بحوث تصميم محطة توزيع ذكية من نوع الصندوق مستندة إلى معدات التبديل عالية الجهد GIS بـ 110 كيلوفولت

اختيار وتثبيت معدات التوزيع بناءً على نظام المعلومات الجغرافية

حالياً، المعدات التوزيعية الشائعة الاستخدام تشمل أساساً معدات التحويل الخارجي المفتوحة ذات العزل الهوائي، ونظام المعلومات الجغرافية التقليدي الداخلي، ونظام المعلومات الجغرافية الداخلي ذو الهيكل الفولاذي، ونظام المعلومات الجغرافية الهجين الخارجي. يهدف هذا البحث إلى إكمال تثبيت معدات التوزيع لمحطات التحويل الذكية المصنعة مسبقاً في إندونيسيا. معظم محطات التحويل في إندونيسيا تقع في مناطق ذات تضاريس معقدة وكثافة أحمال منخفضة. وفقاً للخطة الحالية، استراتيجية تطوير الشبكة الكهربائية الإقليمية هي استخدام الخطوط القائمة بجهد 110 كيلوفولت لبناء محطات تحويل صغيرة السعة. وعلى هذا الأساس، سيتم تقليل مستويات الجهد تدريجياً لتعظيم كفاءة الاستثمار، وتحسين استغلال المعدات، وتقليل أهمية محطات التحويل بجهد 35 كيلوفولت. محطات التحويل في شبكة الطاقة الإندونيسية كبيرة الحجم، ومع تكاليف استثمار ومعدات عالية وأوقات بناء طويلة، مما يتطلب المزيد من التحسين في اختيار المعدات وتثبيت معدات التوزيع.

يجمع نظام المعلومات الجغرافية الهجين الخارجي بين المقاطع الكهربائية والفصل، باستخدام حافلات تقليدية. يمكن لهذا الترتيب أن يقلل من عدد الفلنجات والمعدات الخارجية، وبالتالي زيادة كفاءة استخدام الأرض في المنطقة المستهدفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يقلل نهج نظام المعلومات الجغرافية الهجين من صعوبة التركيب والتوسع، مما يسهل تركيب المعدات وصيانتها في المناطق الجبلية والتلال.

تتميز إندونيسيا بمناخ رطب ولها العديد من الأيام ذات درجات الحرارة العالية، لذا فإن السيطرة الذكية لها متطلبات بيئية صارمة. عادة ما تتطلب الخزائن الذكية للتحكم في إندونيسيا نطاق رطوبة نسبي يتراوح بين 5% - 95% ونطاق درجة حرارة محيط يتراوح بين -5 - 55°C، ولا يسمح بتكون الصقيع. لتحقيق التبريد والتخلص من الرطوبة ومنع تكون الرذاذ للخزائن الخارجية للتحكم، يستخدم هذا البحث طريقة تركيب مكيفات الهواء على جانب أبواب الخزانة.

بالنسبة للتوصيل الكهربائي الرئيسي، من الضروري ضمان موثوقيته وفعاليته الاقتصادية وقابلية تشغيله وأمانه أثناء التشغيل. بالنسبة لتوصيلات 110 كيلوفولت ذات الحافلة الواحدة، يتم اعتماد التوصيل القسم أو التوصيل الجسرين بشكل شائع. يحتوي التوصيل الجسري على عدد أقل من المقاطع الكهربائية والاستثمار أقل، ولكن موثوقيته أقل من التوصيل القسم، وصعوبة التعديل والتوسع اللاحق أكبر. لذلك، يستخدم هذا البحث مقاطع كهربائية لتقسيم الحافلة. بهذه الطريقة القسم، عندما تفشل قسم من الحافلة، يمكن للبقية أن توفر الطاقة بشكل طبيعي، مما يضمن خدمة موثوقة. التوصيل القسم للحافلة الواحدة بسيط نسبياً، ويحتوي على مكونات معدات أقل، ويقدم موثوقية وقابلية تشغيل عالية. يتم عرض هيكل محطة التحويل الذكية المحسنة في الشكل 1.

المحولات داخل محطة التحويل، باعتبارها معدات رئيسية، تلعب دوراً حيوياً في كشف الحالة. بالنظر إلى تكاليف الاستثمار والسياقات التطبيقية، يستخدم تصميم هذه الدراسة جهاز مراقبة الغازات المنحلة عبر الإنترنت في الزيت وجهاز كشف تيار التأريض للمغناطيس عبر الإنترنت. الأول، والذي يبلغ سعره حوالي 200,000 يوان لكل مجموعة، يستخدم لكشف العزل الداخلي للمحول الرئيسي، بينما الثاني يستخدم لكشف تيار التأريض للمغناطيس في الوقت الحقيقي. هاتان التكنولوجيتان ناضجتان نسبياً ومتداولة على نطاق واسع.

يقوم المحول الرئيسي الذكي بتجميع المعدات الأساسية والثانوية، مما يمكّنه من إجراء استشعار الحالة وتقييم حالة التشغيل. لتسهيل الصيانة اليومية والتحولات الرصدية وتقليل حمل العمل الصيانة، يتم اختيار التبريد بالهواء الدوار الطبيعي للزيت كطريقة تبريد للمحول الرئيسي.

يجمع نظام المعلومات الجغرافية الهجين بين المقاطع الكهربائية والمقابس والمحولات الكهربائية في كيان واحد، مما يبسط عملية إعادة التشكيل بتقليل عدد المعدات. بالإضافة إلى ذلك، يتميز نظام المعلومات الجغرافية الهجين الخارجي بعدد أقل من المعدات والفلانجات، مما يقدم موثوقية أعلى ومقاومة للتآكل، مما يجعله يعمل بشكل جيد في المنطقة المستهدفة. الجهد المقنن لمعدات خلية نظام المعلومات الجغرافية الهجين هو 126 كيلوفولت، والتيار المقنن هو 2000 أمبير. كل خلية من معدات نظام المعلومات الجغرافية الهجين تتكون من أجهزة استشعار وخزانات التحكم الذكي وأجهزة كشف حالة غاز SF₆. يمكن لهذه الأجهزة كشف حالة الغاز والحالة التشغيلية للمعدات، مما يمكّن من القياس الرقمي والتواصل المعلوماتي واستفسارات الحالة للمفاتيح ذات الجهد العالي.

تحسين معدات التوزيع والتخطيط العام

في تصميم محطة التحويل الذكية الأصلية، كانت تكوين خزانات المحطات الذكية وخزانات التحكم والتجميع لنظام المعلومات الجغرافية الهجين يتبع ترتيب تخصيص خزانتين لكل خلية. ومع ذلك، يؤدي هذا النهج إلى وجود العديد من الحلقات المتقاطعة للأسلاك، مما يكون غير مفيد للصيانة اليومية. لذا يمكن دمج الدوائر الثانوية للمحطات الذكية والآليات لنظام المعلومات الجغرافية الهجين. من خلال الجمع بين اللوحات التحكم والحلقات الترابطية وحلقات الوقاية من الانفصال والحلقات غير المتزامنة في المحطة الذكية، يمكن تحقيق التصميم المتكامل.

تحسن خزانات التحكم الذكية يشمل ثلاثة جوانب رئيسية: (1) تبسيط الدائرة عن طريق استبدال المنطق الأسلاك الصلبة بمنطق البرامج المحلية للطرف؛ (2) تمكين التواصل بين الخلايا عبر المحطات الذكية والتكنولوجيا القائمة على الأحداث للمحطة؛ (3) اعتماد التصميم المتكامل للمحطات الذكية ودوائر التحكم في المقاطع الكهربائية لتقليل الوظائف الزائدة مثل حلقات الترابط الضاغطة. بالإضافة إلى هذه التحسينات في الدائرة، يتم الاحتفاظ بموقع المحطات الذكية داخل الخزانات الأصلية للتحكم والتجميع، ويتم تحسين الاتصالات بين خزانات التحكم والتجميع الذكي والمعدات المقابلة.

يستخدم تصميم الدراسة المقترح نموذج الكابينة المصنعة مسبقاً. يجب أن يكون تخطيط محطة التحويل بناءً على الظروف الطبيعية ومتطلبات الهندسة للمنطقة المستهدفة، ويتمتع بمزايا مثل الأمان والموثوقية والأمان البيئي والحماية من الحرائق والتشغيل والصيانة السهلة. في المنطقة المستهدفة، يتم ترتيب معدات التوزيع بجهد 110 كيلوفولت والمحولات الرئيسية من الشمال إلى الجنوب. لتلبية متطلبات النقل، يتم إعداد ممر للدفاع المدني دائري داخل محطة التحويل، ويتم استخدام تخطيط مصغر لتثبيت المعدات على الموقع. من خلال هذا التخطيط، يمكن توفير 18% من مساحة الأرض. يتم عرض التخطيط العام لمعدات التوزيع في تصميم الدراسة في الشكل 2.

بالنسبة لتحسين أبعاد التوزيع

يقوم تصميم الدراسة المقترح بترتيب معدات نظام المعلومات الجغرافية الهجين في صفوفين، وتستخدم معدات التوزيع بجهد 110 كيلوفولت دعامات أنابيب الألومنيوم والمغنيسيوم الخارجية. التخطيط القياسي للخلية القسم عادة ما يتميز بترتيب خطي للحافلات المرنة في كلا الطرفين، مما يشغل مساحة كبيرة في الجانب. بفضل تكامل معدات نظام المعلومات الجغرافية الهجين، يكون تخطيطه أكثر تكتلاً. يتم تحديد البعد الجانبي للخلية القسم في 8 متر، وهو أقصر بمقدار 2 متر من السابق. الطول الطولي القياسي هو 39 متر. لتحسين البعد الطولي، يستخدم التصميم المقترح معدات متكاملة، ويُزيل الهيكل الدخلي، ويعدل إطار الحافلة، مما يقلل من احتلال المساحة الطولية. من خلال هذين التحسينين، يكون البعد الطولي في التصميم 25.2 متر، أي أقل بمقدار 13.8 متر من الطول القياسي، مما يقلل بشكل فعال من المساحة التي تحتلها المعدات.

تحليل الأداء والتكلفة لمحطات التحويل الذكية المصنعة مسبقاً

بعد الانتهاء من بناء محطة التحويل المصنعة مسبقاً، يجب تنفيذ خطوات التدشين ذات الصلة للتأكد من أن وظائف كل جهاز تلبي متطلبات التصميم وتمكين التواصل الطبيعي بين الأجهزة والبرمجيات. يقوم التجربة بتسجيل وتحليل بيانات مثل قيمة التيار والجهد النشط والقوة النشطة ودرجة حرارة المحول وعامل القوة لكل مفتاح في محطة التحويل المصنعة مسبقاً للتأكد من التشغيل المستقر لمعدات محطة التحويل. من بينها، تظهر قيم درجة حرارة المحول في فترات زمنية مختلفة في الشكل 3.

من خلال ملاحظة الشكل 3(a)، يمكن ملاحظة أن قيم درجة حرارة المرحلة A والمرحلة B والمرحلة C تظل في حالة ثابتة نسبياً. درجة حرارة المرحلة B هي الأعلى، حيث تصل إلى 43.6 °C من الساعة 8:31 إلى الساعة 8:32؛ تتنوع درجة حرارة المرحلة A بين 42.0 - 43.2 °C؛ وترتفع درجة حرارة المرحلة C حول 42.5 °C. في الشكل 3(b)، تظل تغيرات قيم درجة حرارة المحول التي تم جمعها في فترة ما بعد الظهر صغيرة نسبياً. بسبب التغيرات البيئية، تكون قيم درجة حرارة المرحلة A والمرحلة B والمرحلة C أعلى من قيم القياس الصباحية ولكنها لا تزال ضمن نطاق درجة حرارة طبيعي. عند الساعة 14:32، تكون قيمة درجة حرارة المرحلة B 44.1 °C، وفي هذه اللحظة تكون قيم درجة حرارة المرحلة A والمرحلة C 42.9 °C و42.6 °C على التوالي. على مدار فترة القياس بأكملها، تكون أدنى درجة حرارة للمرحلة C هي 42.2 °C وأعلى درجة حرارة هي 43.7 °C، بينما تتقلب درجة حرارة المرحلة A في نطاق 42.6 - 43.8 °C.

يظهر تحليل البيانات التجريبية أن بيانات محطة التحويل المصنعة مسبقاً تلتزم جميعها بمتطلبات التصميم وتتوافق مع المعايير المعتمدة للقبول. من حيث الفائدة الاقتصادية، بناءً على نظرية تكلفة دورة الحياة، يقوم التجربة بتحليل وحساب مختلف تكاليف معدات التوزيع بجهد 110 كيلوفولت، ويختار تصميم معدات التحويل الهوائي للمقارنة. تظهر نتائج المقارنة في الشكل 4.

في الشكل 4، تبلغ تكلفة الاستثمار الأولية لتصميم نظام المعلومات الجغرافية الهجين المحسن 2.413 مليون يوان، وهي أعلى بمقدار 0.133 مليون يوان من تكلفة تصميم معدات التحويل الهوائي. وهذا يعود أساساً لأن تكلفة شراء المعدات في تصميم نظام المعلومات الجغرافية الهجين أعلى من تكلفة تصميم معدات التحويل الهوائي، وتكون تكلفة أعمال التركيب أيضاً أعلى قليلاً.

خلال مرحلة التشغيل والصيانة، تكون نسبة التكلفة المطلوبة صغيرة نسبياً. بما أن محطة التحويل في تصميم نظام المعلومات الجغرافية الهجين المحسن هي محطة بدون أفراد، فإنه يتم فقط الحاجة إلى فحوصات دورية يدوية قليلة، مما يقلل من تكاليف التشغيل والصيانة اليومية. لذا، تكون تكلفة التشغيل والصيانة أقل بكثير من تكلفة تصميم معدات التحويل الهوائي.

قد انخفضت بشكل كبير احتمالية حدوث أعطال سنوية في تصميم نظام المعلومات الجغرافية الهجين المحسن، مما أدى إلى تقليل كبير في تكاليف الصيانة. بالإضافة إلى ذلك، تكون تكلفة الهدم فقط 89% من تكلفة تصميم معدات التحويل الهوائي. باعتبار جميع العوامل، يكون القيمة الحالية لتكلفة دورة الحياة لتصميم نظام المعلومات الجغرافية الهجين المحسن أقل بمقدار 0.549 مليون يوان من تكلفة تصميم معدات التحويل الهوائي. بالإضافة إلى ذلك، يعتبر تصميم محطة التحويل الذكية بجهد 110 كيلوفولت أفضل من تصميم معدات التحويل الهوائي التقليدي.

الخاتمة

للحفاظ على موارد الأراضي الحضرية وتقليل فترة البناء وتعزيز الكفاءة الاقتصادية والموثوقية لمحطات التحويل المصنعة مسبقاً، يقترح هذا البحث تصميم نظام المعلومات الجغرافية الهجين الخارجي الذي يدمج المقاطع الكهربائية والفصل. من خلال تحسين الدائرة واعتماد التوصيل القسم للحافلة الواحدة، وتحسين التخطيط العام، يتم تقليل عدد الأعطال وتقليل تكاليف الصيانة.

تشير نتائج الاختبار إلى أنه أثناء جمع درجة حرارة المحول، تظل قيم درجة حرارة المرحلة A والمرحلة B والمرحلة C نسبياً ثابتة. في الصباح، تتراوح درجة حرارة المرحلة A بين 42.0 - 43.2 °C، بينما تبقى درجة حرارة المرحلة C حوالي 42.5 °C. في فترة ما بعد الظهر، تتراوح درجة حرارة المرحلة C بين أدنى قيمة 42.2 °C وأعلى قيمة 43.7 °C، وتتراوح درجة حرارة المرحلة A بين 42.6 °C و43.8 °C. تتوافق بيانات محطة التحويل المصنعة مسبقاً مع متطلبات التصميم ومعايير القبول ذات الصلة.

في تحليل تكلفة دورة الحياة، رغم أن تكلفة الاستثمار الأولية لتصميم نظام المعلومات الجغرافية الهجين المحسن تبلغ 2.413 مليون يوان، أي أعلى بمقدار 0.133 مليون يوان من تكلفة تصميم معدات التحويل الهوائي، إلا أن تصميم نظام المعلومات الجغرافية الهجين المحسن يحتاج فقط إلى فحوصات دورية يدوية قليلة. هذا يقلل من تكاليف التشغيل والصيانة اليومية، مما يجعل تكلفة التشغيل والصيانة أقل بكثير من تكلفة تصميم معدات التحويل الهوائي، ويقلل بشكل كبير من تكاليف الصيانة. تشير الحسابات إلى أن القيمة الحالية لتكلفة دورة الحياة لتصميم نظام المعلومات الجغرافية الهجين المحسن أقل بمقدار 0.549 مليون يوان من تكلفة تصميم معدات التحويل الهوائي، مما يدل على أن تصميم محطة التحويل الذكية بجهد 110 كيلوفولت المحسن أفضل من تصميم معدات التحويل الهوائي التقليدي.

ومع ذلك، يقتصر هذا البحث على تحليل وتحسين تصميم محطة التحويل الأولية. في المستقبل، سيحتاج إلى إجراء تصميم ذكي أكثر شمولاً لمحطات التحويل الثانوية بالنظر الشامل للاتصالات وإنشاء الأراضي.