طريقة الوقاية والسيطرة القائمة على سلسلة الصدع لكارثة الإعصار

Summary

يقترح طريقة للوقاية والسيطرة على كوارث الأعاصير القائمة على سلسلة الصدوع. من خلال نمذجة حقول رياح الأعاصير، يمكن حساب احتمال فشل فروع النقل. يمكن بعد ذلك فحص الفروع عالية الخطورة لتحليل سلسلة الأعطال وتنفيذ تدابير الوقاية والسيطرة على شبكات الطاقة في ظروف الأعاصير.

Abstract

تشكل الكوارث الشديدة مثل الأعاصير تهديدا كبيرا لسلامة واستقرار شبكات الكهرباء التشغيلية، مما يجعل إجراءات الوقاية والسيطرة قبل الكوارث أكثر أهمية. مدفوعة بقيود معايير الأمن التقليدية ل N-1 وN-2 في معالجة الفشل المرتبط مكانيا والمدفوعة بالاحتمالات، تقترح هذه الورقة طريقة للوقاية والسيطرة على كوارث الأعاصير القائمة على سلسلة الأعطال. يتم دمج نموذج حقل الرياح الإعصاري مع نموذج ضعف فرع النقل لقياس احتمالات الفشل المكاني والزماني لفروع النقل، بناء على تحديد الفروع عالية الخطورة في سيناريوهات الإعصار المتوقعة. بأخذ هذه الفروع كشروط أولية، يتم إجراء بحث منهجي في سلسلة الأعطال لتعداد مسارات الانقطاعات المتتالية الحرجة، ويتم تحديد مؤشر المخاطر من خلال دمج احتمالات الفشل في كل مرحلة مع انقطاع التيار المقابل. وبناء على ذلك، يتم صياغة نموذج تحسين الرقابة الوقائية الموجهة نحو المخاطر، حيث يتم تنسيق مخرجات المولدات وخفض التيار لتقليل العواقب المتوقعة لسلاسل الأعطال عالية المخاطر مع تلبية القيود التشغيلية. تؤكد دراسات الحالة حول نظام اختبار IEEE 39-bus وشبكة الطاقة في هاينان تحت إعصار ياجي أن الطريقة المقترحة يمكنها التقاط خصائص الفشل الناتجة عن الإعصار بفعالية، وتقليل تقليل الحمل المتوقع بشكل كبير، وتخفيف تكاليف التحكم المفرطة مقارنة بالمعايير الحتمية التقليدية. تظهر النتائج أن الطريقة المقترحة توفر أداة دعم اتخاذ القرار العملية والاقتصادية لتشغيل شبكات الكهرباء عبر الإنترنت تحت ظروف الأعاصير القصوى.

Introduction

الرياح القوية، والأمطار الغزيرة، والعواصف الرعدية، وعوامل أخرى مرتبطة بالأعاصير يمكن أن تسبب أعطال في المعدات في أنظمة الطاقة الحضرية، مما يشكل تهديدا خطيرا لأمن الطاقة الإقليمية ويسبب أضرارا جسيمة للاقتصادات الحضرية¹. الطقس القاسي، مثل الأعاصير، قد يؤدي أيضا إلى أعطال سلسلة في نظام الطاقة، مما يؤدي إلى انقطاعات واسعة النطاق في التيار الكهربائي². هبط الإعصار الكبير ليكيما 2019 في مقاطعة تشجيانغ الصينية مع هطول أمطار غزيرة، مما تسبب في توقف 72 محطة فرعية وأكثر من 4,000 خط على شبكة الكهرباء المحلية عن الخدمة، وفقدان 7.72 مليون مستخدم للكهرباء³. في فبراير 2021، شهدت ولاية تكساس في الولايات المتحدة انقطاعا طويلا وواسع النطاق في الكهرباء في المنطقة بسبب عاصفة شتوية أدت إلى تجمد خطوط شبكة النقل وفشل متداخل في معدات النقل⁴. وفقا للإحصائيات، فإن أكثر من 80٪ من انقطاعات شبكة الكهرباء العالمية ناجمة عن كوارث جوية قاسية مثل الأعاصير والعواصف المطرية، مما يسبب خسائر اقتصادية مباشرة لشبكة الكهرباء تزيد عن 30 مليار دولار سنويا، ويظهر اتجاها متزايدا عاما بعد عام^. من الضروري تعزيز قدرات شبكة الكهرباء للتعامل مع الحوادث الشديدة. من بينها، يعد التحكم الوقائي وسيلة مهمة للتخفيف من احتمالية حدوث أعطال متتالية داخل أنظمة الطاقة⁶. يمكن للتدابير الوقائية أن تمنع الأعطال المتشابكة بفعالية، وتقلل من نطاق الانقطاعات ووقت الترميم، كما أن الاستثمار في الوقاية أقل بكثير من تكلفة الإصلاح والتعويض بعد حدوث عطل.

تنقسم الأعاصير إلى ثلاثة أجزاء رئيسية: عين الإعصار، جدار العين، وشريط المطر الحلزوني، الذي يختلف نصف قطره عادة بعشرات الكيلومترات^والسبع عيارات. يظهر التوزيع الشعاعي لسرعة رياح الإعصار زيادة حادة بالقرب من العين، ويصل إلى ذروة عند مسافة معينة، ثم ينخفض بسرعة إلى الخارج. يتطلب التمثيل الدقيق للميزات الرئيسية لحقل رياح الإعصار بناء نموذج حقل رياح مبني على المعايير الهيكلية للإعصار⁸. تلعب نمذجة حقل الرياح للأعاصير دورا حاسما في تحليل تأثير المخاطر الناتجة عن الأعاصير على شبكات النقل، ويجب أن يلبي نموذج حقل الرياح المختار من إعصار الطلب على دقة المحاكاة بالإضافة إلى الكفاءة الحاسوبية. في التطبيقات الهندسية، يجب أن يأخذ حساب النموذج في الاعتبار الاقتران القوي بين حقلي الضغط والسرعة⁹، وغالبا ما يكون الحصول على حل غير خطي دقيق لهذا النموذج تحديا حسابيا، لذا في الحسابات العملية، غالبا ما يكون من الضروري الحصول على حله التقريبي فقط. في السبعينيات، كان راسل أول من قدم نهجا عشوائيا لمحاكاة عملية تطور الأعاصير¹⁰، وقد بذل باحثون حول العالم جهودا واسعة لتطوير وتحسين نماذج حقول رياح الأعاصير، إلى جانب المنهجيات الحاسوبية المرتبطة بها، وظهرت العديد من طرق النمذجة. يفترض نموذج إعصار باتس أن الإعصار يتحرك في خط مستقيم بعد الهبوط، وهو أمر يتعارض مع الواقع. تحاكي هولاند ونماذج الأعاصير الأخرى الإعصار بدقة عالية، لكن لا يزال من الصعب تلبية متطلبات الهندسة العملية^{بالكامل 11,12}. في هذه الورقة، يستخدم نموذج حقل الرياح ليليسنيانسكي لمحاكاة حركة وعملية تحلل كارثة الإعصار ولتحديد حجم سرعات الرياح في مواقع مختلفة ضمن منطقة تأثير كارثة الإعصار¹³.

في الأبحاث الحالية حول الصدوع المتسلسلة، من حيث البحث في سلسلة الصدوع، يتم عادة اختيار الفرع الذي يحمل أكبر مؤشر خطر كفرع مفتوح أدنى من سلسلة الصدع، لكن من الممكن أن تفوت بعض مسارات سلسلة الصدوع ذات العواقب الأكثر خطورة¹⁴. في التحكم الوقائي لسلسلة الأعطال، يتم تقديم نظام التحكم الوقائي غالبا من منظور حماية المرحلات (relater) بهدف تعظيم هامش الأمان للشبكة، لكنه لا يمكن أن يعكس عواقب المخاطر لسلسلة الأعطال على الشبكة¹⁵. تجمع بعض الدراسات بين التحكم الوقائي في سلسلة الأعطال والتحكم في الحجب لتحقيق تحسين منسق، وفي الوقت نفسه تعطي نظام التحكم الوقائي قبل العطل ونظام التحكم في الحجب لسلسلة الأعطال^{المحددة 16,17}. لكن عملية التحسين تأخذ في الاعتبار فقط احتمال العطل للخطوط داخل مسار العطل في السلسلة، وتتجاهل احتمال العطل المرتبط بخطوط النقل خارج مسار الفشل المتسلسل، مما قد يؤدي إلى مشكلة في نظام التحكم في تغيير مسار انتشار سلسلة العطل، مما يجعل نظام التحكم المقترح غير صالح. ونموذج التحسين المنسق الذي تم إنشاؤه عادة ما يكون صعبا في حل^18,19.

تختبر هذه الورقة فرضية أن إطار التحكم الوقائي القائم على سلسلة الأعطال، والذي يدمج بشكل صريح خصائص حقل الرياح للإعصار، وضعف فروع النقل، وآليات الانقطاع المتسلسلة في نموذج تحسين موحد موجه نحو المخاطر، يمكن أن يوفر دعما أكثر فعالية واقتصادية لاتخاذ القرار لتشغيل نظام الطاقة تحت ظروف إعصار شديدة مقارنة بمعايير N-1/N-2 الحتمية التقليدية. على وجه التحديد، يفترض أنه من خلال 1) قياس احتمالات فشل الفروع الناتجة عن أحمال الإعصار المرتبطة مكانيا، 2) تحديد سلاسل الأعطال الحرجة وتقييم المخاطر المرتبطة بها من حيث فقدان الحمل المتوقع، و3) تحسين مخرجات مولدات ما قبل الطوارئ وفقدان التحميل بالنسبة لمخاطر سلسلة الأعطال هذه، يمكن للطريقة المقترحة أن تلتقط بدقة أكبر سلوك الفشل الناتج عن الكوارث. يقلل بشكل كبير من تقليل الحمل المتوقع ومخاطر انقطاع الكلام، ويتجنب الإجراءات الوقائية المفرطة أو غير الضرورية مقارنة بمعايير الأمان التقليدية.

في هذه الورقة، يتم فرز الفروع ذات احتمال الفشل العالي في الطقس القاسي باستخدام نموذج حقل الرياح الإعصاري ونموذج هشاشة فرع النقل. يستخدم الفرع عالي الخطورة في الطقس القاسي كفرع مفتوح أولي للبحث في جميع سلاسل الصدع المحتملة. من خلال ضبط خرج وحدات نظام الطاقة وإزالة الأحمال، يمكن التخفيف من العواقب المتوقعة لكل سلسلة عطل.

تتطلب الطريقة المقترحة مدخلات تشمل بيانات حقول الرياح عن الإعصار، وطوبولوجيا الشبكة، ومعلمات التشغيل. تشمل الافتراضات النموذجية نصف قطر الرياح الأقصى الثابت ونمذجة موثوقية البنية التسلسلية المبسطة لفروع النقل. ومع ذلك، قد تواجه الكفاءة الحاسوبية تحديا عند تطبيقها على أنظمة واسعة النطاق بسبب الطبيعة التركيبية لتعداد سلاسل الأعطال.

Protocol

حساب احتمال فشل الخط تحت كارثة الإعصار

خطوط النقل العلوية والدوائر المدعومة بالأبراج معرضة بشدة لأحمال الرياح المتغيرة مكانيا التي يفرضها إعصار²⁰ المترجم. عندما تكون سرعة الرياح في الإعصار مرتفعة جدا، من السهل جدا أن يتسبب في فشل معدات النقل^21,22. تمكن الصيغ التجريبية لمجالات الرياح، مثل نموذج جيلسنيانسكي لحقل الرياح، من إعادة بناء حقول سرعة الرياح المتغيرة زمنيا فوق بصمة العاصفة. عندما تقترن هذه المخرجات من مجال الرياح مع نماذج الضعف لأقسام الخط الفردية أو الأبراج، يصبح من الممكن ترجمة أحمال الرياح الزمانية إلى احتمالات العطل التراكمية²³.

نموذج حقل الرياح الإعصاري

تم تقسيم المحاكاة في نموذج يليسنيانسكي إلى خطوتين: أولا، تم اشتقاق مجال الرياح المحوري للتايفون بناء على صياغة تحليلية محددة مسبقا، وتم تراكب مجال الرياح الانتقالي المرتبط بحركة الإعصار للحصول على حقل الرياح الناتج. استخدم هذا النموذج معايير مثل أعلى سرعة رياح للإعصار ونصف قطر أعلى سرعة رياح لتقدير مكون الرياح المماسية في دوران الإعصار، والذي تم ذكره في الصيغة التالية:

(1)

حيث V_s هي سرعة الرياح المماسية لدوران الإعصار على مسافة r من مركز الإعصار؛ V_max هي أعلى سرعة رياح؛ R₀ هو نصف قطر أعلى سرعة رياح.

ثم تم حساب مجال الرياح المتحرك لنموذج الإعصار باستخدام المعادلة التالية:

(2)

حيث V_d هي سرعة الإعصار على مسافة r من مركزه؛ V_c هو سرعة حركة مركز الإعصار.

عندما كانت بيانات دائرة الرياح من المستوى السابع متاحة، كان نصف قطر الرياح القصوى يقدر عادة ب 1/10 نصف قطر حقل الرياح السابع على مقياس بوفورت. بالنسبة للأعاصير التي تفتقر إلى بيانات رصدية حول نصف قطر حقل الرياح العاصفة من المستوى السابع، تم حساب أعلى نصف قطر للرياح بواسطة معادلة علاقة تجريبية^{رقم 21}:

(3)

حيث R_k هو ثابت تجريبي، عادة بين 30 و60؛ P₀ هو الضغط في مركز الإعصار.

تم الحصول على صيغة سرعة مجال الرياح لنموذج الإعصار عن طريق تراكب سرعة الرياح المماسية لدوران الإعصار V_s وسرعة الحركة V_d كما يلي:

عندما يكون 0 ≤ r ≤ R₀

(4)

(5)

عندما يكون R₀ ≤ r ≤ ∞

(6)

(7)

حيث V_x هو مكون سرعة الإعصار على محور x على مسافة r من مركز الإعصار؛ V_y هو مكون سرعة الإعصار على محور y على مسافة r من مركز الإعصار؛ V_dx و V_dy هما مكونان لسرعة مركز الإعصار على محور x ومحور y؛ x₀ و y₀ هما قيمتان إحداثيتان لمركز الإعصار على محور x ومحور y؛ x و y هما القيم الإحداثية على محور x ومحور y على مسافة r من مركز الإعصار؛ θ هي زاوية تدفق الإعصار.

يوضح الشكل 1 مخططا لعملية حركة الإعصار بعد وصوله إلى اليابسة. من نموذج حقل الرياح الإعصار، يمكن ملاحظة أن سرعة الرياح الأفقية للإعصار تزداد ثم تنخفض من المركز إلى الخارج. بأخذ موقع O على فرع النقل كمثال، في لحظة t₁، يكون أقصى نصف قطر للرياح للإعصار هو r_max(t₁)، والمسافة بين مركز الإعصار وO هي d(t₁). هذه المرة، d(t₁) أكبر من r_max(t₁)، ومع تحرك الإعصار، تقل المسافة بين O ومركز الإعصار، وبالتالي تزداد سرعة الرياح عند O. في لحظة t₂، d(t₂) أقل من r_max(t₂) وd(t₂) ينخفض، لذا تنخفض سرعة الرياح عند O. في اللحظة t₃، يستمر d(t₃) في الزيادة لكنه أقل من r_max(t₃)، لذا ستزداد سرعة الرياح عند O. وبالمثل، عند t₄، يستمر d(t₄) في الزيادة ويكون أكبر من r_max(t₄)، لذا تنخفض سرعة الرياح عند O مع ابتعاد مركز الإعصار. يمكن ملاحظة أن سرعة الرياح في أي موقع على فرع النقل تتغير مع الوقت، وحتى في نفس فرع الإرسال، فإن تغيرات سرعة الرياح في المواقع المختلفة ليست متساوية.

نموذج ثغرة فرع النقل

قد يؤدي التأثير القوي لكوارث الأعاصير على شبكة النقل إلى انقطاعات في فروع النقل وقد يؤدي إلى انقطاعات كهربائية إقليمية أو واسعة النطاق²⁴. احتمالية الفشل في مقاطع مختلفة من نفس فرع النقل ليست متساوية. نظرا لحجم شبكة النقل الكبير والبنية المعقدة، يمكن أن يؤدي نمذجة هشاشة فروع النقل إلى حسابات ضخمة إذا تم نمذجة وتحليل كل جهاز نقل فيها²⁵. لذلك، يركز هذا القسم فقط على مقاطع وأبراج خطوط النقل لوضع نموذج ثغرة فرع النقل يعكس العلاقة بين احتمال فشل فرع النقل وسرعة الرياح الإعصارية. سيتم استخدام الأبعاد الزمنية والمكانية لنمذجة الاحتمالات لفشل فروع النقل، مما يعكس تأثير كوارث الأعاصير. يأخذ معلومات سرعة الرياح التي تتغير في المكان والزمان ضمن حقل رياح الإعصار ككمية مدخلة، ويتم تقييم خطر الفشل التراكمي للمكونات العلوية (بما في ذلك مقاطع الخط والهياكل الداعمة تحت تأثير الإعصار) بناء على تقلبات سرعة الرياح المحلية. بعد ذلك، يتم تحديد احتمال عطل كل مسار نقل من خلال تطبيق نموذج الهيكل التسلسلي وفقا لأطر تقييم الموثوقية المعتمدة.

عند حل احتمال فشل جهاز نقل معين، كان من الممكن تحديد معدل الفشل أولا، ثم اختيار نموذج عملية عشوائي مناسب بناء على خصائص فشله لتحديد احتمال الفشل خلال الفترة التي تأثرت بكارثة الإعصار. تم تعريف معدل الفشل بأنه عدد أعطال معدات النقل لكل وحدة زمنية²⁶، مما يعكس متوسط شدة الأعطال خلال وقت اصطدام الإعصار. لتسهيل الحساب، افترض أن أقسام خطوط النقل المتصلة بين كل برجين من الإرسال تتعرض لنفس سرعة الرياح، وتم تقسيم إجمالي مدة T_w لكارثة الإعصار إلى فترات زمنية T بطولΔt، مع بقاء سرعة الرياح ثابتة خلال كل فترة زمنية. تم عرض المخطط التخطيطي لفرع النقل m في الشكل 2، حيث يمكن حساب معدل فشل مقطع خط النقل l في الفترة الزمنية باستخدام المعادلة التالية:

(8)

حيث v_m,l(t) هي سرعة الرياح الإعصارية التي يدعمها قسم خط النقل I من فرع النقل m عند الفترة الزمنية t؛ _{V D، الخط} هو سرعة الرياح التصميمية لهذا القسم من خط النقل، والتي تم اعتبارها 30 م/ث في هذه الورقة؛ Δl هو طول هذا المقطع من خط النقل بالكيلومترات. نظرا لأن سرعة الرياح الإعصارية بقيت ثابتة على مدى أطوال كل قسم من خطوط النقل وعلى مدى الفترات الزمنية المختارة لتأثيرات الإعصار، ظل معدل فشل أقسام خطوط النقل الفردية ثابتا. وبناء عليه، يمكن تقييم خطر الفشل المتراكم للجزء l ضمن مسار النقل m خلال فترة التعرض للإعصار T_w باستخدام التعبير التالي:

(9)

وبالمثل، يمكن حساب معدل فشل برج النقل k لفرع النقل m عند الفترة الزمنية t لزمن اصطدام الإعصار T_w بواسطة المعادلة التالية:

(10)

حيث v_m,k(t) هي سرعة الرياح الإعصارية التي يتعرض لها برج النقل k لفرع النقل m خلال الفترة الزمنية t ؛ γ معامل نموذج، كان نطاق القيم من 0 إلى 0.4، وفي هذه الورقة γ تم ضبطه على 0.2؛ V_{D، البرج} هو عتبة حمل الرياح الهيكلي لبرج النقل، والتي يمكن تحديدها وفقا لاختبار التدمير؛ استغرقت هذه الورقة 35 م/ث.

وبالمقابل، تم الإشارة إلى احتمال الفشل التراكمي لبرج الإرسال k لفرع الإرسال m خلال زمن اصطدام الإعصار T_w بالتالي:

(11)

كانت فروع النقل تعتبر نموذجا متسلسلا يتكون من عدة أقسام خطوط نقل متتالية مع أبراج نقل متعددة. وفقا لطريقة حساب احتمال فشل نموذج السلسلة في نظرية تقييم الموثوقية، بافتراض أن أعطال كل قسم من خطوط النقل وبرج القطب مستقلة عن بعضها البعض، قد يؤدي فشل أي قسم خط نقل أو برج عمود إلى انقطاع نقل الطاقة الكهربائية لدائرة فرع النقل^{بالكامل 27}. لذلك، تم حساب احتمال فشل فرع الانتقال m باستخدام المعادلة التالية:

(12)

حيث L هو عدد مقاطع خطوط النقل المشمولة في خط الفرع m للنقل؛ K هو عدد أبراج النقل المدرجة في فرع النقل m .

تدابير الوقاية والسيطرة بناء على سلاسل الصدع

لتقليل خطر الأعطال المتسلسلة والانقطاعات واسعة النطاق الناتجة عن أعطال في خطوط النقل عالية المخاطر أثناء الكوارث الشديدة، يحتاج نظام الطاقة إلى تحكم وقائي. استنادا إلى القسم السابق، تم الحصول على كل خط ذو احتمال عطل مرتفع تحت الكوارث الشديدة. تم استخدام كل فرع عالي المخاطر بشكل تسلسلي كفرع مفتوح أولي لبحث سلسلة الأعطال. استنادا إلى جميع سلاسل الأعطال، تم تنفيذ طريقة الوقاية والسيطرة بهدف تقليل تأثيرات الأعطال المتتالية وتوفير دعم اتخاذ القرار لمشغلي إرسال الشبكة²⁸.

الطريقة المقترحة

يوضح الشكل 3 الإطار خطوة بخطوة لطريقة الوقاية والسيطرة المقترحة، والتي تناولت سلاسل الصدع في ظل سيناريوهات الطقس القاسية.

تحميل البيانات وتحديد سلسلة الأعطال الأولية

أولا، تحميل جميع بيانات الإدخال الأساسية، مثل نموذج شبكة الكهرباء، وضع التشغيل العادي، والمعلومات الجوية تحت الكوارث الشديدة. كان نموذج شبكة الطاقة بصيغة MATPOWER (.m)، ويحتوي على معلمات الحافلة، ومواصفات المولد، ومعاملات الفروع، وطوبولوجيا الشبكة. كانت بيانات التنبؤ بالأرصاد الجوية للكارثة الشديدة بصيغة JSON، حيث وفرت إحداثيات مركز الإعصار، وسرعة الترجمة، ونصف قطر أقصى رياح، والضغط المركزي.

بعد ذلك، قم بفحص خطوط النقل عالية المخاطر من خلال حساب احتمال الفشل لجميع الفروع. تضمنت هذه العملية نموذجين حاسوبيين أساسيين. تم تنفيذ نموذج حقل الرياح لإعصار يليسنيانسكي لأول مرة لحساب سرعة الرياح المتغيرة زمنيا. لاحقا، تم تطبيق نموذج ثغرة فرع النقل لحساب معدل الفشل لكل جزء من الخط والبرج بناء على سرعة الرياح المحلية.

أخيرا، اختر فرعا أو أكثر عالي الخطورة من مجموعة الطوارئ الأولية كفروع الانقطاع الأولي لبدء البحث في سلسلة الأعطال. فصل الفرع المختار، تعديل معلمات طوبولوجيا الشبكة، إجراء حساب تدفق الطاقة المستمر على شبكة الطاقة المستهدفة، تحديد الفروع المحملة كفروع انقطاع لاحقة، وتكرار هذه العملية. انتهى البحث في سلسلة الأعطال عندما يحدث انهيار النظام، أو عند الوصول إلى أقصى عمق بحث محدد مسبقا، أو عند عدم العثور على فروع إضافية محملة بشكل زائد.

تحليل وحل نموذج التحسين لسلسلة الأعطال

أنشأت هذه المرحلة إطار التحسين، وحللت النموذج، وتحقق من صحة الحل النهائي من خلال الإجراء التالي.

أولا، نحدد دالة خطية مجزأة تمثل تأثير انقطاعات خطوط النقل على تدفقات الطاقة في الفروع. احسب قيمة المخاطر لكل سلسلة عطل بناء على حسابات تدفق الطاقة المستمر. تحديدا، تم تحديد قيم المخاطر بضرب احتمال كل سلسلة عطل والقيمة الدنيا لفقدان التحميل المطلوبة لضمان سلامة تدفق الطاقة في الفرع. اختر سلاسل الأعطال ذات قيم المخاطر الأعلى ودمجها في مجموعة سلاسل الأخطاء المرشحة.

بعد ذلك، نفذ الخطوتين السابقتين لكل سطر في مجموعة الطوارئ الأولية حتى يتم معالجة جميع الفروع. ضمن هذا التكرار المنهجي تغطية شاملة لجميع نقاط بدء العطل المحتملة، مما أدى إلى مجموعة كاملة من سلاسل الأعطال المرشحة تمثل اتحاد جميع مسارات الصدع عالية الخطورة المحددة.

وأخيرا، حل نموذج التحسين باستخدام محللات تجارية مثل GUROBI وتقييم ما إذا كانت سلاسل أخطاء شديدة جديدة تحدث بعد التحسين. تم إجراء هذا التحقق من ذلك عن طريق إعادة تنفيذ عملية البحث في سلسلة الأعطال باستخدام توزيع التوليد المحسن. إذا ظهرت سلاسل أعطال جديدة، قم بدمجها في مجموعة سلاسل الأعطال المرشحة وكرر عملية التحسين. إذا لم تنشأ سلاسل أعطال شديدة، قم بإخراج خطة طاقة المولد المحسنة وخطة انقطاع التيار لتقليل خطر الأعطال المتتالية.

المخرج النهائي والأرشفة

أخرج خرج طاقة المولد المحسنة وخطة انقطاع الشحن. أرشفة جميع بيانات الإدخال ذات الصلة، وملفات التكوين، والنتائج الوسيطة، ونظام الإخراج النهائي للتوثيق وإمكانية إعادة الإنتاج بشكل منهجي. ضمنت هذه الممارسة الأرشيفية الشاملة قابلية التكرار الكاملة، وسهلت التحليل بعد الحدث، ووفرت حالات مرجعية لمشاريع تعزيز مرونة الشبكة المستقبلية.

البحث في سلسلة الأعطال

تم اختيار فرع أو أكثر من الفروع ذات احتمال العطل العالي للبحث في سلسلة الأعطال. خذ الفروع عالية المخاطر المختارة كفروع مفتوحة أولية لسلسلة الأعطال، افصلها، عدل معلمات الشبكة، نفذ حساب تدفق الطاقة المستمر للشبكة المستهدفة، خذ جميع الفروع المحملة كمرحلة التالية من فروع السلسلة المفتوحة بدورها، وكرر العملية. انتهى بحث سلسلة الأعطال عندما تم استيفاء شرط التوقف. ثم تم الحصول على جميع سلاسل الصدع بدءا من هذا الفرع عالي الخطورة.

بغض النظر عن تأثير البيئة الخارجية، عندما لا يتجاوز تدفق الطاقة في الخط حد تدفق الطاقة، كان احتمال انقطاع عطل خط النقل هو احتمال العطل الخفي لحماية المرحل، وكانت قيمته قريبة من الصفر. في عملية تطوير وانتشار سلسلة الصدع، كان مرسلون الشبكة يميلون إلى اتخاذ تدابير الحجب المناسبة، بحيث لا يتجاوز عمق البحث في سلسلة الصدع العمق الأقصى المحدد (عادة 4). عادة ما يؤدي انقطاع الشبكة الناتج عن سلسلة الصدع إلى حدوث انقطاع كبير في التيار الكهربائي. لذلك، في هذه الورقة، تم تعيين حالة إيقاف البحث في سلسلة الأعطال كالتالي: 1) حدث الجزيرية الشبكية؛ 2) وصل بحث سلسلة العطل إلى أقصى عمق بحث؛ و3) مرحلة معينة من البحث في سلسلة الصدع لم تؤدي إلى تحميل زائد لأي فروع. توقف البحث في سلسلة الأعطال عندما تحقق أي من الشروط.

استخدم دالة خطية مقطعة لوصف العلاقة بين احتمال عطل خط النقل وتدفق طاقة الخط، معطاة ب:

(13)

حيث p_l هو احتمال حدوث عطل على l؛ p_l هو تدفق الطاقة الحقيقي على l؛ P_l,max هو الحد الأقصى لسعة النقل ل l; P_H هو احتمال فشل الحماية الخفية؛ B هو مضاعف عتبة التحميل الزائد، وعادة ما يكون مضبوطا على 1.4، مما يعني أنه إذا تجاوز تدفق الطاقة المرسلة من الخط 1.4 ضعف سعته المقدرة للنقل، فإن أجهزة الحماية ستعمل وتتوقف الخط، مما يؤدي إلى احتمال عطل 1.

حساب قيمة المخاطر لسلسلة الأعطال

افترض أن سلسلة أعطال معينة تتضمن أعطالا على خطوط نقل k . عند إزالة هذه الخطوط k ، تم حساب الحد الأدنى لتقليل الحمل لضمان نقل الطاقة المستمر الآمن داخل الشبكة. ثم تم تعريف دالة الهدف كما يلي:

(14)

حيث يمثل n_B إجمالي عدد الحافلات في نظام الطاقة؛ D_{i_cut} هو مقدار انقطاع التيار عند العقدة i. القيود التي يجب تحقيقها تشمل:

قيود انقطاع التحميل على العقد

(15)

حيث S_N هي مجموعة الحافلات في نظام الطاقة؛ D_i هو الحمل الأصلي عند العقدة i.

قيود خرج المولد

(16)

حيث S_G هي مجموعة عقد المولد في نظام الطاقة؛ PG_i تشير إلى الطاقة الخارجة من المولد عند العقدة i؛ تمثل _{i_min} PG _{وPG i_max} الحد الأدنى وأقصى حد التوليد التقني عند العقدة i على التوالي.

قيود أمان تدفق الطاقة الخطي

(17)

حيث S_L هو مجموعة خطوط النقل في نظام الطاقة؛ P_ij هو تدفق الطاقة على الخط ij؛ P_{ij_max} هو حد سعة النقل للخط ij.

قيود توازن طاقة العقدة

(18)

قيود تدفق الطاقة المستمرة

(19)

حيث تشير θ_i و θ_j إلى زوايا الجهد عند الحافلات i و j، فإن x_ij هو مفاعلة الخط ij.

بالنسبة لسلسلة صدع معينة L ذات مراحل v ، احتمال حدوثها P_L هو:

(20)

حيث p_l0 هو احتمال حدوث الفشل الأولي لسلسلة الأحداث؛ P_l1 ~ P_lv هي احتمالات حدوث كل مرحلة في سلسلة العطل. قيمة المخاطر R_L لسلسلة الصدع L تعرف كما يلي:

(21)

حيث D_L هو مقدار انقطاع التحميل الناتج عن حدوث سلسلة العطل L.

سمح بحث سلسلة الأعطال باختيار عدة فروع عالية الخطورة في نفس الوقت كانقطاعات أولية. بافتراض الاستقلالية بين فشل الفروع الأولية، كان احتمال الحدث الأولي هو حاصل ضرب احتمالات الفشل المستقل لكل فرع عالي الخطورة.

نموذج تحسين الوقاية والسيطرة

استنادا إلى مجموعة سلاسل الأعطال التي تم الحصول عليها، قم ببناء نموذج تحسين للوقاية والتحكم. تمت صياغة دالة الهدف كما يلي:

(22)

حيث n_G يمثل إجمالي عدد عقد المولد؛ a_i و ΔPG_i يمثلان معامل التكلفة ومقدار تعديل الطاقة لعقدة المولد i على التوالي؛ ΔL_j يمثل مقدار انقطاع التيار عند العقدة j. n_R يشير إلى عدد سلاسل الأعطال؛ R_k يرمز إلى قيمة المخاطر لسلسلة الصدع k؛ و ب هو معامل تكلفة انقطاع التيار الكهربائي.

القيود كما يلي:

قيد توازن القوى

(23)

قيود تعديل مخرجات المولد

(24)

قيود أمان تدفق الطاقة الخطي

(25)

حيث PTDF هو مصفوفة توزيع معامل انتقال تدفق الطاقة في الشبكة؛ P هو متجه حقن الطاقة؛ ΔPG هو متجه ضبط التوليد؛ وF _max هو متجه حدود سعة نقل الخط.

عند النظر إلى مرحلة الانتشار t في سلسلة صدع (1 ≤ t ≤ v)، افترض أن فرع الانقطاع السابق هو km. تم تقييم تأثير انقطاع فرع الكم على إعادة توزيع التدفق في الشبكة المتبقية باستخدام نموذج تدفق الطاقة المستمر (DC Power). استوفى تشغيل الشبكة الشروط التالية قبل انقطاع الفرع كم

(26)

بعد انقطاع الفرع كم

(27)

بتجاهل المصطلحات الصغيرة من الدرجة الثانية، تصبح كما يلي:

(28)

بدمج المعادلتين (26) و(28)، يتم الحصول على ما يلي:

(29)

التبسيط الإضافي يؤدي إلى:

(30)

حيث يشير P_km إلى تدفق الطاقة النشطة على الفرع كم؛ هو متجه صف يكون فيه المدخل k هو 1، والإدخال m هو -1، وجميع المكونات المتبقية صفر.

وفقا للمعادلة (30)، عند مرحلة الانتشار t من سلسلة الأحداث L، عندما يتم فصل فرع km ، يتم تمثيل تدفق الطاقة النشطة المتزايدة في الفروع التالية كدالة خطية مرتبطة بتدفق القدرة النشطة للفرع km. علاوة على ذلك، وبناء على المعادلة (13)، تم تعيين هذا الزيادة مباشرة إلى احتمالات العطل للفروع اللاحقة.

في نموذج تحسين تدفق الطاقة الذي تم تحديده في هذا القسم، كانت دالة الهدف تتضمن حاصل ضرب احتمالات الأعطال لكل مرحلة من سلسلة الأحداث. وبالنظر إلى احتمال الفشل في كل مرحلة من سلسلة الصدع كمغيرات، كان من الصعب حل النموذج إذا كان ترتيب ضرب المتغيرات كبيرا جدا. استخدام خوارزميات استدلالية مثل تحسين سرب الجسيمات أو الخوارزميات الجينية يجعل من الصعب الحصول على حلول مثلى عالميا. لذلك، تعامل هذا البحث حاصل ضرب احتمالات الفشل لمراحل مختلفة في سلسلة الصدع كمتغير جديد واحد، مما يقلل بشكل فعال من ترتيب ضرب المتغيرات في دالة الهدف. بعد ذلك، تم استخدام محللات تحسين تجارية مثل CPLEX وGUROBI للحصول على الحلول.

Results

تحليل حالة نموذج حقل الرياح الإعصار

يقدم هذا القسم دراسة حالة مستندة إلى إعصار ياغي، الذي وصل إلى مقاطعة هاينان في الصين عام 2024. يتم استخراج بيانات مجال الرياح المستخدمة في النمذجة من توقعات محطات الأرصاد الجوية التي صدرت قبل 24 ساعة من الحدث. باستخدام نموذج يليسنيانسكي، يمكن حساب التوزيع المكاني لسرعة الرياح في أي لحظة معينة. وبالاقتران مع نموذج ثغرة فرع النقل، يتيح ذلك تقييم احتمالات الفشل للفروع الفردية داخل شبكة هاينان. يتم تعيين مدة T_w إلى ساعة واحدة. يفترض أن سرعة الرياح تبقى ثابتة خلال هذه الفترة T_w، وبالتالي Δt = T_w = 1 ساعة.

تم تحليل بيانات سرعة الرياح كل ساعة في مدينة هايكو إلى جانب العدد المقابل من الخطوط التالفة، مع عرض النتائج في الشكل 4. يلاحظ ارتباط إيجابي واضح: مع زيادة شدة الرياح، يرتفع عدد أعطال الخطوط وفقا لذلك. من خلال دمج الظروف الجوية المتوقعة مع إطار نمذجة حقل الرياح المقترح هنا، تلتقط الطريقة بشكل أكثر فعالية خطر فشل الشبكة الفعلي.

تم اختيار الطرق النموذجية من أربع مدن - هايكو، دانتشو، سانيا، وتشيونغهاي، ويبلغ طول كل منها 10 كم وفواصل زمنية 500 متر. باستخدام الطريقة المقترحة في هذه الورقة، تم حساب احتمال فشل الخطوط تحت أقصى سرعات الرياح ومقارنته مع نسبة الخطوط المتعثرة إلى إجمالي الخطوط خلال أحداث الإعصار الفعلية، كما هو موضح في الشكل 5. تظهر النتائج اتساقا جيدا بين احتمال الفشل المحسوب ونسبة الفشل المرصودة: يزداد احتمال الفشل مع ارتفاع أقصى سرعة رياح في المدن المعنية، مما يعزز عملية النموذج الذي تم تطويره في هذه الورقة عند دمجه مع معلومات توقعات الأعاصير.

الوقاية وتحسين التحكم بناء على سلاسل الأعطال

يتم إثبات فعالية النهج المقترح من خلال محاكاة أجريت على نظام اختبار ناقل IEEE 39. يفترض أن الفروع 1-2، 2-3، و4-5 عالية الخطورة في ظروف الكوارث الشديدة، كما هو موضح في الشكل 6. يتم تعيين حد تدفق الطاقة النشطة لكل فرع إلى 0.9 ضعف سعته الحرارية، ويتم تعيين عمق التنبؤ بسلسلة الأعطال d_{بالحد الأقصى} إلى 3. معاملات تكلفة إرسال المولد، حدود الإخراج، ومعلومات أخرى مدرجة في الجدول 1. معامل تكلفة المخاطر b هو 100/ميغاواط، ويفترض أن احتمال فشل الفرع الذي تم تعطيله في البداية هو 1. احتمال فشل الحماية الخفي P_H مضبوط على 0.01. بعد صياغة النموذج، استخدم المحرر MATLAB R2022b لاستدعاء محلل GUROBI. زمن الحل: 0.14 ثانية، الفجوة: 0.0000٪.

من خلال إجراء بحث سلسلة الأحداث، تبين أن فتح الخطوط 2-3 أو 4-5 لا يحمل أي خطوط متبقية، وبالتالي لا تنشأ سلاسل أحداث من هذه الانقطاعات. ومع ذلك، عندما يتم فصل الخطوط 1-2، قد تحدث أربع سلاسل أحداث محتملة: [1-2، 2-3، 26-27]، [1-2، 2-3، 25-26]، [1-2، 2-3، 17-18، 26-27]، [1-2، 2-3، 17-18، 25-26].

تظهر نتيجة البحث لسلسلة الصدع التي تبدأ بالفرع 1-2 في الشكل 7. من بين هذه الحالات، لا تسبب سلسلة الصدع [1-2، 2-3، 25-26] أي انقطاع أحيام، كما أن خطر سلسلة الصدع [1-2، 2-3، 17-18، 25-26] أقل بكثير من خطر السلسلتين الأخريين. لذلك، يتم الاحتفاظ فقط بسلاسل الأعطال [1-2، 2-3، 26-27] و[1-2، 2-3، 17-18، 26-27] لأداء الوقاية وتحسين التحكم لاحقا.

يعرض الجدول 2 نتائج تحسين الوقاية والسيطرة، بينما يوضح الشكل 8 سلاسل الأعطال المحسنة المقابلة التي بدأت من الفرع 1-2. بعد تعديل مخرجات المولد، يتم تقليل انقطاع التحميل المتوقع الناتج عن سلاسل الأعطال ذات الصلة من 11.835 ميغاواط إلى 0.670 ميغاواط، مما يكشف أن خطر نظام IEEE 39 bus ينخفض بشكل كبير. يؤكد التحقق بعد التحسين عدم ظهور سلاسل أعطال إضافية، مما يشير إلى أن حل الوقاية والسيطرة يمكن تنفيذه مباشرة لدعم موزعي النظام.

دراسة حالة عن شبكة كهرباء حقيقية: نظام هاينان تحت إعصار ياغي

وللتحقق من التطبيق العملي للطريقة المقترحة، أجريت دراسة حالة استنادا إلى شبكة طاقة هاينان في الصين خلال إعصار ياغي عام 2024. تركز هذه الحالة على فعالية الطريقة في الأنظمة واسعة النطاق ومزاياها مقارنة بمعايير الأمان التقليدية N-1 وN-2.

طرق الوقاية والسيطرة مقارنة بمعايير السلامة ل N-2

تحت تأثير إعصار كابريكورن، تعرضت عدة خطوط في شبكة الكهرباء في هاينان لانقطاعات. توزيع تدفق الطاقة في الشبكة الإقليمية عند الساعة 19:50 من يوم 6 سبتمبر موضح في الشكل 9. في الشكل، يشير الأحمر إلى مستوى جهد 500 ك.فولت، والأسود إلى مستوى جهد 220 كيلوفولت، والأزرق إلى مستوى جهد 110 كيلوفولت، والخطوط الصلبة تمثل خطوط التشغيل، والخطوط المتقطعة تمثل خطوط الانقطاع.

في هذه اللحظة، كانت خطوط LQ-JD وYZU-WQ من الخطوط عالية الخطورة. وبالنظر إلى عملية الفشل المتسلسلة الناتجة عن انقطاع هذين الخطين، فإن توزيع تدفق الطاقة في الشبكة الإقليمية بعد انقطاعات الخطوط LQ-JD وYZU-WQ موضح في الشكل 9. يرتفع تدفق الطاقة على خط DL-WC إلى 173.9 ميغاواط، متجاوزا بكثير طاقته الحاملة الكهربائية طويلة الأجل البالغة 82 ميغاواط. مع وصول عامل الحمل إلى 214٪، يصبح فصل الخط في سلسلة من التسلسل أمرا لا مفر منه. سيؤدي ذلك إلى تشغيل معزول لمحطات WQ، JD، DL، ومحطات فرعية 110 كيلوفولت المرتبطة بها. نظرا لأن الحمل أقل من الحد الأدنى للإنتاج الفني لوحدات محطة WQ، يصبح الحفاظ على استقرار التردد أثناء التشغيل المعزول أمرا صعبا، مما يؤدي في النهاية إلى انقطاع التيار الكهربائي.

يتم تنفيذ تحسين الرقابة الوقائية للشبكة الإقليمية. يتم عرض توزيع تدفق الطاقة الأمثل في الشكل 10. يتم إيقاف وحدة واحدة في محطة WQ، ويتم ضبط قدرة الوحدة المتبقية إلى 221.3 ميغاواط. بعد فصل خطوط LQ-JD وYZU-WQ، يصبح تدفق الطاقة على خط DL-WC فقط 58.8 ميغاواط، مما يتجنب حدوث أعطال متتالية. بالنظر إلى معيار الأمان N-2، إذا تم أخذ أعطال N-2 فقط على مغذيات محطات WQ الفرعية في الاعتبار، فإن تعديل إنتاج محطة WQ إلى 133.5 ميغاواط سيكون مطلوبا لضمان تدفق طاقة آمن على DL-WC. هذا النهج المراقب يتحمل تكاليف مرتفعة للغاية.

طرق الوقاية والسيطرة مقارنة مع معايير السلامة N-2

توزيع تدفق الطاقة للشبكة الإقليمية عند الساعة 19:58 من 6 سبتمبر موضح في الشكل 11. في هذه اللحظة، كلا الخطين LQ-JD وYZU-WQ مفتوحان بسبب أضرار الإعصار. يتم تضمين الخطوط YZG-DY (احتمال الفشل P₌0.1) وDY-YZU (احتمال الفشل P=0.7) ضمن مجموعة الخطوط عالية المخاطر. القدرة الحاملة الحالية لخط النقل TP-PT هي 82 ميغاواط.

وبالنظر إلى عملية الفشل المتسلسلة التي تسببها فصل فرع واحد، فإن فصل خط YZG-DY أو DY-YZU سيسبب حملا زائدا شديدا على خط TP-PT. وهذا سيؤدي حتما إلى انقطاع خط TP-PT بشكل متسلسل، مما يؤدي في النهاية إلى انقطاع النظام. تظهر نتائج البحث في سلسلة الأعطال في الشكل 11. وفقا لمعايير الأمان N-1، يتطلب ضمان استقرار تدفق الطاقة بعد قطع خط YZG-DY وحده فقدان 213 ميغاواط من الحمل. وفقا لمعايير الأمان N-2، يتطلب ضمان استقرار تدفق الطاقة بعد فصل كلا الخطين YZG-DY وDY-YZU فقدان 213 ميغاواط من الحمل. تمت مقارنة كميات انقطاع التيار للطرق الثلاث في الجدول 3.

تظهر النتائج أن الطريقة المقترحة، من خلال النظر في احتمالات الفشل لكل فرع عالي الخطورة واحتمالات الفشل في كل مرحلة من مراحل انتشار سلسلة الأعطال، يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكاليف التحكم العالية المرتبطة بمعايير الأمان N-1 وN-2. مقارنة بمعايير الأمان N-1 وN-2، تلبي الطريقة المقترحة بشكل أفضل متطلبات السيطرة عبر الإنترنت أثناء الكوارث.

توفر البيانات:

يعتمد نظام اختبار IEEE على 39 حافلة المستخدم في دراسة الحالة الأولى على شبكة المرجع المتاحة للجمهور الموزعة مع MATPOWER والمستودعات ذات الصلة ويمكن الحصول عليه من موقع مشروع MATPOWER. البيانات المدخلة ونتائج المحاكاة التي تولدها الطريقة المقترحة لهذا النظام المعياري (بما في ذلك سلاسل الأعطال المحددة ومؤشرات المخاطر المقابلة) متاحة من المؤلف المقابل بناء على طلب معقول.

البيانات الحقيقية المستخدمة في دراسة الحالة الثانية مشتقة من شبكة الطاقة في هاينان وتشمل طوبولوجيا الشبكة التفصيلية، ومعلمات المعدات، وسجلات التشغيل. هذه البيانات مملوكة لشركة الكهرباء المحلية وتخضع لالتزامات السرية التعاقدية ولوائح حماية البنية التحتية الحيوية. وبالتالي، لا يمكن توفير مجموعة بيانات شبكة هاينان الخام والمخرجات الكاملة للنموذج المرتبط مباشرة بهذه المجموعة للعامة. تم توفير النتائج المجمعة والمجهولة الهوية اللازمة لدعم نتائج هذه الدراسة فقط في المقالة. يمكن للباحثين الذين يرغبون في الوصول إلى بيانات نظام هاينان الأساسية لأغراض أكاديمية مشروعة التواصل مع المؤلف المسؤول؛ أي مشاركة محتملة للبيانات ستتطلب موافقة مكتوبة مسبقة من مالك البيانات، وعند الضرورة، توقيع اتفاقية عدم إفشاح مناسبة.

يتم وصف إطار النمذجة العام والخوارزميات وإعدادات المعلمات بتفصيل كاف في النص الرئيسي والمعلومات الداعمة للسماح للباحثين الآخرين بتنفيذ والتحقق من الطريقة المقترحة على أنظمة الاختبار المتاحة للجمهور أو على مجموعات بياناتهم الخاصة.

الشكل 1: مخطط حركة الإعصار بعد وصوله إلى اليابسة. استنادا إلى نموذج حقل الرياح الإعصاري، تزداد سرعة الرياح الأفقية من العين ثم تنخفض مع المسافة الشعاعية. عند أخذ الموقع O على فرع النقل كمثال، عند لحظة t₁، يكون أقصى نصف قطر للرياح للإعصار هو r_max(t₁)، والمسافة بين مركز الإعصار وO هي d(t₁). هذه المرة، d(t₁) أكبر من r_max(t₁)، ومع تحرك الإعصار، تقل المسافة بين O ومركز الإعصار، وبالتالي تزداد سرعة الرياح عند O . في لحظة t₂، d(t₂) أقل من r_max(t₂) وd(t₂) ينخفض، لذا تنخفض سرعة الرياح عند O . في اللحظة t₃، يستمر d(t₃) في الزيادة لكنه أقل من r_max(t₃)، لذا ستزداد سرعة الرياح عند O . وبالمثل، عند t₄، يستمر d(t₄) في الزيادة ويكون أكبر من r_max(t₄)، لذا تنخفض سرعة الرياح عند O مع ابتعاد مركز الإعصار. يمكن ملاحظة أن سرعة الرياح في أي موقع على فرع النقل تتغير مع الوقت، وحتى في نفس فرع الإرسال، فإن تغيرات سرعة الرياح في المواقع المختلفة ليست متساوية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: مخطط تخطيطي لفرع النقل m. يظهر هذا الشكل فرعا واحدا من النقل يتكون من أبراج متسلسلة (معنونة من برج m إلى برج k) وخطوط (مصنفة كخط m إلى الخط k). كل زوج من الأبراج المجاورة يشكل امتداد موصل واحد. البرج هو نقطة تقييم منفصلة للحمل الجوي وحالة المكونات، والخط يدل على امتداد الموصل بين برجين متجاورين على نفس الفرع. يتم الحصول على حالة الفرع m من خلال تجميع حالات أبراجه وخطوطه تحت افتراض بنية تسلسلية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 3: إجراءات الوقاية والسيطرة على سلاسل الأعطال. يعرض هذا المخطط تدفق سير العمل المستخدم. يتم أولا تضمين الفروع التي تم تحديدها على أنها عالية الخطورة تحت الكوارث القصوى في مجموعة الصدع الأولية. لكل مرشح، يتم اختيار فرع واحد كفرع الفصل الأولي، ويتم فصل الفرع، ويتم تحديث معلمات الشبكة. إذا حدث تقسيم النظام أو تم الوصول إلى أقصى عمق محدد مسبقا، يتوقف البحث عن سلسلة العطل هذه. إذا ظهرت فروع محملة بشكل زائد، يتم أخذ كل فرع محمل بالتتابع كفرع تعثر على المستوى التالي وتستمر حلقة التحديث-التحديث-الاختبار. إذا لم يحدث حمل زائد، يتم حساب مؤشر المخاطر لسلسلة العطل. بعد معالجة جميع الأعطال الأولية، يتم تحديد مسارات سلسلة الأعطال ذات قيم المخاطر العالية نسبيا، ثم تطبق تدابير وقائية على الشبكة المستهدفة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 4: العلاقة بين سرعة الرياح الإعصارية وعدد الخطوط المعطلة في مدينة هايكو. يظهر هذا الشكل سرعة رياح الإعصار في مدينة هايكو (المحور الأيسر على الشكل y) وعدد الخطوط المعطوبة المسجلة في الساعة المقابلة (المحور الأيمن). مع زيادة سرعة الرياح من 10 م/ث إلى أكثر من 50 م/ث، يرتفع عدد الخطوط المعطلة وفقا لذلك، ليصل إلى أقصى حد له حوالي 19:00-20:00 ثم ينخفض مع ضعف الرياح. يشير التغير المتزامن إلى ارتباط إيجابي واضح بين شدة الرياح المحلية وصدوع الخط، مما يتوافق مع الافتراض هنا بأن خطر فشل مكونات النقل يزداد مع زيادة سرعة الرياح. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 5: مقارنة بين احتمال فشل الخط ونسبة الفشل الفعلية. يقارن هذا الشكل نسبة الخطوط المعيبة الفعلية إلى إجمالي الخطوط (المحور الأيسر على المحور y) مع احتمال فشل الخط (المحور الأيمن) عبر أربع مدن. كلا المؤشرين يتبعان نفس النمط المكاني: هايكو هي الأعلى، دانتشو التالية، سانيا الأدنى، وتشينغهاي تظهر ارتدادا متواضعا. يتتبع المنحنيان ارتباطا وثيقا، مما يشير إلى ارتباط إيجابي قوي بين احتمال الفشل النموذجي وحدوث العطل المرصود، مما يدعم تفسير أن المدن ذات المخاطر المقدرة الأعلى تعاني أيضا من نسب فشل فعلية أعلى. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 6: نظام IEEE 39-bus. يظهر هذا الشكل نظام اختبار IEEE 39 bus المستخدم في دراسة الحالة. الحافلات مرقمة وتحمل علامة G، وفروع النقل تربط الحافلات ببعضها البعض. تشير الفروع المميزة باللون الأحمر إلى الفروع عالية الخطورة التي تم تحديدها في سيناريو الكوارث القصوى بواسطة إجراء تقييم المخاطر الموضح هنا؛ تشكل هذه الفروع مجموعة الأعطال الأولية لبناء سلاسل الصدع في التحليل اللاحق. المخطط مخطط ويستخدم لتوضيح طوبولوجيا نظام الاختبار ومواقع الفروع عالية الخطورة المحددة هناك. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 7: نتائج بحث سلسلة الأعطال. يسرد هذا الشكل سلاسل الأعطال التي تم الحصول عليها في حالة حافلة IEEE 39. بدءا من الفرع الأولي للتعثر 1-2، تتقدم السلسلة إلى 2-3 ثم تتفرع إلى فروع تعثر في المستوى التالي (26-27، 25-26، 17-18). تشير الأرقام على الأسهم إلى احتمال المرحلة للفرع التالي الذي يتعثر. النص في العقد النهائية يبلغ عن الحد الأدنى الناتج لانقطاع التحميل لتلك السلسلة (مثلا، 73.73 ميغاواط، 39.36 ميغاواط) أو يشير إلى عدم حدوث انقطاع أحيام. يوفر المخطط سجلا مدغما لمسارات سلسلة الصدع المرشحة ونتائجها. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 8: سلاسل الأعطال المحسنة. يعرض هذا الشكل سلاسل الأعطال المحسنة في حالة حافلة IEEE 39. بدءا من فرع التعثر الأولي 1-2، تتقدم السلسلة إلى 2-3 ثم تتبع أحد فرعين للتعثر في المستوى التالي: مباشرة إلى 26-27، أو عبر 17-18 ثم إلى 26-27. الأرقام على الأسهم (مثل 0.01، 0.9) تشير إلى احتمال المرحلة للفرع التالي الذي يتعثر على كل مسار. يوفر المخطط سجلا مدمجا لمسارات سلسلة الصدع المحسنة واحتمالات مراحلها. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 9: نتائج محاكاة تدفق الطاقة لشبكة إقليمية في الساعة 19:50 من 6 سبتمبر وتوزيع تدفق الطاقة في الشبكة الإقليمية بعد فصل الخطوط LQ-JD و YZU-WQ. الشكل أعلاه هو نتائج محاكاة تدفق الطاقة لشبكة إقليمية في الساعة 19:50 من 6 سبتمبر. تدفق الطاقة الأساسي للشبكة الإقليمية تحت تأثير الإعصار. الألوان تدل على مستويات الجهد (500/220/110 كيلو فولت). في هذه اللحظة، تم تحديد الخطوط LQ-JD وYZU-WQ كعناصر عالية الخطورة. الشكل أدناه يوضح توزيع تدفق الطاقة في الشبكة الإقليمية بعد فصل خطوط LQ-JD و YZU-WQ. عندما يتم فصل الخطين عالي الخطورة، يعاد توزيع الطاقة، ويصبح خط DL-WC مثقلا بالحمولة الزائدة، مما يدفع ممر WQ-JD-DL نحو احتمال تقطير محطات التحويل المتصلة بجهد 110 كيلو فولت واحتمال انقطاعات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 10: توزيع تدفق الطاقة في الشبكة الإقليمية بعد إجراءات الوقاية والسيطرة. مع وجود الرقابة الوقائية المقترحة، يتم إيقاف وحدة واحدة في WQ، ويعاد جدولة التوليد المتبقي. يتم تخفيف التحميل الزائد وتقليل خطر التدرج بشكل كبير، مما يحقق الأمان بتقليل أقل بكثير من معيار N-2 التقليدي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 11: نتائج محاكاة تدفق الطاقة لشبكة إقليمية في 19:58 6 سبتمبر ونتائج بحث سلسلة الأعطال لشبكة كهرباء هاينان. الشكل أعلاه هو نتائج محاكاة تدفق الطاقة لشبكة إقليمية في الساعة 19:58 في 6 سبتمبر. يعمل النظام مع LQ-JD وYZU-WQ مفتوحين. يشير الفحص إلى أن YZG-DY وDY-YZU هما الخطوط التالية الأكثر حرجة، بينما يصبح ممر TP-PT بجهد 110 كيلوفولت هو القيد الحراري المقيد في هذه المنطقة. الشكل أدناه هو نتائج البحث عن سلسلة الأعطال لشبكة الطاقة في هاينان. يحدد البحث سلسلتين رئيسيتين من خطوة واحدة تبدأهما خطوط عالية الخطورة: LQ-JD (احتمال الفشل الأولي 0.1) وDY-YZU (احتمال الفشل الأولي 0.7). في كلتا الحالتين، يجبر التحميل الزائد TP-PT على التوقف (احتمالية المرحلة ≈ 1)، مما يؤدي إلى انقسام النظام مع تقدير انقطاع التيار بقوة 295 ميغاواط و144 ميغاواط على التوالي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

حافلة المولد	خرج الطاقة النشطة الأولي (MW)	الحد الأدنى لخرج الطاقة النشطة (MW)	الحد الأعلى لخرج الطاقة النشطة (MW)	تكلفة التعديل (1/ميغاواط)
30	250	0	1040	1
31	677.87	0	976	1.1
32	650	0	725	1.1
33	632	0	652	1.2
34	508	0	508	1.2
35	650	0	687	1.3
36	560	0	580	1.3
37	540	0	564	1.1
38	830	0	865	1.1
39	1000	0	1200	1.5

الجدول 1: معلومات متعلقة بنظام حافلة IEEE 39. يعرض هذا الجدول معلمات جانب المولد لحالة حافلة IEEE 39. لكل ناقل مولد، يعرض المعدل الخارجي النشط الأولي، والنطاق المسموح به بحدود الطاقة النشطة السفلى/العليا، وتكلفة التعديل. تحدد هذه الإدخالات الإرسال الأولي، وحدود التعديل المسموح بها، ومعامل الضبط لكل ميغاواط لكل مولد مستخدم في دراسة الحالة.

لا.	حافلة المولد	تعديل الإخراج (MW)
1	30	32.64
2	31	-32.64

الجدول 2: نتائج تحسين تدفق الطاقة. يسرد هذا الجدول التعديلات على جانب المولد الناتجة عن تحسين تدفق الطاقة. لكل ناقل مولد، يعطي عمود ضبط الإخراج التغير بالنسبة لخرج الطاقة النشطة الأولي؛ تشير القيم الموجبة إلى زيادة، والقيم السلبية إلى انخفاض. في هذه الحالة، يتم تعديل الحافلة 30 بقدرة +32.64 ميغاواط، والحافلة 31 بمقدار -32.64 ميغاواط.

الطريقة	انقطاع التيار (MW)
طريقة السيطرة الوقائية	62
معيار الأمان N-1	>213
معيار الأمان N-2	>>213

الجدول 3: مقارنة مبالغ انقطاع التيار للطرق الثلاث. يقارن هذا الجدول مبالغ انقطاع التيار المطلوبة بالطرق الثلاث. تتطلب طريقة التحكم الوقائي المقترحة فقط 62 ميجاوات من انقطاع التيار الكهربائي، في حين أن معايير الأمان N-1 وN-2 تتطلب أكثر من 213 ميغاواط، مما يدل على انخفاض كبير في تكلفة السيطرة الذي تحقق من خلال النهج المقترح.

Discussion

في هذه الورقة، تم اقتراح طريقة للوقاية والسيطرة على كوارث الأعاصير القائمة على سلسلة الأعطال، والتي تبدأ أولا بفحص الفروع عالية الخطورة تحت كوارث الأعاصير، ثم تعديل مخرجات وحدة الطاقة الشبكية وحمل النفايات وفقا لسلاسل الأعطال، بهدف التخفيف من مخاطر انتشار الفشل. مقارنة بطرق التحكم عبر الإنترنت المبنية على معايير أمان N-1 وN-2 أثناء الكوارث، تقلل الطريقة المقترحة في هذه الورقة بشكل كبير من تكاليف التحكم بموجب معايير الأمان N-1 وN-2 من خلال النظر في احتمال العطل لكل خط أثناء كوارث الأعاصير واحتمالية العطل المتسلسلة لتحميل زائد الخطوط ^29,30.

يساهم البحث المقترح في تقدم تحليل مرونة أنظمة الطاقة في عدة جوانب. أولا، تلتقط التأثيرات المترابطة مكانيا والمتغيرة زمنيا لأحمال الأعاصير على بنية النقل التحتية، والتي غالبا ما تبسط أو تهمل في تحليل الطوارئ التقليدي. ثانيا، من خلال فحص الفروع عالية الخطورة وبناء سلاسل الأعطال المقابلة، تركز الطريقة الموارد الوقائية على مجموعة محدودة من المسارات المتسلسلة الحرجة، مما يقلل بشكل فعال من انقطاع التيار المتوقع ويتجنب جداول وقائية مفرطة المحافظة مقارنة بالتحكم التقليدي المعتمد على N-1/N-2. ثالثا، مؤشر المخاطر الموحد، الذي يعرف بدمج احتمالات الأعطال وعواقب فقدان الأحمال، يوفر مقياسا عمليا للمشغلين لتحقيق التوازن بين الأمان والتحكم في التكاليف في دعم اتخاذ القرار في الوقت الحقيقي.

ومع ذلك، يجب الاعتراف بعدة حدود. يركز نموذج الثغرة على مقاطع الخط والأبراج ويتبنى افتراض البنية التسلسلية، والتي قد لا تمثل بشكل كامل تفاعلات المكونات المعقدة والفشل المرتبط بها في التطبيق العملي. يعتمد تحليل سلسلة الصدع على تدفق الطاقة المستمر وآليات التدرج المبسطة، وقد تؤثر عدم اليقين في المعاملات في توقعات الأعاصير ومنحنيات الهشاشة على دقة قياس المخاطر. بالإضافة إلى ذلك، يركز إطار التحسين بشكل رئيسي على التحكم الوقائي؛ لم يتم نمذجة الحجب المنسق أو الإجراءات العلاجية أثناء انتشار سلسلة الصدع بشكل صريح في هذا العمل.

تشمل الأساليب البديلة للتحقيق في نفس الفرضية صيغ تدفق طاقة مثالية قوية أو مقيدة بالصدفة مع مراعاة سيناريوهات الإعصار، ومحاكاة شاملة لفشل متتالي قائم على شمال كوريا أو مونت كارلو، ونماذج تحكم وقائية منسقة تحسن بشكل مشترك الإرسال قبل الطوارئ وتدابير التصحيح أو الجزيرة بعد الطوارئ على طول سلاسل الأعطال المحددة³¹. توفر هذه الطرق وجهات نظر مكملة ويمكن دمجها مع الإطار المقترح لتعزيز دقة النمذجة.

للطريقة المقترحة تطبيقات محتملة مهمة في التشغيل والتخطيط المقاوم للكوارث لأنظمة الطاقة في المناطق المعرضة للأعاصير والساحل. يمكن دمجه في منصات دعم اتخاذ القرار عبر الإنترنت لوضع استراتيجيات وقائية على المخاطر قبل وصول الأعاصير إلى اليابسة، ومساعدة المشغلين في إعطاء الأولوية للمراقبة وتعزيز الممرات عالية الخطورة، ودعم التخطيط المتوسط إلى طويل الأجل لتقوية فروع النقل الحرجة. مع التكيف المناسب لنماذج الهشاشة والمخاطر، يمكن توسيع الإطار أيضا ليشمل مخاطر الطقس والطبيعية الأخرى مثل العواصف الشديدة وأحداث الجليد وحرائق الغابات، مما يوفر أداة عامة لتعزيز مرونة شبكات الكهرباء الحديثة³².

التعديلات وحل المشكلات

على الرغم من أن الطريقة المقترحة قد تم التحقق منها في كل من حافلة IEEE 39 وشبكة الطاقة في هاينان، قد يحتاج الممارسون إلى تكييفها أو قد يواجهون تحديات أثناء التنفيذ. يوفر هذا القسم إرشادات حول التعديلات المحتملة وحل المشكلات الشائعة.

تعديلات لسيناريوهات محددة:

الطريقة المقترحة في هذه الورقة لا تقتصر على كوارث الأعاصير. يمكن تكييفها مع كوارث أخرى، مثل العواصف الجليدية وحرائق الغابات، من خلال تعديل نماذج المخاطر والضعف المقابلة. في التطبيق العملي، يجب استبدال نموذج حقل الرياح لإعصار يليسنيانسكي بنماذج مناسبة متخصصة في المخاطر، ويجب إعادة معايرة نموذج ثغرة خطوط النقل بناء على آليات الفشل المميزة للمكونات في ظل ظروف الكوارث الجديدة.

في الأنظمة ذات الاختراق العالي للطاقة المتجددة، تصبح نقطة التشغيل قبل الكارثة أكثر تغيرا. يمكن تعديل الطريقة لتصبح إطار عمل تحسيني عشوائي أو قوي. سيحتاج تقييم مخاطر سلسلة الأعطال إلى النظر في سيناريوهات متعددة لتوليد الطاقة المتجددة، مما يزيد من عدد سلاسل الأعطال المرشحة والعبء الحسابي الكلي.

استكشاف المشكلات الشائعة في التنفيذ:

قد تواجه الطريقة المقترحة أوقات حسابية طويلة جدا عند تطبيقها على الأنظمة واسعة النطاق. يعزى ذلك إلى التعقيد التوافقي الكامن في عملية البحث في سلسلة الأعطال. في الأنظمة الكبيرة جدا التي تحتوي على العديد من الخطوط الأولية عالية الخطورة، يزداد عدد سلاسل الأعطال المحتملة بشكل كبير، خاصة عند تكوين عمق بحث كبير، مما يؤدي إلى مدة حسابية مفرطة. لمعالجة هذه المشكلة، يمكن النظر في استراتيجيات التخفيف التالية: أولا، يمكن تقليل مجموعة الطوارئ الأولية بشكل مناسب عن طريق رفع عتبة احتمال الفشل للتضمين، وبالتالي فحص الخطوط عالية الخطورة بشكل أكثر صرامة. يجب إعطاء الأولوية للخطوط الواقعة ضمن منطقة الكارثة الأساسية المتوقعة. ثانيا، يمكن أن يكون عمق البحث محدودا. استنادا إلى الحكم الهندسي وطول الانتشار النموذجي لأعطال التسلسلات التاريخية في شبكة الهدف، يمكن تقليل أقصى عمق بحث من 4 إلى 3 أو حتى 2. علاوة على ذلك، قد تواجه الطريقة المقترحة عدم جدوى نموذج التحسين. نظرا للسيناريوهات الطارئة الشديدة التي يتم معالجتها، قد تكون القيود - مثل معايير الأمان N-1 وحدود إخراج المولد - مقيدة للغاية، مما يؤدي إلى عدم وجود حل توزيع توليد ممكن يمكنه التخفيف في نفس الوقت من جميع سلاسل الأعطال عالية الخطورة. لحل مثل هذه المشكلات، يمكن النظر في الأساليب التالية: أولا، يمكن تخفيف قيود الأمان بتحويل قيود الأمان الصارمة N-1 إلى قيود ناعمة ضمن دالة الهدف، مما يسمح بالانتهاكات البسيطة والمؤقتة لتحقيق تقليل شامل في مخاطر النظام. ثانيا، أعد فحص مجموعة سلاسل الصدع المرشحة. من الممكن أن تكون هناك سلاسل ذات احتمالية منخفضة جدا ولكن عالية العواقب تؤدي إلى عدم الجدوى. قد يكون من الضروري تقليص قائمة المرشحين على أساس المخاطر.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
غوروبي	شركة غوروبي للتحسين ذ.م.م	10.0.1	محلل تجاري يستخدم لنموذج التحسين
ماتلاب	ماث ووركس	2020ب	البيئة الأساسية لجميع المحاكاة
نوت بوك بي سي	لينوفو	X1 كربون الجيل التاسع	المعالج: Intel Core i7-1165G7؛ الذاكرة العشوائية: 16 جيجابايت؛ SSD: 512 جيجابايت؛ نظام التشغيل: ويندوز 11
سكريبتات MATLAB التي طورتها ذاتيا	تطوير ذاتي	الإصدار 1.0	ينفذ روتينات البحث وتحسين سلسلة الأعطال