Load Frequency Control of a Three-Area Power System using Lion Optimization Algorithm with FOPID Controller

تُعد الشبكة الكهربائية آلة ضخمة ودقيقة يجب أن تحافظ على إيقاع مثالي لكي تعمل. في هذا النظام، يجب أن تظل السرعة التي تدور بها الكهرباء — أي ترددها — ثابتة، تماماً مثل معدل ضربات القلب الذي لا يمكن أن يتذبذب بعنف دون التسبب في ضرر. عندما يضغط الناس على مفتاح التشغيل أو يقوم مصنع بتشغيل محرك ضخم، يتغير الطلب على الطاقة لحظياً. وإذا لم تتطابق الإمدادات مع هذا الطلب الجديد فوراً، فإن التردد يتأرجح. وفي شبكة واسعة حيث ترتبط مناطق مختلفة عبر خطوط النقل، يمكن لتغيير مفاجئ في منطقة واحدة أن يرسل موجات من عدم الاستقرار عبر النظام بأكره، مما قد يؤدي إلى انقطاعات في التيار الكهربائي. ولمنع حدم ذلك، يستخدم المهندسون وحدات تحكم تلقائية تعمل كمنظم حرارة للنظام، حيث تقوم باستمرار بتعديل مخرجات الطاقة للحفاظ على استقرار التردد وضمان بقاء تدفق الكهرباء بين المناطق المتصلة متوازناً.

لعقود من الزمن، كانت الأداة القياسية لهذه المهمة هي وحدة تحكم تُعرف باسم PID، والتي ترمز إلى التناسب والتكامل والاشتقاق (proportional, integral, and derivative). يقوم هذا الجهاز بالاستجابة للأخطاء في النظام من خلال إجراء تعديلات بناءً على ثلاث قواعد مختلفة: حجم الخطأ الحالي، ومدة استمراره، وسرعة تغيره. ورغم فاعليتها، إلا أن لهذا النهج القياسي حدوداً؛ فهو يعامل النظام كما لو كان يتبع قواعد بسيطة ذات أرقام صحيحة، وهو أمر غالباً ما لا يكون صحيحاً في الواقع المعقد والمضطرب لشبكة الطاقة الحديثة. وقد اشتبه الباحثون لفترة طويلة في أن نسخة أكثر مرونة من وحدة التحكم هذه، تسمح بخطوات "كسرية" بدلاً من مجرد خطوات صحيحة، يمكنها التعامل مع هذه التعقيدات بشكل أفضل. ومع ذلك، فإن العثور على الإعدادات المثالية لوحدة التحكم المرنة هذه يعد لغزاً صعباً، نظراً لوجود متغيرات كثيرة تحتاج إلى ضبط مقارنة بالنسخة القياسية.

في دراسة حديثة، واجه فريق من الباحثين من عدة كليات هندسية في الهند هذا التحدي من خلال تطبيق استراتيجية جديدة على نموذج لشبكة طاقة مكونة من ثلاث مناطق. لقد اقترحوا نظاماً يجمع بين وحدة تحكم أكثر تقدماً، تُسمى PID ذات الرتبة الكسرية (Fractional Order PID)، مع طريقة فريدة لإيجاد أفضل الإعدادات، مستوحاة من السلوك الاجتماعي للأسود. وتُعد وحدة التحكم PID ذات الرتبة الكسرية ترقية متطورة للأداة القياسية؛ فبينما لا يمكن للمتحكم التقليدي إجراء تعديلات إلا بخطوات ذات أرقام صحيحة، تسمح هذه النسخة الجديدة بإجراء تعديلات بين تلك الخطوات، مما يوفر درجة أدق من التحكم. وتسمح هذه المرونة الإضافية، من الناحية النظرية، للنظام بتخميد التذبذبات بسلاسة أكبر والتعافي من الاضطرابات بشكل أسرع. ومع ذلك، ولأن هذه وحدة التحكم تمتلك "مقابض" أكثر للضبط، فإن العثء على المزيج الصحيح من الإعدادات يصبح أصعب بكثير.

ولحل لغز الضبط هذا، لجأ الباحثون إلى خوارزمية تحسين الأسود (Lion Optimization Algorithm). هذا البرنامج الحاسوبي يحاكي الطريقة التي تعيش بها الأسود وتصطاد بها؛ ففي البرية، تعيش الأسود في مجموعات تسمى "الزمر"، وهي تعمل معاً للصيد، والدفاع عن منطقتها، وتربية صغارها. وتحول الخوارزمية هذه السلوكيات إلى خطوات رياضية: تمثل "الزمرة" مجموعة من الحلول المحتملة، وتتضمن عملية "الصيد" البحث في مشهد الاحتمالات للعثور على الحل الأفضل. ومثلما تتعاون الأسود لمحاصرة الفريسة، تستخدم الخوارهازمية هذه الديناميكيات الاجتماعية لاستكشاف العدد الهائل من إعدادات وحدة التحكم الممكنة، وتجنب الوقوع في فخ الاستقرار عند حل متوسط. وقد استخدم الباحثون هذه الطريقة للعثور تلقائياً على الإعدادات المثالية لوحدة التحكم المتقدمة الخاصة بهم داخل نظام طاقة محاكى مكون من ثلاث مناطق.

اختبر الفريق نهجهم من خلال محاكاة تغييرات مفاجئة في الطلب على الطاقة، مثل تشغيل مصنع كبير بشكل غير متوقع. وقارنوا بين وحدة التحكم الجديدة المحسنة بالأسود وبين وحدات التحكم القياسية وغيرها من طرق الضبط الحاسوبية الشهيرة، بما في ذلك الطرق القائمة على الخوارزميات الجينية وتحسين سرب الجسيمات. وأظهرت النتائج من هذه المحاكاة ميزة واضلة للطريقة الجديدة؛ فعندما واجه النظام اضطراباً، أعادت وحدة التحكم المحسنة بالأسود التردد إلى طبيعته في سبع ثوانٍ فقط. وفي المقابل، استغرقت الطرق الأخرى وقتاً أطول، حيث استغرق نهج الخوارزمية الجينية القياسي خمس عشرة ثانية ليستقر. كما أنتج المتحكم الجديد تجاوزاً (overshoot) أقل بكثير، مما يعني أن التردد لم يتأرجح بعنف فوق أو تحت الهدف قبل الاستقرار؛ إذ ظل ضمن انحراف قدره اثنين بالمائة، بينما تأرجحت الطرق الأخرى بنسبة تصل إلى ثمانية بالمائة.

وبعيداً عن السرعة والاستقرار، قامت الدراسة بقياس إجمالي طاقة الخطأ في النظام بمرور الوقت. حققت وحدة التحكم المحسنة بالأسود درجة قدرها 0.018، وهي أقل بكثير من درجات الطرق الأخرى، مما يشير إلى أن النظام قضى وقتاً أقل في حالة عدم التوازن. ووجد الباحثون أن الجمع بين وحدة التحكم الكسرية المرنة وطريقة البحث المستوحاة من الأسود سمح للنظام بالتعامل مع الطبيعة غير الخطية والمعقدة لشبكة الطاقة بشكل أفضل بكثير من الأدوات التقليدية. فقد وفرت وحدة التحكم الكسرية المرونة اللازمة لتشكيل استجابة النظام، بينما نجحت خوارزمية الأسد في التنقل بكفاءة عبر مساحة البحث المعقدة للعثور على الإعدادات التي تجعل تلك المرونة تعمل بأفضل شكل ممكن.

يشير هذا العمل إلى أنه من خلال استعارة استراتيجيات من الطبيعة والجمع بينها وبين أدوات رياضية أكثر مرونة، يمكن للمهندسين بناء أنظمة طاقة أكثر صموداً أمام التغيرات المفاجئة التي تميز استخدام الطاقة الحديثة. لم تختبر الدراسة هذا الأمر على شبكة طاقة في العالم الحقيقي، بل اعتمدت على محاكاة حاسوبية دقيقة تنمذج فيزياء النظام. وضمن حدود هذه المحاكاة، أثبتت وحدة التحكم PID ذات الرتبة الكسرية المحسنة بالأسود أنها حل متفوق للحفاظ على استقرار إيقاع الشبكة، مما يوفر مساراً واعداً للحفاظ على الاستقرار في الشبكات الكهربائية التي تزداد تعقيداً.