محاكاة نظام الطاقة

تتضمن محاكاة أنظمة الطاقة الكهربائية نمذجة أنظمة الطاقة ومحاكاة الشبكة من أجل تحليل أنظمة الطاقة الكهربائية باستخدام بيانات التصميم/البيانات غير المتصلة بالإنترنت أو في الوقت الفعلي. تعد برامج محاكاة أنظمة الطاقة فئة من برامج المحاكاة الحاسوبية التي تركز على تشغيل أنظمة الطاقة الكهربائية. تُستخدم هذه الأنواع من برامج الكمبيوتر في مجموعة واسعة من مواقف التخطيط والتشغيل لأنظمة الطاقة الكهربائية.

تتضمن تطبيقات محاكاة أنظمة الطاقة ما يلي: التخطيط لتوسيع توليد ونقل الطاقة على المدى الطويل، والمحاكاة التشغيلية قصيرة المدى، وتحليل السوق (على سبيل المثال، التنبؤ بالأسعار). تستخدم هذه البرامج عادةً تقنيات التحسين الرياضية مثل البرمجة الخطية ، والبرمجة التربيعية ، والبرمجة الصحيحة المختلطة .

يمكن نمذجة عناصر متعددة لنظام الطاقة. تحسب دراسة تدفق الطاقة الأحمال على خطوط النقل والطاقة اللازمة لتوليدها في محطات التوليد، مع الأخذ في الاعتبار الأحمال المطلوبة التي يجب تقديمها. تحسب دراسة الدائرة القصيرة أو تحليل الأعطال تيار الدائرة القصيرة الذي سيتدفق عند نقاط مختلفة ذات أهمية في النظام قيد الدراسة، للدوائر القصيرة بين المراحل أو من الأسلاك النشطة إلى الأرض. تسمح دراسة التنسيق باختيار وضبط مرحلات الحماية والصمامات لإزالة خطأ الدائرة القصيرة بسرعة مع تقليل التأثيرات على بقية نظام الطاقة. تُظهر دراسات الاستقرار العابر أو الديناميكي تأثير الأحداث مثل التغيرات المفاجئة في الحمل أو الدوائر القصيرة أو الفصل العرضي للحمل على مزامنة المولدات في النظام. تُظهر دراسات التوافقيات أو جودة الطاقة تأثير الأحمال غير الخطية مثل الإضاءة على شكل موجة نظام الطاقة، وتسمح بتقديم توصيات للتخفيف من التشوه الشديد. إن دراسة تدفق الطاقة الأمثل تعمل على تحديد أفضل مجموعة من مخرجات محطة التوليد لتلبية متطلبات الحمل المحددة، وذلك لتقليل تكلفة الإنتاج مع الحفاظ على الاستقرار والموثوقية المطلوبة؛ وقد يتم تحديث مثل هذه النماذج في الوقت الحقيقي تقريبًا للسماح بإرشاد مشغلي النظام حول الطريقة الأقل تكلفة لتحقيق الإرسال الاقتصادي .

هناك العديد من حزم برامج محاكاة الطاقة في أشكال تجارية وغير تجارية تتراوح من برامج على نطاق المرافق إلى أدوات الدراسة.

يعد حساب تدفق الحمل ^[1] أداة تحليل الشبكة الأكثر شيوعًا لفحص الشبكة غير المضطربة والمضطربة ضمن نطاق التخطيط التشغيلي والاستراتيجي.

باستخدام طوبولوجيا الشبكة، ومعلمات خطوط النقل، ومعلمات المحول، وموقع المولد وحدوده، وموقع الحمل والتعويض، يمكن لحساب تدفق الحمل توفير أحجام الجهد والزوايا لجميع العقد وتحميل مكونات الشبكة، مثل الكابلات والمحولات. باستخدام هذه المعلومات، يمكن فحص الامتثال لقيود التشغيل مثل تلك المنصوص عليها في نطاقات الجهد والحمولات القصوى. هذا، على سبيل المثال، مهم لتحديد سعة نقل الكابلات تحت الأرض، حيث يجب أيضًا مراعاة تأثير حزم الكابلات على قدرة التحميل لكل كابل.

بفضل القدرة على تحديد الخسائر وتخصيص الطاقة التفاعلية، فإن حساب تدفق الحمل يدعم أيضًا مهندس التخطيط في التحقيق في وضع التشغيل الأكثر اقتصادا للشبكة.

عند التحول من شبكات التغذية أحادية و/أو متعددة الطور منخفضة الجهد إلى شبكات معزولة، فإن حساب تدفق الحمل أمر ضروري لأسباب تشغيلية واقتصادية. كما أن حساب تدفق الحمل هو الأساس لجميع الدراسات الأخرى للشبكة، مثل بدء تشغيل المحرك أو التحقيق في الانقطاعات المجدولة أو غير المجدولة للمعدات ضمن محاكاة الانقطاع.

وخاصة عند التحقيق في بدء تشغيل المحرك، ^[2] تقدم نتائج حساب تدفق الحمل تلميحات مفيدة، على سبيل المثال، حول ما إذا كان من الممكن بدء تشغيل المحرك على الرغم من انخفاض الجهد الناجم عن تيار بدء التشغيل.

يقوم تحليل الدائرة القصيرة بتحليل تدفق الطاقة بعد حدوث عطل في شبكة الطاقة. قد تكون الأعطال عبارة عن ماس كهربائي ثلاثي الطور، أو ماس كهربائي أحادي الطور، أو ماس كهربائي ثنائي الطور، أو ماس كهربائي ثنائي الطور، أو انقطاع أحادي الطور، أو انقطاع ثنائي الطور، أو أعطال معقدة. قد تساعد نتائج هذا التحليل في تحديد ما يلي:

1. حجم تيار الخطأ
2. سعة قاطع الدائرة
3. ارتفاع الجهد في خط واحد بسبب عطل في الأرض
4. إعدادات الجهد المتبقي والمرحل
5. التداخل بسبب خطوط الطاقة. ^[3]

الهدف من محاكاة الاستقرار العابر لأنظمة الطاقة هو تحليل استقرار نظام الطاقة من جزء من الثانية إلى عدة عشرات من الثواني. الاستقرار في هذا الجانب هو قدرة النظام على العودة بسرعة إلى حالة تشغيل مستقرة بعد تعرضه لاضطراب مثل سقوط شجرة على خط علوي مما يؤدي إلى فصل هذا الخط تلقائيًا بواسطة أنظمة الحماية الخاصة به. من الناحية الهندسية، يعتبر نظام الطاقة مستقرًا إذا عادت مستويات جهد المحطة الفرعية وسرعات دوران المحركات والمولدات إلى قيمها الطبيعية بطريقة سريعة ومستمرة.

تستخدم النماذج عادةً المدخلات التالية:

• عدد وحجم ونوع المولدات مع أي معلمات ميكانيكية وكهربائية ومعلمات تحكم (منظم الجهد، إلخ) متوفرة،
• مزيج من الأحمال السكنية والتجارية والصناعية في كل حافلة،
• الموقع والمواصفات لأجهزة التحكم الموزعة مثل المحولات المتغيرة الصنبور، وتعويضات التحويل المبدلة، ومعوضات فار الثابتة، وأنظمة نقل التيار المتردد المرنة، وما إلى ذلك.
• الموقع والمواصفات لأجهزة الحماية مثل المرحلات وفصل الأحمال، و
• الموقع ومواصفات أي أجهزة تحكم و/أو حماية أخرى ذات صلة. ^[4]

تعتمد المدة المقبولة التي تستغرقها فولطية الشبكة للعودة إلى مستوياتها المقصودة على حجم اضطراب الجهد، والمعيار الأكثر شيوعًا محدد بواسطة منحنى CBEMA في الشكل 1. يوفر هذا المنحنى معلومات عن تصميم المعدات الإلكترونية وإعداد تقارير بيانات استقرار الشبكة. ^[5]

تتضمن مشكلة التزام الوحدة العثور على أقل تكلفة لتوزيع موارد توليد الطاقة المتاحة لتلبية الأحمال الكهربائية.

يمكن أن يتضمن إنشاء الموارد مجموعة واسعة من الأنواع:

1. نووي
2. حراري (باستخدام الفحم أو الغاز أو أنواع الوقود الأحفوري الأخرى أو الكتلة الحيوية )
3. الطاقة المتجددة (بما في ذلك الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح وطاقة الأمواج والطاقة الشمسية)

متغيرات القرار الرئيسية التي يقررها برنامج الكمبيوتر هي:

1. مستوى التوليد (بالميغاواط)
2. عدد وحدات التوليد على

القرارات الأخيرة هي ثنائية {0,1}، مما يعني أن المشكلة الرياضية ليست مستمرة.

علاوة على ذلك، تخضع محطات توليد الطاقة لعدد من القيود الفنية المعقدة، بما في ذلك:

1. الحد الأدنى لمستوى التشغيل المستقر
2. الحد الأقصى لمعدل التصاعد أو التناقص
3. الحد الأدنى للفترة الزمنية التي تكون فيها الوحدة قيد التشغيل و/أو متوقفة

تحتوي هذه القيود على العديد من المتغيرات المختلفة؛ كل هذا يؤدي إلى ظهور فئة كبيرة من مشاكل التحسين الرياضية .

تتدفق الكهرباء عبر شبكة التيار المتردد وفقًا لقوانين كيرشوف . تخضع خطوط النقل لحدود حرارية (حدود بسيطة للميجاواط على التدفق)، بالإضافة إلى قيود الجهد والاستقرار الكهربائي.

يجب أن يحسب جهاز المحاكاة التدفقات في شبكة التيار المتردد الناتجة عن أي مجموعة معينة من التزام الوحدة وتوزيع ميغاواط المولد، ويضمن أن تدفقات خطوط التيار المتردد تقع ضمن الحدود الحرارية وقيود الجهد والاستقرار. قد يشمل هذا حالات طارئة مثل فقدان أي عنصر نقل أو توليد - ما يسمى بتدفق الطاقة الأمثل المقيد بالأمن (SCOPF)، وإذا تم تحسين التزام الوحدة داخل هذا الإطار، فلدينا التزام وحدة مقيد بالأمن (SCUC).

في تدفق الطاقة الأمثل (OPF)، يتم تحديد الهدف القياسي المعمم الذي يجب تقليله بواسطة:

${\displaystyle f(u_{0},x_{0})}$

حيث u هي مجموعة من متغيرات التحكم، وx هي مجموعة من المتغيرات المستقلة، والرمز السفلي 0 يشير إلى أن المتغير يشير إلى نظام الطاقة قبل الطوارئ.

إن SCOPF مقيد بحدود قيود المساواة وعدم المساواة. يتم تحديد حدود قيود المساواة من خلال معادلات تدفق الطاقة قبل وبعد الطوارئ، حيث يشير k إلى حالة الطوارئ رقم k :

${\displaystyle g^{k}(u^{k},x^{k})=0\qquad {\text{لـ}}k=1,2,\ldots ,n\,}$

يتم تحديد حدود المعدات والتشغيل من خلال التفاوتات التالية:

${\displaystyle U_{\min }^{k}\leq U^{k}\leq U_{\max }^{k}\,}$تمثل قيودًا صارمة على الضوابط

${\displaystyle h_{\min }^{k}\leq X^{k}\leq X_{\max }^{k}\,}$يمثل القيود الصارمة/الناعمة على المتغيرات

${\displaystyle h^{k}(u^{k},x^{k})\leq 0{\text{ for }}k=0,1,\ldots ,n\,}$يمثل قيودًا أخرى مثل حدود الاحتياطي التفاعلي

يمكن أن تتخذ دالة الهدف في OPF أشكالاً مختلفة تتعلق بكميات الطاقة النشطة أو التفاعلية التي نرغب في تقليلها أو تعظيمها. على سبيل المثال، قد نرغب في تقليل خسائر النقل أو تقليل تكاليف توليد الطاقة الحقيقية على شبكة الطاقة.

تتضمن طرق حل تدفق الطاقة الأخرى مثل التحسين العشوائي عدم اليقين الموجود في نمذجة أنظمة الطاقة باستخدام توزيعات الاحتمالات لمتغيرات معينة لا تُعرف قيمها الدقيقة. عندما تكون هناك أوجه عدم يقين في القيود، مثل تصنيفات الخطوط الديناميكية، يمكن استخدام التحسين المقيد بالفرصة حيث يقتصر احتمال انتهاك القيد على قيمة معينة. ^[6] هناك تقنية أخرى لنمذجة التباين وهي طريقة مونت كارلو ، حيث يتم النظر في مجموعات مختلفة من المدخلات والمخرجات الناتجة بناءً على احتمال حدوثها في العالم الحقيقي. يمكن تطبيق هذه الطريقة على عمليات المحاكاة لأمن النظام ومخاطر التزام الوحدة، ويتم استخدامها بشكل متزايد لنمذجة تدفق الحمل الاحتمالي مع توليد الطاقة المتجددة و/أو الموزعة. ^[7]

إن تكلفة إنتاج ميغاواط واحد من الطاقة الكهربائية تعتمد على:

1. سعر الوقود
2. كفاءة التوليد (المعدل الذي يتم به تحويل الطاقة الكامنة في الوقود إلى طاقة كهربائية)
3. تكاليف التشغيل والصيانة

بالإضافة إلى ذلك، تتكبد محطة توليد الطاقة تكاليف ثابتة بما في ذلك:

1. تكاليف بناء المصنع، و
2. تكاليف التشغيل والصيانة الثابتة

بافتراض المنافسة الكاملة ، فإن سعر الكهرباء القائم على السوق سوف يعتمد بشكل بحت على تكلفة إنتاج الميجاواط التالي من الطاقة، وهو ما يسمى بالتكلفة الهامشية قصيرة الأجل (SRMC). ومع ذلك، قد لا يكون هذا السعر كافياً لتغطية التكاليف الثابتة للتوليد، وبالتالي فإن أسعار سوق الطاقة نادراً ما تظهر تسعيرًا SRMC بحتًا. في معظم أسواق الطاقة الراسخة، يتمتع المولدون بحرية تقديم سعة توليدهم بأسعار من اختيارهم. تعمل المنافسة واستخدام العقود المالية على إبقاء هذه الأسعار قريبة من SRMC، ولكن لا مفر من حدوث عروض سعرية أعلى من SRMC (على سبيل المثال أثناء أزمة الطاقة في كاليفورنيا عام 2001).

في سياق محاكاة نظام الطاقة، تم تطبيق عدد من التقنيات لمحاكاة المنافسة غير الكاملة في أسواق الطاقة الكهربائية:

1. مسابقة كورنو
2. مسابقة بيرتراند
3. توازن دالة العرض
4. تحليل مؤشر العرض المتبقي

وقد تم تطبيق العديد من الأساليب الإحصائية لحل هذه المشكلة. والهدف من ذلك هو تقديم توقعات واقعية لأسعار سوق الطاقة، في ضوء توقعات وضع العرض والطلب.

يركز تحسين نظام الطاقة على المدى الطويل على تحسين خطة التوسع والتقاعد متعددة السنوات لمرافق التوليد والنقل والتوزيع. ستأخذ مشكلة التحسين في الاعتبار عادةً التدفق النقدي للاستثمار على المدى الطويل ونسخة مبسطة من OPF / UC (التزام الوحدة)، للتأكد من أن نظام الطاقة يعمل بطريقة آمنة واقتصادية. يمكن تصنيف هذه المنطقة على النحو التالي:

1. تحسين توسيع الجيل
2. تحسين توسيع الإرسال
3. تحسين التوسع في توليد ونقل الطاقة ^[8]
4. تحسين شبكة التوزيع

إن تحديد متطلبات دراسة أنظمة الطاقة جيدًا أمر بالغ الأهمية لنجاح أي مشروع، حيث سيقلل ذلك من تحدي اختيار مزود الخدمة المؤهل وبرامج التحليل المناسبة. تصف مواصفات دراسة النظام نطاق المشروع وأنواع التحليل والنتائج المطلوبة. يجب كتابة مواصفات الدراسة ^[9] لتتناسب مع متطلبات المشروع والصناعة المحددة، وستختلف بناءً على نوع التحليل.

على مر السنين، كان هناك العديد من برامج محاكاة أنظمة الطاقة المستخدمة في التحليلات المختلفة. تم بناء أول برنامج بواجهة مستخدم رسومية بواسطة جامعة مانشستر في عام 1974 وكان يسمى IPSA ^{[10] [11]} - تحليل أنظمة الطاقة التفاعلية (المملوكة الآن لشركة TNEI Services Ltd). ^{[12] [13] [14] [15] [16] [17]} يُظهر الفيلم السينمائي الذي أعيد تنسيقه مؤخرًا "مخطط للطاقة"، والذي تم تصويره في عام 1979، كيف سد هذا البرنامج الثوري الفجوة بين الواجهات سهلة الاستخدام والدقة المطلوبة لتحليلات الشبكة المعقدة. ^{[18] [19]}

نموذج MAPS (محاكاة الإنتاج متعدد المناطق) من شركة جنرال إلكتريك هو نموذج محاكاة إنتاج يستخدمه العديد من منظمات النقل الإقليمية ومشغلي النظام المستقلين في الولايات المتحدة للتخطيط للتأثير الاقتصادي لمرافق النقل والتوليد الكهربائية المقترحة في أسواق الجملة الكهربائية المنظمة من قبل لجنة تنظيم الطاقة الفيدرالية. ^{[20] [21] [22] [23] [24]} يمكن أيضًا استخدام أجزاء من النموذج لمرحلة الالتزام والإرسال (المحدثة على فترات 5 دقائق) في تشغيل أسواق الجملة الكهربائية لمناطق RTO وISO. يعد PROMOD من شركة Hitachi Energy حزمة برامج مماثلة. ^[25] تستخدم مناطق ISO وRTO هذه أيضًا حزمة برامج من شركة GE تسمى MARS (محاكاة الموثوقية متعددة المناطق) لضمان استيفاء نظام الطاقة لمعايير الموثوقية (خسارة في توقع الحمل (LOLE) لا تزيد عن 0.1 يومًا في السنة). علاوة على ذلك، تقوم حزمة برامج GE المسماة PSLF (تدفق الحمل التسلسلي الإيجابي)، وحزم برامج Siemens المسماة PSSE (محاكاة نظام الطاقة للهندسة) بالإضافة إلى PSS SINCAL (حاسبة شبكة Siemens)، وبرنامج محلل التيارات العابرة الكهربائية (ETAP) من Operation Technology Inc. ^[26] بتحليل تدفق الحمل على نظام الطاقة بحثًا عن الدوائر القصيرة والاستقرار أثناء دراسات التخطيط الأولية التي تقوم بها RTOs وISOs. ^{[27] [28] [29]}