التوليد الموزع وتوزيع المكثفات الشانت في شبكات التوزيع الشعاعية باستخدام نهج تحسين هجين

الحفاظ على تشغيل الأضواء بكفاءة أكبر

مع تزايد عدد الأجهزة في منازلنا ومكاتبنا ومصانعنا واعتماد السيارات الكهربائية والألواح الشمسية على الأسطح، تتعرض أسلاك الحي التي تنقل الكهرباء لضغوط متزايدة. تستعرض هذه الورقة كيف يمكن لشركات المرافق وضع مصادر طاقة محلية صغيرة وأجهزة إلكترونية بسيطة على طول خطوط التوزيع بحيث يقل هدر الطاقة على شكل حرارة، وتبقى الفولتية ضمن حدود آمنة، وتقل تكاليف التشغيل — وكل ذلك من دون إعادة بناء الشبكة كاملة.

محطات طاقة صغيرة في حيّك

تعتمد أنظمة الكهرباء التقليدية على عدد قليل من محطات الطاقة الكبيرة التي ترسل الطاقة عبر مسافات طويلة. اليوم، تتحول العديد من الشبكات إلى شبكات "ذكية" تستقبل مصادر طاقة أصغر تسمى التوليد الموزع (DG). قد تكون هذه مزارع شمسية أو توربينات رياح أو وحدات غاز صغيرة تقع بالقرب من أماكن استهلاك الكهرباء. وبما أنها قريبة من المنازل والأعمال، يمكن لوحدات DG أن تقلل بشدة من الطاقة المفقودة على طول خطوط النقل وتحسن موثوقية الإمداد، خاصة في المناطق سريعة النمو.

لماذا المكثفات البسيطة مهمة

إلى جانب هذه المولدات الصغيرة، يمكن لشركات المرافق تركيب مكثفات شانت — أجهزة رخيصة نسبيًا تساعد على موازنة تدفق الطاقة من خلال توفير ما يسميه المهندسون "القدرة التفاعلية". رغم أن المصطلح يبدو فنيًا، الفكرة بسيطة: عندما تعمل العديد من المحركات والأجهزة، فإنها تؤثر على الجهد وتسبب هبوطه. تعمل المكثفات مثل ممتصات الصدمات، فتدفع للحفاظ على الجهود ضمن نطاق صحي. عند وضعها في المواقع المناسبة، تقلل الهدر وتساعد على منع وميض الأضواء أو مشكلات المعدات في نهايات الخطوط الطويلة المحملة بشدة.

بحث مستلهَم من الطبيعة لتحديد أفضل المواقع

إيجاد أفضل توليفة من مواقع DG وأحجامها وتوزيع المكثفات في شبكة حقيقية معقد للغاية لدرجة لا يمكن التعامل معها يدويًا. يقدم هذا البحث طريقة بحث هجينة تسمى خوارزمية الحوت-النسّاج الهجينة (HWOA)، مستوحاة من أساليب صيد الحيتان والنسّاج. الجزء "الحوتي" ينفذ بحثًا واسعًا وعالميًا عبر العديد من التكوينات الممكنة، بينما الجزء "النسّاجي" يركز لتلميع المرشحين الواعدين بدقة. من خلال دمج هذين السلوكين، تتجنب الطريقة الوقوع في حلول دون المثلى ويمكنها التعامل مع عدة أهداف في آن واحد: تقليل خسائر الطاقة، والحفاظ على الجهود قريبة من المستويات المرغوبة، والحد من تكاليف التشغيل.

الاختبار على نماذج شبكات واقعية

اختبر المؤلفون النهج الهجين على ثلاث نماذج مستخدمة على نطاق واسع من أنظمة التوزيع، تحتوي على 33 و69 و118 نقطة اتصال، أو محطات. قارنوا حالات بدون معدات مضافة، وحدات DG فقط، مكثفات فقط، وتركيبات مختلفة من الاثنين معًا. عندما وُضع DG واحد ومكثف واحد بشكل أمثل في نظام الـ33 محطة، انخفض إجمالي فقد القدرة النشطة بأكثر من ثلاثة أرباع، وصارت أسوأ حالة جهد أعلى من مجرد أكثر من 90% من المستوى المستهدف إلى أكثر من 97%. مع وجود وحدتي DG ومكثفين، انخفضت الخسائر بحوالي 90%. ظهرت أنماط مماثلة في شبكات الـ69 والـ118 الأكبر: مزيج من مولدات ومكثفات صغيرة موضوعة جيدًا خفّض الخسائر ورفَع الجهد الأدنى بشكل ملحوظ، مما يُظهر أن الطريقة قابلة للتوسع إلى شبكات معقدة.

التعامل مع عدم اليقين والأهداف المتعددة

تواجه أنظمة الطاقة الحقيقية طلبًا متغيرًا باستمرار، لذا اختبر الفريق طريقتهم بزيادة أحمال الشبكة إلى ما يتجاوز قيمها العادية. حتى تحت هذه الظروف الأشد والأكثر عدم يقين، حافظ التنسيق بين DG وتوزيع المكثفات باستخدام الخوارزمية الهجينة على الجهود فوق العتبات الحرجة بينما حقق خفضًا كبيرًا في الخسائر. في اختبارات إضافية، وازنت الطريقة بين عدة أهداف في آن واحد — تقليل الخسائر، والحد من تذبذب الجهد، وتقليل تكلفة التشغيل الإجمالية. وجدت حلولًا خفضت الخسائر بأكثر من النصف وحسّنت جودة الجهد، مع إبقاء زيادة التكاليف متواضعة مقارنةً بتصميمات أقل كفاءة.

ماذا يعني هذا لشبكة المستقبل

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة واضحة: من خلال الجمع بين العديد من مصادر الطاقة الصغيرة والأجهزة الداعمة البسيطة، وباستخدام برمجيات ذكية مستوحاة من الطبيعة لتحديد مواقعها، يمكن لشركات المرافق استخراج أداء أكبر بكثير من الأسلاك الحالية. تفوقت طريقة الحوت-النسّاج الهجينة المقترحة باستمرار على عدة تقنيات تحسين معروفة، خصوصًا في المشكلات الكبيرة والصعبة، وبقيت مستقرة حتى عندما كانت أنماط الطلب غير مؤكدة. يمكن لمثل هذه المناهج مساعدة شبكات الطاقة الحديثة على تقليل الهدر، والحفاظ على استقرار الجهد، ودمج المزيد من الطاقة المتجددة، وكل ذلك مع تأجيل الحاجة لتحديثات بنية تحتية مكلفة.

الاستشهاد: Sundar, R., Ashokaraju, D., Dharmaraj, T. et al. Distributed generation and shunt capacitor allocation in radial distribution power networks using a hybrid optimization approach. Sci Rep 16, 6299 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37713-6

الكلمات المفتاحية: الشبكة الذكية, التوليد الموزع, تقليل الخسائر, التحكم في الجهد, تحسين ميتاهيوريستيك