Wide Area Protection of AC Networks Incorporating IBR Connected by HVDC Line

تشهد الشبكة الكهربائية الحديثة ثورة هادئة. فعلى مدى عقود، كانت الأضواء في منازلنا والطاقة لمدننا تُمد بواسطة توربينات دوارة ضخمة في محطات الطاقة، تعمل بالفحم أو الغاز أو المياه المتساقطة. تمتلك هذه الآلات خاصية فيزيائية طبيعية تسمى "القصور الذاتي"؛ فهي ثقيلة وبطيئة في تغيير سرعتها، مما يساعد الشبكة على البقاء مستقرة عندما يتغير الطلب فجأة أو ينقطع خط ما. ومع ذلك، فإننا اليوم نستبدل هذه الآلات الثقيلة بشكل متزايد بمصادر طاقة متجددة مثل مزارع الرياح ومصفوفات الطاقة الشمسية. هذه المصادر لا تدور؛ بل تولد الكهرباء من خلال إلكترونيات القدرة التي تحول التيار المستمر إلى التيار المتردد المستخدم في الشبكة. وبينما يعد هذا التحول ضرورياً لمستقبل أنظف، إلا أنه يزيل ذلك الاستقرار الطبيعي. فعند حدوث خلل ما — مثل دائرة قصر أو انقطاع في سلك — تتصرف الأنظمة الإلكترونية الجديدة بشكل مختلف تماماً عن الأنظمة الدوارة القديمة؛ حيث تعمل على تحديد مخرجات التيار لحماية نفسها، مما يجعل من الصعب جداً على أجهزة السلامة التقليدية اكتشاف مكان المشكلة بالضبط. وإذا لم تتمكن الشبكة من إيجية هذه الأعطال وعزلها بسرعة، فإن النظام بأكمله يخاطر بالانهيار إلى انقطاع شامل للتيار الكهربائي.

لقد طور باحثون في جامعة إيران للعلوم والتكنولوجيا طريقة جديدة لحل هذه المشكلة المحددة، مع التركيز على كيفية حماية الشبكة عندما يتم تغذيتها بهذه الموارد الحديثة القائمة على الإلكترونيات والمتصلة عبر خطوط التيار المستمر عالي الجهد. يعالج عملهم فجوة حرجة: فقد صُممت أنظمة السلامة التقليدية للمولدات الدوارة القديمة وغالباً ما تفشل أو تتردد عند مواجهة التيارات المحكومة والمحدودة من العواكس (Inverters) الحديثة. اقترح الفريق طريقة تعمل كشبكة أمان واسعة النطاق، تنظر إلى الشبكة بأكملها بدلاً من مجرد سلك واحد لتحديد مكان وقوع الخلل. وبدلاً من محاولة قياس الحجم الدقيق للتيار الكهربائي، والذي قد يكون مضللاً مع هذه المصادر الجديدة، يركز نهجهم على اتجاه وتغير مفاجئ في تدفق التيار. ومن خلال تحليل البيانات من أجهزة الاستشعار الموضوعة في نقاط رئيسية عبر الشبكة، يمكن للنظام تحديد الخط الذي تعطل بالضبط، حتى لو كان الخلل ضعيفاً، أو مخفياً، أو يحدث جنباً إلى جنب مع ضغوط أخرى على النظام.

اختبر الباحثون فكرتهم باستخدام محاكاة حاسوبية مفصلة لشبكة كهربائية معدلة تُعرف باسم نظام (IEEE 39-Bus)، والذي يتضمن مزرعة رياح ضخمة في عرض البحر متصلة باليابسة عبر رابط تيار مستمر عالي الجهد. في محاكاتهم، أدخلوا أنواعاً مختلفة من الأعطال الكهربائية، بما في ذلك انقطاع السلك الواحد، ودوائر القصر في الأسلاك المزدوجة، وحتى أعطال المقاومة العالية التي يصعب اكتشافها بشكل ملحوظ. كما اختبروا سيناريوهات كانت فيها الشبكة تحت الضغط، مثل تقلبات القدرة حيث يتذبذب تدفق الطاقة، وحالات حدث فيها عطلان في مواقع مختلفة في وقت متقارب جداً. وأظهرت نتائج المحاكاة أن طريقتهم نجحت في تحديد الخط المعطل بشكل صحيح في كل سيناريو. لقد ميزت بين الخلل الحقيقي وتقلبات النظام العادية، وعملت حتى عندما كانت الإشارات الكهربائية مشوشة أو عندما كانت مقاومة العطل تصل إلى 500 أوم.

يتضمن جوهر استراتيجيتهم عملية مكونة من خطوتين تحاكي كيفية تضييق نطاق البحث من قبل البشر. أولاً، ينظر النظام إلى مستويات الجهد في كل "ناقل" (Bus)، أو نقطة اتصال في الشبكة. فعند حدوث عطل، ينخفض الجهد بشكل أكبر في النقاط الأقرب إلى المشكلة. يقوم النظام بترتيب جميع النقاط حسب مقدار انخفاض جهدها ويختار الثلاث الأفضل كأكثر المشتبه بهم احتمالاً. تساهم هذه الخطوة في تقليل كمية البيانات التي يحتاج النظام لمعالجتها بشكل كبير، حيث تركز انتباهه فقط على المنطقة التي يحتمل وجود مشكلة فيها. وبمجرد تحديد هذه النقاص الثلاث المشتبه بها، يفحص النظام كل خط نقل متصل بها. هو لا ينظر إلى إجمالي كمية الكهرباء المتدفقة عبر الخط، بل ينظر إلى التغير المفاق في التيار الذي يحدث في اللحظة التي يقع فيها العطل.

ولإجراء هذا التحديد، يقارن النظام سلوك التيار عند طرفي كل خط مرشح. في الظروف العادية، أو عندما يحدث عطل في جزء آخر من الشبكة، لن تتطابق التغيرات في التيار عند طرفي الخط بطريقة معينة. ومع ذلك، إذا وقع عطل مباشرة على الخط الذي تتم مراقبته، فإن تغيرات التيار عند كلا الطرفين ستشير إلى نفس الاتجاه بالنسبة للعطل. لقد أنشأ الباحثون خريطة قرار حيث يرسمون هذه التغيرات من كلا الطرفين. إذا وقعت التغيرات من كلا الطرفين في منطقة إيجابية محددة على هذه الخريطة، يعلن النظام أن هذا الخط هو الخط المعطل. وقد أثبتت هذه الطريقة قوتها حتى عندما كانت البيانات غير مثالية أو عندما كانت الشبكة تعاني من اضطرابات معقدة ومتداخلة.

أحد أهم النتائج في هذه الدراسة هو أن الطريقة تعمل بغض النظر عما إذا كان العطل متماثلاً، أي يؤثر على جميع الأطوار الثلاثة لخط القدرة بالتساوي، أو غير متماثل، أي يؤثر على طور واحد أو اثنين فقط. كما تعاملت بنجاح مع أعطال المقاومة العالية، والتي غالباً ما تكون غير مرئية لأنظمة الحماية القديمة لأن انخفاض التيار يكون صغيراً جداً بحيث لا يطلق إنذاراً. علاوة على ذلك، استطاع النظام التمييز بين الخلل الخطير وتقلب القدرة، وهي حالة تكون فيها الشبكة تحت الضغط ولكنها ليست مكسورة. هذا التمييز حيوي لأن فصل خط ما دون داعٍ أثناء تقلب القدرة يمكن أن يتسبب في نفس الانقطاع الذي يحاول النظام منعه. أظهرت المحاكاة أنه بينما حدد النظام الخلل بشكل صحيح، فقد تجاهل تقلب القدرة، مما حافظ على استقرار الشبكة.

اختبر الباحثون أيضاً قدرة النظام على التعامل مع أعطال متعددة تحدث في تتابع سريع، وهو سيناريو يُعرف بالعطل العابر للبلدان. في محاكاتهم، وقع عطل في خط واحد، ثم وقع عطل ثانٍ في خط مختلف بعد جزء من الثانية فقط. تمكن النظام من اكتشاف الحدث الأول، وتحديد الخط الصحيح، ثم التعرف فوراً على الحدث الثاني وتحديد الخط المعطل الثاني دون ارتباك. تشير هذه القدرة على التعامل مع الأحداث المتتالية والمتداخلة إلى أن الطريقة يمكن أن تكون موثوقة للغاية في السيناريوهات الواقعية حيث قد تحدث حالات فشل متتالية. كما أظهر النظام مرونة ضد ضوضاء القياس، محافظاً على دقته حتى عندما كانت البيانات تحتوي على تداخل كبير، وهي مشكلة شائعة في المراقبة الكهربائية الواقعية.

تعد سرعة الطريقة المقترحة ميزة رئيسية أخرى. في عمليات المحاكاة، تمكن النظام من اتخاذ قرار في غض- 10 مللي ثانية فقط. وبينما يعد هذا سريعاً، يشير الباحثون إلى أنه في التطبيق الواقعي، من المرجح أن يعمل هذا النظام كحماية احتياطية بدلاً من الدفاع الأساسي. صُممت أنظمة الحماية الأساسية للعمل بشكل فوري تقريباً، في غضون دورات قليلة من الموجة الكهربائية، لعزل الأعطال. سيعمل نظام النطاق الواسع الموصوف هنا كشبكة أمان، حيث يتدخل إذا فشل النظام الأساسي في معالجة العطل. يسمح هذا التأخير للأنظمة الأساسية بالقيام بعملها أولاً، وفقط إذا فاتها العطل، يتولى هذا النظام الأوسع والأكثر شمولاً المهمة لمنع انهيار أكبر. يضمن هذا النهج الطبقي بقاء الشبكة آمنة حتى لو ارتبكت أجهزة الاستشعار أو المنطق الأساسي بسبب السلوك المعقد لمصادر الطاقة المتجددة الحديثة.

تخلص الدراسة إلى أن هذا النهج يقدم حلاً عملياً لمشكلة متزايدة في قطاع الطاقة. فمع ربط المزيد من مزارع الرياح والطاقة الشمسية بالشبكة، تصبح الطرق التقليدية لحماية الخطوط الكهربائية أقل فعالية. ومن خلال التركيز على اتجاه تغيرات التيار بدلاً من مقدارها، وباستخدام رؤية واسعة النطاق لتضييق نطاق البحث، توفر هذه الطة الجديدة وسيلة موثوقة للحفاظ على استمرار تدفق الكهرباء. وتشير النتائج، المستمدة من محاكاة حاسوبية صارمة، إلى إمكانية تنفيذ مثل هذا النظام لحماية الشبكة المستقبلية، مما يضمن أن الانتقال إلى الطاقة المتجددة لا يأتي على حساب استقرار الشبكة. يسلط العمل الضوء على أنه بينما تتغير فيزياء الشبكة، يمكن استخدام مبادئ الملاحظة الدقيقة والاستنتاج المنطقي لإبقاء النظام آمناً ويعمل بكفاءة.