محطات شحن المركبات الكهربائية المثلى وتوزيع مصادر التوليد الموزعة عبر تقسيم شبكة التوزيع باستخدام خوارزمية نيومان السريعة المعدّلة

شحن مدن أنظف

مع تحول المزيد من السائقين من السيارات العاملة بالبنزين إلى المركبات الكهربائية، يجب أن تواكب شبكاتنا الكهربائية هذا التحول. الشحن السريع والمريح أمر أساسي، لكن إذا بدأ عدد كبير من السيارات في الشحن في نفس الوقت، قد تُجهد الشبكة المحلية من أعمدة وأسلاك ومحولات كهربائية. تستكشف هذه الورقة كيفية وضع محطات شحن المركبات الكهربائية ومصادر الطاقة المحلية الصغيرة بطريقة أذكى حتى تتمكن الأحياء من استقبال مزيد من المركبات الكهربائية مع الحفاظ على استقرار الإمداد وخفض الفواتير.

تقسيم الشبكات الكبيرة إلى أحياء أصغر

بدلاً من اعتبار شبكة التوزيع في المدينة تشابكاً واحداً هائلاً من الأسلاك، يقسم المؤلفون الشبكة إلى «أحياء» كهربائية أكثر تماسُكاً تسمى ميكروغريدات افتراضية. يستخدمون تقنية من علم الشبكات، وهي خوارزمية نيومان السريعة المعدّلة، لكنهم يكيّفونها لقطاع الكهرباء عبر قياس مدى ارتباط أي نقطتين في الشبكة من الناحية الكهربائية الحقيقية، وليس فقط بالمسافة الفيزيائية. هذا المقياس، المسمى قوة الارتباط الكهربائية، يمزج بين سهولة تدفق الطاقة بين نقطتين وسعة كل خط على التحمل الآمن. النتيجة مجموعة من العناقيد التي تُظهر خطوطاً مرتبطة بقوة داخل كل مجموعة وتعمل كمنطقة محلية متماسكة.

إضافة الشواحن ومحطات الطاقة الصغيرة حيث تفيد أكثر

بعد تقسيم الشبكة إلى هذه الأحياء الافتراضية، تأتي الخطوة التالية لتحديد مواقع محطات شحن المركبات الكهربائية ومولدات التوليد الموزع الصغيرة، مثل المولد التزامني الصغير أو وحدة تعتمد على الرياح. يخصص المؤلفون لكل ميكروغريد افتراضي محطة شحن واحدة ومصدر طاقة صغير واحد تماماً. ثم يبحثون عن أفضل عقدة داخل كل حي بالتركيز على أضعف النقاط في النظام—المواقع التي يكون فيها الجهد الأدنى والاستقرار الأضعف. من خلال تعزيز تلك النقاط يمكنهم تقليل الطاقة المهدرة والحفاظ على الجهود ضمن الحدود الآمنة حتى مع تزايد طلب شحن المركبات الكهربائية.

اقتراض استراتيجيات من الطبيعة لإيجاد التخطيط الأمثل

العثور على المزيج المثالي من المواقع والأحجام للشواحن والمولدات هو لغز ضخم متعدد الأبعاد. لحله، يقارن المؤلفون ثلاث طرق بحث متقدمة تُعرف بخوارزميات ميتاهيوريستيك. اثنتان منهما جديدتان ومستلهمتان من الطبيعة: خوارزمية تحسين نجوم البحر، المبنية على كيفية تغذية نجوم البحر وتجدد أطرافها، وخوارزمية تحسين البوما، المبنية على كيفية استكشاف البوما وصيدها ضمن مناطقها. الثالثة، تحسين سرب الجسيمات، هي تقنية أكثر رسوخاً مستوحاة من سلوك أسراب الطيور أو مجموعات الأسماك. تسعى الثلاثة لتقليل خسائر القدرة في الخطوط مع تحسين مقياس الاستقرار الجهدي، ويجب أن تلتزم أيضاً بحدود التشغيل مثل تسخين الخطوط وقيود حجم المولدات.

تحسينات كبيرة في الشبكات الصغيرة والكبيرة

يختبر الباحثون إطار العمل على شبكتين مرجعيتين قياسيتين: نظام بسيط مكوّن من 33 عقدة ونظام أكبر بكثير مكوّن من 118 عقدة. في الحالة الأصغر، تقلل طريقتهم خسائر القدرة الفعالة بنحو 82 في المئة وترفع أقل جهد من مستوى مقلق إلى مستوى قريب من القيمة المرغوبة، مع تحسّن كبير أيضاً في مؤشر الاستقرار. في الشبكة الأكبر، تنخفض الخسائر بنحو 68–69 في المئة مع مكاسب مماثلة في جودة الجهد والاستقرار. من بين طرق البحث الثلاث، تبدو خوارزمية البوما الأسرع تقارباً نحو حلول عالية الجودة، خصوصاً في الشبكات الأكبر، مما يشير إلى ملاءمتها للتخطيط واسع النطاق حيث تكون السرعة وقدرات الحوسبة محدودة.

التوجه نحو شبكات آنية غنيّة بالمتجددة

أبعد من التخطيط الثابت، تصف الدراسة كيف يمكن توسيع هذه الاستراتيجية لتشمل ظروفاً أكثر واقعية ومتغيرة زمنياً. يبني المؤلفون ملفات حمل يومية لأنواع عملاء مختلفة ويبيّنون شحن المركبات الكهربائية غير المنسق، ما يزيد الذروة والضغط على الشبكة. ثم يضيفون مولدات تعمل بالرياح داخل الميكروغريدات الافتراضية ويظهرون أن هذه المصادر المحلية المتجددة يمكن أن تخفّض ذروات الطلب والخسائر وتدعم الجهود بشكل أكبر. على الرغم من أن العمل الحالي يركّز على الأداء الفني بدلاً من التكلفة أو الانبعاثات، فإنه يشير إلى مستقبل تُقسَّم فيه شبكات المدن إلى أحياء ذكية تستضيف شواحن المركبات ومصادر توليد نظيفة محلياً في مواقع مدروسة بدقة.

ما الذي يعنيه هذا للسائقين العاديين

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية هي أن مكان وضع محطات الشحن ومحطات الطاقة الصغيرة لا يقل أهمية عن عددها. من خلال تقطيع الشبكة أولاً إلى أحياء كهربائية طبيعية ثم استخدام طرق بحث ذكية مستوحاة من الطبيعة لتقوية أضعف النقاط، يمكن لمزودي الخدمة خفض الهدر بشكل كبير، والحفاظ على ثبات الجهود، وإتاحة مجال لعدد أكبر بكثير من المركبات الكهربائية. عملياً، يعني هذا انقطاعات أقل وتقليلاً في الانخفاضات المؤقتة في الجهد، وشحن أكثر موثوقية، وطريقاً أكثر سلاسة نحو نقل أنظف مع تزايد دور المتجددة والمركبات الكهربائية في الحياة اليومية.

الاستشهاد: Mohamed, M.A.E., Gawish, A.N.A. & Metwally, M.E. Optimal electric vehicle charging stations and distributed generation placement by partitioning the distribution network using the modified newman fast algorithm. Sci Rep 16, 6341 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35433-5

الكلمات المفتاحية: شحن المركبات الكهربائية, شبكات توزيع الطاقة, التوليد الموزع, تحسين الشبكة, الميكروغريدات الافتراضية