اقرأ في هذا المقال
يقدم هذا الطرح منصة محاكاة متعددة المجالات تتيح إجراء تحليل شامل لأنظمة الطاقة على مستوى المدينة، حيث أن الهدف من تطوير منصة المحاكاة هو توفير أداة تدعم تصميم خوارزميات التحكم وإدارة الطاقة لتلك الأنظمة، وذلك لكي تتيح المنصة عمليات محاكاة طويلة المدى لعدد كبير من المباني.
محاكاة البنية التحتية للطاقة الكهربائية ضمن مناطق المدن
يُنظر إلى انتقال المباني السكنية من مستهلكي الطاقة السلبية إلى لاعبين نشطين في نظام إمداد الطاقة كخطوة مهمة على الطريق إلى الشبكة الذكية، ونظراً لأن المباني السكنية مسؤولة عن (27٪) من استهلاك الطاقة الأولية، حيث يتم استخدام (68٪) لتدفئة الأماكن، كما أن هناك إمكانية كبيرة لتوفير الطاقة ولكن أيضاً لإدارة جانب الطلب (DSM) واستجابة الطلب ( DR).
كذلك يمكن لأنظمة التدفئة الكهرو حرارية مثل المضخات الحرارية (HP) والسخانات الكهربائية (EH) وأنظمة الحرارة والطاقة (CHP) المشتركة بشكل كبير في دمج مصادر الطاقة المتجددة (RES) في شبكة الطاقة، بحيث يمكن تحقيق ذلك من خلال استغلال المرونة التشغيلية لأنظمة التدفئة والتبريد، وذلك بفضل التخزين الحراري، وهو فعال للغاية من حيث التكلفة ويمكن توفيره بواسطة خزانات المياه أو حتى باستخدام كتلة المبنى نفسها كمخزن قصير الأجل.
وبالتالي؛ فإن ما يسمى بأنظمة طاقة المبنى (BES)، والتي تشتمل على أنظمة التدفئة الكهرو حرارية وأنظمة التخزين؛ يمكن أن تساهم في تكامل فعال لـ (RES) في أنظمة إمداد الطاقة، بحيث يتطلب تقييم الإمكانات والقدرة الحقيقية لنظام طاقة منطقة المدينة لدعم تكامل مصادر الطاقة المتجددة تحليلاً شاملاً للنظام متعدد المجالات الذي يشتمل على البنية التحتية لإمداد الطاقة وعدد كبير من (BESs) غير المتجانسة.
تضمين البنية التحتية للإمدادات الكهربائية المستدامة
فضلاً عن أنظمة التحكم وإدارة الطاقة ( EMS)؛ فإنه يمكن تضمين البنية التحتية لإمدادات الطاقة في التحليل الشامل نظرة ثاقبة للتأثيرات، مثل ازدحام الخط في شبكة الطاقة الكهربائية، والتي قد لا يتم التحقيق فيها في المباني الفردية ولكنها تعتمد على السلوك الجماعي لمجموعة من المباني، كما يتضمن تحليل المنطقة السكنية.
وبهدف استغلال أوجه التآزر بين أنواع مختلفة من (BES)، أيضاً أنظمة التحكم على مستويات مختلفة، حيث أن الدافع لتطوير منصة المحاكاة المقدمة هنا هو اختبار وتحليل أداء مفاهيم إدارة الطاقة الجديدة والتحكم فيها على نطاق المنطقة الحضرية، وهنا ينصب التركيز فيما يتعلق بالأجهزة التي يمكن التحكم فيها على أنظمة التدفئة الكهرو حرارية السكنية.
المنصات المتقدمة لمحاكاة النظام الكهربائي
يهدف تطوير منصة المحاكاة المقدمة إلى توفير أداة تمكن من التحليل الشامل لأنظمة طاقة منطقة المدينة، وفي هذا القسم؛ فإنه يتم أولاً تقديم متطلبات منصة المحاكاة فيما يتعلق بنمذجة النظام على أساس سيناريو محتمل لنظام طاقة المنطقة في المستقبل، كما تؤدي ميزات النمذجة المطلوبة إلى مزيد من المتطلبات فيما يتعلق بالأداء الحسابي لمنصة المحاكاة، والتي تم تقديمها لاحقاً في هذا القسم.
كذلك يشتمل السيناريو كما هو موضح في الشكل التالي على عدد كبير من (BESs) غير المتجانسة، والتي تختلف فيما يتعلق بنظام التدفئة الداخلي، بحيث تم تجديد بعض المباني وتجهيزها بنظام تدفئة حديث، مثل (CHP) أو (HP)، كما أن البعض الآخر غير مجدد ومجهز بنظام تدفئة مثل غلاية الغاز الكلاسيكية (GB) أو (EH)، وعلاوة على ذلك وبالإضافة إلى الشكل (1)؛ فإنها تشتمل بعض (BESs) على نظام كهروضوئي (PV).
أما بشكل عام؛ فإنه يُفترض هنا أن المباني مجهزة بواجهة خدمة طاقة (ESI)، بحيث تربط المبنى وأجهزته بنظام إدارة التوزيع (DMS) كجزء من الشبكة الذكية المستقبلية، كما تتحكم هذه (ESI) في تشغيل أنظمة التدفئة أو التبريد في المباني بالإضافة إلى الأجهزة الأخرى القابلة للفك مثل الغسالات أو غسالات الأطباق على سبيل المثال.
كما أن الهدف من إجراءات التحكم هذه هو ضمان راحة المستخدم، وذلك مع توفير الطاقة أو تقليل فاتورة الطاقة، بحيث يمكن تحقيق ذلك على سبيل المثال عن طريق تحويل العملية إلى فترات زمنية ذات أسعار كهرباء منخفضة أو بإنتاج طاقة كبير من أنظمة الطاقة الكهروضوئية أو أنظمة الطاقة الحرارية، وعلاوة على ذلك قد يقبل المستخدم درجة حرارة داخلية منخفضة أثناء أوقات الغياب.
المحاكاة الديناميكية الخاصة بالأحمال الكهربائية في مباني المدن
يجب أن توفر المنصة محاكاة ديناميكية لـ (BESs) كاملة، بحيث تتضمن أيضاً تأثير السكان على سلوك (BESs)، كما أنه من الضروري أن توفر المنصة إمكانية محاكاة نماذج البناء الديناميكي، حيث تعد درجة الحرارة الداخلية الفعلية وتغيراتها من المدخلات المهمة لخوارزميات التحكم، وعلى سبيل المثال تعتمد خوارزميات التحكم التي تستغل نطاق درجة الحرارة الداخلية المسموح بها لـ (DSM) على درجة الحرارة الداخلية الفعلية والسلوك الحراري للمبنى.
وعلاوة على ذلك؛ فإنه يجب تمثيل الساكن وسلوكه المتعلق بالطاقة بقدر ما يعمل كإزعاج لخوارزميات التحكم، بحيث يسمح هذا العنصر بتقييم قدرة خوارزميات التحكم على الاستجابة للاضطرابات مثل استخدام فرن حيث لا يمكن التنبؤ بالوقت المحدد للاستخدام، علاوة على ذلك؛ فإن استهلاك الطاقة الكهربائية من قبل المقيم يؤدي إلى تبديد الحرارة، مما يساهم في توفير الطلب على الطاقة الحرارية.
محاكاة البنية التحتية لإمدادات الطاقة الكهربائية
يجب أن تتضمن منصة المحاكاة محاكاة البنية التحتية لإمداد الطاقة من أجل توفير معلومات حول حالة الشبكات لأنظمة التحكم. هذه الميزة مطلوبة من أجل التحقيق في إجراءات التحكم، والتي لا تعتمد فقط على الظروف الداخلية لـ (BES) ولكن أيضاً على الظروف الخارجية، مثل حالة أنظمة الإمداد بالطاقة، وفي حالة الشبكة الكهربائية.
لذلك؛ فإنه يمكن أن تكون هذه المعلومات هي الجهد الكهربائي عند بعض العقد، ولكن أيضاً معلومات حول ازدحام الشبكة والحمل الزائد لمكونات الشبكة، على سبيل المثال مثل الحمل على المحول المحلي. فيما يتعلق بالغرض من المنصة، وبالنظر إلى أن إجراءات التحكم في أنظمة التدفئة الكهرو حرارية أو غيرها من الأجهزة القابلة للتوزيع لها وقت استجابة في نطاق الدقائق؛ فإن تحليلات تدفق الطاقة الثابتة.
وبالنسبة الى محاكاة خوارزميات التحكم وإدارة الطاقة؛ فقد تم اعداد خوارزميات التحكم وإدارة الطاقة على مستويات النظام المختلفة ضرورية للتشغيل الفعال لنظام طاقة منطقة المدينة، وبالتالي من الضروري أن توفر منصة المحاكاة إمكانية تمثيل تلك الخوارزميات على مستوى التحكم في التطبيق وكذلك على مستوى التحكم في النظام.
وبالإشارة إلى سيناريو المثال؛ فإن (DMS) الذي يقوم بتنفيذ خوارزميات إدارة الطاقة سيمثل مستوى التحكم في النظام، بحيث سيتم تمرير القيم المرجعية أو الأوامر المحددة في هذا المستوى إلى مستوى التحكم في التطبيق للتنفيذ.
بالنهاية يقدم هذا العمل إطار عمل محاكاة لأنظمة طاقة منطقة المدينة تعتمد بشكل أساسي على محاكيات (COTS) وأدوات برمجية مختلفة، ونظراً لاستخدام (RTI)، والذي يوفر واجهات لمجموعة متنوعة من أجهزة المحاكاة بالإضافة إلى واجهة برمجة تطبيقات (C++ / C)، بحيث يمكن دمج المزيد من المحاكيات بسهولة في منصة المحاكاة المعنية.
