إطار تحسين متعدد الأهداف من مرحلتين لجدولة شحن المركبات الكهربائية وتوزيع القدرة المُتفاعلة

لماذا يهم الشحن الأذكى للسيارات الكهربائية

تعد المركبات الكهربائية بوعد هواء أنظف وانبعاثات غازات دفيئة أقل، لكن إذا وصّل الملايين من السائقين مركباتهم وقتما أرادوا فقد تواجه شبكة الكهرباء المحلية صعوبات. قد تُحمّل المحولات بشكل مبالغ فيه، وتزداد خسائر الطاقة، وتنحرف الفولتيات خارج الحدود الآمنة. تعرض هذه الورقة وسيلة عملية لإدارة شحن المنازل لمئات المركبات الكهربائية في وقت واحد، تقلل الهدر والتكاليف مع الحفاظ على الإمداد واستقرار الشبكة.

موازنة بين السيارات والكابلات

يركز المؤلفون على شبكة توزيع حضرية نموذجية: مغذي شعاعي مكوّن من 33 محورًا يخدم منازلًا حيث تشحن 984 سيارة كهربائية أساسًا أثناء الليل. بدلًا من السماح للسائقين بالشحن فور وصولهم، تنسق حاسبة مركزية تُسمى المجمّع متى تسحب كل سيارة الطاقة فعليًا. الهدف هو توزيع الشحن على مدار الليل لتجنب طفرات الأحمال، مع تلبية حاجة كل سائق للمغادرة ببطارية شبه ممتلئة. هذا مهم لأن الشبكات الحالية لم تُبنَ للتعامل مع تجمعات كبيرة من المركبات الكهربائية في نفس الشوارع، ويمكن أن يؤدي الشحن غير المُدار إلى مضاعفة خسائر الطاقة ودفع المعدات إلى ما يتجاوز سعتها الاسمية.

طريقتان للتخطيط المسبق

يتضمن الإطار أسلوبين للتخطيط. في وضع «اليوم التالي»، يخطط المجمّع لمدة 24 ساعة قادمة باستخدام توقعات أسعار الكهرباء، والطلب الأساسي للمنازل، وأوقات وصول ومغادرة المركبات المتوقعة. يُجري حسابات تدفق طاقة مفصلة، ويفحص تحميل المحولات، وخسائر الخطوط، والفولتيات عند كل محور. في وضع «الزمن الحقيقي»، يُحدث النظام القرارات كل خمس دقائق فقط للسيارات التي وصلت حديثًا، مستخدمًا معادلات أبسط بدلًا من حسابات الشبكة الكاملة ليبقى سريعًا بما يكفي للتحكم عبر الإنترنت. يتمتع التخطيط اليومي بميزة رؤية الصورة كاملة ويمكن أن يجد قرب الحل الأمثل العام؛ بينما يتفاعل التخطيط في الزمن الحقيقي بشكل أفضل مع المفاجآت، مثل وصول السائقين متأخرين عن المتوقع أو رغبتهم في طاقة أكثر من المعتاد.

استخدام السيارات الراكدة لدعم الشبكة

ابتكار رئيسي هو أن المؤلفين لا يكتفون بجدولة أوقات شحن السيارات؛ بل يستخدمون أيضًا إلكترونيات الشواحن لتشكيل تدفق طاقة غير تغذوية تُسمى القدرة المُتفاعلة. بخلاف تفريغ البطارية إلى الشبكة، لا تُقصِر توفير القدرة المُتفاعلة عمر البطارية. عندما تنخفض أو ترتفع الفولتيات محليًا، يمكن لعكس الشاحن حقن أو امتصاص هذا النوع من الطاقة لدفع الفولتيات نحو المستوى المثالي. للحفاظ على المشكلة قابلة للإدارة، لا تضبط الطريقة كل سيارة على حدة؛ بل تُقرر مقدار القدرة المُتفاعلة التي يجب توفيرها عند كل عقدة في الشبكة، اعتمادًا على عدد المركبات المتصلة هناك وشدة شحنها.

خوارزميات أذكى وراء الكواليس

بما أن النظام يجب أن يوازن بين عدة أهداف في آنٍ واحد — تقليل خسائر الطاقة، تسطيح منحنى الحمل، إبقاء الفولتيات ضمن ±5% من القيمة الاسمية، وتقليل تكاليف الشحن — صاغ المؤلفون المهمة كمسألة تحسين متعددة الأهداف. يختبرون عدة طرق بحث «ميتاهيرستية» حديثة مُستلهمة من الطبيعة، بما في ذلك سرب الجسيمات وأنماط حركة الحيوانات. من بينها، تؤدي طريقة نسبية الحداثة تُسمى خوارزمية المادة المخاطية (Slime Mould Algorithm) أفضل أداء، إذ تجد باستمرار حلولًا تقلل كلًا من إجهاد الشبكة وفواتير العملاء. تستكشف الدراسة أيضًا المقايضات بين الأهداف باستخدام واجهات باريتو، ما يسمح للمشغلين باختيار، على سبيل المثال، ما إذا كانوا سيعطون الأولوية لخسائر أقل أو لشحن أرخص.

ماذا تظهر الأرقام

تُظهر المحاكاة فوائد ملحوظة. تحت الشحن غير المُدار، تبلغ الطاقة اليومية المفقودة على شكل حرارة في الشبكة نحو 4.04 ميغاوات-ساعة. مع الشحن المنسق وحده، ينخفض هذا بحوالي 19% في حالة يوم-قُبْل و16% في حالة الزمن الحقيقي. عندما يُضاف التحكم في القدرة المُتفاعلة من شواحن المركبات الكهربائية، تنخفض الخسائر أكثر — إلى 2.55 و2.77 ميغاوات-ساعة لاستراتيجيات اليوم-قُبْل والزمن الحقيقي على التوالي — بقطع الخسائر بنسبة 36.8% و31.4%. يُعاد تحميل المحطة الفرعية الأسوأ حالةً إلى داخل تصنيفها البالغ 5 MVA، وتبقى الفولتيات على طول أبعد مغذي أعلى من 0.95 وحدة. على جانب العميل، تنخفض تكاليف الشحن الإجمالية بنحو 29% لجدولة اليوم-قُبْل و34% لجدولة الزمن الحقيقي، ويرجع ذلك أساسًا إلى تحويل الشحن إلى ساعات التعرفة المنخفضة مع تلبية حالة شحن كل سائق المطلوبة.

ماذا يعني هذا للسائقين العاديين

بالنسبة لمالكي المركبات الكهربائية، النهج المقترح غير مرئي إلى حد كبير: تظل توصل سيارتك في المنزل وتحدد وقت المغادرة وكمية الشحن المطلوبة. في الخلفية، يؤخر برنامج مشغل الشبكة أوقات الشحن ويضبط بصمت طريقة تفاعل الشواحن مع الشبكة، بحيث يمكن للأحياء استضافة مزيد من السيارات الكهربائية دون ترقيات مكلفة. تُظهر الدراسة أن الشحن المنسق للمركبات الكهربائية والاستخدام الذكي لإلكترونيات الشاحن يمكن أن يقللا هدر الطاقة بشكل كبير، ويحافظا على الفولتيات ضمن الحدود الآمنة، ويخفضا الفواتير، ممهِدين الطريق لانتقال أنظف للنقل يندمج بسلاسة مع أنظمة الطاقة الحالية.

الاستشهاد: Badr, M.S., Sharaf, H.M. & Zobaa, A.M. A two-stage multi-objective optimization framework for coordinated EV charging scheduling and reactive power dispatch. Sci Rep 16, 12470 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45109-9

الكلمات المفتاحية: شحن المركبات الكهربائية, الشبكة الذكية, التحكم في القدرة المُتفاعلة, شبكات التوزيع, تحسين متعدد الأهداف