تقليل تدفق الطاقة القصورية بين المناطق لتحسين الجهد في شبكات كهربائية كبيرة

المحافظة على ثبات الإضاءة

تعتمد الحياة الحديثة على شبكات كهربائية واسعة تنقل الطاقة بهدوء من محطات بعيدة إلى منازلنا وصناعاتنا. ومع ذلك، وراء كل تحويل للمفتاح يكمن توازن دقيق: الحفاظ على الجهود ضمن حدود آمنة حتى لا تومض الأضواء ولا تتعرض المعدات للضرر وتُتجنّب الانقطاعات الواسعة. تستعرض هذه المقالة طريقة جديدة لتخفيف الضغوط على شبكات الطاقة الكبيرة—وخاصة في الشبكة الشمالية للهند—من خلال إدارة عنصر غالبًا ما يُهمل في الكهرباء يُسمى الطاقة القصورية بشكل أفضل.

لماذا تتراكم مشكلات الجهد

تنقسم أنظمة الطاقة الكبيرة إلى شبكات إقليمية تتبادل الكهرباء فيما بينها. بينما يخطط مشغلو الشبكات بعناية لمقدار القدرة الفعّالة (التي تقوم بالعمل المفيد) المتدفقة بين المناطق، تميل الطاقة القصورية إلى التجوّل حيث يكون الجهد منخفضًا وتكون الشبكة كهربائيًا «ضعيفة». يمكن أن تخلق التقلبات الموسمية في الطلب، والاستثمار المتفاوت في البنى التحتية، وممارسات التشغيل المختلفة عبر مرافق المرافق الإقليمية جيوبًا من الجهد المنخفض. في تلك المناطق الضعيفة، تسحب المعدات المحلية طاقة قصورية إضافية من المناطق المجاورة عبر خطوط الربط، مما يُحمّل مسارات النقل بشكل زائد، ويُهدر الطاقة على شكل حرارة، ويعرّض المشغلين لعقوبات مالية من الجهات التنظيمية.

استهداف المساعدة حيث تَحْتَاجها أكثر

يمكن للمرافق مواجهة مشكلات الجهد هذه من خلال تركيب أجهزة—مثل بنوك المكثفات أو إلكترونيات طاقة خاصة—تضخ طاقة قصورية محليًا. المشكلة هي تحديد أماكن تركيبها. الطرق التخطيطية السابقة كانت غالبًا تشير إلى آلاف العقد أو نقاط التوصيل في شبكة كبيرة باعتبارها «حساسة»، مما يوحي بضرورة تزويد العديد من المحطات الفرعية بمعدات جديدة. في الواقع، ذلك مكلف جدًا ويصعب بناؤه وصيانته. يقترح المؤلفون مرشحًا أذكى: مؤشر هجين يجمع بين فكرين—مدى استجابة جهد العُقدة عند إضافة طاقة قصورية، ومدى صلابة ذلك الموقع من حيث قوة القصر، وهي مقياس لمدى قدرة الشبكة المحيطة على المحافظة على الجهد أثناء الاضطرابات.

كيف تعمل طريقة التخطيط الجديدة

يعبر الباحثون أولًا عن سلوك الشبكة بمعادلات تدفق القدرة القياسية ثم يصيغون إدارة الطاقة القصورية كمشكلة تحسين غير خطية. الهدف ليس تغيير التحويلات المخططة للقدرة الفعّالة، بل تقليل الطاقة القصورية غير المجدولة المتدفقة عبر خطوط الربط بين المناطق وداخلها. تحتوي دالة الهدف على ثلاثة أجزاء: تقليل التغير في تدفق القصور على خطوط الربط، تفضيل العقد التي يتحسّن جهدها بقوة عند حقن الطاقة القصورية، وتفضيل العقد الموجودة في أجزاء كهربائيًا ضعيفة من الشبكة حيث يكون الدعم مطلوبًا بشدّة. تُعاقَب العقد التي تفشل معايير الحساسية أو القوة في عملية التحسين، ما يوجّه الحل بطبيعة الحال نحو مجموعة أصغر وأكثر فاعلية من المواقع.

اختبار على شبكة ضخمة حقيقية

للاطلاع على أداء النهج عمليًا، طبّق الفريق الطريقة على المنطقة الشمالية من شبكة الهند، التي تضم سبع ولايات وآلاف العقد ذات الجهد العالي والمتوسط ومزيجًا من المناطق ذات الجهد المنخفض والعالي. كانت طريقة حساسية الجهد التقليدية بمفردها ستشير إلى أكثر من 40% من عقد 33 ك.ف كمرشحين للتعويض. من خلال مزج حساسية الجهد مع معلومات قوة الشبكة، خفّض المؤشر الهجين تلك القائمة إلى نحو 14% فقط من تلك العقد. ثم خصّص التحسين مقدار الطاقة القصورية الواجب حقنها في كل موقع مختار، ممثلًا إجماليًا يقارب 9400 ميجا فولت-أمبير قصوري من أجهزة الدعم الجديدة في محطات 33 ك.ف وكميات أصغر عند مستويات جهد أعلى.

ما الذي تكسبه الشبكة

بمجرد إدراج هذه الأجهزة الموضوعة بشكل أمثل في المحاكاة، تُظهر الشبكة الشمالية تحسّنات واضحة. يقترب متوسط جهد العقد عند 33 ك.ف من القيمة المثالية، ما يرفع العديد من جيوب الجهد المنخفض إلى نطاق أكثر صحة. تنخفض واردات الطاقة القصورية غير المرغوب فيها عبر خطوط الربط بين المناطق بشكل كبير—من نحو 1600 ميجا فولت-أمبير قصوري إلى حوالي 380 ميجا فولت-أمبير—مما يوازي انخفاضًا بنسبة 76%. وبما أن خطوط الربط لم تعد مُحمَّلة بشكل مصطنع بتيارات قصورية، تنخفض خسائر القدرة الفعّالة الإجمالية في المنطقة بنحو 8% تقريبًا، ما يعني وصول قدر أكبر من الكهرباء المولّدة إلى المستهلكين بدلًا من أن يُهدر كحرارة في الأسلاك والمحولات.

لماذا تهم هذه المقاربة

بشكل مبسّط، تُظهر الدراسة أن اختيار نقاط استراتيجية قليلة للدعم الجهدي يمكن أن يكون أكثر فاعلية كثيرًا من توزيع المعدات بشكل مبعثر عبر العديد من المحطات الفرعية. من خلال التركيز على المواقع التي تكون مؤثرة بشدّة على الجهد وفي الوقت نفسه ضعيفة هيكليًا، يساعد المؤشر الهجين المرافق على تقوية الشبكة مع تركيب أجهزة أقل وتقليل العقوبات الناتجة عن تبادل الطاقة القصورية. ورغم أن العمل مُوضَّح على شبكة تقليدية تهيمن عليها مولدات كبيرة، فإن الطريقة تقدّم مخططًا لأنظمة المستقبل أيضًا، حيث ستجعل الحصص المتزايدة من طاقة الشمس والرياح تخطيط الجهد والطاقة القصورية بذكاء أكثر أهمية.

الاستشهاد: Singh, M., Negi, W. & Jadoun, V.K. Inter-area minimisation of reactive power flow for voltage improvement in large electric grids. Sci Rep 16, 14048 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44284-z

الكلمات المفتاحية: استقرار الجهد, التحكُّم في الطاقة القصورية, شبكة الطاقة الكهربائية, خسائر النقل, تخطيط الشبكة