Fair Dynamic Operating Envelopes using Distributed Multi-Period Optimal Power Flow and Jain Index for Active Distribution Networks

تشهد شبكة الكهرباء التي تغذي منازلنا وأعمالنا ثورة هادئة. لعقود من الزمن، صُممت هذه الشبكات كطرق ذات اتجاه واحد، حيث تُرسل الطاقة من محطات توليد مركزية ضخمة إلى مستهلكين سلبيين. ومع ذلك، تحول اليوم ملايين المنازل والشركات إلى "منتجين ومستهلكين" (prosumers)، حيث يولدون كهرباءهم الخاصة عبر الألواح الشمسية فوق الأسطح وتوربينات الرياح، ويخزنونها في البطاريات. هذا التحول يحول الشبكة إلى نظام معقد ثنائي الاتجاه، حيث تتدفق الطاقة في اتجاهات متعددة في آن واحد. وبينما يعد هذا انتصاراً للطاقة المتجددة، فإنه يخلق تحدياً جديداً: إذ يمكن لتدفق الكثير من الطاقة في المكان الخاطئ وفي الوقت الخاطئ أن يؤدي إلى تحميل زائد على الأسلاك وإتلاف النظام. ولإدارة ذلك، يستخدم مشغلو الشبكة "أظرفة التشغيل الديناميكية"، وهي في الأساس حدود متغيرة زمنياً لكمية الكهرباء التي يمكن للمنتج والمستهلك إرسالها عائدة إلى الشبكة. فإذا كانت منطقة ما تستقبل بالفعل الكثير من الطاقة الشمسية، يتم تضييق الظرف، مما يوجه بعض المولدات إلى التراجع عن الإنتاج. تكم-ن المشكلة في أن هذه الحدود كانت تُحدد تقليدياً بناءً على أسس تقنية بحتة، مما يعني غالباً أن الأشخاص الذين يعيشون في نهاية خط طاقة طويل يتعرضون لقيود أكثر صرامة من أولئك القريبين من المحطة الفرعية، وذلك ببساطة بسبب موقعهم. وهذا يخلق وضعاً غير عادل حيث يُجبر بعض الجيران على إهدار طاقتهم النظيفة بينما يُسمح للآخرين ببيع كل طاقتهم، مما يثير تساؤلات حول العدالة في عملية التحول الطاقي.

لقد طور باحثون في الجامعة الفيدرالية في بارانا بالبرازيل طريقة جديدة لحل هذه المشكلة، حيث ابتكروا نظاماً يوازن بين السلامة الفيزيائية للشبكة وبين شعور حقيقي بالعدالة. نهجهم، الذي تم اختباره على نسخة محاكاة لشبكة كهربائية قياسية، يفصل بين الحدود التقنية للشبكة والهدف الاجتماعي المتمثل في العدالة. أولاً، يقومون بحساب أقصى قدر من الطاقة يمكن للشبكة تحملها فيزيائياً دون أن تتعطل، وهو سقف تقني بحت. ثم يطبقون طبقة ثانية من المنطق تعيد توزيع هذه السعة. وبدلاً من ترك فيزياء الشبكة تقرر من سيتم قطع التيار عنه، ينظر نظامهم إلى تاريخ الإنتاج والتقليص (curtailment) ليوم كامل. إنه يضمن عدم معاقبة أي منتج ومستهلك بشكل غير عادل بمرور الوقت من خلال وضع حد لإجمالي كمية الطاقة التي يُجبر أي شخص على إهدارها. ويتحقق ذلك من خلال عملية مكونة من مرحلتين: أولاً، يحدد النظام الحدود التقنية الآمنة، وثانياً، يقوم بتعديل الحدود الفردية بحيث يتم توزيع عبء تقليل الطاقة بشكل أكثر مساواة بين جميع المشاركين، حتى لو كان ذلك يعني إهدار كمية أكبر قليلاً من إجمالي الطاقة بشكل عام لتحقيق هذا التوازن.

اختبر الباحثون هذا الإطار على نموذج لمغذٍ شعاعي مكون من 33 ناقلاً (33-bus radial feeder)، وهو شبكة اختبار قياسية تُستخدم لمحاكاة نظام توزيع محلي نموذجي، على مدار دورة كاملة مدتها 24 ساعة. وفي عمليات المحاكاة الخاصة بهم، أدخلوا سيناريوهات متنوعة، بما في ذلك أيام ذات إنتاج شمسي مرتفع، ورياح عالية، وطلب متذبذب، مع مراعاة وجود أنظمة تخزين البطاريات التي يمكنها نقل الطاقة من فترات الظهيرة المشمسة إلى المساء الغائم. وأظهرت النتائج وجود مقايضة واضحة. فعندما استخدم الباحثون الطريقة التقنية التقليدية فقط، قامت الشبكة بتقليص، أو إهدار، حوالي 2.11 ميجاوات ساعة من الطاقة المتجددة على مدار اليوم. ومع ذلك، عندما طبقوا قواعد العدالة الجديدة الخاصة بهم، ارتفع إجمالي الطاقة المهدرة إلى 5.72 ميجاوات ساعة. قد يبدو هذا نتيجة سلبية للوهلة الأولى، لكن طبيعة هذا الهدر تغيرت بشكل جذري. ففي ظل الطريقة القديمة، كان الهدر غير متوازن، حيث فقد بعض المنتجين والمستهلكين كل طاقتهم المحتملة تقريباً بينما لم يفقد آخرون سوى القليل جداً. أما في ظل الطريقة الجديدة، فقد تم توزيع الهدر بشكل أكثر توازناً بكثير. وقد قاس الباحثون ذلك باستخدام مقياس قياسي للمساواة يُعرف باسم "مؤشر جين للعدالة" (Jain fairness index)، والذي وصل إلى قيم قريبة جداً من الواحد، مما يشير إلى مساواة شبه مثالية في كيفية توزيع العبء. كما تم تحديد الحد الأقصى التراكمي لكمية الطاقة التي أُجبر أي منتج ومستهلك على التخلي عنها عند 11.20 بالمائة فقط من إنتاجه المتاح.

والأهم من ذلك، أثبتت الدراسة أن هذه العدالة يمكن تحقيقها دون كسر الشبكة. استخدم الباحثون تقنية رياضية متطرفة لحل المشكلة عبر أجزاء مختلفة من الشبكة في وقت واحد، مما يضمن أن الحدود المقترحة ممكنة فيزيائياً. ثم تحققوا من نتائجهم باستخدام نموذج أكثر تعقيداً وواقعية لتدفق الكهرباء للتأكد من أن مستويات الجهد ظلت مستقرة ولم تسخن الأسلاك بشكل مفرط. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه حتى مع القيود الأكثر صرامة وعدالة، ظلت مستويات الجهد ضمن الحدود الآمنة، ولم تحدث أي انتهاكات حرارية. كما نجح النظام في استخدام تخزين البطاريات للمساعدة في إدارة التدفق، حيث يتم شحنها خلال النهار عندما تكون الطاقة الشمسية وفيرة، وتفريغها في المساء عندما يصل الطلب إلى ذروته. لقد عمل هذا التخزين كعازل، مما سمح للنظام باستيعاب بعض الطاقة الإضافية التي كان سيتم تقليصها لولا ذلك. ووجدت الدراسة أنه بينما أدت قيود العدالة إلى زيادة إجمالي كمية الطاقة التي يجب تركها دون استخدام، إلا أن أنظمة البطاريات ساعدت في تخفيف هذا الأثر، مما يثبت أن العدالة والموثوقية التقنية يمكن أن يتعايشا إذا تم تصميم النظام مع مراعاة كليهما منذ البداية.

تكمن أهمية هذا العمل في قدرته على جعل تكلفة العدالة مرئية وقابلة للإدارة. في النهج السابقة، كانت العدالة غالباً ما تكون مخفية داخل حساب معقد، مما يجعل من الصعب رؤية مقدار الطاقة الإضافية التي يجب التضحية بها لضمان معاملة الجميع بالتساوي. ومن خلال فصل الحدود التقنية عن قواعد العدالة، خلق الباحثون إطاراً شفافاً حيث يمكن لمشغلي الشبكة رؤية بالضبط مقدار الكفاءة التي يتم مقايضتها مقابل المساواة. ووجدوا أنه من خلال وضع ميزانية واضحة لمقدار التقليص الإضافي المقبول، يمكنهم إعادة توزيع السعة بطريقة تمنع التمييز المنهجي ضد المنتجين والمستهلكين الموجودين في نهايات الشبكة. وتشير الدراسة إلى أنه لكي تكون الشبكات الحديثة مستدامة حقاً، يجب تصميمها ليس فقط لتكون فعالة، بل لتكون عادلة أيضاً. وتوضح النتائج أن النهج متعدد الفترات، الذي يأخذ في الاعتبار تاريخ اليوم بأكل بدلاً من مجرد لحظة واحدة، ضروري لإدارة هذه الأنظمة المعقدة. فبدون هذه الرؤية طويلة المدى، لا يمكن للبطاريات وقواعد العدالة أن يعملوا معاً بفعالية، وتخاطر الشبكة بأن تصبح إما غير آمنة أو غير عادلة للغاية. يوفر هذا البحث مساراً ملموساً للمضي قدماً، موضحاً أنه من الممكن بناء نظام طاقة تظل فيه الأضواء مشتعلة، والأسلاك آمنة، ويحصل فيه كل جار على فرصة عادلة لاستخدام طاقته النظيفة الخاصة.