نظام إدارة الطاقة الكهربائية الذكي وضبط الاستهلاك

تحليل نظام إدارة الطاقة الكهربائية الذكي وضبط الاستهلاك

زاد الطلب على الطاقة الكهربائية خلال السنوات الماضية، مما أدى إلى الحاجة إلى إيجاد مصادر جديدة لتوليد الطاقة الكهربائية أو تحسين مصادر “الطاقة الكهربائية” الحالية باستخدام الشبكات الذكية والمعدات الفعالة، بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه يجب أن يحترم هذا النمو مفاهيم التنمية المستدامة لأن مصادر توليد الطاقة الكهربائية التقليدية تستخدم موارد محدودة.

كما تشير الدراسات الحديثة إلى أن الشبكات الذكية (الموزعة الذكية) هي حل محتمل لزيادة مصداقية وجودة نظام الطاقة الكهربائية مع تقليل مخاطر انقطاع التيار الكهربائي أو المشاكل بسبب نقص الكهرباء وللتأكيد على هذه الفكرة؛ فقد ذكرت الأبحاث أنه يمكن استخدام الذكاء الاصطناعي، وذلك لأتمتة الإجراءات البشرية أو القرارات لتحسين استهلاك الطاقة والإنتاج.

كما يسمح التطور الأخير لتقنيات توليد الطاقة الكهربائية بتطوير وتكامل الحلول التي تحقق فوائد مثل توفير الطاقة والاستخدام المستدام، بحيث لا يمكن الاعتماد على شبكة الكهرباء في النموذج الحالي، كما وتوفر خسائر كبيرة في النقل ونوعية طاقة رديئة ولا تشجع على دمج مصادر الطاقة الموزعة، ومن ناحية أخرى؛ فإنه يجب أن تؤدي الحوافز العامة والأسعار الأكثر جاذبية والتركيب السريع إلى تسريع تطبيق واستخدام الأنظمة الكهروضوئية حول العالم.

ووفقاً لـ (ANEE)، وهي وكالة الطاقة الوطنية في البرازيل؛ فإنه يوجد حالياً حوالي (170.000) من المولدات الكهروضوئية الموزعة في البرازيل، بحيث يعرض الشكل التالي (1) الإسقاط من (ANEEL)، كما ويوضح الفاعلية الإجمالية المثبتة في الجيل الموزع (DG) للسنوات التالية في البرازيل، بحيث يقدم هذا المشهد نداءات جديدة، كما تم تحديده بواسطة مصطلح جديد، وهو مستهلك الطاقة (مستهلك ومنتج الكهرباء).

وعلى عكس الشبكات التقليدية، حيث تتدفق الكهرباء عموماً من المولدات الرئيسية إلى المستهلكين، وفي شبكة موزعة من المستهلكين، تتدفق القدرة الكهربائية بطريقة “ثنائية الاتجاه” ويمكن أن تختلف في الحجم والاتجاه، بحيث ستعمل الشبكة الموزعة للمستهلكين على تقليل الحمل الزائد وضرورة توسيع الأنظمة الكهربائية التقليدية والمركزية، ومع ذلك لا يزال هناك طلب لتقليل الاستهلاك والخسائر.

كما يعد الإشعاع الشمسي مصدراً متقطعاً للطاقة، ويمكن التفكير في طرق التنبؤ بالطقس القادرة على مراقبة المتغيرات المتعلقة بتحويل الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة للأنظمة الكهروضوئية لتوزيع الأحمال بشكل صحيح، بحيث يفترض أن تقنيات التعلم الآلي مثل آلة التعلم المتطرفة (ELM)والغابة العشوائية، كما تتعامل مع بيانات الطقس التاريخية التي تركز على إنشاء ملفات تعريف توليد الطاقة الكهروضوئية، لذلك تلك المعروفة باسم مؤشر الوضوح (CI)، ولتقليل حالات عدم اليقين توليد الطاقة الكهروضوئية بطريقة ذكية.

المواد والطرق الخاصة بالإدارة الذكية للطاقة الكهربائية

من بين الموضوعات الرئيسية التي تمت مناقشتها في هذا العمل؛ فإنه من الممكن تسليط الضوء على مستهلكي الطاقة والعلاقة مع (EMS) السكنية.

مفهوم المستهلك: يتحدى دمج مصادر الطاقة المتجددة في شبكات الطاقة التقليدية المشغلين والمخططين، وفي الوقت الحالي تتمتع “أنظمة الطاقة المتجددة” بطابع مبتكر، ولا سيما نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وهو مورد للطاقة النظيفة.

وعلى عكس أنظمة الطاقة التقليدية مثل محطات “الطاقة الكهرومائية والطاقة الحرارية”، حيث يمكن إرسال الطاقة وفقاً للطلب، كما يصعب تخزين المصادر المتجددة (الطاقة الشمسية وطاقة الرياح) وإرسالها، و بالإضافة إلى ذلك؛ فإن توليد مصادر الطاقة المتجددة له تباين كبير في وظيفة الظروف المناخية على الرغم من عدم وجود أنظمة تخزين معقولة وفعالة.

لذلك؛ فإن أفضل حل مالي حيوي هو استهلاك الطاقة في نفس لحظة إنتاجها، وهو بطريقة تسمى الاستهلاك الفوري، كما تحتاج الشبكة الكهربائية إلى كميات كبيرة من الطاقة الاحتياطية التقليدية وتخزين طاقة وافر، وذلك للسماح بنسبة أكبر من أماكن إقامة الطاقة المتجددة، كما يوضح الشكل التالي (2) بنية وحدة المستهلك.

لذلك تعمل الشبكة الكهربائية الذكية (IEG) وفقاً لمجموعة محددة من المتطلبات، وهي:

• التشغيل المستقل دون الاعتماد على الطاقة على الشبكات الكهربائية الخارجية.

• التشغيل بميزان عادل بين التوليد والاستهلاك.

• إمكانية تخزين الطاقة الكهربائية.

• الاستخدام السائد لمصادر الطاقة المتجددة.

• القدرة على خدمة الأحمال غير التقليدية.

• نوع جديد من حماية الشبكة يسمح بتدفق طاقة ثنائي الاتجاه.

• إدارة الطلب النشطة.

نظام إدارة الطاقة: تعد أنظمة إدارة الطاقة (EMS) أداة أساسية لأتمتة إدارة الطلب، بحيث تعتبر الحوافز المالية حالياً العامل الرئيسي الذي يحفز المستخدمين على اعتماد أنظمة التحكم في الحمل، كما تعتبر إدارة الطاقة مهمة معقدة، حيث أن ديناميكيات أنظمة الطاقة ليست خطية والتعويض لا مركزي بشكل طبيعي وتتباين متطلبات البيئة والمستخدم بمرور الوقت وموسمياً.

كذلك يمكن تقسيم الأحمال المنزلية، مثل الأجهزة المنزلية، وذلك وفقاً لنمط الاستخدام إلى:

• الأجهزة التي يتم تشغيلها وفقاً لأسلوب حياة المستخدم أو سلوكه.

• الأجهزة التي يتأثر استخدامها بالمتغيرات البيئية، مثل درجة حرارة الهواء والرطوبة.

• الأجهزة التي يتم تشغيلها اعتمادًا على حالة البطارية التي تخزن الطاقة المنتجة.

دور نظام الإدارة البيئية السكنية في إدارة الطاقة

يلعب نظام الإدارة البيئية السكنية دوراً رئيسياً في تلبية الطلب الآلي داخل المنزل، وذلك نظراً لأن معظم العملاء السكنيين لا يملكون الوقت أو يتصرفون بشكل استباقي بما يكفي لتنفيذ أفضل الممارسات الموصى بها يدوياً، بحيث يجب أن يدير مثل هذا النظام الأحمال بأقل تأثير على نمط حياة المقيم ليكون فعالاً، وفيما يلي مثال لتطبيق (EMS)، خاصةً عندما ينام السكان ليلاً؛ فإنه يمكن للغسالة أن تبدأ في العمل لأن سعر الطاقة منخفض.

كما تتناول الأبحاث المختلفة إدارة الطاقة من خلال طرق وتقنيات مختلفة، على سبيل المثال قاموا بتطبيق الخوارزمية الخاصة بهم لأداء قياس الحمل والتنبؤ به وتجميع ملفات التعريف الخاصة بهم ومدة القياس واحتمالية الحدوث، وبالتالي إنشاء التنبؤ لليوم التالي، بحيث اتخذ المؤلفون نهجاً جديداً يعتمد على خوارزمية جينية لإدارة استهلاك الأحمال المحلية.

كما أنه يتم تحديد نقطة ضبط الاستهلاك وفقاً لحالة التوليد الموزع، مما يؤدي إلى توقع تعريفة التوليد والطاقة، بحيث تهدف الإدارة المثالية إلى تقليل الحمل الطارئ مع مراعاة تفضيلات المستهلك، أي أنه إذا كان الاستهلاك أقل من حد نقطة التحديد؛ فإنه يعود النظام إلى الحالة الأولية، لذلك إذا تجاوز الاستهلاك نقطة التحديد هذه؛ فإن عملية التحسين ضرورية لتحديد الأحمال التي سيتم سحبها أو تقليلها.

أيضاً اقترح الباحثون حلاً لإدارة الطاقة يتعلم ويتكيف مع أنماط استخدام الطاقة السكنية، بحيث تجعل خوارزمية التعلم العصبية الضبابية التكيفية التي تم تطويرها في هذه الدراسة استجابات الطلب بناءً على العوامل التالية، وهي توقعات الحمل القصوى وأسعار الكهرباء التفاضلية وأنماط استخدام الطاقة والميزانية والعوامل الاجتماعية والبيئية، بالإضافة الى كمية الطاقة الشمسية المتاحة.