مقدمة

الهدف الرئيسي لهذا المقال هو طرح مقترح تقني لمشغلي الشبكات الكهربائية لاسيما تلك الشبكات التي تواجه تحول لتبلغ مصادر الطاقة المتجددة نسب عالية من مزيج مولدات الكهرباء بالشبكة. حيث من الممكن لمحطات الطاقة المتجددة أن تتحول من مصدر ومهدد لاستقرار الشبكة الى مصادر حماية للشبكة الكهربائية من مخاطر الاهتزازات المنخفظة التي قد تؤدي الى عدم استقرار الشبكة الوطنية.

تمثل الاهتزازات منخفضة التردد (Low-Frequency Oscillations – LFOs) أحد أشكال عدم الاستقرار الديناميكي في أنظمة الطاقة الكهربائية. تاريخيًا، كانت هذه الاهتزازات تقتصر على نطاق ضيق يتراوح بين 0.1 و3 هرتز في الشبكات التقليدية المعتمدة على المولدات المتزامنة (Synchronous Generators). أما في الأنظمة الحديثة التي يهيمن عليها التوليد من الموارد القائمة على العواكس (Inverter-Based Resources – IBRs)، فقد بات من الممكن ظهور أنماط اهتزازية إضافية ضمن نطاق أوسع يمتد من 0.2 إلى 8 هرتز. تُعد معالجة هذه الأهتزازات أمرًا بالغ الأهمية لأنها إذا لم يتم تخميدها (undamped)، يمكن أن تتوسع وتتسبب في انقطاع التيار على نطاق واسع (wide-area blackouts). من الأمثلة على ذلك، الأهتزاز المنخفض الذي حدث في اسكتلندا عام 2021 بتردد 8 هرتز، والانقطاع الذي حدث في إسبانيا والبرتغال عام 2025 والذي كان سببه “اهتزازات ما بين الشبكات” (inter-area oscillations).

تقليديًا، كانت المولدات المتزامنة توفر للشبكة خصائص جوهرية مثل القصور الذاتي (Inertia) والتخميد الطبيعي(Natural Damping)، وهما عنصران أساسيان في استقرار النظام الكهربائي. غير أن التوجه العالمي نحو دمج مصادر الطاقة المتجددة على نطاق واسع، وفي مقدمتها الطاقة الشمسية الكهروضوئية (Solar PV) ، أدى إلى تراجع هذه الخصائص بشكل كبير، ما جعل الشبكات أكثر عرضة لعدم الاستقرار والاهتزازات.

يمكن تمثيل الإهتزازات رياضيًا بالمعادلة التالية:

تتكون هذه المعادلة من أربعة مكونات أساسية تحدد خصائص الإهتزاز:

• السعة (Amplitude – Ai​): تحدد حجم أو مقدار الإهتزاز.
• نسبة التخميد Damping ratio – ζ أو σi​ تُعد من أهم الخصائص، حيث تحدد مصير الإهتزاز.
• إذا كانت σi​>0 ، فإن الإهتزازات تتزايد وتؤدي إلى عدم الاستقرار.
•  إذا كانت σi​<0 فإن الإهتزازات تتلاشى مع مرور الوقت.
•  أما إذا كانت σi​=0 إنها تستمر دون تزايد أو تلاشي.
• التردد (Frequency – ωi​) يوضح سرعة الإهتزاز وهوعادة ما تتراوح الترددات بين 0.2 و 1 هرتز للأنماط بين المناطق (inter-area modes) وبين 1 و 2 هرتز للأنماط المحلية داخل المحطات local plant modes.

• شكل النمط (Mode shape) يحدد المولدات أو موارد الـ IBR التي تشارك في الإهتزاز. في الأنظمة التي تهيمن عليها العواكس، يمكن أن تتغير أشكال الأنماط بشكل سريع بسبب تفاعلات وحدات التحكم الداخلية، مثل حلقات التحكم في الطور (PLL) أو التحكم في تيار العاكس (inverter current control). لهذا السبب، يتطلب الوضع الجديد مراقبة مستمرة للشبكة.

المقترح: نهج مزدوج للتصدي للاهتزازات منخفضة التردد باستخدام اداة OSLp المجانية

المقترح الذي اقدمه للقراء المعنيين يعتمد على الاستفادة من البرمجيات الحالية المثبت فائدتها وتطويرها من مشغلي الشبكات لربطها بمحطات الطاقة الشمسية لتعمل بشكل متكامل او على مجموعات للاستجابه السريعه للاهتزازات المنخفظه ومعالجتها عبر وحدات التخميد Power Oscillation Damping (POD) الخاصة بها.

من هذه البرمجيات المجانية مؤخرا هي منصة OSLp (Oscillation Source Location platform). والتي تعد منصة برمجية متخصصة لرصد وتحديد مواقع الاهتزازات منخفضة التردد في الشبكات الكهربائية. طُوِّرت هذه الأداة على خلفية الحاجة إلى حلول عملية في الزمن الحقيقي لمراقبة استقرار الأنظمة الكهربائية التي يزداد فيها الاعتماد على الموارد القائمة على العواكس  (IBRs).

تم تطويرها في الأساس من خلال تعاون بين:

• ISO New England (ISO-NE) مشغل الشبكة في شمال شرق الولايات المتحدة.
• مختبر الطاقة المتجددة الوطني الأمريكي (NREL).
• شركاء أكاديميين في أبحاث الاستقرار الديناميكي للشبكات.

ثم تم تبنيها واستخدامها في مشاريع دولية، مثل:

• POSOCO (الهند) حيث جرى اختبارها عمليًا على الشبكة الهندية.
• ISO-NE مشغل الشبكة في شمال شرق الولايات المتحدة

للتعامل مع التحديات المتزايدة المرتبطة بالاهتزازات منخفضة التردد في شبكات الكهرباء الحديثة، يُقترح اعتماد حل مزدوج يجمع بين الرصد (Detection) والمعالجة  (Mitigation)، بحيث يعمل كلا المسارين بشكل متكامل على ضمان استقرار الشبكة ورفع موثوقيتها.

1. الرصد  (Detection)

يعتمد هذا المسار على استخدام وحدات قياس الطور (Phasor Measurement Units – PMUs) المنتشرة في نقاط استراتيجية من الشبكة، حيث تقوم بقياس متغيرات الجهد والتيار بتردد عالٍ ومرجعية زمنية دقيقة تعتمد على الـ GPS.

• يتم تغذية هذه البيانات في الوقت الحقيقي إلى منصة OSLp
• تستند المنصة إلى طريقة تدفق الطاقة المبددة (Dissipating Energy Flow – DEF) التي تمكّن من تحديد موقع المصدر الفعلي للاهتزازات، سواء كان في محطة توليد معينة أو خط ربط بيني.
• هذه القدرة على التشخيص الدقيق والفوري تسمح لمشغلي النظام (TSOs) بالتحرك بسرعة، ومنع انتقال الاهتزازات إلى أجزاء أخرى من الشبكة.

طريقة تدفق الطاقة المبددة (The Dissipating Energy Flow (DEF) Method)

تُعد طريقة تدفق الطاقة المبددة (DEF) من أكثر الطرق فعالية لتحديد موقع مصدر الإهتزاز. تعتمد هذه الطريقة على بيانات قياسات الطور المتزامن (synchrophasor measurements) التي توفرها وحدات قياس الطور (PMUs)، وذلك لحساب تدفق الطاقة المبددة في خطوط النقل.

المبدأ الأساسي للطريقة هو أن اتجاه تدفق الطاقة المبددة (DE) يُشير إلى موقع مصدر الإهتزاز. يُظهر الرسم البياني المرفق (Figure 1)  نظامًا من محطتين، حيث يُشير سهم تدفق الطاقة المبددة (DE) إلى اتجاه المصدر.

يتم حساب DEF لخط بين المحطة i والمحطة j بالمعادلة التالية:

• إذا كانت قيمة DEij ​ موجبة (>0) ، فهذا يدل على أن مصدر الإهتزاز يقع خلف المحطة
• إذا كانت قيمتها سالبة (<0) ، فهذا يعني أن المصدر يقع خلف المحطة

تُثبت هذه الطريقة فعاليتها في تحديد مصادر الإهتزاز سواء كانت قسرية (forced oscillations)، مثل تلك الناتجة عن أعطال في وحدات التحكم، أو طبيعية (natural oscillations)، التي تنتج عن ضعف في التخميد.

يتضمن سير العمل (workflow) لمنصة OSLp الخطوات التالية:

• تنظيف وتصفية البيانات (Data cleaning and filtering): يتم إزالة القيم الشاذة (outliers) من البيانات الواردة.
• تحديد النمط السائد (dominant mode): يتم استخدام تحويل فورييه السريع (Fast Fourier Transform – FFT) لتحديد التردد السائد للإهتزاز.
• اختيار خط الدراسة والنافذة الزمنية (Selection of study line and study window): يتم تحديد الخط الذي يُظهر فيه الإهتزاز أقوى تأثير، وتحديد الفترة الزمنية التي يُدرس فيها.
• حساب DEF وعرضه (DEF calculation and visualization): يتم حساب تدفق الطاقة المبددة وعرضه بشكل مرئي على لوحات القيادة (dashboards) لتمكين المشغلين من تحديد المصدر بسهولة.

للتأكيد على دقة طريقة  DEF، تُظهر نتائج الدراسات حالات عديده ناجحه في الشبكة الإقليمية الجنوبية في الهند:

• في 27 أبريل 2022، تسبب فصل خط مجمع مائي (Hydro complex line tripping) في حدوث تذبذبات بتردد 0.74 هرتز، وتم تحديد المصدر بدقة في محطة Hasan PMU.
• في 28 سبتمبر 2021، أدى فصل وحدة توليد مائية (Hydro unit trip) إلى تذبذبات بتردد 1.15 هرتز، وتم تحديد المصدر بدقة في محطة Kalamassery PMU.
• في 20 مايو 2022، تم الكشف عن تذبذبات بين المناطق (inter-regional oscillations) بتردد 0.63 هرتز، وحدد DEF المصدر في محطة Solapur PMU.
  2. المعالجة  (Mitigation)

بعد الكشف عن الاهتزاز ومصدره، تأتي مرحلة المعالجة عبر وحدات تخميد الإهتزازات (Power Oscillation Dampers – PODs) المدمجة داخل وحدات التحكم في محطات الطاقة الكهروضوئية (PV Plant Controllers – PPCs).

• تعمل هذه الوحدات كـ “طبقة إضافية ذكية” فوق وظائف التحكم الأساسية (مثل Q(V) droop وP(f) droop وتنظيم الجهد والتردد).
• عند استلام إشارة التفعيل من مركز التحكم، يقوم الـ POD بإضافة إشارات تصحيحية صغيرة إلى مرجع القدرة الفعالة ΔP_ref أو القدرة التفاعلية ΔQ_ref.
• هذه التعديلات الطفيفة (لا تتجاوز عادة ±5–10% من قدرة المحطة) قادرة على توفير تخميد فوري للأنماط الاهتزازية المستهدفة.
• في حال انقطاع الاتصال مع مركز التحكم، يمكن تفعيل وضعية العمل المحلي بحيث يعتمد الـ POD على إشارات محلية (مثل التردد عند نقطة الربط)، مما يعزز مرونة وحماية الشبكة.

الحل المقترح للتطبيق في المملكة العربية السعودية

يصف هذا القسم بنية عملية لربط نظام الكشف عن الإهتزازات في الوقت الفعلي (OSLp/DEF) بوظيفة تخميد الإهتزاز (POD) المدمجة في وحدات التحكم بمحطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية .(PPC) الهدف هو توفير تخميد على نطاق واسع (wide-area damping) من خلال تعديل سريع للطاقة التفاعلية (reactive power) و/أو الطاقة الفعالة (active power).

تربط الشبكة السعودية مناطق مختلفة (الوسطى والغربية والشرقية). ومع اقتراب حصة الطاقة الشمسية من 40% من سعة التوليد، يمكن أن تظهر الإهتزازات في خطوط الربط ومجموعات مرافق الطاقة الشمسية. لذا، فإن تطبيق حل OSLp/DEF في وحدات POD في مرافق الطاقة الشمسية يوفر حلاً فعالاً من حيث التكلفة مقارنةً بأجهزة FACTS التقليدية (

تشمل الفوائد الرئيسية لهذا الحل للمملكة العربية السعودية:

• الكشف المبكر (Early detection): تحديد الإهتزازات في الشبكات ذات المساهمه العاليه للطاقة الشمسية.
• تحسين موثوقية النظام (Improved system reliability): زيادة مرونة النظام وقدرته على تحمل الاضطرابات.
• دعم اتخاذ القرار (Operator decision-making): توفير لوحات قيادة (dashboards) في الوقت الفعلي لدعم المشغلين.
• فعالية التكلفة (Cost-effective implementation): الاستفادة من البنية التحتية الحالية لوحدات PMU بدلاً من تركيب أجهزة جديدة ومكلفة.

1. وصف بنية التحكم (Control Architecture Description)

صُممت بنية التحكم التي اقترحها على أساس تسلسل هرمي متعدد الطبقات (multi-layered hierarchy) يربط بين القياسات على نطاق واسع ووحدات التحكم المحلية في المحطات لتوفير تخميد على مستوى النظام بالكامل.

• طبقة القياس والكشف على النطاق الواسع (WAMS/WADC): تقوم وحدات PMU ببث قياسات الطور المتزامن (synchrophasors) إلى مركز تركيز البيانات (PDC). يقوم محرك التحليلات في منصة OSLp بالكشف عن نمط اهتزاز، وتقدير تردده وتخميده، واستخدام طريقة DEF لتحديد المحطات أو المناطق الأكثر تأثرًا.
• طبقة تنسيق التخميد (Damping Coordination Layer): هذه الطبقة هي بمثابة عقل النظام. تقوم بتحويل مؤشرات DEF ومعايير النمط إلى عوامل مشاركة (participation factors) وإشارات مستهدفة (target signals)  للمحطات. وتقوم بنشر أوامر التفعيل (arming commands) والإشارات المطلوبة إلى محطات الطاقة الكهروضوئية المشاركة.
• وحدة تخميد اهتزازات المحطة (Plant Power Oscillation Damper – POD): يتم تطبيق هذه الوظيفة داخل وحدة التحكم بالمحطة (PPC). تأخذ إشارة دخل محددة، سواء كانت محلية أو على نطاق واسع، وتقوم بتصفيتها (filtering) وتعويض طورها (phase-compensates) لتوليد تعديل صغير للطاقة التفاعلية ΔQref و ΔPref
• حلقات التحكم الداخلية للعواكس (Inverter Inner Loops): يتم دمج إشارة خرج POD مع أنظمة التحكم الحالية للجهد/الطاقة التفاعلية أو الطاقة الفعالة/التردد. يتم تطبيق هذا الدمج مع مراعاة الأولويات والحدود (limits) لضمان عدم تأثيره على وظائف المحطة الأساسية.

خطة التكامل  (Integration Blueprint)

تصف خطة التكامل هذه كيفية ربط نظام الكشف عن الإهتزازات (OSLp/DEF + PMUs) بوحدة تخميد الإهتزاز (POD) داخل وحدة التحكم بالمحطة الكهروضوئية. (PPC) الهدف هو ضمان الكشف السريع عن الإهتزازات واسعة النطاق، ومساهمة المحطات الشمسية في التخميد بطريقة منسقة وغير متداخلة.

1. نظام القياس على النطاق الواسع (WAMS)

يوفر نظام WAMS البيانات الخام الضرورية للكشف عن الإهتزازات في الوقت الفعلي. يتم تركيب وحدات PMU في المحطات الحيوية وخطوط الربط ونقاط الربط البيني (POIs) لمحطات الطاقة الشمسية. تبث هذه الوحدات بشكل مستمر قيم الجهد والتيار بدقة عالية (30–60 هرتز) إلى مركز تركيز بيانات الطور (PDC) في مركز التحكم.

2. محرك الكشف عن الإهتزاز (OSLp/DEF Engine)

تتمثل مهمة منصة OSLp في تحليل بيانات PMU لتحديد الإهتزازات وتحديد المحطات أو الخطوط التي يجب أن تشارك في التخميد. تشمل طرق الكشف المستخدمة:

• الطرق الطيفية: (Spectral methods) مثل FFT و Prony، لتحديد تردد النمط (mode frequency) ونسبة التخميد  (damping ratio)
• طريقة: DEF لتحديد موقع مصدر الإهتزاز.

3. طبقة تنسيق التخميد (Damping Coordination Layer)

تعمل هذه الطبقة على تحويل معلومات الإهتزاز إلى أوامر قابلة للتنفيذ لوحدات POD في المحطات الكهروضوئية. يتواجد منطق التنسيق هذا في مركز التحكم ، ويقوم بأخذ مخرجات OSLp كمدخلات وتكون مخرجاته كالتالي:

• إشارة التفعيل (Arming signal): تخبر المحطات بضرورة البدء في عملية التخميد.
• التردد المستهدف (Mode setpoint – f0​): التردد الذي يجب أن تعمل عنده وحدات التخميد.
• عوامل المشاركة (Participation factors): تُحدد أوزانًا بناءً على قيم DEF، بحيث تساهم كل محطة بشكل متناسب مع دورها في الإهتزاز.

4. وحدة تخميد المحطة (Plant-Level POD inside the PPC)

تنفذ هذه الوحدة الإجراء المحلي للتخميد الذي يأمر به المنسق المركزي. تتلقى وحدة التحكم بالمحطة (PPC) الإشارات من مركز التحكم وتنفذ التخميد عبر وحدة POD المدمجة.

• إشارة الدخل (y(t)): يمكن اختيارها محليًا مثل  ΔP أو  ΔV أو   Δf أو من إشارة النمط الواسعة التي يتم بثها.
• توليد إشارة التخميد، كما هو موضح في المعادلة التالية:

والمخرجات

• المخرجات (Outputs): تقوم الوحدة بتوليد إشارات تعديل للطاقة التفاعلية (ΔQref​) و/أو الطاقة الفعالة (ΔPref​). عادةً ما يتم تفضيل تعديل ΔQ لأنه سريع ولا يؤدي إلى فقدان في إنتاج الطاقة  (yield loss)

5. تكامل التحكم في العاكس (Inverter Control Integration)

في هذه المرحلة، يتم ضمان عمل وحدة POD كطبقة ثانوية إضافية (secondary overlay)، دون أن تحل محل وظائف التحكم الأساسية. يتم توصيل مخرج POD في حلقات التحكم الحالية للجهد/الطاقة التفاعلية أو الطاقة الفعالة/التردد. يتم دمجها مع الضوابط الموجودة مثل تنظيم الجهد (Voltage regulation – Q(V)) ودروب التردد (Frequency droop – P(f)). لتظل مخرجات POD محدودة دائمًا (عادةً 2-5% من السعة الاسمية) لضمان عدم تعطيلها للوظائف الأساسية للمحطة.

6. تنسيق متعدد المحطات (Multi-Plant Coordination)

عندما تستجيب عدة محطات للطاقة الشمسية معًا، يوفر هذا التنسيق تخميدًا على مستوى النظام بالكامل مع تجنب التضارب بين المحطات. يتم تعديل كسب (gain) كل محطة بناءً على عوامل المشاركة المستمدة من DEF:

يتم تطبيق محاذاة الطور (phase alignment) بدقة ±10° عند التردد المستهدف لتجنب التداخل الهدام (destructive interference). يضمن المنسق المركزي أن مجموع إجراءات التخميد لجميع المحطات لا يؤدي إلى زعزعة استقرار النظام.

الخلاصة

تتطلب شبكة الكهرباء السعودية، في ظل رؤية 2030، حلولًا جديدة لضمان الاستقرار مع تزايد حصة الطاقة المتجددة. من خلال الجمع بين تحليلات OSLp/DEF ووحدات POD في وحدات التحكم بمحطات الطاقة الشمسية، يمكن لشركات المرافق أن:

• تكتشف الإهتزازات في مراحلها المبكرة.
• تستخدم الأصول الموجودة لتوفير التخميد.
• تتجنب الاستثمارات الكبيرة في المعدات.
• تضمن توفير طاقة موثوقة وميسورة التكلفة لمستقبل تهيمن عليه الطاقة الشمسية

 المراجع

1. S. Maslennikov and E. Litvinov, “ISO New England Experience in Locating the Source of Oscillations Online,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 36, no. 1, pp. 495-503, Jan. 2021.

2. S. Maslennikov, B. Wang, and E. Litvinov, “Dissipating Energy Flow Method for Locating the Source of Sustained Oscillations,” Intl. Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 88, pp. 55-62, 2017.

3. F. D¨orfler, M. R. Jovanovic, M. Chertkov, and F. Bullo, Sparsity promoting optimal wide-area control of power networks, IEEE Trans. Power Syst., vol. 29, no. 5, pp. 2281-2291, 2014.

4. A. Kumar and M. Bhadu, “A Comprehensive Study of Wide-Area Damping Controller Requirements Through Real-Time Evaluation with Operational Uncertainties in Modern Power Systems,” IETE Journal of Research, vol. 69, no. 11, pp. 8382-8403, 2023, doi:10.1080/03772063.2022.2043784.

5. Red Eléctrica, Guide for the Implementation of Power Oscillation Damping Controllers (GT_POD), Dirección General de Operación / Departamento de Fiabilidad del Sistema Eléctrico, Version 2.0, Sept. 2024, Spain. Available: https://www.ree.es/sites/default/files/12_CLIENTES/Documentos/GT_POD_guia_implementacion_controles_POD_EN.pdf