A Coalitional Game for Demand-Side Management in a Micro-Grid with Multiple Electricity Retailers

في الشبكة الكهربائية الحديثة، لم يعد تدفق الطاقة مساراً باتجاه واحد من محطة طاقة ضخمة إلى منزل سلبي. ففي مستوى التوزيع، حيث تتصل الأسلاك بالأحياء، ظهرت ديناميكية جديدة. إذ أصبح المستهلكون مشاركين نشطين، قادرين على تغيير أوقات استخدامهم للكهرباء بناءً على إشارات الأسعار، بينما تتنافس شركات بيع التجزئة المحلية لجذب هؤلاء المستخدمين. هذا التفاعل، المعروف باسم إدارة جانب الطلب، يعتمد على فكرة أنه إذا تغيرت الأسعار، فسيقوم الناس بتعديل عاداتهم، مما يساعد في موازنة الشبكة. ومع ذلك، يظل هناك سؤال جوهري: كيف تقرر شركات التجزئة المتنافسة المتعددة أي العملاء ستخدم، وكيف يقرر هؤلاء العملاء أي شركة تجزئة يختارون؟ وفي عالم تقدم فيه مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية حالة من عدم اليقين، فإن الافتراض التقليدي بأن هذه العلاقات ثابتة لم يعد قائماً. ويتمثل التحدي في إيجاد طريقة لتنظيم هذه المجموعات المتنافسة بكفاءة، بما يضمن حصول الجميع على صفقة عادلة مع الحفاظ على استقرار الشبكة.

لقد تصدى فريق من الباحثين لهذه المشكلة المعقدة في التنسيق من خلال النظر إلى التفاعل بين شركات بيع التجزئة وعملائها كـ "لعبة تشكيل تحالفات". وبدلاً من معاملة تخصيص العملاء لشركات التجزئة كحقيقة ثابتة، عاملوها كقرار يمكن تحسينه جنباً إلى جنب مع سعر الكهرباء وكمية الطاقة المستهلكة. لقد تخيلوا سيناريو تتنافس فيه عدة شركات تجزئة في شبكة دقيقة محلية (micro-grid)، وهي شبكة صغيرة النطاق يمكنها العمل بشكل مستقل أو جنباً إلى جنب مع الشبكة الرئيسية. في هذا الإعداد، تسعى كل شركة تجزئة لتعظيم ربحها، بينما يسعى كل مستهلك لتعظيم فائدته الخاصة، وهي القيمة التي يحصل عليها من استخدام الكهرباء ناقصاً التكلفة التي يدفعها. وأدرك الباحثون أن هذين الهدفين مترابطان بعمق؛ فالسعر الذي تحدده شركة التجزئة يعتمد على هوية عملائها، واختيار العملاء لشركة التجزئة يعتمد على السعر.

ولحل ذلك، طور المؤلفون إطاراً رياضياً يعامل تجميع شركات التجزية والمستهلكين كـ "لعبة تحالفية". في هذه اللعبة، يكون التحالف ببساطة عبارة عن شركة تجزئة ومجموعة محددة من العملاء الذين جذبتهم. اقترح الباحثون خوارزمية تسمح لهذه المجموعات بالتشكل وإعادة التشكل بشكل تكراري. تعمل العملية كسلسلة من التعديلات الصغيرة: قد ينتقل عميل من شركة تجزئة إلى أخرى إذا كان ذلك يحسن النتيجة الإجمالية لجميع المعنيين في تلك المجموعة المحددة. تتحقق الخوارزمية مما إذا كانت هذه الخطوة تزيد من الرفاهية المشتركة لشركة التجزئة والمستهلكين. إذا فعلت ذلك، يتم الانتقال. وإذا لم يستطع أي عميل بمفرده الانتقال إلى شركة تجزئة أخرى لتحسين الوضع، فإن النظام يصل إلى حالة مستقرة. وقد أثبت الباحثون أن هذه العملية لا تستمر إلى الأبد؛ بل من المضمون أن تتوقف بعد عدد محدد من الخطوات، لتستقر في تكوين حيث لا يوجد لدى أي مشارق منفرد حافز لتغيير ترتيبه.

وجدت الدراسة أن هذه الطريقة تنجح في تحديد مجموعة من الترتيبات المستقرة حيث يتم التوازن بين الأهداف المتنافسة للربح ورفاهية المستهلك. ومن خلال إجراء عمليات محاكاة على شبكة نظرية تضم ثلاث شركات تجزئة وخمسة مستهلكين، أظهر الفريق أن الخوارزمية تتقارب باستمرار نحو هذه الحالات المستقرة. كما أظهروا أن الترتيبات النهائية تمثل "جبهة باريتو" (Pareto frontier)، وهو مفهوم يعني أنه لا يمكنك جعل شخص ما في وضع أفضل دون جعل شخص آخر في وضع أسوأ. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، أنتجت الخوارزمية نتائج مستقرة مختلفة اعتماداً على الوزن المعطى لأرباح شركات التجزئة مقابل توفير المستهلكين، مما رسم فعلياً مختلف المقايضات المتاحة في السوق. وهذا يوفر طريقة واضحة وقابلة للتطبيق لتحليل كيفية تعايش المنافسة والتعاون في سوق طاقة معقدة.

وبعيداً عن مجرد إيجاد سعر ثابت وقائمة عملاء، استكشف الباحثون أيضاً كيف يتعامل هذا النظام مع المخاطر. في العالم الحقيقي، كمية الطاقة التي تستخدمها مجموعة من الناس ليست متوقعة بدقة؛ فهي تتقلب. وقد وسع الفريق نموذجهم ليشمل عدم اليقين هذا، باستخدام مقياس إحصائي يُعرف باسم "القيمة المشروطة للمخاطرة" (conditional value-at-risk) للحذر من احتمال استخدام المجموعة طاقة أكثر مما يمكن لشركة التجزئة توفيره بأمان. ووجدوا أنه عندما يتحد المستهلكون في تحالف، فإن المخاطرة الإحصائية لإجهاد النظام تنخفض. يحدث هذا لأن التقلبات العشوائية في الاستخدام الفردي تميل إلى إلغاء بعضها البعض عند متوسطها عبر مجموعة. وأظهرت الخوارزمية أنه حتى عندما تكون المخاطرة عاملاً مؤثراً، فإن النظام يتطور طبيعياً نحو تقسيم مستقر حيث يتم تقليل خطر انتهاكات السعة إلى الحد الأدنى، وحيث لا يمكن لأي مستهلك بمفرده تقليل مخاطر المجموعة عن طريق الانتقال إلى شركة تجزئة أخرى بمفرده.

تقدم نتائج هذا العمل طريقة جديدة للتفكير في أسواق الطاقة. فهي تتجاوز فكرة أن الأسعار وتخصيصات العملاء ثابتة أو محددة من قبل سلطة مركزية. بدلاً من ذلك، تظهر أن عملية لامركزية، حيث تتفاعل شركات التجزئة والمستهلكون ويعدلون علاقاتهم، يمكن أن تؤدي بشكل طبيعي إلى نتائج فعالة ومستقرة. وتشير الدراسة إلى أنه في مستقبل يضم العديد من مزودي الطاقة المتنافسين ومصادر طاقة متجددة غير مستقرة، يمكن للسوق أن ينظم نفسه ذاتياً في مجموعات تتشارك المخاطر وتحسن التكاليف دون الحاجة إلى كيان واحد يملي كل خطوة. وتؤكد عمليات المحاكاة أن مثل هذا النظام ليس سليماً من الناحية النظرية فحسب، بل هو قابل للحوسبة عملياً، مما يوفر أداة قوية لتصميم الجيل القادم من شبكات الطاقة الذكية حيث تعمل المنافسة والتعاون يداً بيد.