إطلالات على تخطيط نظم القوى الكهربائية:دراسة تخطيط التوسع فى شبكات النقل (الجزء الرابع)

التعريف بتخطيط التوسع فى شبكات النقل وأهدافه:

تعنى دراسة تخطيط التوسع فى شبكات النقل بتحديد المواقع الحالية بشبكة النقل التى فى احتياج للتوسع بهدف المحافظة على موثوقية منظومة القوى (Power System Reliability) وتوطين سعات إنتاج جديدة أو مجابهة نمو حمل الشبكة وذلك بصورة مجدية اقتصادياً.

تعريف آخر: يهدف تخطيط التوسع فى شبكات النقل إلى تقييم البدائل الاستثمارية فى شبكات النقل لتوصيل الطاقة عبرها من محطات الإنتاج لتغذية الأحمال المتوقعة بموثوقية وكفاءة اقتصادية.

عناصر المحافظة على موثوقية منظومة القوى:

يوجد عنصران أساسيان للمحافظة على موثوقية منظومة القوى أو الشبكة وهما تأمين النقل (Transmission Security) وكفاية الموارد (Resource Adequacy).

• تأمين النقل: وهو يضمن التشغيل الموثوق لمنظومة القوى الكهربائية فى مواجهة حالات الطوارىء (Contingencies) مثل فقد الإنتاج أو النقل، مع ضمان عدم حدوث خروج متتابع (Cascading Outage) عند خروج أو فقد أحد عناصر المنظومة مثل خط نقل رئيسى وتسمى منظومة القوى المقاومة لفقد أى عنصر وحيد بأنها مؤمنة من النوع N-1 وجدير بالذكر أن هذا النوع من التأمين يعد أساسياً بغض النظر عن التكلفة. ولكن فى حالة تبنى تأمين من النوع N-2 أو N-3 (أى قدرة منظومة القوى على مقاومة فقد عنصرين أو ثلاثة) فإن التكلفة تدخل فى الحسبان.
• كفاية الموارد: وهو يضمن وجود موارد من الإنتاج (أى وحدات إنتاج) أو إدارة الطلب على الطاقة (أى برامج كفاءة الطاقة وإدارة الأحمال للمشتركين) لتلبية متطلبات الطلب على الطاقة للمشتركين طوال الوقت مع الأخذ فى الاعتبار خروج مخطط أو غير مخطط مقبول بالشبكة. ويعد المعيار المستخدم لذلك ما يعرف بتوقع فقد الحمل (Loss of Load Expectation, LOLE) وهو عدد الأيام خلال السنة التى يتجاوز فيها الحمل الأقصى للشبكة اجمالى الموارد المتاحة من الإنتاج وإدارة الطلب على الطاقة (باعتبار أن ترشيد الطاقة وخفض الأحمال لدى المشتركين يعد ضمن موارد الطاقة). وتختلف قيمة توقع فقد الحمل من دولة لأخرى فعلى سبيل المثال تستخدم مؤسسات الكهرباء بأمريكا الشمالية يوم واحد كل 10 سنوات كتوقع فقد الحمل (LOLE= 1 day in 10 years).

الكفاءة الاقتصادية:

تعد الكفاءة الاقتصادية (Economic Efficiency) هى الرابط والعامل المشترك بين تخطيط النقل (Transmission Planning) وتخطيط الموارد (Resource Planning) وذلك بالتخطيط المتكامل  (Integrated Planning)لموارد النقل مع بدائل موارد الإنتاج وإدارة الطلب على الطاقة – والذى تم الإشارة إليه بالجزء الثالث من هذه السلسلة – بهدف خفض التكلفة (فى ظل مستهدفات التأمين والكفاية قدر الإمكان).

تحليل المخاطر:

فى تخطيط منظومة القوى الكهربائية يتم إعداد نموذج حاسب لتمثيل كل من الإنتاج والنقل، ويمكن للنموذج بيان كيفية استجابة المنظومة لأحوال مختلفة مثل زيادة الحمل وإضافة أو فقد موارد إنتاج وإضافة أو فقد عناصر نقل. يوضح النموذج متى يكون بعض أجزاء المنظومة فى حالة إجهاد أى عند تجاوزها للحدود التشغيلية الآمنة.

هذا وتوجد حالات لعدم التأكد (Uncertainty) أو التغيرات العشوائية لبعض العوامل المفتاحية يلزم دراستها وتحليلها وتعرف بتحليل المخاطر (Risk Analysis) والذى يعد أمراً هاماً للغاية فى الطرق الحديثة لتخطيط النقل ويتم تقييم ذلك بواسطة سيناريوهات (Scenarios) مثل تقييم حالة الحمل العالى وحالة الحمل المنخفض. لذا ففى هذه الطرق الحديثة يتم دراسة حالات الطوارىء طبقاً للنهج الإحتمالى (Probabilistic Approach) أى تحليل حالات الطوارىء على أساس التكرار التاريخى للانقطاعات أو التغيرات بشبكة النقل خلافاً للطرق التقليدية والتى تتبع النهج الحتمى (Deterministic Approach). ويشمل النهج على أساس المخاطر (Risk-based Approach) معلومات عن احتمال وقوع حدث (Event Likelihood) مع حجم الحدث ذاته (Event Magnitude) وكمثال فإنه فى حالة دراسة تأثير حمل عالى بقيمة ما على الشبكة يتم تحليل احتمال حدوثه طبقاً للمعلومات التاريخية عن زيادة الحمل بهذه الصورة.

برامج الحاسب المستخدمة فى تخطيط ودراسات النقل:

يوجد العديد من برامج تخطيط ودراسات النقل وأشهرها هو برنامج (Power System Simulator for Engineering, PSS/E)  والذى يقوم بتمثيل وتحليل ونمذجة أداء منظومة القوى الكهربائية.  يتكون هذا البرنامج من عدة برامج فرعية لدراسة أداء شبكة النقل والإنتاج فى ظروف الحالة المستقرة (Steady-state) وكذلك فى الظروف الديناميكية (Dynamic) ويمكن من خلال البرنامج إجراء العديد من الحسابات لأغراض التحليل منها:

• دراسة سريان القدرة (Power Flow) ويعرف أيضاً بسريان الحمل (Load Flow) بما يتيح تخطيط التوسع فى الشبكات وكذلك التصميم الأمثل لمنظومة القوى الكهربائية.
• دراسة سريان القدرة الأمثل (Optimum Power Flow) لنمذجة تخطيط الشبكة من الناحيتين الفنية والاقتصادية (خفض التكلفة).
• دراسة القصر (Short Circuit) لتحليل القصر المتوازن (Balanced) وغير المتوازن (Unbalanced) ودراسة أداء القواطع (Circuit Breakers’ Duty) وتحليل الأخطاء/الأعطال (Faults).
• دراسة استقرار الجهد (Voltage Stability) لبيان مدى قدرة منظومة القوى على الحفاظ على جهد ثابت فى جميع القضبان (Buses) بالمنظومة بعد تعرضها لاضطراب (Disturbance).
• التمثيل الديناميكى (Dynamic Simulation) لتحليل الاستجابة الديناميكية لمنظومة القوى واستقرار الشبكة فى حالات الاضطرابات.

وجدير بالذكر أنه خلافاً لما هو متبع تقليدياً بدراسة تخطيط التوسع فى الإنتاج متبوعاً بدراسة تخطيط التوسع فى النقل أى النمذجة (Optimization) بصورة مستقلة لكل منهما على حدة تم تطوير ذلك من خلال النمذجة المشتركة (Co-optimization) حيث يتم تقييم موارد كل من الإنتاج والتقل بصورة متزامنة بما يتيح الحصول على حلول عالية القيمة لايمكن الحصول عليها بالطريقة التقليدية. ونوجد أيضاً منهجية أكثر تطوراً يمكن تسميتها بالتخطيط المتكامل من خلال تخطيط التوسع فى موارد كل من الإنتاج والنقل وإدارة الطلب على الطاقة فى آن واحد بما يمثل نمذجة متطورة وأكثر فاعلية من الناحيتين الفنية والاقتصادية لعملية تخطيط منظومة القوى الكهربائية.

المراجع:

Transmission Planning White Paper, Eastern Interconnection States’ Planning Council (EISPC), January 2014.

PSSE Product Brochure, https://www.indielec.com/introduction-psse-cms-4-51-665/.