النموذج ثلاثي الأهداف لجدولة صيانة المولدات الكهربائية

الهدف من جدولة صيانة المولدات الكهربائية

بسبب نمو الاقتصادات، زاد الطلب على الكهرباء لاحقاً، خاصةً إذا لم يتم تلبية الزيادة في الطلب مع زيادة مقابلة في سعة التوليد؛ فإن أنظمة الطاقة تنتهي بهوامش احتياطي أقل، وذلك عندما تكون هوامش الاحتياطي منخفضة، بحيث تميل مرافق الطاقة إلى عدم الرغبة في وضع المولدات الكهربائية في وضع عدم الاتصال للصيانة حيث ستكون سعة التوليد قريبة من الطلب، وهذا يؤدي إلى زيادة فشل وحدات التوليد بسبب نقص الصيانة.

وفي السنوات الأخيرة، عانت جنوب إفريقيا من نقص في قدرة التوليد مما أدى إلى التخلص من الأحمال، حيث أن أحد الأسباب الرئيسية التي تسببت في فصل الأحمال هو سوء الصيانة مما أدى إلى فشل أنبوب الغلاية وتعطله، كما كان على مرفق الطاقة (Eskom)، كذلك تنفيذ المرحلة الرابعة من فصل الأحمال بسبب النقص الحاد في السعة، وهذا يعني أن ما يصل إلى (4000) ميغاوات من الحمولة الوطنية يمكن التخلص منها في وقت واحد.

كذلل جدولة صيانة المولد هي خطة صيانة وقائية يتم فيها إعداد جدول جيد التخطيط لإخراج الوحدات من الخدمة للصيانة من أجل تجنب أزمة مثل التي تواجهها شركات التوليد، بحيث يتم وضع قيود مختلفة في الاعتبار ويجب الوفاء بها من خلال الجدول الزمني. يجب أن يقلل جدول الصيانة المناسب من تكلفة التشغيل والصيانة لنظام توليد الطاقة أو يحسن موثوقية النظام، وتعد مشكلة جدولة الصيانة مهمة للغاية لأنها تؤثر على القرارات الأخرى المتعلقة بتشغيل محطات التوليد مثل التزام الوحدة وإرسال الوحدات.

تاريخياً تم إجراء جدولة الصيانة بناءً على خبرة موظفي الصيانة بالإضافة إلى التعليمات من الشركات المصنعة للمولدات الكهربائية، ومع ذلك؛ فإن هذا النوع من النهج غير مرضٍ لأنه لا يأخذ في الاعتبار قيود النظام بشكل فعال ويصبح من الصعب تطبيقه على نظام متعدد الوحدات، كما إن نظام (GMS) المثالي المخطط جيداً أمر بالغ الأهمية للتشغيل السلس والفعال لمحطة الطاقة الكهربائية.

كما أن هناك العديد من أنشطة التخطيط الأخرى قصيرة وطويلة المدى في محطة توليد الطاقة والتي تشمل التزام الوحدة وتوليد الطاقة واستيراد وتصدير الطاقة والتوسع في توليد مرفق الطاقة تتأثر بشكل مباشر بجدول الصيانة، والجدول الزمني الذي يتطلب الصيانة في الوقت المناسب لوحدات التوليد، وبالتالي زيادة العمر الافتراضي له تأثير على تأجيل الاستثمار الرأسمالي الضخم في مرافق التوليد الجديد.

طرق الحل الآنية لجدولة صيانة المولدات الكهربائية

اكتسب البحث في مشكلة (GMS) زخماً على مر السنين، بحيث يتم استخدام عدة معايير عند نمذجة مشكلة (GMS)، وذلك من خلال المعايير الأكثر شيوعاً المستخدمة هي معايير الموثوقية ومعايير التكلفة الاقتصادية، وفي بعض الحالات؛ فإنه يتم تحسين جدول صيانة المولد بناءً على معيار واحد فقط، وهو تحسين الهدف الفردي في حالات أخرى، كما أنه يتم إجراء التحسين متعدد الأهداف لإيجاد حل يأخذ في الاعتبار معايير الموثوقية والتكلفة الاقتصادية.

كذلك يتم تنفيذ نموذج جدول الصيانة ثنائي الهدف للمحطات الفرعية في أنظمة السكك الحديدية الكهربائية ومحور الطاقة بينما يكون مبدأ الجدولة ثنائية الهدف لشبكة صغيرة تتكون من موارد المد والجزر وأجهزة التخزين هي درس محايد، وفي كثير من الأحيان عندما يتم استخدام التحسين متعدد الأهداف، لذلك؛ فإن الحل سيكون بمثابة مقايضة للأهداف قيد الدراسة.

لذلك تمت صياغة نموذج (GMS) رياضياً باعتباره مشكلة تحسين اندماجية شديدة التقييد، لذلك من الضروري تنفيذ أداة تحسين مناسبة لتحديد أفضل جدول صيانة ممكن، بحيث يتم استخدام منهجيات الحلول المختلفة من أجل التحسين، كما وتشمل هذه الأساليب الرياضية التي تعتمد أساساً على البرمجة الصحيحة والبرمجة الديناميكية وتحليل الانحناءات وتقنيات الفرع والربط.

أيضاً تستخدم بعض مجموعات البرامج الدقيقة الحديثة القادرة على حل البرامج الرياضية عموماً طريقة الفرع والربط، وذلك بسبب الطبيعة الاندماجية الكبيرة لمشكلة (GMS)، لذلك؛ فإن طرق الحل الدقيق تقصر من حيث الوقت الحسابي المعقول.

وبالتالي هناك اهتمام متزايد في تطوير منهجيات الحلول التقريبية مثل الكشف عن مجريات الأمور وتقنيات الكشف عن مجريات الأمور التلوي، وذلك على عكس الطرق الرياضية، كم يمكن أن تحصل (metaheuristics) على الحل الأمثل لمشكلة معقدة بسرعة ولا تخضع لقيود مثل الخطية والاستمرارية والتفاضل والتحدب التي تواجهها البرامج الرياضية.

كما أنه لا يزال التحقيق في تطبيق تقنيات (metaheuristic) الجديدة لحل مشكلة (GMS)، وذلك مع زيادة عدد وحدات التوليد في شبكات أنظمة الطاقة، بحيث يزداد تعقيد مشكلة (GMS) يصبح من الضروري إيجاد طرق حل يمكن أن تحل وتعطي جدول صيانة ممكناً، كما أنه غالباً ما توصي الطرق التقليدية لجدولة الصيانة بإجراءات صيانة متكررة غير ضرورية والتي تكون مكلفة وإلا ستزداد مخاطر الفشل.

لذلك تم اقتراح خوارزمية تحسين بحث الوقواق ذات العدد الصحيح المنفصل لحل مشكلة (GMS)، بحيث يتم أيضاً تعديل خوارزميات ما وراء الصياغة الحالية لتحسين قدراتها في الحل، كما أنه يتم استخدام الخوارزمية الجينية المعدلة لحل مشكلة تحسين ثنائية الهدف.

الهدف من هذا الطرح هو تطوير نموذج (GMS) قوي تمت صياغته باستخدام ثلاثة أهداف وهي الموثوقية والتكلفة الاقتصادية ومخاطر التوقع (انهيار وحدة التوليد قبل وضعها في الصيانة)، كما يهدف البحث إلى نمذجة مشكلة (GMS) بطريقة شاملة حيث يتم تحسين عدة أهداف بشكل متزامن، كما إن تقليل الأهداف الثلاثة في نفس الوقت يجعل الحل موثوقاً وقوياً حيث تضمن معايير الموثوقية أن النظام ككل قادر على تلبية متطلبات الحمل من خلال تسوية الاحتياطي على مدى أفق الصيانة.

كما تضمن المعايير الاقتصادية الحد الأدنى من التكلفة في إجراء الصيانة ويسعى هدف تشغيل نظام الطاقة ومخاطر الأعطال إلى ضمان عدم تعطل كل وحدة قبل فتحة الصيانة المجدولة، خاصةً بأنه يقلل من مخاطر الاضطرار إلى تغيير الجدول الزمني في حالة تعطل المولد قبل أن يصل إلى وقت الصيانة.

فيما بعد تم استخدام هدف أمثل فردي بناءً على معيار التكلفة الاقتصادية والموثوقية على التوالي لحل (GMS) الأمثل، بحيث يتم تنفيذ نظام (GMS) ثنائي الهدف، وذلك لإيجاد حل للمقايضة بين تكلفة إنتاج الطاقة وتسوية هامش الاحتياطي (الموثوقية).

كذلك تم تقديم اقتراح لحساب (GMS) ثنائي الهدف باستخدام محاكاة التلدين (SA)، وفي هذه الدراسة تم حل مشكلة (GMS) ثلاثية الأهداف، بحيث سيساهم هذا البحث في مجال جدولة صيانة المولد وتقنيات الحلول بالطرق التالية:

• نمذجة وحل مشكلة (GMS) ثلاثية الأهداف مما يؤدي إلى الحل الأمثل الذي يقلل من الاضطرابات في جدول الصيانة بسبب الأعطال.

• إظهار فعالية (EMA) و (AIMMS) في حل مشاكل (GMS) ذات التعقيد المختلف.

• تقييم جدول الصيانة الذي تم الحصول عليه بواسطة كل معيار من معايير التحسين بشكل مستقل وتأثير كل معيار موضوعي فردي على قيمة الآخرين وعلى القيمة الإجمالية للوظيفة ثلاثية الأهداف.