استخدام الاستخدام الأمثل المتعدد الأغراض في تطوير تكنولوجيات غريد الذكية

وهذا الإطار مناسب بشكل خاص للتطبيقات الشبكية الذكية، حيث يكون لأصحاب المصلحة المتعددين - المرافق والمستهلكون والمنظمون والجماعات البيئية - مصالح متنافسة.

الأهداف الرئيسية في تحقيق الاستخدام الأمثل لزراعة النجوم

وقبل أن تُنَوَّل إلى تطبيقات محددة، من المهم فهم الأهداف الرئيسية التي يسعى تحقيقها الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب إلى تحقيق التوازن في تطوير الشبكات الذكية:

• Economic Efficiency:] Minimizing total system costs, including generation, transmission, distribution, and operation costs.
• Environmental Impact:] Reducing greenhouse gas emissions and other pollutants, often by maximizing the use of renewable energy sources.
• Reliability and Resilience:] Ensuring continuous power supply, minimizing outages, and quickly restoring service after disturbances.
• Power Quality:] Maintaining voltage and frequency within acceptable limits, minimizing harmonics and volatile.
• Equity and Fairness:] Ensuring that the benefits ofelli grid technologies are distributed fairly across different consumer groups and regions.

وكثيرا ما تكون هذه الأهداف متضاربة، فعلى سبيل المثال، يمكن لإضافة المزيد من توليد الطاقة المتجددة أن يقلل من الانبعاثات، ولكن قد يزيد من الحاجة إلى دعم القدرات وتحسين الشبكات، مما يزيد التكاليف، فالاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب يوفر وسيلة منهجية لاستكشاف هذه المفاضلات.

تطبيقات الاستخدام الأمثل المتعدد الأغراض في نظام Smart Grids

ويطبق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب على طائفة واسعة من المشاكل الذكية في تخطيط الشبكة وتشغيلها ومعالجتها، فيما يلي بعض أهم حالات الاستخدام.

Energy Resource Scheduling and Dispatch

ومن المشاكل التقليدية في نظم الطاقة التزام الوحدة وإرسالها الاقتصادي، ففي شبكة ذكية ذات مصادر توليد متنوعة - الأحفورية والنووية والهدرائية والريحية والشمس - لا يمكن أن تؤدي مشكلة الجدولة إلا إلى تحقيق أهداف متعددة الأهداف، ويجب على المشغلين أن يقرروا ما هي مستويات الإنتاج التي يمكن أن تخفض إلى أدنى حد من تكاليف الوقود والانبعاثات وتكاليف البدء/الخفض عند تلبية الاحتياجات من الطلب والاحتياطيات، مثل

دمج مصادر الطاقة المتجددة

(أ) إن دمجها في الشبكة يتطلب تخطيطاً دقيقاً لمزيج توليد الطاقة، وتخزينها، وتعزيز شبكاتها، ويساعد الاستخدام الأمثل للقدرات المتجددة، والقدرة على التخزين، والتوليد الاحتياطي، مثلاً، قد يرغب مخطط الشبكة في زيادة التغلُّب على الطاقة المتجددة، وتقليل تكاليف الاستثمار الإجمالية إلى أدنى حد ممكن، وضمان مستوى معين من الموثوقية (مثلاً، الخسارة).

برنامج الاستجابة للطلبات

فبرنامج الاستجابة للطلبات يحفز المستهلكين على التحول أو تخفيض استخدامهم للكهرباء خلال فترات الذروة، ويشتمل تصميم برنامج فعال لإعادة تصميم الطاقة على أهداف متعددة: الحد الأقصى من عبء العمل، والتقليل إلى أدنى حد من عدم تساهل العملاء، وزيادة عدد المشتركين في الخدمة إلى أقصى حد، والاحتفاظ بتكاليف البرامج منخفضة.

تخطيط الشبكات وإعادة تشكيلها

(أ) إن شبكات الإنتاج الذكي غالباً ما تنطوي على شبكات توزيع أكثر تعقيداً ودينامية من الشبكات التقليدية، ويمكن أن تؤدي إعادة تشكيل الشبكة - تغيير طبو المفاتيح والمغذيات - إلى الحد من الخسائر في الطاقة، وتحسين الملامح الفولطية، والتوازنات.

Microgrid Energy Management

(ب) إن شبكات الطاقة الصغيرة ذات النطاق المحلي يمكن أن تعمل بشكل مستقل أو مقترن بالشبكة الرئيسية، ويجب أن توازن نظم إدارة الطاقة فيها بين الأهداف المتعددة: تقليل تكاليف التشغيل إلى أدنى حد، وتقليل الانبعاثات إلى أقصى حد، وضمان جودة الطاقة، لأن الحاجات الصغرى كثيرا ما تتضمن التخزين، والشحنات القابلة للتحكم، والجيل المتنوع، مشكلة التنبؤات المثلى هي:

التقنيات والمقاييس من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الأغراض

وقد تم تطوير مجموعة واسعة من الخوارزميات لحل مشاكل الذخائر غير المنفجرة في الشبكات الذكية، ويتوقف اختيار الخوارزمية على خصائص المشكلة: عدد الأهداف، والمعوقات، وأنواع القرارات المتغيرة (الثامنة/المنفصلة)، والميزانية الحسابية، فيما يلي بعض الأساليب الأكثر شيوعا.

الألغوريزمات الوراثية (NSGA-II, NSGA-III)

ومن المثير للقول أن المقياس الوراثي غير المهيمن للبرمجيات، وهو نظام البرمجيات غير المهيمن، هو أكثر المواد شهرية في تطبيقات نظام الطاقة، ويستخدم إجراء سريع للفرز غير المهيمن، وآلية للمسافات المزدحمة للحفاظ على التنوع، واستراتيجية للاختيار النخبي، ويعمل برنامج البرمجيات الحرة العالمي الثاني جيدا على المشاكل التي تنطوي على هدفين اثنين وثلاثة أهداف.

تحقيق الاستخدام الأمثل للجسيمات السويسرية

ويكيف استخدام التصويب المتعدد الأطراف للجسيمات السامة مع ذكاء العصيان الطائر لإيجاد حلول بديلة، ويستخدم محفوظاً خارجياً لتخزين الحلول غير المهيمن عليها وآلية اختيار القادة لتوجيه الجسيمات، وكثيراً ما يكون هذا المقياس أسرع من التقويم الوراثي، ويؤثر بشكل خاص على استمرار مشاكل الحجم الأمثل، مثل التدفق الأمثل للطاقة والتخزين.

Evolutionary Algorithms (SPEA2, PAES)

وتستخدم خطة " ستنغث باريتو " للثورة الغوريثيمة 2 (SPEA2) استراتيجية مناسبة للصلاحية تتضمن معلومات عن الكثافة للحفاظ على التنوع، وقد تبين أن هذه الاستراتيجية تفوق على بعض المشاكل ذات الجبهات المفككة في باريتو، وأن استراتيجية التحول في المحفوظات في باريتو هي رقم قياسي بسيط تستخدم فيه حلولا قائمة على الشبكة.

الأساليب الهجينة والقائمة على التحلل

وتربط النهج الأحدث عهدا بين أسلوب التشغيل المتعدد الأبعاد والتقنيات مثل المنطق الغامض أو الشبكات العصبية أو البرمجة الخطية لمعالجة عدم اليقين والتعقيدات الحسابية، وكسرت الأساليب القائمة على التحلل، مثل نظام رصد الغلاف الجوي/الإدارة، المشكلة المتعددة الجوانب إلى عدد من البدائل الفرعية ذات الوجه الواحد باستخدام أجهزة قياس الوزن، مما يمكن أن يحسن سرعة التقارب وانتشار الحلول، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الشبكة الذكية في الوقت الحقيقي.

معالجة المضيق وعدم اليقين

وهناك العديد من المشاكل الذكية في مجال تحسين الشبكة تنطوي على معايير غير مؤكدة - التنبؤات المتعلقة بالتوليد المتجدد، والتنبؤات بالكميات، وفشل المعدات، وكثيرا ما يدمج الترميز والبرمجة المتينة مع وزارة الطاقة لإيجاد حلول تكون مرنة للتقلب، وعلى سبيل المثال، فإن وجود إرسال متعدد الجوانب قوي قد يقلل إلى أدنى حد من أسوأ تكلفة وانبعاثات عبر مجموعة من السيناريوهات المحتملة للريح والشمس.

التنفيذ العالمي الحقيقي ودراسات الحالات الإفرادية

والتفاؤل المتعدد الجوانب ليس مجرد عملية أكاديمية؛ وقد طُبقت في مشاريع حقيقية للشبكة الذكية في جميع أنحاء العالم.

• (الوحدة الإيطالية) تستخدم (الوحدة الإيطالية) لتصميم برنامج للاستجابة للطلبات يوازن الحد الأقصى مع راحة العملاء، وقد حقق المشروع تخفيضاً في الطلب بنسبة 12 في المائة بينما حافظ على رضا المشاركين الكبير.
• California Independent System Operator (CAISO): ] CAISO employs MOO in its day-ahead market clearing to balance production costs, renewable curtailment, and transmission congestion costs. The Pareto-optimal solutions help operators decide on the trade-offs between cost and clean energy usage.
• University of Texas Microgrid:] A campus microgrid at UT Austin uses a multi-objective energy management system based on NSGA-II to minimize operating costs and emissions. The system reduces annual carbon output by 30% compared to a cost-only optimization.
• European Project (Nobel Grid): ] This Horizon 2020 project applied MOO to local energy communities, allowing prosumers to trade energy among themselves while optimizing for cost, self-consumption, and grid support.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

ورغم وعدها، فإن تحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب في الشبكات الذكية يواجه عدة تحديات تدفع البحوث الجارية.

القابلية للتقسيم والتعقيد الحاسوبي

وتشمل الشبكات الذكية في العالم الحقيقي آلاف العوارض، وعشرات الأهداف، ودرجة عالية من عدم اليقين، إذ أن حل مشكلة كاملة في نظام كبير في الوقت الحقيقي القريب (مثلاً في الإرسال داخل اليوم) يظل مكثفاً من الناحية الحسابية، والعمل المقبل يستكشف الحيز الموازي، والتفاؤل القائم على الغيوم، واستخدام نماذج بديلة للتعلم الآلي للتعجيل بالبحث.

التكامل مع الاستخبارات الفنية والتوائم الرقمية

ويتزايد استخدام التوأم الرقمي - أي النماذج الافتراضية لأصول الشبكة المادية - في المحاكاة والتفكير، وعندما يقترن ذلك بآلية التشغيل المتعددة، يتيح التوأم الرقمي للمشغلين اختبار سيناريوهات متعددة للمقايضة دون المخاطرة بالشبكة الحقيقية، وفي الوقت نفسه، يجري استخدام التعاضد في تعلم سياسات " بالاو " من أجل اتخاذ قرارات دينامية ومتسلسلة مثل ضبط الأسعار والتحميل في الوقت الحقيقي.

معالجة العديد من الأهداف

ومع تزايد تعقيد الشبكات الذكية، يمكن أن يزيد عدد الأهداف إلى ما بعد ثلاثة أو أربعة - ويشمل ذلك، على سبيل المثال، الإنصاف والأمن السيبراني وتكاليف دورة الحياة، ويطرح التفسير الطموح (أكثر من ثلاثة أهداف) تحديات أمام التصور، واختيار الحلول، والتقارب بين الغوزم، ويجري تطوير أساليب جديدة مثل الحد الموضوعي، والتكرار المفرط، وتقنيات التصوير (الإحداثيات التناظرية، والثث الحرارية).

صنع القرار الإنساني في الأرض

وكثيرا ما يتطلب الاختيار النهائي لحل حلاً أولياً حكماً إنسانياً، غير أن تقديم مجموعة كبيرة من الحلول لمشغلي الشبكات يمكن أن يكون أمراً ساحقاً، ويجري حالياً تطوير أدوات تفاعلية متعددة الجوانب تُدمج أفضليات المستعملين بشكل متكرر - من خلال تعديلات الوزن، أو نقاط مرجعية، أو اختيار مباشر - لسد الفجوة بين ناتج الخوارزميات وصنع القرارات العملية.

توحيد المعايير وأمن الفضاء الحاسوبي

وبما أن وزارة الخارجية أصبحت جزءاً من نظم مراقبة الشبكات الذكية، فإن ضمان أن تكون الخوارزميات المثلى قوية ضد الهجمات الإلكترونية، وأن تتقيد بمعايير الصناعة (مثلاً، IEEE 1547 بالنسبة للموارد الموزعة) أمر بالغ الأهمية، ويجري حالياً إجراء بحوث لوضع أطر آمنة ووثيقة بالثقة يمكن أن تعمل في بيئة إلكترونية - فيزياء.

خاتمة

إن تحقيق التوازن المتعدد الجوانب هو منهجية أساسية في تطوير تكنولوجيات الشبكات الذكية، ومن خلال استكشاف المفاضلات بين التكلفة والانبعاثات والموثوقية والأهداف الأخرى، فإن وزارة الطاقة لا تمكن المهندسين والمخططين والمشغلين من اتخاذ قرارات مستنيرة تتوافق مع مصالح أصحاب المصلحة المختلفة، ومن تحديد مواعيد الموارد والتكامل المتجدد إلى الاستجابة وإدارة الحد الأدنى من الطاقة، والمقاييس المثلى التي تم نشرها في المستقبل، مثل نظام تقييم الاحتياجات من الطاقة.