أخر التطورات في أنظمة الحماية الكهربائية التكيفية

شهد العالم نموًا متسارعًا في استهلاك الطاقة، فمن المتوقع أن يتجاوز الطلب 29,000 تيراواط ساعة بحلول 2026. هذا الارتفاع المتزايد يفرض ضغوطًا كبيرة على شبكات الكهرباء التقليدية، ويجعل دمج مصادر الطاقة المتجددة خيارًا استراتيجيًا لا مفر منه لتعزيز الإنتاج وتقليل الانبعاثات. غير أن الطبيعة المتقطعة لهذه المصادر كالطاقة الشمسية والرياح تطرح تحديات جوهرية أمام أنظمة الحماية. لذلك أصبح من الضروري تطوير شبكات توزيع قادرة على التكيف مع التحولات الفورية وتحويل مسارات الطاقة الكهربائية عند الحاجة.
في هذا المقالة، سوف ندخل تفاصيل أنظمة الحماية التكيفية كأحد أهم الاستراتيجيات المعتمدة في دمج مصادر الطاقة المتحددة و ضمان كفاءتها و استمرارية تشغيل الشبكة.

ما هي الحماية التكيفية؟

يمكن تعريف الحماية التكيفية بكونها فلسفة تسمح بإجراء تعديلات على وظائف الحماية المختلفة، وتسعى لجعلها أكثر توافقًا مع ظروف نظام الطاقة السائدة. بمعنى أخر، تقوم هذه الأنظمة بعمل تحديث إعدادات معدات الحماية حسب تغيرات تكوين نظام الطاقة. بدأت هذه الأنظمة التكيفية بالظهور في ثمانينيات القرن الماضي بفضل ازدياد التقنيات الحاسوبية. ففي تلك الفترة، سمح الانتقال من الأنظمة التناظرية التقليدية إلى المعالجات الدقيقة والأنظمة الرقمية بزيادة القدرة على تخزين البيانات، إجراء الحسابات المعقدة ما ساهم في تطوير أجهزة و برامج مدمجة قابلة للتعديل في مجال الالكترونيات.

يظهر التغير في خصائص نظام الطاقة نتيجة عدة أسباب منها:

• التبديل المخطَّط للنظام الكهربائي: مثل فصل جزء من المعدات عن الشبكة لإجراء الصيانة أو التحديثات المجدولة.
• التبديل غير المخطّط: ناتج عن أعطال مفاجئة تستدعي تدخل الحماية، مثل فصل خطوط النقل أو المحولات تلقائيًا عند حدوث قصر كهربائي أو خلل آخر.
• تقلب معدل إنتاج الطاقة: تُعد الطاقة المتجددة مصدر طاقي متغير يعتمد على التوقيت و الفصول الزمنية. هذه التحولات الغير المتحكم فيها تَخلق حالات غير طبيعية في أجهزة الحماية مثل عدم امكانية التحرر من الأخطاء الكهربائية و تجاوز أو عدم احترام المدة الزمنية لتنسيق قواطع التيار و المرحلات.

تتعرض الشبكة الكهربائية لمشاكل تقنية نظرا لأسباب عدة مثل تضرر الخطوط الكهربائية، أحداث ناتجة عن الطقس، أو تعطل محولات الطاقة… يمكن لأي عطل تقني أن يخلق كتلة طاقة عالية تنتشر في المعدات الحيوية للنظام الكهربائي ما يؤدي إلى فشلها و تشويش النظام.

لهذا تستخدم أجهزة حماية مختلفة مثل المصاهر و المرحلات الكهربائية لتعقب و فصل المناطق المعطوبة في الشبكة لضمان حماية هذه المعدات و ضمان عملها بكفاءة في مختلف فروع الشبكة الكهربائية. غالبا تستعمَل هذه الأجهزة لمراقبة المسار الطاقي في اتجاه واحد فقط (من محطة التوليد إلى البنية التحتية المستهلِكة للطاقة) و تَعتمد على إعدادات محدَدَة مسبقاً.

عندما تتغير بنية الشبكة الكهربائية، تظل إعدادات أجهزة حماية النظام ثابثة. هذا ما يمنعها من توفير حماية كاملة للنظام الحالي. فبمجرد تغيير بنية النظام، يجب تغيير إعدادات أجهزة النظام في أسرع وقت ممكن لحمايته من الأعطال الجديدة. وهنا يأتي دور إدماج نظام الحماية التكيفية.

دوافع اعتماد الحماية التكيفية في الشبكات الكهربائية

تشكِل أنظمة الطاقة المتجددة أهم مصادر الطاقة التي تم إدماجها بشكل مباشر في خطوط التوزيع في الوقت الحالي. ومع الاختراق الكبير لهذا النوع من الأنظمة في الشبكات الكهربائية، أصبحت مولدات التوزيع الطاقي تنتج مسار تيار ثنائي الإتجاه. وبالتالي يتغير مستوى التيار الذي يتم حقنه إلى الشبكة مع طبيعة الإنتاج الطاقي لمصادر الطاقة المتجددة فينتج عنه تعارض بين إعدادات معدات الحماية الموجودة و وضعية الشبكة الحالية. هذا الأمر يفرض الحاجة إلى أنظمة حماية ديناميكية أو تكيفية قادرة على التعامل مع تغيرات التيار والجهد الناتجة عن اختراق مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة وتغيرات الطلب على الأحمال، إضافةً إلى تغير بنية الشبكة، تعَّد المرحلات التقليدية غير قادرة على استيعاب هذه المتغيرات، مما يشكل تحديًا أمام دقتها التشغيلية في الحفاظ على معايير الموثوقية.

باختصار، إن الإعدادات الثابتة والمسبقة للمرحلات الوقائية التقليدية غير قادرة على التكيف مع الانقطاع المستمر للإنتاج الطاقي، والتغيرات الديناميكية السريعة للأحمال في الشبكة الكهربائية، هذه التقلبات في خصائص النظام يؤدي إلى فشل أجهزة الحماية في العمل بالشكل الصحيح.

حاليا، أصبح من الضروري اعتماد حلول بديلة وتعديلات تضمن موثوقية الشبكة عبر تحديد إعدادات دقيقة لكل جهاز حماية تبعًا لمتطلبات النظام . وسيكون هذا النهج بالغ الأهمية للمؤسسات لمواكبة الطلب المتزايد على إنتاج الطاقة المتجددة المدفوع بالسوق، مع الاستمرار في الحفاظ على معايير الموثوقية و الكفاءة.

طريقة عمل انظمة الحماية التكيفية

في الظروف الإعتيادية، تعمل المرحلات فقط عند اكتشاف أعطال داخل منطقة الحماية المحددة لها وفقًا للاتجاه الذي تراقبه. وعندما يتم رصد نفس العطل من أجهزة متعددة، يتعين أن يبادِر المرحل ذو التأخير الزمني الأقصر إلى فصل الشبكة أولاً لضمان العزل السريع. و عند تغيّر تكوين نظام القدرة نتيجة الأعطال أو إعادة التهيئة، يقوم المرحل تلقائيًا بالتحويل إلى مجموعة الإعدادات المناسبة، مما يضمن استمرار الحماية الصحيحة للنظام الكهربائي في مختلف الحالات. يتم تحديد الاعدادات المناسبة من خلال الاعتماد على واحدة من التقنيات التالية:

الحساب المسبق لاعدادات الحماية عن طريق النمدجة

للقيام بحساب الإعدادات بشكل مسبق و صحيح في نظام الحماية التكيفية من الضروري نمذجة الشبكة الكهربائية بأقصى دقة ممكنة. وهذا يقودنا إلى مفهوم إدارة نموذج الشبكة. كيف نضمن أن النموذج المُقدم إلى نظام الحماية التكيفية يُمثل الشبكة الفعلية بدقة؟ ما هي عملية تحديث نموذج الشبكة مع تغيرات الشبكة الفعلية نتيجةً لعمليات التحويل أو التوليد أو تغيرات الأحمال؟

يمكن تعزيز دقة النمذجة الشبكة الكهربائية من خلال:

• تمثيل الشبكة الكهربائية بدقة عالية لتعكس خصائصها الفعلية. يشمل ذلك خطوط النقل، الكابلات، المحولات، الأحمال، ومصادر الطاقة الموزعة (DERs)
• ضمان تطابق النموذج المرجعي مع الشبكة الفعلية.
• تحديث مستمر للنموذج لمواكبة التغيرات (تحويلات تشغيلية، إدخال وحدات توليد جديدة، تغير تدفق الأحمال).
• تحديد وضع الدراسة: الزمن الحقيقي (Real-Time)، كما هو مبني (As-Built)، أو التخطيط المستقبلي (Planning).

تشكل المهام الأساسية للحساب المسبق حساب مجموعة من المعامِلات الكهربائية و تطوير نموذج مفصل للمغذي يشمل:

• معاوقات الكابلات والخطوط الهوائية
• بيانات التلف الحراري للخطوط
• بيانات تدفق الأحمال (المرحلة، القدرة، معامل القدرة)
• تحديد تكوين المغذي (حالة المفاتيح وقواطع التيار…)
• إدخال بيانات موارد الطاقة الموزعة (الرياح، الكهروضوئية، البطاريات).
• الإعدادات الكهربائية التفصيلية لكل عنصر (كابلات، محولات، DERs، أحمال).

تتجلى أهمية الحساب المسبق في توفير قاعدة مرجعية لتحديد تيارات الالتقاط (Pickup Currents) وزمن التأخير (TDS) لضمان تنسيق الإعدادات بين أجهزة الحماية قبل تطبيقها في الزمن الحقيقي، مما يقلٌل من الأخطاء عند تحديث الإعدادات في الوقت الحقيقي.

الحساب الأني عن طريق المستشعرات.

عند ضبط أجهزة الحماية، تعتمد الممارسة الصناعية التقليدية على تغيير الإعدادات يدويًا كلما اقتضت طبيعة الشبكة ذلك. غير أنّ هذا النهج يصبح غير عملي في الشبكات الواسعة جغرافيًا، نظرًا لصعوبة تحديث الإعدادات بشكل متكرر على عدد كبير من الأجهزة المنتشرة. يُضاف إلى ذلك انقراد كل مُصنّع ببرمجياته الخاصة لإدارة الإعدادات، مما يعقد عملية التحديث ويزيد من احتمالية حدوث عدم تكامل في تكوين أنظمة الترحيل (Relay).

هناك العديد من الاستراتيجات المتداولة في تطبيق الحساب الأني :

1. تبدأ الأنظمة بمرحلة المعايرة التلقائية من خلال تحديد تيارات الالتقاط الابتدائية (Iₚᵤ) وإعدادات زمن التأخير (TDS) وفق نموذج الشبكة المرجعي. يليها عملية المراقبة المستمرة، فعند تغيّر الأحمال أو تكوين مصادر الطاقة المتجددة، تعيد المنظومة حساب حدود الحماية باستخدام طرق مثل تحليل تدفق القدرة.
2. يتم استخدام خوارزميات تحويل فورييه المنفصل (DFT) بزاوية انزلاق دورة واحدة لاستخراج متجهات التيار، ثم يتم تحديث تيار الالتقاط وإعدادات TDS بصورة تكيفية وفورية.
3. في هيكلية أخرى، يتم تقسيم المهام إلى وحدتين: وحدة المراقبة والتشخيص (MDU) لمتابعة ظروف تشغيل الشبكة الكهربائية، ووحدة التعديل الديناميكي للحماية (DPAU) لتحديث الإعدادات فقط عند حدوث تغيّرات مهمة في تكوين الشبكة أو تقلبات الإنتاج و الاستهلاك.

تتجلى أهم مزايا اعتماد الحساب الأني في:

• استجابة أسرع وأذكى للأعطال: حيث تتفاعل المرحلات التكيفية بدقة مع الأعطال الكهربائية مما يقلل من الأخطاء في الفصل ويضمن عزلًا فعالًا في الشبكة.
• الحفاظ على التنسيق: في الشبكات ذات خطوط الحماية الاحتياطية، يتم ضمان الحفاظ على فاصل زمن التنسيق (CTI) حتى مع تغير سلوك مصادر الطاقة الموزعة، دون الحاجة إلى اتصالات مباشرة بين انظمة الحماية.
• التكيف مع أوضاع التشغيل:  يمكِن لأنظمة الحماية التكيفية التعامل مع الانتقال بين الوضع المتصل بالشبكة والوضع المعزول (Islanded) من خلال إعادة تشكيل منحنيات الحماية لتلائم تغير مصادر التيارات المرجعية.
• تقليل الاعتماد على الاتصالات: بعض النماذج مصممة لتعمل بشكل محلي دون الاعتماد الكبير على الاتصالات، مما يضمن التكيف الفوري حتى في حال بطء أو فشل قنوات الاتصال.

في ألمانيا، تم اعتماد تقنية الحماية التكيفية في مركز التحكم من قبل أحد مشغلي شبكات النقل الطاقي، حيث يتم تعديل حدود أجهزة الحماية بشكل ديناميكي وفق تغير مستويات تيارات القصر الناتجة عن ظروف عابرة مثل التغيرات المناخية. يندرج هذه العملية ضمن مفهوم “Web-of-Cells” للشبكات الذكية، حيث يتم إدارة كل خلية كهربائية بشكل ديناميكي، حتى في وضعية العزل (Islanding) من خلال إعادة تشكيل منحنيات الفصل الخاصة بالأجهزة الإلكترونية الذكية (IEDs) في الزمن الحقيقي.

التطورات التكنولوجية المرتقبة

تم إجراء العديد من الدراسات في مجال الحماية التكيفية، حققت بدورها تطورات مهمة خلال السنوات الأخيرة. تشمل هذه التطورات ابتكار تقنيات متقدمة في اعتماد إعدادات محددة في أجهزة الحماية لمختلف ظروف الشبكة، و حماية تيارات القصر التكيفية في مزارع الرياح واسعة النطاق باستخدام المنطق الضبابي، إضافةً إلى نظام حماية المسافة التي يتكيف مع المصادر المتجددة المتقطعة في النظام.

كما شملت ايضا استخدام مخططات حماية تكيفية تعتمد على خوارزميات خاصة للتخفيف من فقدان التنسيق بين معدات الحماية الرئيسية والمرحلات الاتجاهية العكسية لتيارات القصر في وجود التوليد الموزع بالشبكة، فضلًا عن اعتماد مخطط حماية تكيفي قائم على المتحكم المنطقي المبرمج وكذلك الحماية التكيفية باستخدام التيارات الحيادية وتقديرات الأحمال.

نجد أيضا الدراسات الأتية:

• اعتماد خوارزميات خاصة بحماية انظمة التوليد الريحية بالمرحلات التكيفية في الشبكات المعتمدة على التوليد الموزع. يتم قياس بيانات سرعة الرياح وتيار الشبكة لتحديد إعدادات مرحل تيار القصر، بحيث يتكيف المرحل وفقًا لمدى توافر البيانات المتراكمة.
• حماية شبكات التوليد الموزع أثناء عملها في وضعية العزل (Islanded Mode). ومع ذلك، يبقى التطبيق العملي لهذه المخططات محدودًا بسبب الطبيعة الكبيرة والمعقدة لشبكات المرافق الكهربائية.

الاتصالات القائمة على بروتوكول IEC 61850

يلعب تطبيق بروتوكول IEC 61850 دوراً محورياً في إزالة الحواجز الخاصة بمصنّعي المعدات فيما يتعلق بالاتصالات، وتبسيط عملية دمج المرحلات الوقائية ضمن نظام حماية موحّد ومؤتمت. يسهّل هذا البروتوكول تحسين التنسيق والتعاون بين المرحلات القادمة من مورّدين مختلفين، مما يمكّن من تحقيق حماية تكيفية فعّالة وموثوقة في شبكات القوى الكهربائية.

الخوارزميات المتقدمة

شهد مجال حماية أنظمة الطاقة تطوراً ملحوظاً في اعتماد خوارزميات متقدمة تتجاوز النماذج التقليدية. من أبرز هذه الخوارزميات :

• تطوير طرق جديدة في إعادة الضبط المباشر للمرحلات (Direct Relay Resetting)، حيث يتم تحديث إعدادات المرحلات بشكل لحظي استناداً إلى التغيّر في ظروف الشبكة أو إدخال مصادر طاقة متجددة جديدة. نرى بعض شركات المرافق الأوروبية دمجت هذه الآلية في شبكات الجهد المتوسط المزوّدة بالرياح لتقليل زمن الاستجابة أمام الأعطال العابرة.
• ابتكار خوارزميات كشف الأعطال المعتمدة على النطاق الزمني والموجي (Time–Frequency Domain Fault Detection)، والتي توظّف تحويل المويجات لتحليل الإشارات الكهربية بدقة عالية. هذه التقنية استُخدمت عملياً في شبكات النقل بالهند لرصد الأعطال عالية المقاومة التي يصعب كشفها بالطرق التقليدية.
• شكل التحكمات المتكيفة لمحولات العاكس (Adaptive Inverter Control) مجالاً نشطاً للأبحاث والتطبيقات العملية، حيث تبيّن أن تحسين خوارزميات التحكم في العاكس يؤثر مباشرةً على منطق الحماية في الشبكات المصغّرة (Microgrids). أثبتت دراسة حديثة من جامعة Aalborg في الدنمارك أن ضبط معلمات العاكس بشكل متكيف مع تغيرات الحمل ومساهمة الطاقة الشمسية نتج عنه تحسن ملحوظ في أداء الحماية التكيفية و في معدلات الانقطاع بنسبة 11%.

منصات الاختبار والتحقق

قبل اعتماد أي خوارزمية تكيّف في أنظمة الحماية، يصبح من الضروري إخضاعها لاختبارات دقيقة تضمن موثوقيتها في مواجهة مختلف سيناريوهات التشغيل. وهنا يبرز دور أدوات المحاكاة المتقدمة مثل:

• محاكات التأثيرات الكهرمغناطيسية (EMT) : عبارة عن تمثيل زمني دقيق للتغيرات اللحظية في الجهد والتيار، خاصة خلال أعطال مفاجئة، انتقالات تفريغ، تبدّل حالات الحمل أو التوصيلات، وتحويلات الطوبولوجيا. هذه المحاكاة تأخذ في الحسبان الخواص الكهربائية غير الخطية للمكونات (الكابلات، المحولات، المحولات المبدّلة، عناصر الطاقة المتجددة).
• إختبار المعدات في الحلقة (HIL) : بيئة اختبار تُوصل فيها أجهزة حقيقية (مرحلات حماية، IEDs، مفاتيح، وحدات اتصال) مع نموذج محاكاة يعمل في الزمن الحقيقي، بحيث يختبر الجهاز الحقيقي استجابته لأخطاء مزيفة (fault waveforms) أو تغيّرات في الشبكة كما لو كانت واقعية.

يتم استخدام بيئات الإختبار EMT/HIL لتمحيص خوارزميات التكييف عن طريق:

• إنشاء سيناريوهات أخطاء متنوعة إما حقن أخطاء خطية (overcurrent)، أرضية (ground faults)، أخطاء ثلاثية الأطوار أو أخطاء أحمال غير متوازنة…
• محاكات التغييرات المفاجئة في مصادر الطاقة الموزعة (مثل انقطاع أو عودة توليد الرياح/الطاقة الشمسية).
• الانتقال بين حالات التشغيل المزدوجة: متصل مع الشبكة (grid-connected) ومعزول (islanding) و التحقق من استقرار النظام أثناء الفترات الانتقالية (mode switching) عند التوصيل أو العزل.
• قياس الأداء الزمني والفصل الفعلي : كم من الوقت يستغرق المرحل للكشف عن العطل والفصل و ما مدى التنسيق الزمني بين المرحلات المجاورة أو المرحلات الاحتياطية.
• التحقّق من الإعدادات التكيفية : ما إذا كانت خوارزميات التكيّف تُحدّث هذه الإعدادات حسب تغير الطوبولوجيا أو مستويات الحمل/التوليد.
• اختبار التوافق والاعتمادية : اختبار بروتوكولات الاتصال (IEC-61850) في خوارزميات التكيّف في استقطاب المعلومات من اجهزة الحماية المنتشرة في الشبكة