إدارة الاستجابة الذكية للطلب في أنظمة الشبكة الكهربائية

أهمية إدارة الاستجابة الذكية للطلب في أنظمة الشبكة الكهربائية

تم تقديم أنظمة الشبكة الذكية كحل فعال لأزمة الطاقة العالمية، ونظراً لخصائصها المتأصلة في الاتصال والتحكم والتحسين التي يمكن أن تؤدي إلى التوازن في الوقت الفعلي بين العرض والطلب على الطاقة، كما أصبحت استجابة الطلب (DR) مكوناً حيوياً وحاسماً لأنظمة الشبكة الذكية، مما يمكّن المستهلكين من التفاعل المباشر مع سوق الكهرباء من خلال تكييف استهلاكهم للكهرباء ديناميكياً بناءً على السعر المعلن وتوافر العرض.

لذلك تم اقتراح نوعين رئيسيين من الاستجابة للطلب في الدراسات، وهما (DR) المباشر أو المستند إلى السعر، حيث يقوم المستهلكون بتكييف استهلاكهم للكهرباء بشكل مباشر مع السعر المعلن، كما ويكون لشركة المرافق سيطرة مباشرة على استهلاكهم، وكذلك (DR) غير المباشر أو القائم على الحوافز، حيث يتم تقديم التسعير للمستهلكين كحافز للتكييف الطوعي لاستهلاكهم للكهرباء.

ومع تطور أنظمة الشبكة الذكية ونحو تلبية متطلبات الكهرباء، تم تستغل شركات المرافق موارد الطاقة المتجددة كحل بديل، وذلك بسبب عدم توفر الوقود الأحفوري، أيضاً يتم تشجيع المستهلكين على تركيب أنظمة توليد طاقة توربينات الرياح الصغيرة أو الخلايا الكهروضوئية على الأسطح لتغطية احتياجاتهم من الكهرباء جزئياً أو كلياً.

وعلاوة على ذلك؛ فإنه يتم تخزين فائض توليد الكهرباء من أنظمة توليد الطاقة السكنية في بطاريات قابلة لإعادة الشحن (مثل بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الإلكتروليت السائل) أو في المركبات الكهربائية (EVs)، كما يمكن شحن كلا بديلي تخزين الكهرباء في الليل عندما يكون السعر منخفضاً ويكون العرض مرتفعاً، وبينما يعاد البيع للشبكة الذكية عندما يكون الطلب على الكهرباء مرتفعاً، وبالتالي يتم تحويل المستهلكين التقليديين إلى مستهلكين؛ ليصبحوا مكوناً حاسماً في التشغيل السلس لأنظمة الشبكة الذكية.

كما تمت دراسة مشكلة إدارة الاستجابة للطلب (DRM) بدقة في الدراسات من خلال تقديم حلول موزعة أو مركزية والمحاسبة أو عدم مراعاة الخصائص السلوكية للمستهلكين وأنماط استهلاك الكهرباء، كما تم تقديم نهج نظرية لعبة (Stackelberg) الموزع بين شركة مرافق واحدة والعديد من المستهلكين، حيث يعلن الأول عن سعر الكهرباء ويقوم الآخرون بتعديل استهلاكهم للكهرباء.

تشغيل نظام الشبكة الذكية السكنية والتدوين

يعتبر نظام الشبكة الذكية السكنية يتكون من سوق الكهرباء والبنية التحتية المتقدمة للقياس ووحدة التحكم في الحمل الكهربائي ومدير الجدولة ونظام الطاقة المتجددة ونظام التخزين وعدد الأجهزة، وذلك كما هو معروض في الشكل التالي، حيث إن الطاقة المتجددة يمكن أن يتكون نظام الطاقة من الخلايا الكهروضوئية على الأسطح أو أنظمة توليد طاقة توربينات الرياح الصغيرة.

كما يتم استهلاك الكهرباء المنتجة على “المستوى السكني” لتغطية احتياجات المستهلكين، بينما يتم تخزين الفائض في نظام التخزين، لذلك يتكون الأخير من بطاريات قابلة لإعادة الشحن، مثل بطاريات الليثيوم أيون.

كما يتكون نظام الشبكة الذكية السكنية من مستهلكي N = {1،…، n،…، | N |} ويتم تقسيم الوقت إلى فترات زمنية متساوية (t، t∈T)، حيث T = {1، …، t،…، | T |} لكل مستهلك (n) مجموعة من الأجهزة  An = {1،2،…، an،…، | An |}، حيث يكون لجزء منها متطلبات كهربائية قابلة للتغيير، على سبيل المثال غسالة ومجفف وبعضها مطالب أساسية، مثل ثلاجة ونظام إنذار.

كما يُشار إلى جدول تشغيل كل جهاز بواسطة San = {s1an، s2an،…، stan،…، s | T | an}، حيث إن (stan = 1)، لذلك إذا كان الجهاز يعمل في الفتحة الزمنية (t) و (stan = 0) غير ذلك، وبالنظر إلى أن الجهاز يستهلك (EONan) عندما يعمل خلال الفترة الزمنية (t)؛ فإن استهلاك الكهرباء للمستهلك (n) مشتق على النحو (ltn = ∑an∈Anstan⋅EONan)، لذلك يتم إعطاء متجه الطلب على الكهرباء لجميع المستهلكين في الفترة الزمنية (t) على النحو التالي.

دالة المنفعة النظرية للعقد الكهربائية

فيما بعد تم اعتماد مبادئ اقتصاديات العمل باتباع نظرية العقد المقابلة لدفع نظام الشبكة الذكية السكنية المفحوصة إلى نقاط تشغيل مستقرة وفعالة، وعلى وجه التحديد تبني نظرية العقد العلاقات القائمة على اقتصاديات العمل بين الجهات الفاعلة المشاركة في نظام الشبكة الذكية السكنية، أي سوق الكهرباء والمستهلكين، كما وتحفزهم على التصرف بطريقة مفيدة للنظام ككل، وذلك من خلال توفير عقود مصممة بشكل مناسب.

واستناداً إلى النموذج النظري للعقد، يقدم صاحب العمل مكافآت شخصية للموظفين لتحفيزهم على إظهار سلوك مفيد للنظام العام، بينما يقدم الموظفون جهودهم لصاحب العمل كمبادلة، كما تُنشئ مجموعة {مكافأة ، جهد} عقداً شخصياً بين صاحب العمل وكل موظف.

لذلك إذا اتبع كلا الطرفين العقود المثلى؛ فإن النظام العام يخلص إلى وضع تشغيل مستقر وفعال، كما تم تطبيق نظرية العقد بالفعل في العديد من المجالات، مثل شبكات المركبات ومخططات الشحن المثلى للمركبات الكهربائية في أنظمة الشبكة الذكية، حيث إن التعلم الموحد في شبكات المحمول وأنظمة السلامة العامة والمعرفة شبكات الراديو.

كما أن الأساس المنطقي وراء تطبيق مبادئ نظرية العقد، بالإضافة إلى حداثة نهج إدارة الاستجابة للطلب النظري للعقد المقترح؛ يكمن في ملاحظة أن معاملة المستهلكين بطريقة شخصية يمكن أن تحسن بشكل مشترك ربح سوق الكهرباء، وكذلك كأرباح للمستهلكين على وجه التحديد، لذلك يمكّن نهج (DRM) النظري للعقد سوق الكهرباء من تحفيز المستهلكين على شراء كمية مثالية شخصية من الكهرباء بالسعر المعلن، وذلك مع استغلال خصائص توليد الكهرباء والاستهلاك الشخصية الخاصة بهم.

وضمن نظام الشبكة الذكية السكنية التي تم فحصها، يعمل المستهلكون كـ “موظفين” يقدمون “جهودهم” لسوق الكهرباء، وهذا الأخير بمثابة “صاحب عمل” يقدم مكافأة شخصية (rtn = tn⋅qtn) للمستهلك، حيث أن المعنى المادي لهذه الصيغة هو أن المستهلك من خلال شراء كمية الكهرباء العادية (qtn) من سوق الكهرباء؛ فإنه سيدفع مبلغ (pt⋅qtn) لسوق الكهرباء، حيث pt∈ (0،1] هو السعر بدون وحدة وحدة الكهرباء.

وبالتالي، سيحقق سوق الكهرباء ربحاً من شراء المستهلكين، ومن ناحية أخرى يجب على سوق الكهرباء تحفيز المستهلكين على شراء الكهرباء بالسعر المعلن خلال الفترة الزمنية (t)، وبالتالي؛ فإنه يقدم مكافأة شخصية (rtn) بما يتناسب مع الكهرباء المشتراة، وذلك مع احتساب نوعها (τtn) داخل نظام الشبكة الكهربائية الذكية.

المرفق الخاص بسوق الكهرباء

يوجد في سوق الكهرباء معلومات جزئية أو حتى لا توجد معلومات متاحة بشأن أنواع المستهلكين، وبالتالي من خلال تقديم مكافآت مصممة بشكل مناسب (rtn ، ∀n∈Ntbuy)، وذلك لتحفيز المستهلكين على شراء الكهرباء بالسعر المعلن، كما يهدف إلى الكشف ضمنياً عن أنواعهم، وبالتالي استهلاكهم للكهرباء وخصائص التوليد، لذلك يقدر سوق الكهرباء أنواع المستهلكين المحليين مع احتمال (Prtn)، حيث أن (∑n = 1 | Ntbuy | Prtn = 1)، وبالتالي؛ فإن حساب مرفق سوق الكهرباء للمستهلكين الذين يشترون الكهرباء يتم تعريفه على النحو التالي:

حيث أن [qt = (qt1، qt2،…، qtn، … qt | Ntbuy |)] هو ناقل الكهرباء المشتراة الطبيعي لـ | Ntbuy | المستهلكون الذين يشترون الكهرباء في الفتحة الزمنية ذات المعنى المادي للمكافئ.