البنى التحتية للمدن الذكية وتنفيذ شبكة النقل الكهربائية

تلعب المركبات الكهربائية الموصولة بالكهرباء (PEVs) دوراً محورياً في كهربة النقل، بحيث يمكن الاستفادة من الطبيعة المرنة لطلب الشحن في السيارات الكهربائية لخفض تكلفة الشحن وكذلك تحسين تكلفة تشغيل شبكات الطاقة والنقل الكهربائي.

تحليل البنى التحتية للمدن الذكية وربط شبكة النقل الكهربائية

من البنى التحتية للمدن الذكية المترابطة إلى إنترنت الأشياء، بحيث توفر تقنيات إنترنت الأشياء المتزايدة باستمرار منصة للتواصل الفعال واتخاذ القرارات للوكلاء غير المتجانسين، على سبيل المثال عدادات الكهرباء الذكية والسيارات والأجهزة الذكية، بحيث تعتبر المدن الذكية أمثلة بارزة لإنترنت الأشياء الحضري بسبب هندستها المعمارية وتكامل الشبكات المختلفة.

لذلك بدأ مفهوم المدن الذكية في الظهور لتمهيد الطريق نحو التنمية الحضرية المستدامة، بحيث تهدف المدن الذكية إلى زيادة الذكاء بين الشبكات المختلفة لتعزيز تشغيل البنى التحتية الحضرية، مثل أنظمة الطاقة وشبكات النقل وشبكات الاتصالات وشبكات المياه، كما أن هناك حاجة إلى مناهج متعددة التخصصات لتنفيذ المدينة الذكية كمجموعة من هذه الشبكات.

وفيما بعد زادت التحديات الرئيسية لمدن المستقبل بسبب ارتفاع معدل التحضر، كما وتشمل هذه التحديات تلبية الطلب المتزايد على الطاقة وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحسين الرفاهية الاجتماعية وتقليل الاعتماد على موارد الوقود الأحفوري، بحيث تهدف التقنيات الناشئة إلى ترقية الشبكات الحالية من أنظمة مستقلة تعمل مركزياً إلى أنظمة أكثر لامركزية وذكية ومترابطة ومستقلة.

دور الجانب التقني في ربط شبكات الطاقة الكهربائية

مروراً من إنترنت الأشياء إلى شبكات الطاقة المترابطة وشبكات النقل المكهربة؛ يعتبر التنقل الذكي هو أحد العناصر الرئيسية للمدن الذكية، بحيث يؤدي إلى زيادة تغلغل التقنيات الجديدة، بما في ذلك السيارات الكهربائية والمركبات ذاتية القيادة وكاميرات المرور الذكية، كما يطرح العدد المتزايد من المركبات تحديات جديدة لشبكات النقل، بما في ذلك الازدحام المروري وتلوث الهواء.

ومن أجل تمكين الإدارة الفعالة لحركة المرور، تم دمج تقنيات الاتصال من المركبات إلى البنية التحتية (V2I) لتوفير الاتصال في الوقت الفعلي بين المركبات ووكلاء النقل، بحيث سيساعد هذا بشكل فعال في تقليل حركة المرور باستخدام تحسين المسار الذكي، كما تعتبر السيارة الكهربائية (EV) من بين الحلول المحورية في التحول نحو التنقل الذكي.

لذلك لا يمكن للمركبات الكهربائية المساهمة في تقليل تلوث الهواء فحسب؛ بل يمكنها أيضاً المساعدة في إدارة الازدحام المروري بشكل أكثر فعالية حيث يمكنها إعادة شحن بطاريتها في نطاق أوسع من المواقع مقارنة بالمركبات التي تعمل بالوقود، وعلاوة على ذلك تعمل كل من محطات الشحن والمركبات الكهربائية كعوامل اقتران بالنظر إلى تأثيرها على تشغيل أنظمة الطاقة (طلب الشحن) وشبكة النقل (الازدحام المروري).

الإطار المقترح لربط الجانب التقني بتطوير شبكات الطاقة الكهربائية

في هذا القسم سوف يتم أولاً طرح مزيداً من التفاصيل حول إطار العمل المقترح، وتحقيقاً لهذه الغاية، تظهر التحديات الحالية بالطرق المتاحة التي تم تقديمها بإيجاز في القسم السابق بالإضافة إلى مزايا إطار العمل الذي يسد الفجوة بين النماذج النظرية وشبكات العالم الحقيقي، ثم يتم بالتفصيل عن التفاعل بين الطبقات والبنى التحتية المطلوبة لتمكين تبادل المعلومات هذا، وفي النهاية تظهر تطبيقات الهيكل الموزع القائم على الوكيل لنموذج إنترنت الأشياء.

ومن أجل تحديد الدوافع لإطار عمل شامل موزع؛ تكون الحاجة بالبداية هي سرد التحديات مع إعدادات التشغيل المستقلة أو المركزية الحالية، وخاصة في الأساليب الحالية لتحسين تشغيل شبكات توزيع الطاقة وشبكات النقل المكهربة، بحيث تقترن الحلول المقدمة بشكل مُريح من خلال:

• الخوارزميات اللامركزية أو الموزعة للتشغيل المستقل لطبقة شبكة الطاقة وطبقة جدولة الشحن.

• الخوارزميات المركزية للتشغيل المترابط لأنظمة الطاقة وشبكات النقل المكهربة.

• التحسين الشامل والموزع المستند إلى الوكيل للشبكات المترابطة من خلال عدسة إنترنت الأشياء.

النطاق الزمني لربط التقنيات والمكونات المادية للنظام الكهربائي

في هذا القسم، نحدد العوامل المختلفة في الإطار المقترح وأهدافهم وقيودهم بالإضافة الى النطاق الزمني الذي يعمل فيه كل وكيل، وتحقيقاً لهذه الغاية يتم فحص الوكلاء في ثلاث فئات رئيسية، وهي عوامل خاصة بنظام الطاقة والوكلاء الخاصين بشبكة النقل الكهربائية وعوامل التوصيل، كذلك يمكن أن يعتبر هؤلاء الوكلاء إحدى الفئات التالية، وهي سلبي مثل إشارات المرور وصانع القرار النشط مثل مجمعات محطة شحن (EV) والمستشعر النشط مثل محطات شحن (EV).

بناءً على وظائفها، لا يتلقى الوكيل السلبي سوى الأوامر، والتي يمكن أن تكون أساساً قرارات الإخراج للوكلاء النشطين بناءً على التحسين المحلي في كل تكرار وتغيير حالته بناءً على الأمر المستلم، على سبيل المثال إشارات المرور هي في الأساس عوامل سلبية مسؤولة عن التبديل بينها حالتين (أحمر وأخضر) لأغراض إدارة حركة المرور.

كذلك هناك مجموعة أخرى من الوكلاء السلبيين هم المسؤولون عن تسجيل البيانات ونقل البيانات الأولية إلى الوكلاء الأذكياء، مثل كاميرات المرور التقليدية، بحيث يشار إليها هنا باسم كاميرات المرور السلبية، وهناك وكلاء صانع القرار النشطون هم الذين لا يتلقون أو يجلبون البيانات من مصادر ووكلاء آخرين، كما ينقسم وكلاء نظام الطاقة الكهربائية الى:

• مشغل نظام التوزيع: هذا الوكيل مسؤول عن الحفاظ على التشغيل الموثوق لشبكات توزيع الطاقة من خلال تحسين الموارد المتاحة وتلبية القيود المادية للشبكة، كما يدير بشكل أساسي توصيل الطاقة من شبكات النقل للعملاء.

• مُجمِّع الاستجابة للطلب: يقدم هذا الوكيل خدمات الاستجابة للطلب بهدفين رئيسيين، وهما تقليل الطلب على الحمل الكهربائي للعملاء وتعظيم الاستفادة من خلال توفير الطاقة، وبصفتها كياناً تجارياً؛ فإنها تقدم خدمات تقليل الأحمال لسوق الطاقة بالجملة.

• وكيل موارد الطاقة الموزعة (DERs): يحتمل أن يغطي هذا الوكيل مجموعة واسعة من التقنيات والموارد، بما في ذلك وحدات تخزين الطاقة وموارد الطاقة المتجددة (مثل الألواح الكهروضوئية)، كما وتتمثل مهمتها الرئيسية في تحسين التشغيل الداخلي للمورد المقابل وتعظيم الاستفادة من مالك (DER).

• وكلاء المحولات: هذا الوكيل مسؤول عن توصيل حالة المحول إلى الكيانات الأخرى، وفي نظام التوزيع الذكي؛ يكون عامل المحول الذكي في المحطة الفرعية الرئيسية لكل وحدة تغذية قادراً على إجراء تدفق الطاقة الأمثل فيما يتعلق بقيد تحميل المحولات وكذلك طلب الحمل الكهربائي المتوقع.

في النهاية تم تطوير خوارزمية وإطار عمل موزع كلياً، كما تم القيام على الابتكار الخاص بالشبكات المترابطة القائمة على إنترنت الأشياء، بحيث يتيح حلنا التنسيق الموزع للوكلاء في شبكة الشبكات، مثل البنى التحتية للمدن الذكية، وتحقيقاً لهذه الغاية تم اقتراح نهجاً مبتكراً موزعاً بالكامل، بحيث تم تحقيق الخوارزمية التكرارية الموزعة لتصبح حلاً موزعاً لاتخاذ القرار لكل وكيل من خلال الحسابات المحلية والتواصل المحدود مع الوكلاء المجاورين الآخرين المؤثرين في هذا القرار المحدد.