الاستجابة الذكية للطلب على الطاقة الكهربائية الصناعية

ضرورة الاستجابة الذكية للطلب على الطاقة الكهربائية الصناعية

يوفر التطوير المستمر للشبكة الذكية الدعم الفني للتشغيل الكامل لموارد استجابة الطلب (DR)، حيث يستطيع العملاء تعديل نمط استهلاكهم للطاقة بشكل فعال، وذلك كواحد من أكثر الحلول الواعدة للتخلص من ضغوط أنظمة الطاقة الكهربائية، وحتى الآن كان هناك عدد كبير من الدراسات حول تطبيق تقنيات الشبكة الذكية على المستهلكين السكنيين والتجاريين، ولكن تم إجراء دراسات أقل نسبياً في القطاعات الصناعية.

ويرجع ذلك أساساً إلى أن إمكانات الشبكات الذكية للقطاعات الصناعية لم يتم استغلالها بالكامل، لا سيما في خلفية الشبكة الذكية مع العديد من التقنيات الجديدة التي تم تطويرها، وذلك كما هو موضح لاحقاً، وبالمقارنة مع قطاعات العملاء الأخرى؛ فإن المنشآت الصناعية أقل مشاركة في التعريف والتقييس وأعمال البحث المتعلقة بالشبكات الذكية.

ومن ناحية أخرى؛ فإن المنشآت الصناعية كثيفة الاستخدام للطاقة واستهلكت الصناعة في الصين ما يقرب من 70٪ من الكهرباء بحلول عام 2017م، ومع استمرار نمو استهلاك الكهرباء في العالم، تواجه أنظمة الطاقة التقليدية قيوداً، وذلك مثل عدم كفاية قدرة المحولات الكهربائية، لذلك؛ فإن تنفيذ (DR) في القطاعات الصناعية ينطوي على إمكانات وأهمية كبيرة بالنسبة للمنشآت الصناعية، بحيث يمكن تقليل استهلاك الطاقة وتكاليفها مع زيادة كفاءة الطاقة، وبالنسبة لأنظمة الطاقة يمكن تعزيز السلامة والموثوقية.

ومع ذلك في بعض الجوانب، يكون تنفيذ (DR) للمرافق الصناعية أكثر تعقيدًا من تلك السكنية والتجارية لأنه يجب مراعاة العديد من العوامل في تحليل الكهرباء للعمليات الصناعية، مثل الاستمرارية بين العمليات الصناعية والتدفق بين المواد؛ فقد قدم “دينج وهونج” طريقة تعتمد على شبكة مهام الدولة (STN) لتنفيذ (DR) في جانب المستخدم الصناعي، والذي يناسب المنشآت الصناعية الفعلية جيداً.

كما تم اقتراح هيكلاً رياضياً لتحقيق التحكم الأمثل في الحمل للمنشآت الصناعية، بحيث تم اعتبار مصفاة النفط كمثال لتوضيح الخصائص الفريدة للعمليات الصناعية، لذلك تم ادخال مزيداً من التحسينات في أربعة جوانب بناءً على عمل، وذلك مع مراعاة عوامل الشبكة الذكية.

ولاحقاً تم وصف خوارزمية للتحكم في الحمل الكهربائي الصناعي، ولكن مع تجاهل بعض الميزات المهمة للمنشآت الصناعية؛ فإنه تم اقتراح مخطط (DR) الصناعي للعمليات الصناعية على أساس (STN)، وذلك مع الاستفادة الكاملة من أنظمة توليد أو تخزين الطاقة الكهربائية، بحيث تم التحقق من الطريقة المقترحة في حالة مرافق توليد الأكسجين.

المشكلة المتعلقة بالطاقة الكهربائية الصناعية وإطار IIEM

إطار عمل (IIEM) مع (DR)

يظهر إطار عمل (IIEM) مع (DR) في الشكل التالي (1):

يستقبل نظام IIEM (IIEMS) الموضح في الشكل السابق إشارات أسعار الكهرباء من مرفق الطاقة ويقوم بجدولة الطلب على الكهرباء للمنشأة الصناعية باستخدام أفضل مخططات (DR) باستخدام الخوارزميات المضمنة، كما يتكون الطلب من العمليات الصناعية ذات المهام المختلفة والأجهزة منخفضة الكربون، مثل الكهروضوئية والمركبات الكهربائية والأحمال التي يتم التحكم فيها حرارياً.

كذلك مثل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) مع نظام (CWS) والأحمال الثابتة، مثل الإضاءة وأجهزة الكمبيوتر، لذلك كل من توليد الطاقة الكهروضوئية وتفريغها من المركبات الكهربائية قادران على العمل كمصادر للطاقة لكل أو جزء من المنشأة الصناعية، كما يمكن للمنشأة الصناعية أيضًاً بيع الطاقة الزائدة للمرفق إلى جانب القوة الشرائية من الشبكة الكهربائية الرئيسية.

نمذجة العمليات الصناعية

تم اقتراح إطار عمل (STN) لأول مرة من أجل التعامل مع مصانع كيميائية متعددة المنتجات واستخدم أيضاً لإجراء دراسات (DR) لتصنيع الصلب ومرافق توليد الأكسجين، كما يصف إطار عمل (STN) مرفقاً صناعياً كعقد مهام متصلة بالشبكة وعقد حالة، بحيث تمثل العمليات الصناعية والمواد المعنية على التوالي، لذلك يصوغ إطار عمل (STN) المنشآت الصناعية بطريقة عامة، وبالتالي لديها القدرة على تطبيقها على نموذج العديد من المنشآت الصناعية الأخرى.

وهنا يتم استخدام إطار عمل (STN) لوصف العمليات الصناعية، كما أنه يتم تمثيل مشكلة الجدولة بالوقت المنفصل، حيث يتم تقسيم أفق الجدولة إلى فترات زمنية متساوية معبر عنها بـ (Δt)، حيث من المفترض أن تكون المعطيات الزمنية المستخدمة ثابتة في كل فترة زمنية، بحيث يمكن لكل لحظة أن تمثل كل فترة زمنية (t ، t + 1).

نمذجة الحمل المتحكم فيها حرارياً

معادلة التوازن الديناميكي الحراري للمنشأة الصناعية: تم بناء (TCLs) في المنشآت الصناعية لضمان جودة المنتج والتشغيل الآمن لمعدات الإنتاج والظروف البيئية الضرورية، وذلك وفقاً لمواصفات تصميم (HVAC)، بحيث يمكن التعبير عن قيد درجة الحرارة في المصنع في الفتحة الزمنية (t) كـ:

حيث أن:

(θin، t): هي درجة الحرارة في النبات.

(θdownin ، upin): هما الحدين الأدنى والأعلى لدرجة حرارة المصنع الصناعي في كل فترة زمنية.

نموذج (EV) مع تقنية (V2G)

يمكن للمركبات الكهربائية المزودة بتقنية (V2G) توفير الطاقة للمنشأة الصناعية أو الشبكة الرئيسية أثناء وقوفها في المنشآت الصناعية، لذلك قد يؤدي التغيير أو التفريغ المعقول للمركبات الكهربائية إلى تقليل تكاليف المنشأة الصناعية، وبالنسبة للصناعة ذات التحولات (N)؛ فإنه يُفترض أن يكون عدد العمال (W) ثابتاً في كل وردية (n)، كما أنه يمكن صياغة عدد المركبات الكهربائية في كل فترة زمنية على هيئة:

حيث أن (ηev) هي بمثابة نسبة العمال الذين يستخدمون المركبات الكهربائية كوسيلة للنقل.

وأخيراً فقد تم اقتراح إطار عمل (IIEM) جديد قائم على التحسين للمرافق الصناعية مع توليد الطاقة الكهروضوئية وإمكانات (DR)، بحيث يشتمل إطار العمل على وحدات متعددة، بما في ذلك العمليات الصناعية على غرار طريقة (STN) ونظام (HVAC) مع (CWS) مثل (TCLs) والألواح الكهروضوئية كتوليد موزع متجدد و (EVs) بقدرة (V2G).

كما ترتبط الوحدات النمطية ارتباطاً وثيقاً ببعضها البعض من خلال العوامل، مثل عدد العمال وتحتوي على قدر كبير من المرونة لاستخدامها، كما تمت صياغة (IIEM) مع (DR) كمشكلة (MILP)، والحل الذي تم الحصول عليه ينتج خطط تشغيل مثالية للمنشآت الصناعية.

أيضاً تم إجراء دراسات الحالة في منشأة عامة لتصنيع الإطارات مع تصميم ثلاثة سيناريوهات، بحيث تم عرض ومقارنة متطلبات وتكاليف الكهرباء لأجزاء مختلفة من المنشأة، كما أثبتت نتائج المحاكاة أن (IIEM) المقترح مع (DR) قادر على الاستفادة بشكل فعال من المرونة الموجودة في جميع أجزاء المنشأة وتقليل تكاليف الكهرباء بالإضافة إلى ذروة الطلب للمنشأة، وذلك مع تلبية جميع قيود التشغيل.

لذلك يتمتع (IIEM) المقترح بإمكانية تعميم جيدة ويمكن تطبيقه على العديد من المنشآت الصناعية الأخرى إلى جانب مرافق تصنيع الإطارات، بحيث يعود السبب بشكل أساسي إلى ثلاثة أضعاف، وهي:

• نموذج (STN) المستخدم في المستحضر له قابلية تعميم جيدة، والتي تم تطبيقها بالفعل في المصانع الكيميائية والصناعات الدوائية ومرافق تصنيع الصلب ومرافق توليد الأكسجين مصانع تصنيع مقاعد السيارات.

• تختلف نماذج المركبات الكهربائية وتوليد الطاقة الكهروضوئية و (TCLs) باختلاف المنشآت الصناعية، لذا فإن النماذج المستخدمة في (IIEM) المقترحة قابلة للتطبيق بشكل طبيعي.

• يحسن (IIEM) المقترح فاتورة الكهرباء في مخطط (TOUP)، والذي تم اعتماده على نطاق واسع في العديد من البلدان والمناطق في جميع أنحاء العالم.