفر حماية أكثر دقة من أجهزة تحميل حراري بسيطة.

مفاهيم الحماية المتقدمة

وتتطلب نظم الطاقة الحديثة تقنيات حماية متقدمة للتصدي للتحديات التي يشكلها توليد الطاقة الموزعة، وتكامل الطاقة المتجددة، وتطوير هياكل الشبكات.

الحماية التأديبية

:: تُعدل خطط الحماية التكيفية تلقائياً أوضاع إعادة التتابع استناداً إلى تغير ظروف النظام مثل طبويات الشبكة أو الجيل أو مستويات الخطأ، إذ إن وضع خطط للحماية القائمة على الاتصال وتثبيتها وتوضيحها وإعادة تشكيلها بشكل كبير، بما في ذلك الحماية التكيفية، يمثل تقدماً كبيراً في تكنولوجيا الحماية، ويمكن لهذه المخططات أن تحقق أداء الحماية على النحو الأمثل في طائفة واسعة من ظروف التشغيل دون تدخل يدوي.

نظم حماية النزاهة

ويجب أن تعمل خطط حماية النزاهة في النظام الآن بصورة موثوقة عبر شبكات كبيرة ومتغيرة ذات مستويات خطئية متغيرة وقيود اتصال في الوقت الحقيقي، كما أن نظام SIPS، المعروف أيضا باسم خطط العمل الإصلاحية أو خطط الحماية الخاصة، مصمم لكشف الظروف غير العادية للنظام واتخاذ إجراءات تصحيحية محددة مسبقا للحفاظ على استقرار النظام ومنع حدوث انقطاع في الكواليس.

Microgrid Protection

وتشكل المشاريع الصغيرة تحديات فريدة في مجال الحماية بسبب قدرتها على العمل في كل من الطرق المترابطة على الشبكة والجزرية، وتدفق الطاقة الثنائية الاتجاه، ووجود موارد غير مباشرة ذات مساهمة محدودة في الوقت الراهن، ويجب أن تتكيف خطط الحماية مع هذه الظروف المتغيرة مع الحفاظ على الانتقائية والحساسية.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وتشمل الاتجاهات المستقبلية في حماية نظام الطاقة الاستخدام المتزايد للاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلي والتشغيل الآلي المتقدم من أجل الكشف عن الأخطاء على نحو أكثر دقة، والوقت المستغرق في الاستجابة السريعة، والاستمرارية المتوقعة، وهذه التطورات ستعزز قدرة شبكات الطاقة على التكيف في مواجهة التعقيد المتزايد، ويمكن للحماية القائمة على أساس التنفيذ أن تحدد أنماط سلوك النظم، والتنبؤ بإخفاقات المعدات، وتعظيم أطر الحماية القائمة على البيانات التاريخية والظروف السائدة في الوقت الحقيقي.

الاختبار والتقييم

والاختبار الشامل ضروري لضمان أداء نظم الحماية بشكل صحيح عندما يُطلب منها العمل أثناء ظروف الخطأ الفعلية.

الاختبارات المؤجلة

ويتحقق اختبار التتابع الفردي من أن الأجهزة تعمل بشكل صحيح وفقاً لطبيعتها، ويشمل ذلك اختبار الحقن الأولي للتحقق من دوائر تكنولوجيا المعلومات واختبار الحقن الثانوي للتحقق من منطق النفقة والسياقات، كما تدعم عمليات التكتل الرقمية الحديثة روتينات الاختبار الآلية التي يمكن أن تتحقق من المهام المتعددة بسرعة ونتائج الوثائق.

اختبارات البرمجيات الصلبة

إن اختبارات البرمجيات الجاهزة للبرمجيات هو إجراء ثورة في عملية التحقق من صحة الحمايات وتنميتها، إذ إن اختبار شبكة العالم الحقيقي في بيئة خاضعة للمراقبة، يوفر الدقة والمرونة دون مضاهاة، ويكرر برنامجنا الظروف الدينامية للشبكات ذات الصبغة العالية، بحيث يمكن اختبار منطق الحماية، والاستجابة السريعة، والتنسيق الخاطئ في إطار مجموعة واسعة من السيناريوهات قبل النشر.

الاختبار من نهاية إلى نهاية

ويتحقق الاختبار النهائي من نظام الحماية الكامل بما في ذلك عمليات النقل، ونظم الاتصال، وكسر الدوائر، ومنطق التحكم، ويضمن هذا الاختبار أن تعمل جميع العناصر معاً بشكل صحيح وأن خطط الحماية تعمل على النحو المصمم في إطار سيناريوهات مختلفة وظروف نظامية خاطئة.

أفضل الممارسات في تصميم نظام الحماية

وتساعد الممارسات الفضلى المتبعة على ضمان موثوقية نظم الحماية وإمكانية الحفاظ عليها وفعاليتها طوال حياتها التشغيلية.

تحليل النظام الشامل

إجراء تحليل شامل للنظام قبل اختيار أجهزة الحماية وتحديد الظروف، ويشمل ذلك إجراء دراسات تفصيلية عن الأخطاء وتحليل تدفق الحمولة ودراسات الاستقرار والتحليل الخفيف، ويعد فهم سلوك النظام في ظل الظروف العادية وغير الطبيعية أمرا أساسيا لتصميم خطط حماية فعالة.

رسم بياني واحد، يشير إلى تقدير كل عنصر من العناصر، ومصنعه، وأنواعه، بما في ذلك C.T، والسيارات، والمولدات الكهربائية، والمحولات، والكابلات، والأجهزة الواقية (لحساب الدائرة القصيرة بدقة وتنسيق النقل) إعاقة آلات التناوب والمحولات (كما أنها تشارك أيضا في حالة الخطأ الحالية) الحد الأدنى والأقصى من الأخطاء الحالية.

تنسيق الأجهزة السليمة

أما تنسيق عمليات النقل الوقائي فهو عملية هندسية لاختيار الأجهزة الواقية ووضعها بحيث يُبرأ من أي خطأ في أي مرحلة من مراحل نظام التوزيع الكهربائي بواسطة الجهاز القريب من الغلط، مع توفير أجهزة احتياطية توفر الحماية الاحتياطية إذا فشل الجهاز الرئيسي، ويكفل التنسيق السليم الانتقائية (فقط القسم المخطئ يُلغى)، والسرعة (تُخليص الأجهزة من الأعطال بأسرع ما يمكن للحد من الأضرار الناجمة عن المعدات ومن مخاطر الارتداد الأولي)، والموثوقية ().

ويجب أن يكون لرحلات أبعد من المصدر وضع حالي أقل من ذي قبل أو مساوي للنفقة التي خلفها، لأن التتابع في المقدمة يتطلب قدرا أقل من التيار للعمل مقارنة بالنفقة التي خلفها، وهذا المبدأ الأساسي يكفل التنسيق السليم في نظم التوزيع الإشعاعي.

الحماية الاحتياطية

ولأغراض تحسين الموثوقية، تستخدم خطط الحماية الاحتياطية، وهي أقل كفاءة من الحماية الأولية ولكنها تستخدم لهذا الغرض، إذا لم تعطي الحماية الأولية إشارة سفر بسبب بعض الأسباب، أو رحلات الحماية الاحتياطية بعد بعض التأخير، وتوفر الحماية الاحتياطية طبقة إضافية من الأمن، وتضمن إزالة الأخطاء حتى إذا فشلت الحماية الأولية بسبب عطل في إعادة التشغيل، أو إخفاق الدائرة، أو غير ذلك من المسائل.

الاختبارات والصيانة المنتظمة

وضع ومتابعة برنامج شامل للاختبار والصيانة لجميع معدات الحماية، ويشمل ذلك إجراء اختبارات دورية للنفقات، وصيانة أجهزة كسر الدوائر، والتحقق من نظام البطاريات، والتحقق من نظام الاتصالات، وقد اختيرت أماكن إعادة الشحن لتوفير تشغيل نظام موثوق به مع زيادة مدة الخدمة ومداها إلى أقصى حد بالنسبة للمغذيات أو النظام، مما يقلل من خطر الضرر.

توثيق جميع نتائج الاختبارات وحفظ سجلات تفصيلية عن أماكن نظام الحماية، وتعديلاته، وأدائه، وهذه الوثائق لا تقدر بثمن في تشخيص المشاكل، وتحليل النظام، والتعديلات المقبلة.

Update Settings Based on Network Changes

إن نظم الطاقة دينامية، مع حدوث تغييرات متكررة في أنماط توليد الطاقة، وعلم المواقع الشبكية، والمعدات، ويجب استعراض وتحديث بيئات الحماية كلما حدثت تغييرات كبيرة في النظام، ويشمل ذلك إضافة أو إزالة مصادر توليد، وإعادة تشكيل أجسام الشبكة، والاستعاضة عن المعدات، أو تغيير إجراءات التشغيل.

تنفيذ عملية رسمية لإدارة التغيير تتطلب استعراض هندسة الحماية والموافقة على أي تعديلات يمكن أن تؤثر على أداء نظام الحماية، مما يكفل استمرار تنسيق الحماية وفعاليتها مع تطور النظام.

النظر في التوسع في المستقبل

نظم حماية التصميم مع التوسع في التفكير في المستقبل - اختيار أجهزة ذات قدرة ومرونة كافيتين لاستيعاب النمو المتوقع في النظام - النظر في الكيفية التي يمكن أن تؤثر بها الحمولات الإضافية أو مصادر الجيل أو إعادة تشكيل الشبكات على تنسيق الحماية وكفالة أن يكون التصميم قادرا على استيعاب هذه التغييرات دون إدخال تعديلات رئيسية.

توحيد المعايير

:: في الحالات العملية، توحيد أنواع أجهزة الحماية، والمصنعين، والفلسفات، وتبسيط التدريب، وخفض المخزون من قطع الغيار، وتيسير عملية فرز المشاكل، وتحسين موثوقية النظام عموما، غير أن التوحيد ينبغي ألا يمس فعالية الحماية أو يحول دون استخدام الأجهزة المتخصصة عند الاقتضاء.

الوثائق والتدريب

الحفاظ على الوثائق الشاملة لتصميم نظام الحماية، بما في ذلك رسم بياني خطي واحد، ووضعيات للنفقات، ودراسات التنسيق، وإجراءات الاختبار، وتعليمات التشغيل، وضمان حصول موظفي العمليات والصيانة على التدريب الكافي بشأن تشغيل نظام الحماية، والاختبار، وكشف المشاكل.

وضع إجراءات تشغيل واضحة وموجزة لأوضاع الطوارئ والأوضاع العادية، وتوثيق فلسفة الحماية وأساس التصميم بحيث يتمكن المهندسون في المستقبل من فهم الأسباب الكامنة وراء قرارات التصميم.

التحديات التي تواجه تصميم نظام الحماية الحديث

ويواجه مهندسو الحماية تحديات عديدة في تصميم نظم لشبكات الطاقة الحديثة ذات التغلغلات العالية في الطاقة المتجددة، والتوليد الموزع، والهيكلات المتطورة للشبكات.

الموارد المحسوبة على نحو غير مباشر

إن الموارد القائمة على المنحرفات مثل النظم الشمسية الفلطائية والتوربينات الريحية لها خصائص مختلفة اختلافا جوهريا في الوقت الراهن مقارنة بالمولدات المتزامنة، وهي عادة ما توفر مساهمة محدودة في الوقت الراهن، غالبا ما تكون 1-1 إلى 1.5 مرة في الوقت الحالي، مما يجعل الكشف عن الأخطاء أمرا صعبا مع الحماية التقليدية المفرطة في التواتر.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتباين الخصائص الحالية للخطأ في اللافقارات استنادا إلى خوارزميات التحكم، ومدونات الشبكة، وتنفيذات الصانعين، ويجب تصميم خطط الحماية لكشف الأخطاء بصورة موثوقة رغم هذه القيود والتباينات.

تدفق الطاقة الثنائية الاتجاه

وقد صممت نظم التوزيع التقليدية لتنقية الطاقة غير المباشرة من محطات فرعية إلى حمولات، ويخلق الجيل الموزع تدفقاً ذات توجهات ثنائية، مما قد يسبب مشاكل تنسيق مع مخططات الحماية التقليدية، ويصبح نظام الحماية التوجيهية عاملاً في حالة نظام التغذية المزدوج أو خطوط موازية أو نظام رئيسي للحلقات، حيث يتغذى خطأ من كلا الجانبين، ويشعر بالحجم والتوجه الحاليين لغرض صنع القرار.

شبكة الديناميكية

ويمكن أن يكون للشبكات الحديثة التي توزع موارد الطاقة ونظم تخزين الطاقة ونظم المراقبة المتقدمة أثر سريع التغير في أعلىيات الشبكات، ويجب أن تحافظ نظم الحماية على التنسيق والفعالية في جميع التشكيلات التشغيلية الممكنة، مما يزيد بدرجة كبيرة من تعقيد التصميم.

أمن الفضاء الإلكتروني

ومع تزايد رقمية نظم الحماية وشبكتها، يصبح الأمن السيبراني شاغلا بالغ الأهمية، ويجب تصميم نظم الحماية بتدابير أمنية مناسبة لمنع الوصول غير المأذون به، والهجمات الخبيثة، والتهديدات الإلكترونية مع الحفاظ على السرعة والموثوقية اللازمتين لمهام الحماية.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ولا يزال مجال حماية نظام الطاقة يتطور مع التكنولوجيات والمنهجيات الجديدة التي تعد بتحسين الأداء والموثوقية والقدرة على التكيف.

الرقمي الفرعي و 61850

وتتيح عمليات الخفض الرقمية التي تستخدم معايير الاتصال الخاصة بالجماعة الدولية 61850 خطة حماية متقدمة ذات سرعة محسنة ومرونة ووظيفية، وتقضي هياكل الحافلات في عملية إزالة أسلاك النحاس التقليدية بين محولي الأجهزة والمعادن، وتقليص تكاليف التركيب وتحسين الموثوقية.

حماية الموجات السياحية

:: تحليل برامج الحماية القائمة على الموجات المسافرة للمسافات العالية الترددات الناتجة عن أخطاء لتوفير الكشف عن الأخطاء بسرعة كبيرة وتحديد مواقع الخطأ بدقة، ودعمنا اختبار الحماية المتقدمة، بما في ذلك عمليات النقل المسافرة على الموجات، مع محاكاة على نطاق واسع جداً من جانب جبهة فارابوندو مارتي للتحرير، ويمكن لهذه المخططات أن تعمل في ثواني دقيقة بدلاً من الثانية المليمتر، مما يمكن أن يقلل من الأضرار التي تلحق بالمعدات ويحسن استقرار النظام.

الحماية الأساسية

وتوفر وحدات قياس الفواسير قياسات متزامنة زمنياً للفولط والعجلات الحالية عبر مناطق واسعة من نظام الطاقة، وتتيح هذه القياسات مخططات حماية واسعة النطاق يمكن أن تكتشف وتستجيب للاضطرابات على نطاق المنظومة التي قد لا تظهر من القياسات المحلية وحدها.

الصيانة الافتراضية

ويمكن للتحليلات المتقدمة وحسابات التعلم الآلاتي أن تحلل بيانات أداء نظام الحماية للتنبؤ بإخفاقات المعدات قبل حدوثها، مما يتيح الصيانة الاستباقية التي تحسن الموثوقية وتخفض التكاليف مقارنة بالنهج التقليدية للنفقة القائمة على الزمن أو الاستباقية.

المعايير والمبادئ التوجيهية

ويجب أن يمتثل تصميم نظام الحماية للمعايير والمبادئ التوجيهية المعمول بها في مجال الصناعة لضمان السلامة والموثوقية والتشغيل المتبادل، وتشمل المعايير الرئيسية معايير المعهد الأوروبي للتعليم من أجل نقل الحماية، ومعايير اللجنة الأوروبية للطاقة من أجل معدات الحماية وبروتوكولات الاتصالات، ومعايير موثوقية لجنة حقوق الإنسان في جمهورية أفريقيا الوسطى لحماية النقل، ومعايير الوكالة الوطنية لمنع التلوث الجوي/الرابطة الوطنية للكهرباء 70 هاء للسلامة الكهربائية.

وينبغي للمهندسين أن يبقوا على حالهم مع المعايير المتطورة وأن يدمجوا متطلبات جديدة في تصميمات نظم الحماية، كما أن المشاركة في الأفرقة العاملة الصناعية ومنظمات وضع المعايير تساعد على ضمان أن تعكس المعايير الخبرات العملية والتكنولوجيات الناشئة.

دراسة حالة

وتتطلب مشاريع تصميم نظام الحماية في العالم الحقيقي دراسة دقيقة للعوامل العديدة المحددة لكل تطبيق، إذ أن مستويات الفولطية في النظام، والحجم الحالي للآلام، وتقديرات المعدات، وأطبوغرافية الشبكات، وإجراءات التشغيل، والمتطلبات التنظيمية تؤثر جميعها على قرارات تصميم نظام الحماية.

وتبدأ المشاريع الناجحة بأهداف ومتطلبات واضحة، وتشرك أصحاب المصلحة من العمليات والصيانة والهندسة، وتنظر في العوامل التقنية والاقتصادية على السواء، وتشمل الاختبارات والتكليف الشاملين، ويكفل رصد الأداء بعد التركيب والاستعراضات الدورية أن تواصل نظم الحماية تحقيق أهدافها مع تطور النظم.

الاعتبارات الاقتصادية

وفي حين أن موثوقية نظام الحماية هي أمر بالغ الأهمية، فلا يمكن تجاهل العوامل الاقتصادية، وتشمل تكاليف نظام الحماية المعدات الأولية وتكاليف التركيب، وتكاليف الصيانة والاختبار الجارية، وتكاليف إخفاق نظام الحماية، بما في ذلك الأضرار التي لحقت بالمعدات، وتكاليف التجاوز، وحوادث السلامة.

ويساعد تحليل تكاليف دورة الحياة على تحقيق الحد الأمثل من تصميم نظام الحماية من خلال النظر في جميع التكاليف على مدى عمر المعدات المتوقعة، وفي كثير من الحالات، يؤدي الاستثمار في معدات الحماية ذات الجودة العالية وبرامج الاختبار الشاملة إلى خفض التكاليف الإجمالية عن طريق منع الفشل والتجاوزات الباهظة التكاليف.

الاعتبارات البيئية والمتعلقة بالسلامة

ويجب أن يعالج تصميم نظام الحماية العوامل البيئية، بما في ذلك درجات الحرارة القصوى، والرطوبة، والارتفاع، والنشاط السيزمي، والتدخل الكهرومغناطيسي، ويجب تقييم المعدات للظروف البيئية المتوقعة، ووضعها في الضواحي المناسبة مع التحكم في المناخ عند الضرورة.

فالسلامة هي الشاغل الرئيسي في تصميم نظام الحماية، إذ يجب النظر في جميع المخاطر التي تتعرض لها القوس، والصدمات الكهربائية، وطرق فشل المعدات، وينبغي تصميم نظم الحماية لتقليل هذه المخاطر إلى أدنى حد، مع توفير حماية موثوقة للأفراد والمعدات.

التكامل مع نظم الإدارة المتكاملة للأخشاب المدارية ونظم المراقبة

وتدمج نظم الحماية الحديثة بشكل متزايد مع نظم الرقابة الإشرافية وحيازة البيانات ونظم إدارة الطاقة، مما يتيح الرصد عن بعد لحالة نظام الحماية، واسترجاع سجلات الأخطاء وبيانات الحوادث، والتغييرات في تحديد المواقع عن بعد، والتنسيق مع مهام مراقبة النظام.

غير أنه يجب تنفيذ التكامل بعناية للحفاظ على استقلالية نظام الحماية وأمنه، وينبغي ألا تتوقف مهام الحماية الحرجة على نظم الاتصالات أو معدات مراكز المراقبة التي قد تفشل خلال اضطرابات النظام.

خاتمة

إن تصميم نظام الحماية في شبكات الطاقة هو تخصص هندسي معقد وحرجي يتطلب فهما عميقا لسلوك نظام الطاقة، ومبادئ الحماية، ومنهجيات الحساب، واعتبارات التنفيذ العملية، وبالتالي فإن القياسات العالية الجودة والموثوقة تتسم بأهمية قصوى للتمكين من تنفيذ خطط الحماية وفقا للخصائص المصممة التي تُعنى بالقابلية للاعتماد والحساسية والانتقائية والسرعة.

ومع استمرار تطور نظم الطاقة مع تزايد تغلغل الطاقة المتجددة، وتوليدها الموزع، وتكنولوجيات المراقبة المتقدمة، يجب أن تتكيف هندسة الحماية لمواجهة التحديات الجديدة مع الحفاظ على الأهداف الأساسية للسلامة والموثوقية والانتقائية، وباتباع أفضل الممارسات المتبعة، مع التكنولوجيات والمعايير الناشئة، وتطبيق أحكام هندسية سليمة، يمكن لمهندسي الحماية تصميم نظم تحمي شبكات الطاقة الحديثة بفعالية.

وسيشكل تصميم نظام الحماية في المستقبل استخبارات مصطنعة وتكنولوجيات اتصالات متقدمة وخطط حماية مكيفة يمكن أن تستجيب لظروف النظم السريعة التغير، غير أن المبادئ الأساسية للانتقائية والحساسية والسرعة والموثوقية ستظل حجر الزاوية في تصميم نظام الحماية الفعال لسنوات قادمة.

For more information on power system protection and related topics, visit the IEE Power & Energy Society, explore resources from ] International Electrotechnical Commission]], review guidelines from North American Reliability consult Corporation