مستقبل النظام النموذجي إدارة الطاقة في سمارت غريد

The Future of System Modeling in Smart Grid Energy Management

وتتحول الشبكات الذكية إلى الطريقة التي نولد بها الطاقة وتوزيعها واستهلاكها، ومع تقدم التكنولوجيا، تصبح أهمية وضع نماذج دقيقة وفعالة للنظام أكثر أهمية لتحقيق أقصى قدر من إدارة الطاقة وضمان الموثوقية، وتواجه مشغلو الشبكة اليوم تعقيدا غير مسبوق: توليد الطاقة المتجددة المتغير، وتدفقات الطاقة ذات الاتجاهين، وتدفقات الطاقة الدينامية، وسلوك المستهلكين الدينامي، جميع نماذج الطلب التي يمكن أن تلتقط التفاعلات في الوقت الحقيقي على نطاقها.

وتستكشف هذه المادة الاتجاهات الرئيسية التي ترسم مستقبل نماذج النظام لإدارة الطاقة في الشبكات الذكية، من الذكاء الاصطناعي والتوائم الرقمية إلى إدماج الأصول اللامركزية والمحللين الذين يركزون على القدرة على التكيف، ويبحث كل فرع الابتكارات التقنية والتحديات العملية التي يتعين على المهندسين وعلماء البيانات وواضعي السياسات التصدي لها من أجل بناء نظم الطاقة النظيفة والموثوقة والفعالة في الغد.

دور التكنولوجيات الناشئة في نماذج التطويع المقبلة

وتعتمد نماذج نظام الطاقة التقليدي على المحاكاة الفيزيائية والافتراضات المحددة، وفي حين أن هذه النماذج قد خدمت الصناعة جيداً منذ عقود، فإنها لا تستطيع أن تستوعب تماماً الطابع غير الخطي والضار للشبكات الحديثة، فالتكنولوجيات الناشئة تتيح تحولاً في النماذج المشابهة نحو البيانات القائمة على أساس مستمر والتي تعمل في وقت قريب من الواقع.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

(ب) استخدام خوارزميات التعلم من الآلات على نحو متزايد في التنبؤ بالشحن، والتنبؤ بالتوليد المتجدد، وكشف الأخطاء، والتدفق الأمثل للطاقة؛ ويمكن أن تقوم نماذج التعلم العميق، ولا سيما شبكات الذاكرة القصيرة الأجل الطويلة الأجل والمتحولين، بتجهيز مسارات واسعة من البيانات المستقاة من المتر الذكي والمجس لتحديد الأنماط التي تسود الأساليب التقليدية، على سبيل المثال، [الطاقة المتجددة: صفر]

ويتيح التعلُّم في مجال تعزيز الطاقة نهجاً قوياً آخر، إذ يتعلم وكلاء القانون الإقليمي سياسات الرقابة المثلى بالتفاعل مع بيئة محاكاة، مما يجعلهم مثاليين لإدارة موارد الطاقة الموزعة، وتنظيم الفولط، والاستجابة للطلبات، وتظهر البحوث التي نُشرت مؤخراً في معاملات الشبكة IEE على نظم الطاقة المتجددة كيف يمكن لشبكة RL المتعددة أن تنسق مئات وحدات التخزين.

تحليل البيانات الضخمة وحسابات إدج

ويولد انتشار أجهزة القياس الذكية ووحدات القياس بالأشعة المقطعية ومجسات التلويث بيانات يومية، كما أن منابر البيانات الكبيرة التي تبنى على أباتشي سبارك، أو كافكا، أو البحيرات التي تستخدم البيانات السحابية - وهي البحيرات التي يمكن أن تستغل في الوقت الحقيقي، والتنظيف والتحليل، ويمكن الآن أن تتضمن نماذج النظام بيانات عن تدفق البيانات لتحديث تقديرات الدولة كل ثانية، وهي قدرة أساسية لإدارة عمليات الترميم السريع والمتجددة.

ويقلل حساب الحوسبة من حجم العمل النموذجي إلى حد أقرب إلى حيث تولد البيانات، ومن خلال تشغيل نماذج وزنية خفيفة لمعدلات حرارة الأملاك على أجهزة التحكم في الاستبدال أو حتى على المحافير، يمكن للمرافق أن تقلل من الطلب على الترددات وعلى نطاق الترددات، وهذا النهج اللامركزي حاسم بالنسبة للتطبيقات مثل الكشف عن المعادن في المناطق الجزرية في المناطق المجهرية، حيث يجب اتخاذ قرارات في الثانية.

"التوائم الرقمية للـ"غريد

ويظهر التوأم الرقمي - الفيزيائي من الأصول المادية والنظم - كإطار موحد لنموذج الشبكة الذكية، ويدمج التوأم الرقمي بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي مع نماذج الفيزياء - القائمة على نوع الجنس ونموذج ML لتحفيز الحالة الراهنة لشبكة فرعية أو شبكة توزيع كاملة، ويمكن للمشغلين اختبار سيناريو " ما إذا كان الأمر ممكنا " (مثلاً، وجود توائم في مجال التحولات الرقمية)

كما أن التوأم الرقمي يتيح الصيانة المتوقعة، إذ يمكن للنموذج، من خلال مقارنة الأداء المتوقع بالقياسات الفعلية، أن يُعَلِّم الشذوذ الذي يُسبق فشل المعدات، ويقلل من تكاليف التجاوزات، ويمتد عمر الأصول، ومع تزايد النضج الرقمي، سيصبح العمود الفقري لعمليات الشبكة المستقلة.

دمج مصادر الطاقة المتجددة

ومصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية متغيرة بطبيعتها وغير مؤكدة، ويجب أن تدمج نماذج النظام المستقبلي هذه الموارد بغموض، محاسبة لطابعها المتأصل عبر عدة فترات زمنية - من ثواني (مسافات عابرة) إلى مواسم (تغييرات عزلية).

التنبؤات والتحسينات المفاجئة

وتفسح التنبؤات المحددة المجال أمام أساليب التجمع الاحتمالي التي تنتج مجموعة من النتائج المحتملة مع الاحتمالات المرتبطة بها، مما يتيح لمشغلي الشبكات اتخاذ قرارات للتوعية بالمخاطر، مثل تحديد مواعيد توليد الاحتياطي فقط عندما يتجاوز احتمال حدوث حادث ممزق عتبة، ويوفر المركز الأوروبي للتنبؤات المتوسطة الأجل في الوقت الحاضر بيانات عن الطقس المجمعة التي تدمج بصورة متزايدة في نظام الطاقة.

ويمكن أن تتضمن نماذج التخمين المستقرة سيناريوهات متعددة من إنتاج الرياح والطاقة الشمسية، والحمولة، والأحداث الطارئة، وفي حين أن المذيبات الحديثة باهظة التكلفة حسب الحساب (مثلا، غوروبي، CPLEX) وتقنيات إزالة التحلل مثل مركب بندرز تجعل البرمجة المذهلة للنظم الكبيرة الحجم أمرا قابلا للانتقال.

تنسيق شؤون الشمس والريح والخزن

ويتطلب الإدماج الفعال وضع نماذج لا تقتصر على فرادى المصانع المتجددة بل تشمل ناتجها المشترك وقدرتها على التخزين لتشكله، كما أن نماذج النظم الهجينة تعالج المزارع الريحية والصفائف الشمسية وتخزين البطاريات كوحدة واحدة يمكن إرسالها، وتستهدف هذه النماذج تحديد مواعيدها القصوى، واستراتيجيات الحد من الانبعاثات، وتوفير الاحتياطي في وقت واحد.

اللامركزية والموارد الموزعة للطاقة

وستكون الشبكة المستقبلية لا مركزية للغاية، فاللوحات الشمسية الداخلية، والبطاريات التي تتخلل الغلاف الجوي، وشحنات المركبات الكهربائية، والزجاجات الصغرى، تتكاثر بالفعل، وتجلب هذه الموارد من الطاقة الموزعة فرصاً (المرونة المحلية، والخسائر في نقلها) والتحديات (تدفقات الطاقة العكسية، وانتهاكات الفولط).

النموذج التجميعي لـ (دي آر فليتس)

وبدلاً من أن يُنظِّم كل وحدة من وحدات خفض الانبعاثات المعتمد على حدة مهمة مستحيلة حسابياً لنظام توزيع يحتوي على عشرات الآلاف من نماذج الأجهزة - الصنع، ستستخدم تقنيات التجميع(18).() وتُقدِّم مجموعة الخوارزميات المشابهة وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة (مثل البطاريات السكنية ذات الأنماط المماثلة) وتحل محلها نموذج واحد معادِل، وتمثل السلف في التمثيلات المكافئة للترددات ونماذج سلسلة ماركوف() الاختلاوات() الاختلاطية()

محطات توليد الطاقة الافتراضية والطاقة التفاعلية

(ب) تجمّع وحدات توليد الطاقة الافتراضية في مورد واحد يمكن أن يشارك في أسواق البيع بالجملة أو يقدم خدمات فرعية، ويقتضي وضع نموذج للشراكات الإلكترونية نهجاً هرمياً: على مستوى الأجهزة، نماذج مفصّلة لكيمياء البطاريات؛ وعلى مستوى الشراكات بين القطاعات، نموذج إرسال مجمّع يحترم القيود المفروضة على شبكات التوزيع.() وتستعمل أطر الطاقة التفاعلية إشارات سوقية (المشروع، الحوافز) لتنسيق السلوكيات القائمة على استخدام الطاقة

Microgrid Modeling and Islanding

ويمكن أن تعمل المزلاجات الصغيرة على أساس الشبكة الرئيسية أو ذاتياً، ومن الأهمية بمكان أن يُعدّ نموذج السلوك المجهري أثناء الانتقال إلى أسلوب الجزيرة لضمان التشغيل المستقر، ويجري حالياً وضع نماذج مختلطة تجمع بين المحاكاة الكهرومغناطيسية للديناميات السريعة (المتحولات، الحماية) والنماذج الجامدة للديناميات الكهروميكانيكية البطيئة.

التحديات والفرص في النظام المتقدم

وفي حين أن التقدم التكنولوجي يوفر قدرات نموذجية جديدة قوية، لا تزال هناك عقبات كبيرة، ويجب التصدي لهذه التحديات لفتح كامل إمكانات إدارة الطاقة في الشبكة الذكية.

أمن البيانات وخصوصيتها

(ب) زيادة جمع البيانات يخلق مساحات هجومية جديدة، ويمكن للتنوع أن يتلاعب بمدخلات الاستشعار في الدول النموذجية الفاسدة، مما يؤدي إلى سوء التنفيذ، وقد أطلقت أساليب التجميع المضمون (الخصوصية المتباينة، والتشفير المتجانس) ونظم الكشف عن الشذوذ في خط الأنابيب النموذجي، كما أن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا قد أطلق نماذج [FLT:

الاستحقاق النموذجي والتحقق

وجميع النماذج هي تقريب، ولكن التثبت يصبح أكثر تعقيداً مع تضمين النماذج عناصر محركة للبيانات، وكيف نعرف أن نموذجاً من نماذج حركة تحرير الكونغو سيعمم على أنماط الطقس غير المتوقعة سابقاً أو أحداث الحمل؟ إن الاختبارات الجامدة التي تستخدم سيناريوهات واقعية، بما في ذلك الأحداث المتطرفة، أمر أساسي، واستخدام شبكات الفيزياء - التي تدمج قوانين الحفظ (قوانين البرمجيات الإلكترونية) في وظيفة الاختفاء.

التعقيد الحاسوبي

ويمكن أن يكون التواؤم الرقمي العالي التكوين والتفاؤل المتين حظراً حسابياً للاستخدام في الوقت الحقيقي، كما أن تقنيات التخفيض النموذجية - مثل التحلل السليم للأوضاع أو الدينامية التي تحلل فيها الطبقية - الديناميات الحاسوبية المهيمنة، مع الحد من البعد، وتزيد استخدام النماذج الحاسوبية المحتوية على درجة عالية من التشغيل في نهاية المطاف، لدراسات السحب الرقمية المخففة.

تعزيز قدرة المظالم على التكيف مع نماذج الرعاية الطبية وخدمات الصحة الذاتية

إن القدرة على التنبؤ، والاستيعاب، والتكيف، والتعافي بسرعة من الأحداث المعطلة، هي أولوية عليا للتخطيط الحديث للشبكات، وتشكل نماذج النظام حجر الزاوية لتحسين القدرة على التكيف.

الصيانة الافتراضية وصحة الأصول

ومن خلال الجمع بين بيانات الفشل التاريخي ورصد الحالة في الوقت الحقيقي (الزمنة، والهزاز، وتحليل الغازات المذابة)، يمكن لنماذج التعلم الآلي أن تنبئ بالحياة المفيدة المتبقية للمتحولين، والكسر، والكابلات، ولا يمكن للمرافق أن تحدد الصيانة إلا عند الحاجة، وتخفض التكاليف، والوصلات غير المخطط لها، وقد حققت التعلم العميق في بيانات أجهزة الاستشعار في السلسلة الزمنية تنبؤات تفوق 95 في المائة بالنسبة للنموذجات التي تنطوي على عوامل الافتراض في مجال تحويل الأصول في مستويات عالية.

- مصحة ذاتية - غريدز واستعادة ذاتية

وسيمكن النماذج المستقبلية من التعافي الذاتي: عندما يحدث خطأ، يحدد النموذج إعادة التشكيل الأمثل للمفاتيح والمقسمين لعزل الخطأ وإعادة الطاقة إلى المناطق غير المتضررة، وهذا يتطلب حل مشكلة معقدة متعددة الجوانب تتعلق بالتشغيل الأمثل (تخفيض فترات التصريف، واحترام الحدود الفولطية، والحفاظ على سلامة الطاقم) في غضون ثوان.

الحدث الجامح

ويزيد تغير المناخ من تواتر وشدة الأحداث الجوية الشديدة - الاضطرابات، والنيران البرية، والعواصف الجليدية، ويجب أن تحاكي النماذج الضرر المادي الذي لحق بالهياكل الأساسية (السرعة الريحية، والأعماق المتدفقة، والمخاطر الناجمة عن الحرائق) والآثار المتلاصقة على تدفق الطاقة الكهربائية ولوجستيات إعادة التشغيل، وأن توحد نماذج المخاطر التي تجمع بين التوقعات المناخية، وفترات الاستجابة في حالات الطوارئ، وتضار الشبكات تسمح للمرافق بتقوية الأصول الحيوية [إطار بحوث الطاقة الكهربائية].

دعم السياسات والتنظيم

ولا تقتصر نماذج النظام الدقيق على الأدوات التقنية فحسب - بل تسترشد أيضا بقرارات المنظمين والمستثمرين والمشرعين - ويمكن أن تؤدي نماذج الموارد المفتوحة والواسعة النطاق إلى بناء الثقة وتمكين تصميمات سوقية أكثر كفاءة.

استرشاد قرارات الاستثمار

ويفضي نموذج توسيع القدرات (مثل نموذج إدارة المعلومات المتعلقة بالطاقة في الولايات المتحدة) إلى مساعدة واضعي السياسات على فهم الآثار المترتبة على مختلف حافظات الأجيال من حيث التكلفة والموثوقية، ويفضي إدراج نماذج الشبكات الذكية (معدلات اعتماد نظم إدارة الطاقة، مرونة الطلب، قيمة التخزين) إلى استنتاجات أكثر دقة: فعلى سبيل المثال، يمكن أن تؤجل عمليات التخطيط الموزعة للكهرباء إضافة إلى البطاريات الشمسية رفع مستوى النقل بجزء من تكلفة نماذج الهياكل الأساسية التقليدية.

وضع معايير للترابط بين وحدات خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الذخائر العنقودية

ويحدد المعهد الأوروبي للإحصاء 1547 - 2018 متطلبات الأداء المتعلقة بالموارد المحاولة، بما في ذلك ركوب الفولط، والاستجابة للتواتر، وبروتوكولات الاتصالات، ويجب أن تحفيز النماذج المستقبلية أساطيل الأجهزة الممتثلة لضمان عدم قيام قواعد الترابط دون قصد بخلق قضايا الاستقرار، ويستخدم ناشرو فريق سمارت غريد للتبادل الحالات والمتطلبات التي تؤثر مباشرة على أولويات التنمية النموذجية.

تجميع الرمال التنظيمي للنموذج الابتكاري

ويتزايد فتح المنظمين أمام نهج " مجموعة " حيث يختبر بائعو المرافق والتكنولوجيا تقنيات جديدة للنموذج في ظل ظروف خاضعة للمراقبة، فعلى سبيل المثال، لدى مكتب المملكة المتحدة لسوق الغاز والكهرباء صندوق رملي تنظيمي يدعم المحاكمات المتعلقة بالشبكة القائمة على تكنولوجيا المعلومات، والنماذج التجارية للطاقة من الأقران، وتوفر هذه التجارب الأدلة العملية اللازمة لتحديث الأنظمة والتعريفات.

خاتمة

ومستقبل نماذج النظم في إدارة الطاقة في الشبكات الذكية واعد، مدفوعاً بالابتكارات التكنولوجية والتركيز على الاستدامة، وسيؤدي ذلك إلى زيادة كفاءة نظم الطاقة وقادرة على التكيف وقابليتها للتأثر بالبيئة في المستقبل، كما أن التعلم في مجال الآلات والتوأم الرقمي والأساليب الاحتمالية تنتقل بالفعل من مختبرات البحوث إلى عمليات النشر، مما يتيح للمشغلين إدارة مصادر الطاقة المتجددة والمعادن الصناعية المستدامة، مع الثقة.

ومع تسارع عملية الانتقال إلى الطاقة، ستشكل النماذج التي نبنيها اليوم شبكة الغد، ومن خلال الاستثمار في أطر نموذجية مفتوحة ودقيقة ومكيفة، يمكن لأصحاب المصلحة أن يكفلوا أن تنجز الشبكة الذكية وعدها: الكهرباء الموثوقة والنظيفة والميسورة التكلفة للجميع.