مراقبة الطاقة على الوجه الأمثل في تخزين وتوزيع الطاقة في منطقة سمارت غريد

إن شبكات الذكاء ليست تكنولوجيا واحدة بل هي نظام إيكولوجي للأجهزة المترابطة والمجسات ونظم المراقبة، ويتمثل التحدي في تنسيق هذه العناصر - من مزارع البطاريات الكبيرة الحجم إلى أسطح الألواح الشمسية وشاحنات المركبات الكهربائية - بحيث تعمل الشبكة بأكملها بالقرب من المستوى الأمثل النظري لهذه الشبكة، وتستكشف هذه المادة المبادئ والأساليب والتطبيقات العملية للتحكم الأمثل في تخزين الطاقة وتوزيعها على الشبكات الذكية، بالاعتماد على البحوث والممارسات الصناعية الحالية.

فهم التحكم الأمثل في الجريمتين الذكية

فالمكافحة الأمثل هي فرع لنظرية الرقابة يسعى إلى تحديد سياسة الرقابة التي تقلل أو تزيد إلى أقصى حد وظيفة موضوعية معينة على أفق زمني، وفي سياق الشبكات الذكية، يشمل الهدف عادة تقليل التكاليف التشغيلية إلى أدنى حد، والحد من خسائر الطاقة، وزيادة استخدام توليد الطاقة المتجددة إلى أقصى حد، وضمان جودة الطاقة، وتشمل قرارات الرقابة تحديد معدلات الشحن والتصريف لنظم تخزين الطاقة، وتعديل إنتاج المولدات الكهربائية الموزعة، وإدارة

وما يجعل مراقبة الشبكات الذكية متميزة عن تشغيل نظام الطاقة التقليدية هو درجة عدم اليقين والتقلب العالية، إذ يتأثر توليد الطاقة الشمسية والريحية بالطقس، ويتحول أنماط التحميل بصورة غير متوقعة، كما أن إخفاقات المعدات يمكن أن تتلاشى، ولذلك يجب أن تكون أساليب التحكم الأمثل قوية ومكيفة ويمكنها أن تتضمن التنبؤات وقياسات الوقت الحقيقي، كما يجب أن تحترم القيود المادية مثل القدرات على الخط، والحدود المفروضة على التطاير، ومعدلات التحلل.

دور تخزين الطاقة

إن تخزين الطاقة هو حجر الزاوية في التحكم الأمثل للشبكة الذكية، فالبطاريات، والهيدرويد المضخ، والتكنولوجيات الناشئة مثل بطاريات التدفق والتخزين الجوي المضغط يتيح تخزين الطاقة الزائدة من المصادر المتجددة عندما يتجاوز الجيل الطلب ويطلق سراحه عند الحاجة، ويحدد التحكم الأمثل جدول الشحنات/الشحنات، مع مراعاة عوامل مثل أسعار الكهرباء، وحالة البطاريات الصحية، والشحن الحالي للشبكة.

فبدون رقابة ذكية، يمكن أن تعمل نظم التخزين دون المستوى الأمثل، على سبيل المثال، حيث تُفرض رسوم على ارتفاع الأسعار، أو تُحدث بسرعة كبيرة وتتسارع في التدهور، ويمكن لاستراتيجيات الرقابة المتقدمة أن تمدّد حياة البطاريات بألاف الدورات، مع زيادة القيمة الاقتصادية للطاقة المخزنة إلى أقصى حد.

شبكة التوزيع

فإلى جانب التخزين، تمتد الرقابة المثلى إلى شبكة التوزيع نفسها، حيث يمكن للتحكم في الطاقة الكهربائية والرد الفعل، وإعادة تشكيل المغذيات، وإدارة التحميلات المحولة أن تستفيد من تحقيق الاستخدام الأمثل، مثلا، من خلال تعديل الصنابير على المحولات أو إنتاج المحولات الذكية على الألواح الشمسية، يمكن للضوابط أن تحتفظ بالفولط في إطار معايير الوكالة الوطنية للطاقة الذرية، مع التقليل إلى أدنى حد من تدفقات الطاقة، وهذا أمر مهم للغاية نظرا لتفشية موارد الطاقة التقليدية.

العناصر الرئيسية لاستراتيجيات الرقابة على الوجه الأمثل

ويشمل تنفيذ الرقابة المثلى في الشبكات الذكية عدة عناصر مترابطة، ويؤدي كل منها دورا متميزا في ترجمة الأهداف الرفيعة المستوى إلى أوامر عملية بشأن الأصول الشبكية.

إدارة تخزين الطاقة

ويقرر هذا العنصر متى وكمية الطاقة التي تخزن أو تطلق من نظم البطاريات، مع مراعاة حالة الشحن، والكفاءة، وعمر الحياة، والإشارات الاقتصادية، ومن شأن وجود مشكلة نموذجية للمراقبة المثلى للبطارية أن يقلل إلى أدنى حد من مجموع التكاليف والعقوبات الناشئة، رهنا بحدود القوة والقيود على ميزان الطاقة.

الموازنة بين القرض

ويكفل تحقيق التوازن بين العرض الكهربائي والطلب في مختلف المناطق والجداول الزمنية، ويستخدم المراقبون إشارات الاستجابة للطلبات، والتعريفات الزمنية للاستخدام، والتسعير في الوقت الحقيقي لتحويل الحمولات المرنة (مثل شحن المركبات الكهربائية أو العمليات الصناعية) إلى أوقات يكون فيها توليد الطاقة المتجددة وفرة، وتنسق خوارزميات التحكم الأمثل هذه التحولات لتجنب الازدحام والحد من رسوم الطلب القصوى.

التكامل المتجددة

(ب) إن المصادر المتقطعة مثل الطاقة الشمسية والريحية تتطلب إدارة دقيقة للحفاظ على استقرار الشبكة، وتقليص الرقابة على الوجه الأمثل توليد الطاقة المتجددة عند الضرورة (مثلاً أثناء أحداث الجيل المفرط) وترمي إلى تخزين أو توليد الطاقة عند التحلل من مصادر الطاقة المتجددة.

القابلية للاحتجاز - التحكم في التطاير والتواتر

ويعد الحفاظ على التطاير داخل حدود ضيقة (5% من الإسمية لمعظم النظم) والتواتر عند 50/60 هرتز أمرا أساسيا لسلامة المعدات ونوعية الطاقة، كما أن خوارزميات التحكم الأمثل تعدل نواتج المولدات، ونقاط المحولات، ومصارف الكابات، وتحول الطاقة الرجعية إلى تحقيق هذه الأهداف، وفي الأحجار الجزرية الصغيرة، تعمل حلقات الرقابة الأولية والثانوية معا على استعادة القدرة على التكرار بعد حدوث الاضطرابات،

أساليب الرقابة على الوجه الأمثل

وتستخدم أطر رياضية متعددة لتنفيذ السيطرة المثلى على الشبكات الذكية، ويتوقف الاختيار على الجدول الزمني للمشكلة، ومستوى عدم التيقن، والميزانية الحاسوبية.

نموذج المراقبة الافتراضية

MPC is one of the most widely used methods for opt control in energy systems. It uses a dynamic model of the grid to predict future states (e.g., load, renewable generation, prices) over a finite horizon, then solves an optimization problem at each time step to determine the best control actions. Only the first action is applied; the process repeats with updated measurements. MPC can handle constraints explicitly and naturally suited

برمجة الديناميكية

فالبرمجة الدينامية تحل مشاكل السيطرة المثلى بكسرها إلى صيغ فرعية أبسط )مبدأ بيلمان المتمثل في تحقيق المثلى( وهي تعمل جيدا على المشاكل التي تواجه الدول المتباينة والإجراءات، مثل قرارات الشحن/القطع ذات فترات زمنية محددة، غير أن إدارة شؤون الإعلام تعاني من " وجود بُعد " عندما ينمو حجم الحيز الحكومي بدرجة كبيرة، مما يحد من تطبيقه المباشر على النظم التي تنطوي على العديد من وحدات التخزين أو المتغيرات الدينامية المستمرة.

Reinforcement Learning (RL) and Deep RL

(ب) إن التعلم من أجل تعزيز القدرة يتيح لوكيل ما أن يتعلم سياسة التحكم المثلى من خلال التفاعلات بين المحاكمة والصدمات وبين البيئة، وفي الشبكات الذكية، يمكن تدريب وكلاء القانون الجنائي على البيانات التاريخية أو على المحاكاة لاتخاذ قرارات في الوقت الحقيقي فيما يتعلق بالإرسال، والاستجابة للطلب، ومراقبة الفولط.() وتقارب الشبكات العصبية العميقة الوظيفة أو السياسة المثلى لتعزيز قيمة العمل.()

التخزين والتحسين الآلي

ونظراً لعدم اليقين في توليد الطاقة المتجددة والشحن، فإن الترجيح الأمثل يشمل توزيعات الاحتمالات في مشكلة السيطرة، وتولد السيناريوهات لتمثيل المستقبل المحتمل، وتخفض الجهة الرقابية التكلفة المتوقعة في جميع السيناريوهات، ومن ناحية أخرى، يكفل تحقيق أسوأ الحالات في إطار مجموعة من حالات عدم اليقين، وكثيراً ما تقترن هذه الأساليب بمنظمة مبيداً للنشر الحقيقي أو القوي في العالم الكاريني.

فوائد التحكم الأمثل في الجريمتين الذكية

ويؤدي تنفيذ الرقابة المثلى إلى تحقيق فوائد ملموسة عبر الأبعاد التقنية والاقتصادية والبيئية.

تعزيز الكفاءة

فبتخفيض الخسائر في النقل والتوزيع - التي يمكن أن تشكل ٥-١٠ في المائة من مجموع المراقبة الكهربائية - البصرية، تحسن كفاءة النظام عموما، ويؤدي تحميل وتصريف التخزين في الأوقات المناسبة إلى التقليل من تسرب الطاقة وازدحام خطها، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تؤدي المراقبة المثلى للفولط إلى الحد من فقدان القدرة الاستباقية بنسبة تصل إلى ٢٠ في المائة.

الوفورات في التكاليف

انخفاض تكاليف التشغيل من عدة مصادر: انخفاض استهلاك الوقود من أجل محطات الذروة بفضل تحسين الجدولة التخزينية، وانخفاض رسوم الطلب على ذروة العمل بالنسبة إلى العملاء التجاريين، واستثمارات الهياكل الأساسية المؤجلة؛ ويمكن أيضاً لمشغلي الأحجار المشاركة في أسواق الخدمات الفرعية (تنظيم الترددات، والاحتياطي العمودي) على نحو أكثر ربحية عند استخدام التحكم الأمثل في وضع العطاءات.

زيادة الموثوقية والقدرة على التكيف

فالتحكم الأمثل يساعد على الحفاظ على التطاير والتواتر في حدود آمنة حتى في ظل التغيرات السريعة في الحمولة أو حالات الطوارئ، وأثناء الاضطرابات التي تحدث في الشبكة، يستطيع المتحكمون أن يقطعوا أجزاء من الشبكة (الجرود) وأن يستخدموا الطاقة المخزنة لخدمة الأحمال الحرجة، وتعتمد شبكات التلقيح الذاتي على استخدام الخوارزميات المثلى لإعادة تشكيل المفاتيح وإعادة الخدمة بعد انقطاعها.

المنافع البيئية

ويقلل زيادة تكامل الطاقة المتجددة من الاعتماد على محطات ذروة الوقود الأحفوري، مما يقلص انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، كما أن الرقابة المثلى تيسر كهربة النقل والتدفئة من خلال تنسيق محطات الشحن ومضخات الحرارة مع توليد الطاقة المتجددة، ووفقاً لمعادلات ثاني أكسيد الكربون [(FLT:0]) ، كل كيلوواط ساعة من الطاقة المتجددة التي تحل محل كربون واحد مشتعل.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

شركة ميكروغريد الصناعية بخزن البطاريات

وفي مرفق تصنيع ببطارية شمسية سطحية و500 كيلوواط، تم تنفيذ متحكم أمثل معتمد على نظام إم بي سي للتقليل إلى أدنى حد من تكاليف الطاقة مع المشاركة في برامج الاستجابة للطلبات، واستخدم جهاز التحكم إشارات الأسعار اليومية والأسعار في الوقت الحقيقي والتنبؤات الجوية والجدول الزمني للإنتاج، وخلال ستة أشهر، خفض النظام تكاليف الكهرباء بنسبة 18 في المائة وقلل الطلب على ذروته بنسبة 25 في المائة.

إدارة التركات

ونشر مشغل لنظام التوزيع الأوروبي برامجيات للمراقبة المثلى للتنظيم بالفولطج عبر 50 مغذياً ذات تغلغل شمسي مرتفع، ونسقت الخوارزميات المتغيرة في الحمولات، ومصارف الكابستور، والمحاولات الذكية لإبقاء الفولط بين 0.95 و 1.05 نقي، وقلصت التخفيضات الشمسية بنسبة 40 في المائة، وانخفض عدد الأحداث دون/الخارجة إلى ما يقرب من وفورات.

Frequency Regulation with Fleet of EVs

واستخدم المجمّع الذي يدير 000 10 مركبة كهربائية التعلّم في مجال التعزيزات لتقديم العطاءات إلى أسواق تنظيم الترددات، حيث تم التحكم في كل شحنة من المركبات لتوفير لوائح تنظيمية/مخفضة في الوقت الذي يلبي فيه متطلبات مغادرة مالكي السيارات، وقد تعلم وكيل شركة RL أن يوازن بين البطاريات وبين إيرادات السوق، مما حقق أرباحاً متوسطة تبلغ 15 دولاراً لكل مركبة شهرياً، أي بزيادة قدرها 22 في المائة عن معدل الهيمنة الأساسية.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

خصوصية البيانات والأمن

وتعتمد المراقبة المثلى على البيانات المفصلة عن الجيل والاستهلاك والشبكة، مما يثير شواغل تتعلق بالخصوصية، ولا سيما بالنسبة لبيانات الشحن السكني، ويبرز نظام الحساب المتعدد الأطراف والتعلم الموحد كحلول لتدريب المتحكمين دون الكشف عن البيانات الخام، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي الهجمات الإلكترونية على إشارات المراقبة إلى انقطاع الكهرباء؛ ويجب أن تشمل أجهزة المراقبة القوية استراتيجيات كشف وكشف عن الشذوذ.

التعقيد الحاسوبي

ولا يزال حل مشاكل المراقبة المثلى على نطاق واسع في الوقت الحقيقي صعبا، إذ أن شبكة التوزيع التي تضم آلاف العقد، ومئات وحدات التخزين، والعديد من الأصول الخاضعة للمراقبة تؤدي إلى مشاكل برمجة مختلطة قد لا تقترن بسرعة كافية لأغراض المراقبة دون الثانية، كما أن تقنيات التحلل (مثلا، طريقة توجيه المضاعفات المتناوبة)، والتوزيع الأمثل، وتسريع الأجهزة (FPGAs، وGPUs) هي أساليب نشطة.

الحاجة إلى السطو والجبر

وتتغير الظروف المظلمة باستمرار بسبب تدهور المعدات والطقس وتطور الأسواق، ويجب على المراقبين الماليين أن يتكيفوا دون الحاجة إلى إعادة تحديد هوية النظام بالكامل، ويتيح التعلم من خلال النقل والتعلم من الميدالية وضع السياسات التي يتم تدريبها على المحاكاة على البيانات الحقيقية، وضمان الأداء القوي في ظل أسوأ حالات عدم التيقن أمر حاسم بالنسبة لعملية شبكات الأمان.

التنظيم والتسويق

وكثيراً ما تُقيَّد قرارات الرقابة المثلى بقواعد السوق والتعريفات والأطر التنظيمية، فعلى سبيل المثال، قد تحدّ القيود الصافية أو اتفاقات الترابط من القدرة على التصدير، وتُنسّق أهداف الرقابة مع حوافز السوق - مثل دفع تكاليف القدرة المرنة أو خدمات الشبكة - وهي ضرورية لفتح القيمة الكاملة، ويجري استخدام صناديق الرمل التنظيمية لاختبار نماذج تجارية جديدة يمكن التحكم فيها.

اتجاهات البحوث المستقبلية

وتؤدي التطورات في الاستخبارات الاصطناعية إلى زيادة القدرة على التصعيد وأجهزة التحكم الذكية، فالشبكات العصبية التي تستخدم الطبوغرافيا النموذجية، والتعلم من جانب مشغلي الخبراء، والشبكة الآمنة ذاتيا، مع توفير ضمانات رسمية، هي اتجاهات واعدة، ويتيح إدماج المراقبة المثلى مع المحاكاة الرقمية المزدوجة للمشغلين اختبار السيناريوهات قبل إجراء تغييرات في هذا المجال، ومع تحسن أجهزة الاستشعار والاتصال، فإن هياكل التحكم الموزعة سوف تصبح أكثر جدوى، مما يتيح تبادلا بين الأقران.

إن مستقبل الشبكات الذكية يتوقف على تحقيق كامل إمكانات السيطرة المثلى، إذ إن هذه الخوارزميات، بجعل تخزين الطاقة وتوزيعها أذكى وأكثر مرونة وأكثر اقتصادا، ضرورية للانتقال العالمي إلى نظام للطاقة المستدامة.