⚡ electrical engineering

Autonomous and Distributed Synchronization and Restoration of an Islanded Network of Microgrids

تقترح هذه الورقة وتتحقق من صحة مخطط تزامن واستعادة ذاتي وموزع لشبكات الميكروجريد المعزولة باستخدام التحكم التناسبي التكاملي بمتوسط توزيعي (DAPI)، والذي يعالج بفعالية عدم استقرار التزامن وتحديات التنظيم من خلال عمليات محاكاة عالية الدقة على نظام IEEE 123-bus معدل.

المؤلفون الأصليون: Ahmed Saad Al-Karsani, Maryam Khanbaghi

نُشر 2026-02-13

📖 5 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Ahmed Saad Al-Karsani, Maryam Khanbaghi

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل الشبكة الكهربائية ليس كطريق سريع واحد ضخم، بل كمجموعة من الأحياء المكونة من مجتمعات صغيرة ومستقلة تسمى الشبكات الدقيقة (Microgrids). هذه المجتمعات يمكنها العمل بمفردها (مثل منزل يعمل بمولد كهربائي) أو الاتصال بشبكة المدينة الكبيرة.

الآن، تخيل حدوث انقطاع هائل للتيار في المدينة. الشبكة الكبيرة تصبح مظلمة. هنا يجب على هذه الشبكات الدقيقة أن تستيقظ، وتبدأ مولداتها الخاصة بالعمل، ثم — والأهم من ذلك — تتعلم كيف تمسك بأيدي بعضها البعض وتتصل ببعضها لتشكل "شبكة من الشبكات الدقيقة" (NMG) أكبر وأقوى، دون التسبب في انهيار فوضوي.

هذه الورقة البحثية تدور حول تعليم مولدات الطاقة الرقمية هذه كيفية القيام بتلك "الرقصة" بشكل مستقل (دون قائد بشري) وبأمان.

إليك تفصيل حلهم، باستخدام تشبيهات من الحياة اليومية:

1. المشكلة: المولدات "اليتيمة"

عندما تموت الشبكة الرئيسية، تصبح هذه الشبكات الدقيقة جزرًا معزولة. وعليها أن تبدأ من الصفر (وهو ما يسمى "البداية السوداء" أو Black Start).

التحدي: فكر في هذه المولدات كراقصين. إذا بدأوا الرقص بمفردهم، فقد يكونون غير متناغمين تمامًا مع بعضهم البعض. إذا حاولوا الإمساك بأيدي بعضهم (توصيل دوائرهم الكهربائية) بينما أحدهم يدور بسرعة والآخر بطيء، أو إذا كان أحدهم يواجه اتجاهًا والآخر يواجه اتجاهًا مختلفًا، فسوف يتعثرون، ويسقطون، وتتحطم المعدات.
الطريقة القديمة: عادةً، تحتاج إلى "رئيس" مركزي (تحكم إشرافي) ليخبر الجميع متى يبدأون ومتى يتصلون. ولكن إذا انقطع خط هاتف هذا الرئيس، سيفشل النظام بأكمله.
المخاطرة: إذا اتصلوا ببعضهم في وقت مبكر جدًا أو بطريقة خشنة، فسيؤدي ذلك إلى "طفرة طاقة" (مثل صدمة مفاجئة) يمكن أن تزعزع استقرار الشبكة بالكامل.

2. الحل: فريق العمل "DAPI"

يقترح المؤلفون طريقة جديدة لهذه المولدات للتحدث مع بعضها البعض باستخدام طريقة تسمى DAPI (المتوسط الموزع التناسبي التكاملي - Distributed-Averaging Proportional-Integral).

التشبيه: مجموعة من المتنزهين
تخيل مجموعة من المتنزهين تائهين في غابة ضبابية (الشبكة المعزولة). يحتاجون إلى الالتقاء في نقطة معينة والبدء في المشي معًا بتناغم تام.

لا يوجد قائد: لا يوجد قائد واحد يعطي الأوامر.
الجيران يتهامسون: كل متنزه يتحدث فقط مع الأشخاص الموجودين بجانبه مباشرة.
الهدف: يريدون الاتفاق على نفس السرعة (التردد) ونفس الاتجاه (الطور).
كيف يعمل الأمر: إذا كان المتنزه (أ) يمشي بسرعة كبيرة، فإنه يستمع إلى المتنزه (ب) والمتنزه (ج). يقوم بمتوسط سرعتهم ويبطئ من سرعته بلطف. إذا كان المتنزه (أ) يواجه الشمال لكن المتنزه (ب) يواجه الشرق، فإنه يدور بلطف حتى يواجه الجميع نفس الاتجاه.

هذا "الهمس" يحدث إلكترونيًا بين العواكس (الأجهزة التي تحول طاقة البطارية إلى طاقة شبكة). وهذا يضمن أنه قبل أن يتلامسوا بالأسلاك، يكونوا قد تحركوا بالفعل في تناغم تام.

3. "البداية الناعمة" و "الضوء الأخضر"

تصف الورقة بروتوكول سلامة مكونًا من ثلاث خطوات:

البداية الناعمة (الاستيقاظ):
عندما تكون الطاقة مقطوعة، لا تطلق المولدات طاقتها فجأة. بل ترفع الجهد ببطء، مثل رفع مستوى الصوت في الراديو ببطء شديد حتى لا يصيب أذنيك بالضجيج. إنهم يثبتون استقرار جزيرتهم الصغيرة أولاً.
"فحص التزامن" (إشارة المرور):
قبل أن تتصل شبكتان دقيقتان، تجريان فحصًا رقميًا.

هل سرعتنا هي نفسها؟ (التردد)
هل جهدنا هو نفسه؟ (الجهد)
هل نحن في نفس الاتجاه؟ (الطور)

لقد وضع المؤلفون هذه القواعد لتكون صارمة للغاية. بينما قد تسمح القواعد القياسية باختلاف بنسبة 10%، فإن نظامهم يتطلب أقل من 1%. إنه يشبه سائق سيارة سباق ينتظر حتى يصبح موازيًا تمامًا للسيارة التي بجانبه قبل الاندماج في المسار، بدلاً من الاكتفاء بكونه "قريبًا بما يكفي".

"الكل تمام" الموزع (المصافحة):
هذا هو الجزء الذكي. لن يُغلق القاطع (المفتاح الذي يربط الشبكات) ما لم يوافق كلا الجانبين.

الشبكة الدقيقة (أ) تتحقق من حالتها الخاصة.
الشبكة الدقيقة (أ) تسأل الشبكة الدقيقة (ب): "هل أنت مستعدة؟"
إذا قالت الشبكة الدقيقة (ب) "نعم"، وقالت الشبكة الدقيقة (أ) "نعم"، حينها يطقطق المفتاح.
إنه نظام تحقق مزدوج. إذا كان أحد الجانبين مرتبكًا أو كان خط الاتصال مقطوعًا، يظل المفتاح مفتوحًا. لن يتضرر أحد.

4. المحاكاة: اختبار التصادم الرقمي

لإثبات نجاح ذلك، بنى المؤلفون نموذجًا رقميًا ضخمًا لنظام طاقة حقيقي (يعتمد على نظام IEEE 123-bus الشهير، وهو بمثابة خريطة معقدة لخطوط طاقة المدينة).

قاموا بمحاكاة 7 شبكات دقيقة مختلفة تستيقظ من انقطاع التيار.
راقبوا كيفية تحدثها مع بعضها البعض، وتعديل سرعتها، وأخيرًا كيف تلاحمت معًا.
النتيجة: عمل الأمر بشكل مثالي. استقر النظام، وتشارك حمل الطاقة بالتساوي (مثل مجموعة من الأصدقاء يتشاركون في حمل صندوق ثقيل)، وحافظوا على بقاء الأضواء تعمل دون أي انهيارات.

لماذا هذا مهم؟

في المستقبل، ومع اعتمادنا المتزايد على الألواح الشمسية والبطاريات (التي لا تحتوي على الأجزاء الدوارة الثقيلة لمحطات الطاقة القديمة)، ستصبح الشبكة أكثر هشاشة.

المرونة: إذا ضربت عاصفة الشبكة الرئيسية وأدت لتعطلها، يمكن لهذه الشبكات الدقيقة أن تستيقظ، وتجد بعضها البعض، وتُشكل شبكة طاقة مؤقتة جديدة تلقائيًا.
لا توجد نقطة فشل واحدة: نظرًا لأنها لا تعتمد على رئيس مركزي واحد، فإذا تعطل جهاز كمبيوتر واحد، يمكن للأجهزة الأخرى الاستمرار في التحدث والحفاظ على استمرار التيار.

باخت شديد: تعلم هذه الورقة البحثية مولدات الطاقة الرقمية كيف تكون فريقًا منسقًا جيدًا، حيث يتهامسون مع جيرانهم لضبط التزامن بينهم قبل أن يتصافحوا، مما يضمن أنه عندما تنطفئ الأنوار، يمكنهم إعادة تشغيل أنفسهم دون التسبب في كارثة.

ملخص تقني مفصل لورقة بحثية بعنوان: "المزامنة والاستعادة الذاتية والموزعة لشبكة معزولة من الشبكات الصغيرة"

1. بيان المشكلة

أدى التحول نحو الطاقة المتجددة إلى انتشار الموارد القائمة على العاكسات (IBRs) وتشكيل شبكات من الشبكات الصغيرة (NMGs). وبينما توفر هذه الشبكات مرونة معززة، فإن تشغيلها في الوضع المعزول (Islanded Mode) يفرض تحديات كبيرة:

نقص القصور الذاتي: على عكس الآلات التزامنية التقليدية (SMs)، تفتقر الموارد القائمة على العاكسات (IBRs) إلى القصور الذاتي الدوراني، مما يجعلها حساسة للغاية للاضطرابات وعرضة لعدم الاستقرار.
عدم استقرار المزامنة: تتطلب عملية استعادة الطاقة (البدء الأسود - Black Start) وإعادة ربط الشبكات الصغيرة المعزولة مزامنة دقيقة. إذ يمكن أن تؤدي الانحرافات الطفيفة في الجهد أو التردد أو الطور عند نقطة الربط المشترك (PCC) إلى تيارات اندفاعية وعدم استقرار في الإشارات الصغيرة.
التنظيم غير الكافي: غالبًا ما تفشل مخططات التحكم الحالية في المستوى الثانوي في معالجة المقايضات بين تنظيم الجهد وتقاسم القدرة التفاعلية في الشبكات الضعيفة والمعزولة.
الفجوات في النمذجة: هناك نقص في نماذج المحاكاة عالية الدقة وواسعة النطاق للشبكات الصغيرة (NMGs) المعزولة التي تدمج الأنظمة غير المتوازنة الواقعية وديناميكيات الموارد القائمة على العاكسات التفصيلية.

2. المنهجية

يقترح المؤلفون مخططًا شاملًا للمزامنة والاستعادة الذاتية والموزعة باستخدام تحكم المتوسط التناسبي التكاملي الموزع (DAPI). وتتكون المنهجية مما يلي:

أ. نمذجة النظام:

نظام الاختبار: تم إنشاء نموذج عالي الدقة لمغذي اختبار IEEE 123-bus معدل وغير متوازن في برنامج MATLAB®/Simulink®.
الطوبولوجيا: النظام معزول عن الشبكة الرئيسية ويتكون من 7 شبكات صغيرة (MGs)، كل منها مجهز بمورد واحد قائم على العاكس (GFM IBR) متصل بنظام تخزين طاقة البطاريات (BESS).
التسلسل الهرمي للتحكم:
- المستوى الأولي: تحكم المنحدر (Droop control) ( $P-f$ و $Q-V$ ) لإنشاء علاقة خطية بين القدرة والتردد/الجهد.
- المستوى الثانوي: يُستخدم تحكم DAPI لإزالة أخطاء الحالة المستقرة في التردد والجهد مع ضمان تقاسم القدرة.
- توافق الطور: تم تقديم ديناميكية مبتكرة لتزامن الطور (المعادلة 8) حيث تتبادل الموارد القائمة على العاكسات معلومات زاوية الطور ( $\theta$ ) مع جيرانها لمحاذاة الأطوار قبل الاتصال.

ب. استراتيجية التحكم:

البدء الأسود والبدء الناعم: تقوم كل شبكة صغيرة بعملية بدء ناعم ذاتية، حيث ترفع الجهد من 0 إلى القيمة المحددة ( $480\sqrt{2}/\sqrt{3}$ فولت) خلال 0.5 ثانية.
التنظيم اللامركزي: في البداية، يتم تعطيل روابط الاتصال ( $a_{ij}=0$ )، مما يسمح لكل شبكة صغيرة بتنظيم التردد والجهد بشكل مستقل.
منطق المزامنة الموزعة:
- الفحص المحلي: يراقب كل مورد (IBR) الانحرافات المحلية في التردد ( $\Delta \omega$ )، والجهد ( $\Delta V$ )، والطور ( $\Delta \theta$ ).
- فحص الجيران: تتبادل الموارد (IBRs) حالة المزامنة مع الجيران المتصلين فيزيائيًا.
- منطق القاطع: يضمن منطق بوابة AND ذو المرحلتين (الشكل 2-4) أن القاطع لا يغلق إلا إذا اجتاز كلا فحصي المزامنة المحلي والجار. يعمل هذا كأداة لزيادة الموثوقية لمنع إغلاق القواطع في وقت واحد عبر الشبكة (NMG) ما لم تستوفى جميع الشروط.
تنظيم ما بعد الاتصال: بمجرد الاتصال، يتم تفعيل تحكم DAPI بالكامل لتقاسم القدرة الفعالة (بناءً على السعة المقدرة) وتنظيم التردد والجهد عبر الشبكة بأكملها.

3. المساهمات الرئيسية

مزامنة الطور بدون قائد: تنفيذ مخطط توافق طور موزع وبدون قائد يسمح للموارد (IBRs) بالمزامنة ذاتيًا دون الحاجة إلى وحدة تحكم إشرافية مركزية.
টি
مخطط استعادة متكامل: نهج موحد يتعامل مع البدء الناعم، والمزامنة، والاتصال، والتنظيم في آن واحد، معالجًا التحديات المحددة للشبكات الضعيفة المعزولة.
التحقق عالي الدقة: تم التحقق من المقترح على نموذج شبكة صغيرة (NMG) واسع النطلة وغير متوازن (7 شبكات صغيرة، IEEE 123-bus) باستخدام محاكاة تفصيلية للظواهر الكهرومغناطيسية العابرة (EMT)، متجاوزًا دراسات تدفق القدرة الاستاتيكية المبسطة.
معايير مزامنة صارمة: يقترح المؤلفون معايير مزامنة أكثر صرامة من معايير IEEE 1547-2018 (على سبيل المثال، $|\Delta f| < 0.01$ هرتز مقابل 0.1 هرتز) لضمان الاستقرار في الشبكات المعزولة الضعيفة.

4. نتائج المحاكاة

أجريت المحاكاة على نافذة زمنية مدتها 10 ثوانٍ في MATLAB®/Simulink®:

البدء الأسود (0–3 ثوانٍ): نجحت كل شبكة صغيرة في إجراء بدء ناعم. قام التحكم الثانوي اللامركزي بتنظيم التردد والجهد إلى القيم المحددة ( $f^*=60$ هرتز، $V^*=$ القيمة المحددة).
المزامنة (t=3 ثوانٍ): اجتازت عمليات الفحص المحلي وفحص الجيران الاختبار. أدى المنطق الموزع إلى تفعيل إغلاق القواطع.
الحالة المستقرة (t>4 ثوانٍ):
- التردد: تزامنت جميع الشبكات الصغيرة عند 60 هرتز.
- تقاسم القدرة: تمت مشاركة القدرة الفعالة بالتساوي بين الموارد (IBRs) بناءً على تصنيفاتها.
- الجهد/القدرة التفاعلية: باستخدام كسب انحراف الجهد ( $\xi$ ) قدره 0.05، حقق النظام مقايضة حيث ظل الجهد ضمن نطاق $\pm 5\%$ من القيمة المحددة، بينما تمت مشاركة القدرة التفاعلية. وبدون استخدام DAPI، لوحظ دوران للقدرة التفاعلية.
تحليل الاستقرار: ظل النظام مستقرًا مع خطوة زمنية للتحكم قدرها 11.1 مللي ثانية. ومع ذلك، أدى رفع الخطوة الزمنية إلى 22.2 مللي ثانية إلى عدم الاستقرار بعد الإغلاق، مما يسلط الضೆ الضوء على الحاجة إلى تحكم قوي أو اتصالات أسرع (مثل IEC 61850 GOOSE).

5. الأهمية

المرونة: يتيح المخطط المقترح للشبكات (NMGs) التعافي ذاتيًا من انقطاع التيار الكهربائي دون الاعتماد على دعم خارجي أو تحكم مركزي، وهو أمر بالغ الأهمية للتعافي من الكوارث والمناطق النائية.
القابلية للتوسع: تضمن الطبيعة الموزعة لتحكم DAPI ومنطق التوافق قدرة النظام على التوسع بشكل جيد دون وجود نقاط فشل فردية.
الواقعية: من خلال استخدام نموذج غير متوازن عالي الدقة ومعالجة تأخيرات الاتصال، تسد هذه الدراسة الفجوة بين تصميم التحكم النظري والتطبيق الفعلي في أنظمة التوزيع.
الاتجاهات المستقبلية: حدد العمل الحاجة إلى استراتيجيات تحكم قوية للتعامل مع الخطوات الزمنية الأطول وفشل الاتصالات، بالإضافة إلى تحسين التعامل مع الأحمال غير المتوازنة أثناء عملية الاتصال.

في الختام، تثبت هذه الورقة أن التحكم الموزع القائم على DAPI، مقترنًا بمنطق المزامنة الذاتية، يعد حلاً فعالاً وموثوقاً لاستعادة وتشغيل الشبكات من الشبكات الصغيرة المعزولة بشكل موثوق.