تخطيط القدرة غير الفعّالة استنادًا إلى مؤشر استقرار الجهد المقترح في شبكات الطاقة التي تحتوي على موارد طاقة متجددة

المحافظة على الإضاءة في شبكة طاقة متغيرة

مع توصيل مزيد من توربينات الرياح ومزارع الطاقة الشمسية ومحطات الطاقة المائية بالشبكات الكهربائية، يصبح من الأصعب — والأهم — الحفاظ على ثبات الجهود عبر آلاف الكيلومترات من الأسلاك. إذا انخفض الجهد في نقاط معينة من الشبكة كثيرًا أو ارتفع بدرجة كبيرة، فقد يؤدي ذلك إلى انقطاعات واسعة أو تلف المعدات. يقدم هذا البحث طريقة جديدة وأسرع لتحديد البقع الضعيفة في شبكة الطاقة وتقرير أماكن تركيب أجهزة الدعم بحيث تستطيع الشبكة استيعاب الطاقة المتجددة والطلب العالي والأعطال المفاجئة دون فقدان الاستقرار.

لماذا يمكن أن يصبح الجهد غير مستقر فجأة

تم تصميم أنظمة الطاقة الكهربائية لتوفير الطاقة بجهد يكاد يكون ثابتًا، كما تُصمَّم أنابيب السباكة كي تبقى ضغطات المياه ضمن حدود مقبولة. في الواقع، يتفاعل كل خط ومحولة ومولّد، ويمكن أن تدفع التغيرات الطفيفة في الطلب أو الإمداد أجزاءً من الشبكة نحو نقطة تحول تُعرف بانهيار الجهد. تعتمد الطرق التقليدية للتحقق من قرب النظام من هذا المنحدر على محاكاة الشبكة مرارًا مع زيادة الحمل تدريجيًا. يتتبع المهندسون منحنيات تربط بين القدرة والجهد لمعرفة أين تزول الحلول. على الرغم من دقتها، فإن هذه الأساليب بطيئة وتستغرق حسابات كثيرة، وقد تكون مرهقة عند ضرورة تقييم العديد من السيناريوهات والتكوينات التي تنطوي على مصادر متجددة.

مقياس بسيط للنقاط الضعيفة في الشبكة

يقدّم المؤلفون مقياسًا عدديًا جديدًا، يُسمى مؤشر استقرار جهد الحافلة، يمكن حسابه لكل عقدة تلتقي فيها الخطوط في الشبكة. بدلًا من حل مجموعات معقّدة من المعادلات مرارًا وتكرارًا، يُعبّر عن هذا المؤشر بصيغة جبرية موجزة. يستخدم معلومات متاحة بالفعل من حساب انسياب القدرة القياسي مرة واحدة: الجهود، وتدفقات القدرة الفعّالة وغير الفعّالة، والخصائص الكهربائية للخطوط الموصلة. يشير ارتفاع قيمة المؤشر إلى عقدة أضعف وأكثر عرضة للمشاكل إذا تغيّرت الظروف. والأهم من ذلك أن المؤشر يقترب من القيمة واحد عندما يقترب النظام من انهيار الجهد، ما يمنح المخططين إشارة تحذير واضحة دون حسابات مكثفة.

التخطيط لأماكن إضافة أجهزة الدعم

بوجود هذا المؤشر، يصمم الباحثون استراتيجية خطوة بخطوة لتركيب وتحديد حجم مقومات VAR الساكنة، أو SVCs — أجهزة إلكترونية يمكنها حقن أو امتصاص القدرة غير الفعّالة بسرعة للحفاظ على الجهد المحلي ضمن الحدود. بدءًا من حالة التشغيل الحالية، يجري الباحثون أولًا دراسة انسياب قدرة واحدة، يحسبون المؤشر عند كل عقدة، ويختارون العقدة ذات النقطة الأعلى كأفضل مرشح لتركيب SVC. ثم تُقدر عملية حساسية مقدار القدرة غير الفعّالة التي يجب أن يوفرها هذا الجهاز لإعادة الجهود إلى نطاق مقبول. تتكرر العملية تحت ظروف أشد: أحمال ثقيلة، أعطال في خط واحد أو مولّد، وأحمال خفيفة جدًا حيث قد تدفع زيادة الدعم غير الفعّال الجهود إلى ارتفاع غير مريح.

الاختبار على شبكات معيارية وغنية بالمتجددات

طُبّق الأسلوب على ثلاث شبكات معيارية معروفة تضم 9 و14 و39 عقدة، ثم على نسخ معدّلة استُبدلت فيها عدة مولّدات تقليدية بمزارع رياح وشمس لها قدرة دعم جهدية أضيق. في كل حالة، حدد المؤشر الجديد بدقة نفس المواقع الضعيفة التي تسلّطت عليها الأساليب الأقدم، وإن كانت أكثر جهدًا في التنفيذ. باستخدام استراتيجية التخطيط المتسلسلة، يحدد المؤلفون مواضع تركيب SVCs وحجمها اللازم بحيث تبقى جميع الجهود ضمن الحدود المتفق عليها أثناء التشغيل الطبيعي، وعند فقدان أي خط أو مولّد منفرد، وفي حالات الطلب المنخفض. مقارنةً بطرق التحسين القائمة على البحث المستوحاة من أسراب الجسيمات أو قطعان الذئاب، يحقق المنهج المقترح تحسينات مماثلة أو أفضل في جودة الجهد وخسائر القدرة بينما يتطلب سعة إجمالية أصغر من SVC وتكلفة استثمارية أقل.

ماذا يعني هذا لشبكات الطاقة المستقبلية

بعبارة بسيطة، يقدم هذا العمل لخبراء تخطيط الشبكات أداة حساب أسرع لتحديد الروابط الضعيفة في شبكة معقدة غنية بالمتجددات ووصفة عملية لتقوية تلك النقاط بالمعدات اللازمة فقط. ولأن المؤشر يُحتسب من محاكاة قياسية واحدة ولا يعتمد على حيل رياضية هشة، فهو مناسب للدراسات التخطيطية الروتينية وحتى للمراقبة بوقت قريب من الزمن الحقيقي. من خلال توجيه المواضع المستهدفة لتركيب SVCs والأجهزة ذات الصلة، يساعد الأسلوب على تثبيت الجهود، وتقليل الطاقة المهدرة، وخفض تكلفة تحديثات الشبكة — داعمًا انتقالًا أكثر موثوقية واقتصادية نحو أنظمة كهرباء أنظف.

الاستشهاد: Sonbol, M., Abdalla, O.H., Shaheen, A.M. et al. Reactive power planning based on a proposed voltage stability index in power systems with renewable energy resources. Sci Rep 16, 11355 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39508-1

الكلمات المفتاحية: استقرار الجهد, تخطيط القدرة غير الفعّالة, شبكات الطاقة المتجددة, مقوم VAR الساكن, موثوقية نظام الطاقة