تصميم وتقييم الأداء لنظام إدارة الطاقة الكهربائية الذكية

الهدف من تصميم وتقييم الأداء لنظام إدارة الطاقة الكهربائية الذكية

شبكة الطاقة أو الشبكة الكهربائية (EG) هي بنية تحتية مترابطة توفر الكهرباء للمستهلكين من المنتجين، بحيث تم إنشاء الشبكة الكهربائية التقليدية (TEG) على مدار (100) عام دون أي تحسينات كبيرة في بنيتها التحتية الأساسية، وعلى الرغم من حقيقة أن استخدام الكهرباء واحتياجاتها قد ازداد بشكل كبير منذ العقود القليلة الماضية مما يستلزم إدارة ومراقبة فعالة لاستهلاك الكهرباء وكذلك الإنتاج على نطاق أوسع.

في عام (2021م)، زاد الطلب العالمي على الطاقة بنسبة (4.6٪) مقارنة بالعام الذي يسبقه، أي عام (2020)، ومع زيادة الطلب على الكهرباء، تضاعفت أيضاً التحديات المصاحبة في مصر، مثل فصل الأحمال وقضايا الطاقة المتكررة ونقاط الضعف البيئية، بحيث تتفاقم هذه المشكلات خاصة في البلدان النامية، حيث يوجد اختلال كبير في التوازن بين الطلب على الطاقة وتوليدها، وذلك فضلاً عن ارتفاع في فقدان الطاقة بسبب سوء الإدارة.

على سبيل المثال، لذلك زاد الطلب على الطاقة في باكستان بشكل كبير خلال السنوات القليلة الماضية سنوات ويستمر في الارتفاع، وبحلول عام (2030م)، يقدر إجمالي الطلب على الكهرباء بـ (115000) ميغاوات، في حين أن قدرة التوليد الكهربائي لم تواكب الطلب المتزايد في السنوات الأخيرة، ومما أدى إلى عجز حاد في الطاقة الكهربائية، حيث يبلغ متوسط ​​نقص الكهرباء في باكستان حوالي (6500) ميغاوات، ومن المتوقع أن يتفاقم في السنوات القادمة.

علاوة على ذلك، هناك أوجه قصور تشغيلية كبيرة داخل النظام، بحيث تعتبر سرقة الكهرباء شائعة في معظم مناطق شبكة توزيع الكهرباء، كما ويمثل متوسط ​​خسائر الخطوط (18.7٪) من إجمالي التوليد في الدولة، وكعلاج للتحديات المذكورة أعلاه، يلزم إجراء تحول جوهري في (TEG)، وهي الشبكة الذكية (SG) هي تطور تكنولوجي لـ (TEG) من حيث تلبية متطلبات الطاقة المستقبلية .

كذلك تسهل (SG) مراقبة الوقت الحقيقي (RT) لمصانع الكهرباء باستخدام التقنيات الرقمية والاتصالات المتقدمة ثنائية الاتجاه لتحديد والاستجابة للتغيرات في استهلاك الكهرباء من أجل إحداث ثورة في توزيع الطاقة ومكونات النقل والتوليد في (TEG) ، بحيث يتم عرض البنية الأساسية لـ (SG) إلى جانب وظائفها في الشكل التالي (1)، بينما يميز الشكل التالي (2) (TEG) عن (SG) من حيث مجالاتها المختلفة.

التقنيات الخاصة بالقيادة والتحكم الكهربائي الخاص بالمستهلك

(DSM) عبارة عن مجموعة من التقنيات المستخدمة لتحسين وتنظيم نظام الطاقة من خلال قيادة وتحكم (RT) على مستوى المستهلك، كما تظهر تقنيات (DSM) في الشكل التالي (3)، حيث النشر الفعال والناجح لخطط (DSM) يغير أنماط استهلاك الطاقة، مما يؤثر بشكل أكبر على الحمل الإجمالي لشركة إمداد الطاقة.

لذلك تتسبب استراتيجية (DSM) الفعالة في حدوث تغييرات مرغوبة في ملفات تعريف أحمال المستهلك (LPs) وتغيير الحد الأقصى للطلب (MD) لشبكة توزيع الكهرباء من خلال تنظيم أنماط استخدام المستهلك للطاقة مما يؤدي أيضًا إلى انخفاض أسعار الكهرباء.

كما يُعد (DSM) طريقة أرخص لتوفير كفاءة الطاقة، خاصة بالنسبة للبلدان النامية حيث لا يعد التحول الكامل للبنية التحتية من (TEG) إلى (SG) حلاً قابلاً للتطبيق بسبب التكلفة الهائلة، وفقاً لتقرير صادر عن المركز الباكستاني لتطوير السلام والإصلاحات (CPDR)؛ فإنه يمكن أن يوفر (DSM 17٪) من إجمالي الطاقة في باكستان.

مراجعة لأهم الدراسات العلمية الخاصة بالشبكة الكهربائية الذكية

أولاً نقوم معظم الدراسات بفحص العمل على أهمية (DSM) في (SG) والتصنيفات العديدة لـ (DSM) ومكوناته الرئيسية، مثل (SEMS)، وبعد ذلك نقوم بتحليل بعض المساهمات الهامة في تصميم وتنفيذ نظام (SEMS)، كما يتم مراقبة وقياس استهلاك الطاقة في (SE)، وذلك بواسطة أجهزة مختلفة تتواصل مع مركز البيانات لجمع وتوفير الوصول إلى المعلومات لكل من الموردين والمستهلكين.

كما يتيح ذلك للمستخدمين مراقبة استهلاكهم للكهرباء، أيضاً يتيح أتمتة العديد من الأجهزة من أجل الحفاظ على استخدامهم للكهرباء قابلاً للتطبيق، ومن ناحية أخرى، يمكن لموردي الكهرباء التحكم في (MD) في مصر عن طريق تحويل الكهرباء إلى المواقع والمرافق عند الحاجة، لا سيما عند توفر مصادر الطاقة الموزعة (DERs).

كما تم إنشاء (SEMS) نتيجة لهذه الأنظمة الذكية.، وذبك على عكس أنظمة (DSM) التقليدية، كما يجب أن يكون (DSM) من أجل (SG) المستقبلي مؤتمتاً بالكامل وأن يبني على تقنيات اتصالات حديثة موثوقة وآمنة، حيث لا يساعد (DSM) المؤتمت بالكامل الموردين في تقليل إهدار الطاقة والسرقة فحسب؛ بل يساعد أيضاً المستهلكين في تقليل استخدامهم للطاقة وفواتيرهم.

يدرس الباحثون مناهج (DSM) الفعالة لإدارة الطاقة لتقليل نسبة الذروة إلى المتوسط ​​(PAR) لاستخدام الكهرباء من (EG)، بحيث يعتمد نهجهم على نظرية اللعبة والخوارزمية الجينية. إنهم يحققون في الظروف الجوية وأسعار الكهرباء وأنماط استخدام الطاقة للمستهلكين وعوامل مختلفة لتحديد استراتيجية مناسبة للتحكم في الحمل لتلبية (MD).

وأخيراً يتطور الدليل التشخيصي والإحصائي (DSM) كمكون رئيسي، بحيث يشير إلى الأساليب والخوارزميات المختلفة لتغيير طلب الطاقة لدى العملاء بحيث يمكن تقليل فقد الطاقة، حيث أن أحد المكونات الحيوية في (DSM) هو (SEMS) البسيط والموثوق والفعال الذي يراقب بيانات الطلب على الكهرباء للعملاء ويقدم مزودي الخدمة للمستخدمين والموردين.

كما يمكن للموردين استخدام هذه البيانات لتصميم مناهج فعالة للاسترجاع والتحكم في توليد الطاقة بكفاءة، في حين يمكن للعملاء تغيير سلوكيات استهلاك الطاقة لتقليل هدر الطاقة، بحيث تعد (SMs) مكونات أساسية لنظام الإدارة البيئية ومنصة الاتصال في (SG).

بحيث تركز هذه الدراسة على التصميم والنشر والتنفيذ وتقييم أداء (RT) لنظام (SEMS) القائم على إنترنت الأشياء، كما يغرس العمل وحدة البرامج الوسيطة لـ (IoT و SMs)، وذلك للإدارة وتحليل البيانات الفعال، كما يقوم بتجميع البيانات ونقلها إلى طبقة (CA) التي توفر للمستهلكين إحصاءات استهلاك الطاقة اليومية وبالساعة من خلال واجهة برمجة التطبيقات باستخدام بروتوكولات الاتصال الخاصة بإنترنت الأشياء.

لذلك تعمل (SEMS) المقترحة عبر الإنترنت وتوفر أيضاً (RT-LPs) للعملاء والموردين عن بُعد، كما يتم تثبيت الحل المقترح وتقييمه في (4) أماكن مختلفة عند طرف المستخدم، والتي يمكنها توصيل الأوامر وكذلك مراقبة كفاءة الكهرباء التي توفرها المرافق، كما يمكن استخدام إطار الحل المقترح في أي منشأة تتطلب استهلاك طاقة (RT).

وفي العادة، يتحقق العملاء يدوياً من استخدامهم للكهرباء ويعتمدون على القياسات غير الفعالة التي يقوم بها موظفو المرافق، بحيث أصبحت الكمية الدقيقة لاستهلاك الطاقة بالإضافة إلى وعي العملاء باستخدام الطاقة من التحديات الناشئة المهمة، كما يوفر هذا العمل معرفة وأهمية استخدام (SMs) للمستخدمين بحيث يمكنهم مراقبة استخدام الطاقة والحفاظ عليه، ومع وجود بيانات صحيحة عن استخدام الطاقة؛ سيتمكنون في النهاية من تقليل استهلاكهم للطاقة، وبالتالي توفير المال والطاقة.