التعامل مع البرق وعدم اليقين في الأسواق في الجدولة الذاتية: نهج ضبابي-ماركوف للشبكات الذكية

لماذا أصبح الحفاظ على الإضاءة أمراً أصعب

لم تعد الكهرباء تتدفق في اتجاه واحد من محطات الطاقة الكبيرة إلى المنازل. تتعامل «الشبكات الذكية» الحديثة مع ألواح شمسية على الأسطح ومزارع رياح وبطاريات واحتياجات عملاء متغيرة، وكل ذلك في ظل تقلبات السوق والطقس من ساعة إلى أخرى. تستكشف هذه الورقة طريقة جديدة لمساعدة مشغلي الشبكة على التخطيط المسبق عندما تجعل أسعار الطاقة والعواصف العنيفة—وخاصة البرق—المستقبل غامضاً، من خلال رؤية مدمجة ضبابية واحتمالية لما قد يحدث لاحقاً.

شبكات الطاقة في عالم من العواصف والأسعار المتقلبة

تعد الشبكات الذكية بطاقة أنظف وكفاءة أعلى، لكنها مضطرة لاتخاذ قرارات مستمرة بشأن متى تشتري أو تبيع أو تولد الكهرباء. يمكن لظروف السوق—مثل الأسعار والطلب والإيرادات—أن تتقلب بسرعة مع الأخبار الاقتصادية أو القوانين أو سلوك المستهلكين. وفي الوقت نفسه يمكن لصواعق البرق والطقس العنيف أن تتلف الخطوط، أو تتسبب في إيقاف التشغيل، أو تجبر العملاء على التقليل من الاستهلاك. تميل أدوات التخطيط التقليدية إلى التعامل إما مع الجانب العددي (مثل الأسعار) أو الجانب الحدثي والغامض (مثل مخاطر البرق)، نادراً ما تجمع بينهما معاً. يجادل المؤلفون بأن هذا الانقسام يترك المشغلين مكشوفين عندما تتقاطع الصدمات الفيزيائية مع التقلبات المالية.

دمج حكم بشري مع الرياضيات

لسد هذه الفجوة، يقدم البحث إطاراً هجيناً يجمع المنطق الضبابي مع سلاسل ماركوف. يقلد المنطق الضبابي طريقة حديث الناس عن كميات غير مؤكدة—بمصطلحات مثل «سعر منخفض»، «مبيعات متوسطة»، أو «إيراد مرتفع» بدلاً من عتبات حادة. تأخذ الطريقة ثلاث مقاييس مالية رئيسية—السعر والإيراد والمبيعات—وتحوّل كل قيمة ساعة إلى مثل هذه الفئات النوعية. ثم يُوصف لحظة زمنية بثلاثية بسيطة مثل (سعر مرتفع، إيراد منخفض، مبيعات منخفضة)، تلتقط المزاج العام للسوق بتسميات بلغة عامة يمكن للحواسيب معالجتها.

متابعة تقلبات مزاج الشبكة عبر الزمن

بعد تسمية كل ساعة بهذه الطريقة، تعامل المنهجية الشبكة الذكية على أنها تتحرك عبر مجموعة من «الحالات» الضبابية المنتهية. هنا تدخل سلاسل ماركوف: فهي تقدر مدى احتمال انتقال النظام من حالة إلى أخرى في الساعة التالية. من خلال عد مرات انتقال حالة هادئة مثلاً إلى حالة متوترة ذات سعر مرتفع ومبيعات منخفضة—خاصة في أيام مع برق محاكٍ—يبني النموذج مصفوفة انتقال، نوع من خريطة الرحلات النمطية للسوق. كما يحسب الباحثون إحصاءات متدحرجة، مثل المتوسطات المنزلقة وتقلبات السعر والإيراد، لتسليط الضوء على الفترات التي تكون فيها الظروف هادئة بشكل غير معتاد أو مضطربة بشكل غير معتاد.

اختبار الفكرة في بيئة معملية آمنة

نظراً لصعوبة الحصول على بيانات واقعية مفصلة تمزج سجلات السوق وضربات البرق، ينشئ المؤلفون بيانات صناعية لسنة كاملة. يقومون بمحاكاة أسعار وإيرادات ومبيعات كل ساعة باتجاهات وضوضاء واقعية، ثم يضيفون أحداث برق صناعية ترفع الأسعار وتقلل المبيعات لمحاكاة أضرار العواصف وإجراءات الإيقاف الاحترازية. تسعة أشهر أولى من البيانات تُستخدم لتدريب الفئات الضبابية واحتمالات الانتقال؛ والثلاثة أشهر الأخيرة تختبر مدى قدرة النموذج على توقع الحالة الضبابية التالية من الحالية. يتنبأ الإطار بالحالة التالية بشكل صحيح في حوالي 56% من الحالات—وهي نسبة أعلى بكثير من التخمين العشوائي لست حالات محتملة—مع كشفه أيضاً عن الأنماط التي تميل إلى الاستمرار وتلك التي تتغير سريعاً.

من التنبؤات إلى إجراءات عملية

يُظهر المؤلفون كيف يمكن لأداة التنبؤ هذه أن توجه قرارات ملموسة لمايكروغريد حضري افتراضي بقدرة 100 ميغاواط. إذا اقترح النموذج أن حالة عادية من المرجح أن تتحول إلى وضع سعر مرتفع ومبيعات منخفضة خلال فترة ظهر عاصفة، يمكن للمشغلين شراء قدرة احتياطية مبكراً، أو نقل الأحمال الحساسة إلى مصادر طاقة احتياطية استباقياً، أو تعديل استراتيجيات المزايدة في سوق الكهرباء. تساعد مؤشرات المخاطر المتدحرجة في تقييم مدى موثوقية التنبؤ ومدى شدة الاستجابة المطلوبة، مما يحول الاحتمالات المجردة إلى إجراءات مالية وتقنية محددة.

ما يعنيه هذا لأنظمة الطاقة المستقبلية

بكلمات بسيطة، رسالة الورقة هي أن اعتبار مستقبل الشبكة جزئياً غامضاً وجزئياً قائماً على قواعد يوفر توجيهاً أكثر فائدة من الاعتماد على أي من النهجين بمفرده. من خلال دمج فئات شبيهة بالحكم البشري مع رياضيات تتتبع كيف تتطور الحالات، يمنح إطار الضبابي-ماركوف مشغلي الشبكة صورة أوضح، وإن لم تكن مثالية، لما قد تبدو عليه مزيج الأسعار والطلب وتأثيرات العواصف غداً. حتى مع دقة متوسطة، تساعد هذه الرؤية في التحضير للمجموعات السيئة—مثل الأسعار المرتفعة والمبيعات المنخفضة—قبل وقوعها. مع تزايد تعقيد الشبكات الذكية وتصاعد حالات الطقس المتطرفة، قد تصبح مثل هذه الأدوات الهجينة أساسية للحفاظ على إمداد كهرباء موثوق وبأسعار معقولة ومرن.

الاستشهاد: Benistan, I.S., Shahbazzadeh, M.J. & Eslami, M. Addressing lightning and market uncertainties in self-scheduling: A fuzzy-markov approach for smart grids. Sci Rep 16, 12904 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42588-8

الكلمات المفتاحية: الشبكات الذكية, أسواق الطاقة, إدارة المخاطر, الطاقة المتجددة, موثوقية نظام الطاقة