عمليات التحكم في نظام الطاقة

تُستخدم عمليات نظام الطاقة في مجال توليد الكهرباء لوصف عملية اتخاذ القرارات على نطاق زمني يتراوح من يوم واحد ( التشغيل المسبق ^{[ 1 ]} ) إلى دقائق ^{[ 2 ]} قبل توصيل الطاقة . ويصف مصطلح التحكم في نظام الطاقة الإجراءات المتخذة استجابةً للاضطرابات غير المخطط لها (مثل تغيرات الطلب أو أعطال المعدات) بهدف توفير إمداد كهربائي موثوق بجودة مقبولة. ^{[ 3 ]} ويُطلق على الفرع الهندسي ذي الصلة اسم عمليات نظام الطاقة والتحكم فيه . يصعب تخزين الكهرباء، لذا يجب في أي لحظة موازنة العرض (التوليد) مع الطلب (" موازنة الشبكة "). في الشبكة الكهربائية، تُنفذ مهمة الموازنة في الوقت الفعلي بواسطة مركز تحكم إقليمي، تديره شركة كهرباء في سوق الكهرباء التقليدي ( المتكامل رأسيًا ). في شبكة نقل الطاقة المُعاد هيكلتها في أمريكا الشمالية ، تنتمي هذه المراكز إلى هيئات الموازنة ، التي بلغ عددها 74 هيئة في عام 2016. ^{[ 4 ]} وتُسمى الجهات المسؤولة عن العمليات أيضًا بمشغلي النظام المستقلين أو مشغلي نظام النقل . الشكل الآخر لموازنة موارد محطات الطاقة المتعددة هو مجمع الطاقة . ^{[ 5 ]} وتخضع هيئات الموازنة لإشراف منسقي الموثوقية . ^{[ 6 ]}

تُحدد جداول التشغيل المسبق لليوم التالي وحدات التوليد التي يمكن الاستعانة بها لتوفير الكهرباء في اليوم التالي ( التزام الوحدة ). تستطيع وحدات التوليد القابلة للتشغيل عند الطلب إنتاج الكهرباء حسب الحاجة، وبالتالي يمكن جدولتها بدقة. أما إنتاج الطاقة المتجددة المتغيرة تبعًا للطقس في اليوم التالي فليس مؤكدًا، ولذلك فإن مصادرها غير قابلة للتشغيل عند الطلب. هذا التباين، إلى جانب عدم اليقين بشأن الطلب المستقبلي على الطاقة والحاجة إلى استيعاب حالات فشل التوليد والنقل المحتملة، يتطلب جدولة احتياطيات التشغيل التي لا يُتوقع منها إنتاج الكهرباء، ولكن يمكن تشغيلها في غضون مهلة قصيرة جدًا. ^{[ 1 ]}

تتميز بعض الوحدات بخصائص فريدة تتطلب الالتزام بها في وقت مبكر جدًا: على سبيل المثال، تستغرق محطات الطاقة النووية وقتًا طويلاً جدًا لبدء التشغيل، بينما تتطلب محطات الطاقة الكهرومائية تخطيطًا لاستخدام موارد المياه مسبقًا. لذلك، تُتخذ قرارات الالتزام بهذه الوحدات قبل أسابيع أو حتى أشهر من التسليم. ^{[ 7 ]}

بالنسبة لشركات الكهرباء التقليدية المتكاملة رأسياً، يتمثل الهدف الرئيسي من التزام الوحدة في تقليل كل من التكلفة الحدية لإنتاج وحدة الكهرباء وتكاليف بدء التشغيل (التي تُعدّ كبيرةً جداً بالنسبة لتوليد الطاقة من الوقود الأحفوري). أما في سوق الكهرباء "المُعاد هيكلتها"، فيُستخدم خوارزمية لتسوية السوق ، غالباً في شكل مزاد ؛ ويُحدد ترتيب الجدارة أحياناً ليس فقط بالتكاليف المالية، بل أيضاً بالاعتبارات البيئية. ^{[ 1 ]}

يُعد التزام الوحدة أكثر تعقيدًا من العمليات ذات الإطار الزمني الأقصر، نظرًا لأن توافر الوحدة يخضع لقيود متعددة: ^{[ 8 ]}

• يجب الحفاظ على توازن العرض والطلب، بما في ذلك توفير احتياطيات كافية للطوارئ . يجب أن يعكس هذا التوازن قيود النقل؛
• قد يكون للوحدات الحرارية حدود على الحد الأدنى لوقت التشغيل (بمجرد تشغيلها، لا يمكن إيقاف تشغيلها بسرعة) ووقت التوقف (بمجرد إيقافها، لا يمكن إعادة تشغيلها بسرعة مرة أخرى)؛
• يجب تشغيل الوحدات "التي يجب تشغيلها" بسبب القيود الفنية (على سبيل المثال، يجب تشغيل محطات توليد الطاقة والحرارة المشتركة إذا كانت هناك حاجة إلى حرارتها)؛
• عادةً ما يكون هناك طاقم واحد في المحطة يجب أن يكون حاضراً أثناء بدء تشغيل الوحدة الحرارية، لذلك لا يمكن تشغيل سوى وحدة واحدة في كل مرة. ^{[ 9 ]}

في الساعات التي تسبق عملية التسليم، قد يحتاج مشغل النظام إلى نشر احتياطيات تكميلية إضافية أو حتى تخصيص المزيد من وحدات التوليد، وذلك لضمان موثوقية الإمداد مع محاولة تقليل التكاليف في الوقت نفسه. وفي الوقت ذاته، يجب على المشغل ضمان توفر احتياطيات كافية من الطاقة التفاعلية لمنع انهيار الجهد . ^{[ 2 ]}

منحنى الإرسال

تُبنى القرارات (" التوزيع الاقتصادي ") على منحنى التوزيع ، حيث يُمثل المحور السيني قدرة النظام، وتُوضع فترات وحدات التوليد على هذا المحور وفقًا لترتيب الجدارة، بحيث يتوافق طول الفترة مع أقصى قدرة للوحدة. أما قيم المحور الصادي فتمثل التكلفة الحدية (لكل ميغاواط ساعة من الكهرباء، مع إهمال تكاليف بدء التشغيل). بالنسبة للقرارات القائمة على التكلفة، تُرتب الوحدات في ترتيب الجدارة حسب تزايد التكلفة الحدية. يصف الرسم البياني على اليمين نظامًا مبسطًا للغاية، بثلاث وحدات توليد مُلتزمة (قابلة للتوزيع بالكامل، بتكلفة ثابتة لكل ميغاواط ساعة): ^{[ 7 ]}

• يمكن للوحدة A أن توفر ما يصل إلى 120 ميجاوات بتكلفة 30 دولارًا لكل ميجاوات ساعة (من 0 إلى 120 ميجاوات من طاقة النظام)؛
• يمكن للوحدة B أن توفر ما يصل إلى 80 ميجاوات بسعر 60 دولارًا/ميجاواط ساعة (من 120 إلى 200 ميجاوات من طاقة النظام)؛
• الوحدة C قادرة على إنتاج 50 ميجاوات بسعر 120 دولارًا/ميجاواط ساعة (من 200 إلى 250 ميجاوات من طاقة النظام).

عند توقع طلب يبلغ 150 ميغاواط (خط عمودي على الرسم البياني)، ستعمل الوحدة أ بكامل طاقتها البالغة 120 ميغاواط، وستعمل الوحدة ب بمستوى التشغيل المحدد وهو 30 ميغاواط، بينما ستبقى الوحدة ج في وضع الاحتياط. تمثل المساحة أسفل منحنى التشغيل إلى يسار هذا الخط تكلفة التشغيل لكل ساعة (مع إهمال تكاليف بدء التشغيل، 30 دولارًا × 120 + 60 دولارًا × 30 = 5400 دولارًا في الساعة)، وتُسمى التكلفة الإضافية للميغاواط/ساعة التالية من الكهرباء (60 دولارًا في المثال، ممثلة بخط أفقي على الرسم البياني) بـ " لامدا النظام " (ومن هنا جاء اسم آخر للمنحنى، منحنى لامدا النظام ).

في الأنظمة الحقيقية، لا تكون تكلفة الميغاواط ساعة ثابتة عادةً، وبالتالي فإن خطوط منحنى التوزيع ليست أفقية (عادةً ما تزداد التكلفة الحدية للطاقة مع مستوى التوزيع، على الرغم من وجود منحنيات تكلفة متعددة لمحطات الطاقة ذات الدورة المركبة اعتمادًا على نمط التشغيل، لذا فإن العلاقة بين الطاقة والتكلفة ليست بالضرورة رتيبة ). ^{[ 10 ]}

إذا ظلّ الحد الأدنى للطلب في المثال أعلى من 120 ميغاواط، فستعمل الوحدة (أ) باستمرار بكامل طاقتها لتوفير طاقة الحمل الأساسي ، بينما ستعمل الوحدة (ب) بطاقة متغيرة، وستحتاج الوحدة (ج) إلى التشغيل والإيقاف لتوفير الطاقة "المتوسطة" أو "الدورية". أما إذا تجاوز الطلب 200 ميغاواط في بعض الأحيان فقط، فستكون الوحدة (ج) متوقفة عن العمل معظم الوقت، وستُعتبر محطة طاقة احتياطية (محطة توليد طاقة احتياطية). ونظرًا لأن محطة توليد الطاقة الاحتياطية قد تعمل لعشرات الساعات فقط سنويًا، فقد تكون تكلفة الكهرباء المنتجة منها مرتفعة جدًا لتغطية الاستثمار الرأسمالي والتكاليف الثابتة (انظر الجانب الأيمن من منحنى التشغيل الافتراضي بكامل طاقته).

في الدقائق التي تسبق عملية التوصيل، يستخدم مشغل النظام خوارزميات دراسة تدفق الطاقة لإيجاد التدفق الأمثل . في هذه المرحلة، يتمثل الهدف في ضمان موثوقية ("أمان") الإمداد، ^{[ 2 ]} وذلك بتطبيق تحليل الطوارئ . ونظرًا لتعقيد الشبكات الكهربائية العملية، يصعب إجراء الحسابات يدويًا، لذا تم أتمتة هذه الحسابات منذ عشرينيات القرن الماضي، في البداية باستخدام حواسيب تناظرية مصممة خصيصًا لهذا الغرض، تُعرف باسم محللات الشبكات ، ثم استُبدلت بالحواسيب الرقمية في ستينيات القرن الماضي.

تُعدّ الاختلالات الطفيفة بين إجمالي الطلب وإجمالي الحمل أمرًا شائعًا، ويتم التعامل معها مبدئيًا بواسطة الطاقة الحركية للآلات الدوارة (معظمها مولدات متزامنة ): فعندما يكون الطلب منخفضًا جدًا، تمتص الأجهزة الفائض، ويرتفع التردد فوق المعدل المُجدول، وعلى العكس، يؤدي ارتفاع الطلب إلى قيام المولد بتوفير طاقة كهربائية إضافية عن طريق التباطؤ، مع انخفاض طفيف في التردد، ^{[ 13 ]} دون الحاجة إلى تدخل من المشغل. توجد حدود واضحة لهذا "التحكم الفوري"، لذا يُدمج نظام تحكم متصل في شبكة الطاقة النموذجية، يمتد على فترات استجابة تتراوح من ثوانٍ ("التحكم الأولي") إلى ساعات ("التحكم الزمني"). ^{[ 14 ]}

يهدف نظام التحكم الزمني إلى الحفاظ على التردد طويل الأمد عند القيمة المحددة ضمن شبكة متزامنة واسعة النطاق . ونظرًا للاضطرابات، ينحرف متوسط ​​التردد، ويتراكم خطأ زمني بين التوقيت الرسمي والتوقيت المقاس في دورات التيار المتردد. في الولايات المتحدة،  يُحافظ على متوسط ​​تردد 60 هرتز ضمن كل وصلة ربط بواسطة جهة مُخصصة، هي مُراقبة الوقت ، التي تُغير دوريًا التردد المستهدف للشبكة ( التردد المُجدول ^{[ 13 ]} ) لضبط إجمالي الانحراف الزمني ضمن الحدود المُحددة مُسبقًا. على سبيل المثال، في وصلة الربط الشرقية، يبدأ الإجراء (ضبط التردد مؤقتًا على 60.02  هرتز أو 59.98  هرتز) عندما يصل الانحراف الزمني إلى 10 ثوانٍ، ويتوقف بمجرد وصوله إلى 6 ثوانٍ. يُنفذ التحكم الزمني إما بواسطة حاسوب ( التصحيح التلقائي لخطأ التوقيت )، أو بواسطة المُراقبة التي تطلب من سلطات الموازنة تعديل إعداداتها. ^{[ 22 ]}

• كونيجو، أنطونيو ج.؛ بارينجو، لويس (5 ديسمبر 2017). عمليات نظام الطاقة . سبرينغر. رقم ISBN 978-3-319-69407-8. OCLC 1015677828 . 
• بيفراني، حسن؛ واتانابي، ماسايوكي؛ ميتاني، ياسونوري (30 مايو 2014). "التحكم الطارئ القائم على القياس واسع النطاق". مراقبة أنظمة الطاقة والتحكم بها . وايلي. ص 158-185 . doi : 10.1002/9781118852422.ch08 . ISBN  978-1-118-45069-7.
• بهاتاشاريا، كانكار؛ بولين، الرياضيات HJ؛ دالدر ، ياب إي. (2012-12-06). تشغيل أنظمة الطاقة المعاد هيكلتها . سبرينغر العلوم والإعلام التجاري. رقم ISBN 978-1-4615-1465-7. OCLC 852788650 . 
• مكالي، جيمس د. "مقدمة في تشغيل الأنظمة وتحسينها والتحكم بها" (ملف PDF) . iastate.edu . جامعة ولاية آيوا . تاريخ الاسترجاع: 30 مايو 2022 .
• وود، ألين جيه؛ وولنبرغ، بروس إف. (1984). توليد الطاقة وتشغيلها والتحكم بها . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-09182-0. OCLC 1085785794 . 
• مجلس تنسيق الكهرباء الغربي (WECC) . "نظرة عامة على سلطة الموازنة والتنظيم" (ملف PDF) . wecc.org .
• مؤسسة موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية (يوليو 2018). وثيقة فنية حول النموذج الوظيفي للموثوقية، الإصدار 5.1 (ملف PDF) .
• مؤسسة موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية (26 يناير 2011). موازنة التردد والتحكم فيه (ملف PDF) .
• مؤسسة موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية (11 مايو 2021). موازنة الطاقة والتحكم في التردد (ملف PDF) .
• كوندور، ب.؛ بالو، ن. ج.؛ لوبي، م. ج. (1994). استقرار أنظمة الطاقة والتحكم بها . سلسلة هندسة أنظمة الطاقة الصادرة عن معهد أبحاث الطاقة الكهربائية. ماكجرو هيل للتعليم. ISBN 978-0-07-035958-1تم الاطلاع عليه بتاريخ 12-06-2023 .