Cost-Optimal Solar Microgrid Management : Exact versus Metaheuristic Optimization

Abd Alrahman Alfagi^a, Mohamed Alrayes^b Imene Rahal^c  , Zayed Khalifa^d

^acd Faculty of Information Technology, University of Zawia

^b Faculty of Information Technology, University of Tripoli

^a Abd.alfagi@zu.edu.ly ^b mo.alrayes@uot.edu.ly ^c i.rahal@zu.edu.ly ^d m.zayed@zu.edu.ly

https://orcid.org/0000-0003-1242-8373      https://orcid.org/0009-0007-7009-0493

https://orcid.org/0009-0005-8983-3619      https://orcid.org/0000-0002-7590-2004

الملخص:

تُعدّ الإدارة القديرة للطاقة في الشبكات الكهربائية المصغّرة المعتمدة على الطاقة الشمسية أمرًا ضروريًا لضمان إمداد كهربائي موثوق واقتصادي ومستدام، ولا سيما في المناطق الريفية والمناطق غير المتصلة بالشبكة العامة. تطوّر هذه الدراسة إطارًا هجينًا للتحسين وتقيّمه، يجمع بين نموذج دقيق للبرمجة الخطية المختلطة بالأعداد الصحيحة (MILP)، تمت المعالجة باستخدام برنامج IBM ILOG CPLEX، وخوارزمية جينية (GA) مصممة خصيصًا، بهدف تقليل تكاليف التشغيل اليومية مع الالتزام بجميع القيود الفنية والتشغيلية.

تم إعداد عشر حالات اختبار معيارية مستوحاة من بيانات واقعية، تمثّل كل منها أنماطًا مختلفة على مدار الساعة لتوافر الطاقة الشمسية، والطلب على الكهرباء، وأسعار الكهرباء من الشبكة العامة. أظهرت النتائج أن برنامج CPLEX توصّل بصورة متسقة إلى جداول تشغيل جيدة عالميًا، محققًا أدنى تكلفة تشغيلية ممكنة مع استيفاء جميع القيود بالكامل. كما أظهرت الخوارزمية الجينية سلوكًا قويًا في التقارب، إذ أنتجت حلولًا قابلة للتنفيذ بالكامل من دون أي إخلامل للقيود، مع الحفاظ على انحراف في التكلفة تراوح بين 11% و16% مقارنةً بالحل الأمثل الناتج عن برنامج CPLEX.

وكشف التحليل كذلك عن وجود أنماط متسقة لاستخدام الطاقة عبر مختلف حالات الاختبار، حيث أعطت كل من طريقة CPLEX والخوارزمية الجينية الأولوية للاستفادة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية، مع التنسيق الاستراتيجي لعمليات شحن البطارية وتفريغها من أجل تقليل الاعتماد على الشبكة الكهربائية العامة.

تؤكد هذه النتائج فعالية أساليب التحسين الدقيقة في الأنظمة الصغيرة والمتوسطة الحجم، كما تبرز الخوارزمية الجينية بوصفها بديلًا قابلًا للتوسع وفعّالًا من الناحية الحاسوبية في الشبكات المصغّرة الأكبر حجمًا، التي قد تصبح فيها الطرق الدقيقة غير قابلة للمعالجة حسابيًا. ويوفر الإطار المقترح القائم على الطريقتين رؤى عملية لمشغلي الشبكات المصغّرة، وصنّاع السياسات، ومخططي الطاقة الذين يسعون إلى تحسين الأنظمة المعتمدة على مصادر الطاقة المتجددة في ظل ظروف عدم اليقين. وستشمل التطويرات المستقبلية دمج آفاق تشغيل تمتد لعدة أيام، وتنبؤات جوية احتمالية، وتأثير تقادم البطاريات، وأساليب هجينة متقدمة للتحسين فوق الاستدلالي.

الكلمات المفتاحية: الشبكات الكهربائية المصغّرة الشمسية؛ تحسين إدارة الطاقة؛ البرمجة الخطية المختلطة بالأعداد الصحيحة (MILP)؛ جدولة الطاقة المتجددة؛ تحسين أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات؛ التحسين باستخدام الخوارزميات فوق الاستدلالية.