خصائص شبكة توزيع الكهرباء:
تمثل شبكة توزيع الكهرباء مع محطات الإنتاج وشبكات النقل المكونات الثلاثة الرئيسية لصناعة الكهرباء.
تتسم شبكة التوزيع بالخصائص التالية:
– تمثل الوصلة النهائية فى سلسلة توريد الكهرباء (Power Supply Chain).
– تتفاعل بصورة مباشرة مع المشتركين، لذلك فإن جودة التغذية تعد مقياساً هاماً للنجاح لدى الجهة التنظيمية (Regulator).
– مسؤولة عن التغذية الكهربائية لجميع المشتركين على الجهدين المتوسط والمنخفض بقطاعات الاستهلاك المختلفة (سكنى – تجارى – صناعى – مرافق عامة – حكومى – زراعى).
يوجد عدد من القيود لشبكة التوزيع يلزم أخذها فى الإعتبار لأعمال التصميم والتخطيط:
– نظراً لانخفاض جهد شبكة التوزيع فإن المتطلبات المكانية (Spatial Requirements) أو الفراغ اللازم لإنشائها تعد محدودة بما يسمح بتغلغلها فى الشوارع الضيقة والأزقة.
– يؤدى المستوى المنخفض لجهد شبكة التوزيع إلى ارتفاع التيارات بالخطوط والموصلات مؤدياُ إلى زيادة معدلات كل من الفقد (Losses) وانخفاض الجهد (Voltage Drop) وبذلك يوجد حد أقصى تصميمى لأطوال خطوط شبكة التوزيع والذى يحدد سعات أصول أو مهمات التوزيع.
– نظراً للارتباط المباشر مع المشتركين فإن سرعة أداء الخدمة بشبكة التوزيع تعد أمراً بالغ الأهمية بما يعنى أن عدم توفير الاستثمارات المطلوبة للشبكة لن يحقق المتطلبات الهندسية لها.
التعريف بتخطيط التوسع فى شبكات التوزيع وأهدافه:
تعنى دراسة تخطيط التوسع فى شبكات توزيع الكهرباء خلال مدى زمنى معين (Planning Period) بتحديد مهمات التوزيع الجديدة المطلوبة من محطات فرعية (Distribution Substations) ومغذيات رئيسية (Primary Feeders) ومحولات توزيع (Distribution Transformers) ونظم أو مغذيات ثانوية (Secondary Systems) ومراكز تحكم وأجهزة قياس ووقاية (حماية) وغيرها مع تحديد السعات المطلوبة وأماكن وتوقيتات تركيبها فضلاً عن برامج الإحلال والتجديد للمهمات القائمة. وتجدر الإشارة إلى أن تخطيط شبكة التوزيع يتم على نطاق إقليمى وليس مركزى تبعاً لشركة توزيع الكهرباء أو البلدية المنوط بها تقديم الخدمة.
تهدف الدراسة إلى مجابهة نمو حمل شبكة التوزيع سنوياً خلال مدى أو فترة التخطيط وذلك بصورة مجدية اقتصادياً وتحافظ فى نفس الوقت على موثوقية منظومة القوى (Power System Reliability) بتغذية كافة أحمال شبكة التوزيع بالكمية والجودة المطلوبين وكذلك تحقق عدداً من القواعد والمحددات الفنية المفروضة على الشبكة مثل أقل فقد ممكن فى الطاقة وعدم انخفاض الجهد عن الحدود المسموح بها وغير ذلك وأخيراً وليس آخراً إرضاء المشتركين. لذا يتم التوسع فى شبكة التوزيع أخذاً فى الاعتبار تحقيق دالة الهدف (Objective Function) والتى تنصب بالأساس على قيود الاستثمار والموثوقية والتشغيل (بشقيه الاقتصادى المتمثل فى تكاليف التشغيل والشق الفنى المتمثل فى المحددات مثل الفقد وانخفاض الجهد).
العناصر الأساسية لعملية تخطيط التوسع فى شبكات التوزيع:
يوجد عدد من العناصر الأساسية لعملية تخطيط التوسع فى شبكات التوزيع نذكرها بإيجاز.
1- إعداد دراسة التنبؤ بأحمال شبكة التوزيع:
يلزم فى البداية دراسة التنبؤ بالأحمال (Demand Forecast) خلال فترة التخطيط (سنوياً خلال الفترة) وذلك فى النطاق الجغرافى لشبكة التوزيع على المستوى الإجمالى ولقطاعات الاستهلاك وحساب معدل نمو الحمل الأقصى والطاقة المستهلكة سنوياً. وجدير بالذكر أن التنبؤ بالأحمال يعتمد ليس فقط على النمو الطبيعى المحسوب من البيانات التاريخية للأحمال ولكن يلزم الأخذ فى الاعتبار أية مشروعات كبيرة مستقبلية أو امتدادات عمرانية جديدة فى نطاق عمل شبكة التوزيع.
2- إعداد خطة الإحلال والتجديد بالشبكة القائمة:
فى أغلب الأحيان تكون التوسعات الجغرافية لتشمل مناطق عمرانية جديدة فى النطاق الجغرافى لشبكة توزيع الكهرباء محدودة لذا يلزم أولا دراسة أداء المهمات الكهربائية المغذية للمناطق القائمة بحيث تعطى أولوية لأعمال الإحلال والتجديد قبل التوجه لتنفيذ أعمال جديدة كلياً وذلك من منظور اقتصادى وأخذاً فى الاعتبار عامل الوقت.
يتم دراسة مستويات التحميل بمكونات شبكة التوزيع القائمة مثل المحطات الفرعية والمغذيات والمحولات وكذلك دراسة أدائها من خلال التحقق من العوامل التصميمية مثل مستويات الفقد وانخفاض الجهد وتحديد المناطق الجغرافية الحالية بالشبكة التى تحتاج إلى أعمال إحلال وتجديد بهدف رفع كفاءتها واستعادة العوامل التصميمية قدر الإمكان.
تشمل إجراءات دعم الشبكة القائمة التى تغطى المناطق الجغرافية الحالية ما يلى (على سبيل المثال لا الحصر):
– زيادة سعات الخطوط من خلال استبدال الموصلات القديمة بأخرى جديدة ذات سعات أكبر (Reconductoring) لتجنب إنشاء خطوط جديدة.
– إعادة توزيع الأحمال (Load Redistribution) على المحطات الفرعية (أو المغذيات) بهدف نقل الأحمال الزائدة على المحطات الفرعية (أو المغذيات) ذات نسب التحميل العالية إلى محطات فرعية (أو مغذيات) قريبة ذات نسب تحميل منخفضة لتجنب إنشاء محطات فرعية (أو مغذيات) جديدة.
3- إعداد خطة التوسع فى الشبكة القائمة:
عند استنفاذ مخططات الإحلال بشبكة التوزيع القائمة أى أقصى ما يمكن عمله لتجديد الشبكة القائمة ورفع كفاءتها وفى ضوء نتائج التنبؤ بالأحمال لتغطية المتطلبات المستقبلية للمناطق الجغرافية القائمة والمناطق الجديدة الناشئة عن خطط التوسع العمرانى فى النطاق الجغرافى الذى تخدمه شبكة التوزيع يلزم معه التوسع فى الشبكة بإنشاء مهمات جديدة مثل المحطات الفرعية والمغذيات ومحولات التوزيع وما يستتبعه من تركيب مهمات قياس ووقاية وتحكم.
4- إعداد الخطة الاستثمارية لأعمال الإحلال والتجديد والتوسع فى شبكة التوزيع خلال فترة التخطيط.
5- الحصول على الموافقات المطلوبة تمهيدا لتوفير التمويل اللازم ثم بدء التنفيذ.
التخطيط الحديث لشبكات التوزيع فى ظل متغيرات سوق الكهرباء:
تطويراً للتخطيط التقليدى الذى سبق عرضه والمتمثل فى مجابهة أحمال شبكة توزيع الكهرباء عن طريق مهمات التوزيع من محطات فرعية ومغذيات ومحولات توزيع فقد فرضت تغيرات سوق الكهرباء مثل التوسع فى مصادر الطاقة الموزعة (Distributed Energy Resources) مثل ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية (Solar PV) والتوسع فى محطات شحن المركبات الكهربائية (Electric Vehicles, EVs) وتعظيم دور برامج استجابة الطلب (Demand Response) واقعاً جديداً لا يمكن إغفاله مما استلزم مواكبة التخطيط الحديث لهذه المتغيرات.
يوجد أكثر من مسمى لمثل هذا النوع الحديث من تخطيط شبكة التوزيع مثل تخطيط التوزيع المتكامل (Integrated Distribution Planning, IDP) أو التخطيط الفعال (Active Planning). يتيح الدمج الجيد لمصادر الطاقة الموزعة والتقنيات الحديثة فى شبكة التوزيع تعظيم أداء الشبكة وتعزيز قوتها.
يتطلب تخطيط التوزيع المتكامل إتباع نهج شامل وتعاونى يتضمن تخصصات وأساليب متعددة، ونذكر أهم جوانب هذا النهج:
– جمع وتحليل البيانات المختلفة من مصادر متعددة مثل أنظمة الشبكة والعدادات الذكية وتوقعات الطقس وغيرها، وكذلك تحديد المخاطر المحتملة مثل انهيار المهمات والمناطق الجغرافية الأكثر تعرضاً لظروف الطقس السيئة والتهديدات السيبرانية (Cyber Threats) وغيرها.
– التمثيل الدقيق والشامل لمكونات الشبكة وتفاعلاتها بما يتيح تقييم أداء وآثار بدائل التخطيط المختلفة.
– تطبيق أساليب متقدمة للنمذجة أو التحسين (Optimization Techniques) لتحديد بديل التخطيط الأفضل فى ضوء الأهداف والقيود.
– التصميم المرن (Flexible Design) الذى يأخذ فى الاعتبار متغيرات كل من الطلب على الطاقة الكهربائية ومصادر الإمداد والتطورات التقنية، ويشمل ذلك دمج تقنيات الشبكة الذكية (Smart Grid) والشبكات الصغيرة (Microgrids) ومصادر الطاقة اللامركزية (Decentralized Energy Sources) لضمان إتاحة الطاقة أثناء حالات الطوارئ.
المراجع:
- Reza Dashti and Mojtaba Rouhandeh, Power distribution system planning framework (A comprehensive review), Energy Strategy Reviews 50 (2023) 101256, https://www.elsevier.com/locate/esr.
- Shaik Abdul Saleem, Rama Rao J.V.G and Lokeshwar Reddy .Ch, Rehabilitation and Techno design of Distribution transformer and 11kV feeder of a radial distribution system, E3S Web of Conferences 472, 01019 (2024), https://doi.org/10.1051/e3sconf/202447201019.
- Vahid Vahidinasab, et al, Overview of Electric Energy Distribution Networks Expansion Planning, IEEE Access, https://ieeexplore.ieee.org/document/8995556, February 2020.
- https://www.linkedin.com/pulse/integrated-distribution-planning-key-modern-power-grids-siavash-jamal-zjqwc/.
