تصميم وتنفيذ وحدة قياس الفاز باستخدام تقنية قياس جديدة

الحفاظ على الإضاءة في شبكة متغيرة

مع اتصال المزيد من مزارع الرياح والمحطات الشمسية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى بشبكاتنا الكهربائية، يصبح تدفق الكهرباء أقل توقعًا وأكثر تعقيدًا. للحفاظ على الإضاءة وتجنب انقطاع التيار، يحتاج مشغلو الشبكة إلى أدوات قادرة على رؤية ما يحدث عبر الشبكة في الوقت الحقيقي وبدرجة دقة مذهلة. تصف هذه الورقة تصميم واختبار جهاز مراقبة جديد يسمى وحدة قياس الفاز (PMU)، يمكنه تتبُّع حالة الشبكة بسرعة ودقة أكبر من العديد من الأجهزة الحالية، حتى عندما يكون النظام تحت ضغط.

"كاميرا" سريعة لنظام الطاقة

تعمل وحدة قياس الفاز كمثل كاميرا عالية السرعة للكهرباء. بدلًا من الصور، تلتقط لقطات متزامنة لكمّيات كهربائية رئيسية مثل الجهد والتيار والتردد في مواقع عديدة عبر الشبكة. تُوسم هذه اللقطات، المسماة المتزامنات الطورية (synchrophasors)، بنفس إشارة الزمن الدقيقة من أقمار GPS الصناعية، لذا يمكن لمراكز التحكم محاذاتها ورؤية صورة متناسقة للشبكة بأكملها. اليوم تساعد وحدات PMU في مهام مثل كشف الأعطال، وتقليل الحمولة قبل تلف المعدات، ومراقبة مدى اقتراب النظام من عدم الاستقرار. ومع تحول شبكاتنا إلى "أذكى" وامتلائها بالمصادر المتجددة، زاد الطلب بشدة على وحدات PMU أكثر دقة ومتانة.

لماذا الأدوات الحالية غير كافية

تقوم معظم وحدات PMU الحالية بتقدير المتزامنات الطورية باستخدام طريقة رياضية تُعرف بتحويل فورييه المتقطع (DFT). بينما هذه الطريقة فعالة، فإنها تواجه صعوبة عندما يتشوَّه الإشارة، أو ينحرف تردد الشبكة عن قيمته الاسمية، أو أثناء الأحداث المفاجئة مثل الأعطال أو تغيرات الحمل الحادة. هذه الظروف أصبحت أكثر شيوعًا مع توليد الطاقة المتجددة والإلكترونيات القوية للطاقة. والنتيجة قد تكون أخطاء في قياس المقدار أو الزاوية أو التردد — بالضبط عندما يحتاج مشغلو الشبكة إلى بيانات موثوقة. اقترح الباحثون على مر السنين العديد من الخوارزميات المحسّنة، لكن كثيرًا من الدراسات تقتصر على المحاكاة أو تركز على الرياضيات فقط، دون بناء والتحقق من جهاز ثلاثي الطور كامل يتعامل مع الجهد والتيار في الوقت الحقيقي.

طريقة جديدة للقياس في الوقت الحقيقي

يتصدى المؤلفون لهذه الفجوة ببناء PMU كامل حول طريقة قياس أكثر تقدمًا تسمى حلقة قفل الطور لتحويل فورييه منزلق (SFT-PLL). ببساطة، تقترح منهجيتهم تحريك نافذة القياس باستمرار على الإشارات الثلاثية الطور الواردة واستخدام حلقة تحكم للالتصاق بالتردد والطور الحقيقيين للشبكة، حتى عند تحرّكهما. يتضمن النموذج الأولي للأجهزة مجسات جهد وتيار تجارية قادرة على التعامل مع مستويات الشبكة المعتادة، ومحول تماثلي-إلى-رقمي عالي الدقة بعمق 16 بت، ولوحة معالجة Texas Instruments Delfino لتشغيل الخوارزمية في الوقت الحقيقي. تزود وحدة GPS الجهاز بإشارة نبضة-لكل-ثانية بحيث تتماشى كل القياسات مع زمن عالمي، مما يسمح بدمج بيانات العديد من وحدات PMU في رؤية متزامنة واحدة للشبكة.

اختبار النموذج الأولي

لاختبار ما إذا كانت هذه الوحدة جاهزة للاستخدام في العالم الحقيقي، قام الفريق بتوصيلها بمصدر مرجعي ثلاثي الطور قادر على توليد مجموعة واسعة من الإشارات التجريبية الدقيقة. تحققوا من مدى دقة الجهاز في قياس مستويات الجهد من 100 إلى 300 فولت والتيارات من 1 إلى 5 أمبير، كلها عند تردد الشبكة القياسي 50 هرتز. ثم واجهوه بسيناريوهات قاسية: جهد غير متوازن حيث يُعزز طور وتُخفض آخر، تحولات مفاجئة في زاوية الطور، وإدخال توافقيات تحاكي التشويه الناتج عن المعدات الإلكترونية ومحولات الطاقة المتجددة. في كل حالة قيموا مؤشرات الأداء القياسية، بما في ذلك مدى انحراف الفاز المقاس عن القيمة الحقيقية (الخطأ الكلي في المتجه، TVE)، مدى انحراف قراءة التردد، ودقة الإبلاغ عن سرعة تغير التردد.

ما تعنيه النتائج للشبكة

تُظهِر القياسات أن وحدة PMU المبنية على SFT-PLL تبقى ضمن الحدود الدولية الصارمة المحددة بمعايير IEC/IEEE، حتى في ظروف غير متوازنة أو مشوهة بشدة. تبقى أخطاء الفازات في الجهد والتيار دون 1 في المئة، وتبقى أخطاء التردد دون 0.005 هرتز، مع أخطاء ضئيلة جدًا في معدل تغير التردد أيضًا. عمليًا، يعني هذا أن الجهاز قادر على تقديم معلومات نظيفة وموثوقة وبسرعة كافية لتتبع اضطرابات الشبكة أثناء حدوثها، مما يمنح المشغلين فرصة أفضل للتصرف قبل تصاعد المشاكل. وبما أن التصميم معياري ومنخفض التكلفة نسبيًا، فيمكن نشره على نطاق واسع في الشبكات الذكية والمختبرات البحثية والمرافق التعليمية. بالنسبة للقارئ العام، الخلاصة واضحة: "عيون" أكثر ذكاءً ودقة على الشبكة مثل هذه الوحدة يمكن أن تجعل نظم الطاقة أكثر مرونة، وتساعد على ضمان أن مستقبلًا أكثر اعتمادًا على الطاقة المتجددة يظل مستقرًا وموثوقًا.

الاستشهاد: Mohamed, S.A., Mageed, H.M.A., Arafa, O.M. et al. Design and implementation of a phasor measurement unit using a new measurement technique. Sci Rep 16, 14281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49889-y

الكلمات المفتاحية: وحدة قياس الفاز, المتزامن الفازي, الشبكة الذكية, مراقبة نظام الطاقة, دمج الطاقة المتجددة