التشغيل الاقتصادي والمستدام للميكروغريدات باستخدام خوارزمية تحسين الحوت المحسّنة

لماذا تحتاج شبكات الطاقة المستقبلية إلى نوع جديد من «الدماغ»

أصبح الحفاظ على إمداد الكهرباء أكثر تعقيدًا مع تحول المزيد من المنازل والشركات للعمل بالطاقة الشمسية والرياح بدلًا من الفحم والغاز. هذه المصادر النظيفة أرخص وأفضل للمناخ، لكنها تتقلب مع الأحوال الجوية. تبحث هذه الورقة في كيفية عمل «دماغ» رقمي أذكى لتشغيل شبكات طاقة محلية صغيرة—المعروفة بالميكروغريدات—حتى توفر كهرباء موثوقة بتكلفة أقل وانبعاثات أدنى، حتى عند انقطاع الشبكة الرئيسية. يبين المؤلفون أن خوارزمية حاسوبية جديدة مستوحاة من سلوك الحيتان يمكن أن تقلص تكاليف التشغيل لميكروغريد تجريبي بنسبة تقارب 40% مقارنة بأساليب التخطيط الشائعة.

شبكات طاقة صغيرة بطموحات كبيرة

الميكروغريدات أنظمة طاقة مدمجة قد تخدم حيًا، حرمًا جامعيًا، أو قرية. بدلاً من الاعتماد فقط على محطات توليد بعيدة، تمزج مصادر محلية مثل الألواح الشمسية، التوربينات الهوائية، خلايا الوقود، مولدات الديزل، وتخزين البطاريات. يمكن للميكروغريدات الاتصال بالشبكة الرئيسية عندما تكون متاحة، لكنها قد تعمل أيضًا بصورة معزولة أثناء العواصف، الحرائق، أو الانقطاعات. تمنحها هذه المرونة مكانة واعدة لنظام طاقة أنظف وأكثر مرونة—لكنها تجعل تشغيلها أكثر تعقيدًا. يجب على جهة ما، أو شيء ما، أن يقرر باستمرار أي الأجهزة تُشغّل، وكمية الطاقة التي تُسحب من الشبكة أو تُباع لها، ومتى تُشحن أو تُفرغ البطاريات.

دور مدير الطاقة الرقمي

لمعالجة هذا التعقيد تستخدم الميكروغريدات نظام إدارة الطاقة المعروف اختصارًا EMS. يجمع EMS بيانات عن توقعات الطقس، وأسعار الكهرباء، وحدود المعدات، ومستويات شحن البطاريات، والطلب من المستهلكين. ثم يصدر أوامر تحكم—مثل تشغيل أو إيقاف المولدات، تعديل ناتج الطاقة، وجدولة استخدام البطاريات—لتلبية عدة أهداف في آن واحد. تشمل هذه الأهداف موازنة العرض والطلب كل ساعة، وتقليل التكلفة الإجمالية للتشغيل، وتقليص الانبعاثات من المولدات التي تعمل بالوقود الأحفوري. وفي وضع الاتصال بالشبكة، يقرر EMS أيضًا متى يكون من الأذكى شراء طاقة رخيصة من الشبكة الرئيسية، ومتى يكون بيع فائض الطاقة المتجددة ذا فائدة، محولًا الميكروغريد إلى لاعب نشط في السوق.

طريقة مستوحاة من الحيتان للبحث عن جداول تشغيل أفضل

إن قرار أفضل جدول لكل مولد وبطارية على مدار يوم كامل يمثل لغزًا صعبًا: هناك العديد من الخيارات، والتكاليف غير خطية، وإنتاج المتجددة غير مؤكد. كثيرًا ما تتعثر الطرق الرياضية التقليدية أو خوارزميات البحث الكلاسيكية عند حلول متوسطة. اتجه المؤلفون إلى نوع حديث من البحث يُسمى الميتاهوستيك، مستلهمًا بشكل عام من طرق صيد أو استكشاف الحيوانات. تبني خوارزمية تحسين الحوت المحسّنة (IWOA) على طريقة سابقة مستوحاة من كيفية إحاطة أحلاف الحيتان للفريسة والالتفاف في مسارات لولبية. تستخدم النسخة المحسّنة معلمة «السباحة» المضبوطة بعناية، وأوزانًا متكيفة، وقفزات طويلة عشوائية تُعرف برحلات ليفي للحفاظ على استكشاف واسع في البداية ثم التركيز على المناطق الواعدة دون الوقوع في مصائد محلية.

اختبار المنهج على ميكروغريد واقعي

اختبر الفريق نظام إدارة الطاقة على مرجعية معروفة: ميكروغريد منخفض الجهد يجمع بين خلية وقود، ميكروتوربين، مولد ديزل، ألواح شمسية، توربين هوائي، وبطارية متصلة بالشبكة الرئيسية. درسوا التشغيل المعزول، حيث يجب على الميكروغريد تلبية الطلب بالكامل من الموارد المحلية، والتشغيل المتصل بالشبكة حيث يمكنه تداول الطاقة مع الشبكة الأكبر. في كلا الوضعين سعت الخوارزمية لتقليل تكلفة مجمعة تشمل الوقود وصيانة كل جهاز، وسعر شراء أو بيع الكهرباء، وغرامة عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والملوثات الأخرى. أظهرت النتائج أن نظام الإدارة فضل بشكل طبيعي التقنيات الأنظف والأرخص، فشغّل خلية الوقود كعامل أساسي، واستخدم الميكروتوربين كدعم، واستدعى الديزل فقط عند الضرورة القصوى.

استخدام أذكى للبطاريات والشبكة الرئيسة

أحد النتائج الرئيسية هو كيفية استخدام الخوارزمية المحسّنة للبطارية واتصال الشبكة كرافعات مالية وبيئية. في وضع العزل، تعمل البطارية على تسوية تقلبات إنتاج الشمس والرياح، فتفرغ عند الطلب العالي وتشحن عند وجود فائض من الطاقة المتجددة، مما يقلل الاعتماد على الديزل. في وضع الاتصال بالشبكة، يتعلم EMS استراتيجية «التحكيم الطاقي»: يشحن البطارية عندما تكون كهرباء الشبكة رخيصة ويفرغها عند ذروة الأسعار، مع تصدير فائض الطاقة المتجددة عندما تسمح حاجة المحلي وحدود البطارية. عبر أيام محاكاة متعددة خفّضت خوارزمية تحسين الحوت المحسّنة تكاليف تشغيل الميكروغريد بنحو 39.66% مقارنة بالخوارزميات الجينية التقليدية، وطُرائق سرب الجسيمات، وخوارزمية الحوت القياسية، وكل ذلك مع الحفاظ على انخفاض الانبعاثات.

ما الذي يعنيه هذا لمستخدمي الطاقة اليوميين

بالنسبة لغير المتخصصين الخلاصة بسيطة: تشغيل نظام طاقة محلي نظيف وموثوق لم يعد مجرد شراء معدات—بل يعتمد بدرجة كبيرة على برامج ذكية. من خلال تزويد الميكروغريدات بـ«طيار آلي» أكثر قدرة، تتيح هذه الخوارزمية المستوحاة من الحيتان أن يمتد كل كيلوواط-ساعة أبعد، والاعتماد أكثر على المتجددة، والاعتماد أقل على المولدات الاحتياطية الملوِّثة والواردات المكلفة من الشبكة. إذا نُفذت على نطاق واسع، يمكن لمديري الطاقة الأذكياء هؤلاء أن يجعلوا الأحياء أكثر مرونة أمام الانقطاعات، ويساعدوا الشركات الموزعة على استيعاب ارتفاع قدرات الشمس والرياح دون ترميمات مكلفة، ويدعموا أهداف المناخ بتفضيل الطاقة الأنظف تلقائيًا كلما كانت متاحة وبأسعار معقولة.

الاستشهاد: El-Zaher, S.M., Ahmed, A.M., Ahmed, E.M. et al. Cost-effective and sustainable operation of microgrids using Improved Whale Optimization Algorithm. Sci Rep 16, 4811 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35529-y

الكلمات المفتاحية: الميكروغريدات, نظام إدارة الطاقة, الطاقة المتجددة, خوارزمية تحسين, تخزين البطاريات