حل حماية المغذيات باستخدام الريلاي المعتمد على الميكروبروسيسور لشبكات التوزيع الذكية الحديثة

1. مقدمة والتحديات الأساسية​
   مع زيادة تكامل مصادر الطاقة الموزعة (مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح) في شبكات التوزيع، ومع ارتفاع متطلبات المستخدمين للوثوقية والأمان في التزويد بالكهرباء، يواجه ذلك تحديات صعبة للمخططات التقليدية لحماية الخطوط. تم تصميم هذه الحلول لتتناول التحديات الأساسية الثلاثة التالية:

• ​مخاطر الانفجارات القوسية:​​ يمكن أن تؤدي الدوائر القصيرة الداخلية في المعدات مثل معدات التبديل إلى إشعال انفجارات قوسية مدمرة للغاية، مما يهدد سلامة المعدات والعاملين، مما يتطلب استجابة فائقة السرعة من نظام الحماية.
• ​أعطال الأرض ذات المقاومة العالية:​​ خاصة أعطال الأرض الأحادية التي تحدث في المناطق الريفية أو المناطق ذات مقاومة التربة العالية، والتي تتميز بتيار عطل منخفض، ويصعب اكتشافها بشكل موثوق بواسطة حماية الزائد الصفرية التقليدية، مما يشكل خطر عدم تشغيل الحماية.
• ​تأثير دمج مصادر الطاقة الموزعة (DERs):​​ يؤدي دمج Mصادر الطاقة الموزعة إلى تغيير اتجاه تدفق الكهرباء وخصائص تيار القصر في شبكات التوزيع، مما قد يسبب تشغيل الحماية الخاطئ (فصل غير صحيح) أو عدم التشغيل، ويزيد من خطر الجزر غير المقصود.

توفر هذه الحلول، بناءً على أجهزة الحماية المعتمدة على الميكروبروسيسورات المتقدمة ومدمجة مع العديد من الخوارزميات المبتكرة، حماية شاملة وسريعة وموثوقة للخطوط في شبكات التوزيع الحديثة.

​2. تفاصيل الحل​
تستخدم أجهزة حماية الخطوط لدينا تصميماً معياريًا، مدمجة بالأدوات الأساسية لحماية الخطوط للتغلب على التحديات المذكورة أعلاه.

​2.1 وحدة حماية الانفجارات القوسية متعددة النطاقات (AFP)​

• ​المبدأ الفني:​​ يستخدم تقنية كشف متعددة النطاقات الملكية، رصد شدة الضوء (عبر مستشعرات ضوء القوس المتخصصة) وتغير معدل التيار (di/dt). يتم تأكيد العطل كانفجار قوسي فقط عندما تتحقق الشرطين – "إشارة ضوء قوس قوية" و "خاصية تجاوز التيار بسرعة (>10 kA/ms)" – معًا (عملية AND منطقية). هذا المعيار الثنائي يمنع التشغيل الخاطئ بسبب مصادر الضوء الخارجية أو تجاوز التيار عند التبديل.
• ​مزايا الأداء:​​ يتميز بسرعات تشغيل فائقة السرعة، مصمم لتقليل طاقة الانفجار القوسي.
• ​حالة التطبيق:​​ بعد نشر الوحدة في نظام التوزيع المتوسط ​​الجهد لمراكز البيانات الكبيرة، حققت وقت إزالة العطل الكلي أقل من 4 مللي ثانية، وهو زيادة في السرعة بأكثر من ثلاث مرات مقارنة بأنظمة الحماية التقليدية المعتمدة على التيار فقط، مما يقلل بشكل كبير من خطر تلف المعدات.

​2.2 وحدة حماية أعطال الأرض ذات الحساسية العالية والتيار المنخفض​

• ​المبدأ الفني:​​ يستخدم طريقة الموصلية الصفرية. تتضمن هذه الطريقة قياسًا دقيقًا في الوقت الفعلي لجهد النظام الصفرية (3U₀) والتيار الصفرية (3I₀)، وحساب قيمة الموصلية المقابلة. هذه الخوارزمية ليست حساسة جدًا للتغيرات في تيار أعطال الأرض السعوي لنظام التوصيل، مما يساعد بشكل فعال على التمييز بين التيار السعوي الطبيعي والتيار المقاوم الناتج عن العطل، وبالتالي تحديد أعطال الأرض ذات المقاومة العالية بقيم تصل إلى 1 kΩ أو أعلى بدقة.
• ​مزايا الأداء:​​ تحل مشكلة عدم كفاية الحساسية في أنظمة الحماية التقليدية أثناء أعطال التوصيل عبر مقاومة انتقال عالية، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر الصعق والحريق.
• ​حالة التطبيق:​​ في مشروع تجريبي داخل شبكة ريفية (تتميز بتيار أعطال الأرض السعوي العالي ومستويات عزل خطوط غير متساوية)، زاد استخدام هذه التكنولوجيا معدل الكشف العام عن أعطال الأرض من 65٪ باستخدام الأساليب التقليدية إلى 92٪، مما يعزز بشكل كبير أمان التزويد بالكهرباء.

​2.3 وحدة حماية مكافحة الجزر التكيفية​

• ​المبدأ الفني:​​ لمعالجة خطر الجزر الناتج عن دمج Mصادر الطاقة الموزعة، تقوم هذه الوحدة بدمج طرق الرصد السلبية والفعالة.
• ​الرصد السلبي:​​ يقوم براقبة مستمرة للمعايير غير الطبيعية في نقطة التوصيل المشتركة (PCC)، مثل انحراف تردد الجهد (Δf > 0.5 Hz) وقفزة الزاوية (Δφ > 10°).
• ​التحديد الفعال:​​ عندما تتجاوز مؤشرات الرصد السلبي العتبات المحددة، يتم دمج الطرق الفعالة مثل الانحراف الترددي النشط لتأكيد حالة الجزر بسرعة.
• ​مزايا الأداء:​​ يضمن قطع Mصادر الطاقة الموزعة في فترة زمنية قصيرة جدا (< 200 مللي ثانية، متوافق مع متطلبات الشبكة) بعد حدوث الجزر، مما يمنع المخاطر على معدات الشبكة والعاملين في الصيانة من التشغيل غير المقصود للجزر.
• ​حالة التطبيق:​​ تم التحقق من صحة هذه الوحدة لمكافحة الجزر في مشروع شبكة صغيرة تحتوي على مصفوفات متعددة من الألواح الشمسية، حيث حققت نسبة دقة تبلغ 99.7٪. تمنع الجزر بشكل فعال بينما تقلل من القطع غير الضرورية الناتجة عن الاضطرابات الطبيعية للشبكة، مما يحسن معدل الاستخدام لمصادر الطاقة الموزعة.

​3. ملخص القيمة الأساسية​
توفر هذه الحلول للحماية المعتمدة على الميكروبروسيسورات، من خلال دمج العديد من الخوارزميات الذكية، ما يلي:

• ​تعزيز السلامة:​​ يوفر الحماية القصوى للأشخاص والمعدات من خلال حماية الانفجارات القوسية بمقياس ميلي ثانية وحماية أعطال الأرض ذات الحساسية الفائقة.
• ​الأمان العالي:​​ يعالج بشكل فعال التعقيدات الناتجة عن دمج Mصادر الطاقة الموزعة، ويحدد بشكل دقيق حالات الجزر وأعطال الأرض ذات المقاومة العالية، مما يزيل "النقاط العمياء" في الحماية.
• ​إعادة التأهيل السريعة:​​ يسمح بإزالة العطل بسرعة، مما يسهل التعافي السريع للشبكة، ويقلل من مدة الانقطاع، ويحسن وثوقية التزويد بالكهرباء.