پژوهش طراحی زیرстанسیون جعبه‌ای هوشمند مبتنی بر تجهیزات کلیدزن GIS فشار بالا ۱۱۰ kV

بر اساس GIS انتخاب و راه‌اندازی تجهیزات توزیع

در حال حاضر، تجهیزات توزیع معمول عمدتاً شامل تجهیزات برق باز در فضای آزاد، GIS سنتی داخل ساختمان، GIS ساخته شده از فولاد در داخل ساختمان و GIS هیبریدی خارج ساختمان است. این مطالعه به منظور راه‌اندازی تجهیزات توزیع برای زیرстанسیون‌های هوشمند پیش‌ساخته در اندونزی است. بیشتر زیرستانسیون‌های اندونزی در مناطقی با زمین‌شناسی پیچیده و چگالی بار کم قرار دارند. طبق برنامه فعلی، استراتژی توسعه شبکه برق منطقه‌ای از خطوط 110 kV موجود برای ساخت زیرستانسیون‌های با ظرفیت کوچک استفاده می‌کند. بر این اساس، سطوح ولتاژ به تدریج کاهش می‌یابد تا کارایی سرمایه‌گذاری را بیشینه کند، استفاده از تجهیزات را افزایش دهد و نقش زیرستانسیون‌های 35 kV را کاهش دهد. زیرستانسیون‌های شبکه برق اندونزی مقیاس بزرگ دارند و هزینه سرمایه و تجهیزات بالا و دوره ساخت طولانی نیاز به بهینه‌سازی بیشتر در انتخاب و راه‌اندازی تجهیزات دارند.

GIS هیبریدی خارج ساختمان دارای مداربرها و جداکننده‌ها است و از اتوبوس‌های سنتی استفاده می‌کند. این ترتیب می‌تواند تعداد فلانژ‌ها و تجهیزات خارج ساختمان را کاهش دهد و در نتیجه کارایی استفاده از زمین در منطقه مورد نظر را افزایش دهد. علاوه بر این، رویکرد GIS هیبریدی می‌تواند دشواری نصب و گسترش را کاهش داده و نصب و نگهداری تجهیزات در مناطق کوهستانی و تپه‌ای را تسهیل کند.

آب و هوای اندونزی نسبتاً مرطوب است و روزهای گرم زیادی دارد، بنابراین کنترل هوشمند شرایط محیطی سختگیرانه‌ای دارد. در اندونزی، کابینه‌های کنترل هوشمند معمولاً نیاز به دامنه رطوبت نسبی 5% - 95% و دامنه دما محیطی -5 - 55°C دارند و تشکیل یخ نمی‌دهند. برای خنک‌سازی، خشک‌سازی و جلوگیری از تشکیل رطوبت در کابینه‌های کنترل خارج ساختمان، این مطالعه از روش نصب یخچال‌ها در کنار درب کابینه استفاده می‌کند.

در مورد مدار الکتریکی اصلی، ضروری است که قابلیت اطمینان، اقتصادی بودن، عملکرد و ایمنی آن در عمل اطمینان‌بخش باشد. برای مدار الکتریکی 110 kV با یک اتوبوس، معمولاً از مدارهای بخشی یا مدارهای پلی استفاده می‌شود. مدارهای پلی تعداد کمتری از مداربرها و سرمایه‌گذاری کمتری دارند، اما قابلیت اطمینان آنها کمتر از مدارهای بخشی است و دشواری تغییر و گسترش بعدی آنها بیشتر است. بنابراین، این مطالعه از مداربرها برای تقسیم اتوبوس استفاده می‌کند. با این روش تقسیم، وقتی یک بخش از اتوبوس خراب می‌شود، بخش‌های باقی‌مانده می‌توانند به طور عادی تأمین برق کنند و خدمات قابل اطمینانی را ارائه دهند. مدار یک اتوبوس تقسیم‌شده نسبتاً ساده است، تعداد کمتری از قطعات تجهیزات دارد و قابلیت اطمینان و عملکرد بالایی دارد. ساختار زیرستانسیون هوشمند بهبود یافته در شکل 1 نشان داده شده است.

ترانسفورماتورهای درون زیرستانسیون به عنوان تجهیزات مهم، نقش حیاتی در تشخیص وضعیت دارند. با توجه به هزینه‌های سرمایه‌گذاری و سناریوهای کاربردی، طرح طراحی این مطالعه از دستگاه مانیتورینگ گاز محلول آنلاین در روغن و دستگاه آزمایش جریان زمین‌گیر آهن‌ربایی آنلاین استفاده می‌کند. قیمت اولی 200,000 RMB برای هر ست است و برای تشخیص عایق‌بندی داخلی ترانسفورماتور اصلی استفاده می‌شود، در حالی که دومی برای تشخیص زنده جریان زمین‌گیر آهن‌ربایی است. هر دو تکنولوژی نسبتاً پیشرفته و به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

ترانسفورماتور اصلی هوشمند تجهیزات اولیه و ثانویه را یکپارچه می‌کند و قادر است تشخیص وضعیت و ارزیابی وضعیت عملیاتی را انجام دهد. برای تسهیل نگهداری روزمره و نوبت‌های نظارت و کاهش بار کاری نگهداری، سیستم خنک‌سازی هوایی با چرخه روغن طبیعی برای ترانسفورماتور اصلی انتخاب شده است.

GIS هیبریدی مداربرها، کلیدها و ترانسفورماتورهای جریان را در یک واحد یکپارچه می‌کند و با کاهش تعداد تجهیزات، فرایند بازسازی را ساده می‌کند. علاوه بر این، GIS هیبریدی خارج ساختمان تعداد کمتری از تجهیزات و فلانژ‌ها دارد و قابلیت اطمینان و مقاومت در برابر فرسایش بالاتری دارد که آن را در منطقه مورد نظر عملکرد خوبی می‌دهد. ولتاژ اسمی تجهیزات GIS هیبریدی 126 kV و جریان اسمی 2000 A است. هر تجهیز GIS هیبریدی شامل سنسورها، کابینه‌های کنترل هوشمند و دستگاه‌های تشخیص وضعیت گاز SF₆ است. این دستگاه‌ها می‌توانند وضعیت گاز و وضعیت عملکرد تجهیزات را تشخیص دهند و توابع اندازه‌گیری دیجیتال، تعامل اطلاعاتی و پرس‌وجوی وضعیت برای کلیدهای ولتاژ بالا را فراهم کنند.

بهینه‌سازی تجهیزات توزیع و طرح کلی

در طراحی اولیه زیرستانسیون هوشمند، تخصیص کابینه‌های پایانه هوشمند و کابینه‌های کنترل-جمع‌آوری GIS هیبریدی به دو کابینه برای هر بخش دنبال می‌شد. اما این رویکرد منجر به تعداد زیادی حلقه عبور کابل می‌شود که برای نگهداری روزمره مفید نیست. بنابراین، مدارهای ثانویه پایانه‌های هوشمند و مکانیزم‌های GIS هیبریدی می‌توانند یکپارچه شوند. با ترکیب صفحات کنترل، حلقه‌های قفل، حلقه‌های جلوگیری از افت و حلقه‌های نامتناسب در پایانه هوشمند، یک طراحی یکپارچه قابل انجام است.

بهینه‌سازی کابینه‌های کنترل هوشمند عمدتاً شامل سه جنبه است: (1) ساده‌سازی مدار با جایگزینی منطق سیم‌کشی سخت با منطق نرم‌افزاری پایانه محلی؛ (2) امکان ارتباط بین بخش‌ها از طریق پایانه‌های هوشمند و تکنولوژی شی‌گرا برای رویدادهای زیرستانسیون؛ (3) استفاده از طراحی یکپارچه پایانه‌های هوشمند و مدارهای کنترل مداربرها برای کاهش توابع اضافی مانند حلقه‌های قفل فشار. علاوه بر این بهبود‌های مداری، چیدمان پایانه‌های هوشمند در کابینه‌های کنترل-جمع‌آوری اولیه حفظ شده و ارتباطات بین کابینه‌های کنترل-جمع‌آوری هوشمند و تجهیزات مربوطه بهینه شده‌اند.

طرح طراحی پیشنهادی در این مطالعه از مدل کابین پیش‌ساخته مدولار استفاده می‌کند. چیدمان زیرستانسیون باید بر اساس شرایط طبیعی و نیازهای مهندسی منطقه مورد نظر باشد و مزایایی مانند ایمنی، قابلیت اطمینان، دوستدار محیط زیست، محافظت از آتش و عملیات و نگهداری آسان داشته باشد. در منطقه مورد نظر، تجهیزات توزیع 110 kV و ترانسفورماتورهای اصلی از شمال به جنوب تنظیم شده‌اند. برای تامین نیازهای حمل و نقل، یک مسیر آتش‌نشانی دایره‌ای در زیرستانسیون تنظیم شده و نصب تجهیزات در محل با یک چیدمان حداقلی استفاده شده است. از طریق این چیدمان، 18% از مساحت زمین صرفه‌جویی می‌شود. چیدمان کلی تجهیزات توزیع در طرح طراحی در شکل 2 نشان داده شده است.

از نظر بهینه‌سازی ابعاد توزیع

طرح طراحی پیشنهادی در این تحقیق تجهیزات GIS هیبریدی را در دو ردیف تنظیم می‌کند و تجهیزات توزیع 110 kV از اتوبوس‌های رسانای آلومینیوم-ماگنزیوم خارج ساختمان استفاده می‌کند. چیدمان بخش استاندارد معمولاً شامل چیدمان خطی اتوبوس‌های لوله‌ای نرم در دو انتهای بخش است که فضای جانبی زیادی را اشغال می‌کند. با یکپارچه‌سازی تجهیزات GIS هیبریدی، چیدمان آن بیشتر فشرده است. این تحقیق ابعاد جانبی بخش را 8 متر تنظیم کرده که 2 متر کوتاه‌تر از قبل است. طول استاندارد طولی 39 متر است. برای بهینه‌سازی ابعاد طولی، طرح پیشنهادی از تجهیزات یکپارچه استفاده می‌کند، ساختار ورودی را حذف می‌کند و چارچوب اتوبوس را اصلاح می‌کند، که در نتیجه فضای اشغال شده طولی کاهش می‌یابد. از طریق این دو بهبود، ابعاد طولی در طرح 25.2 متر است، 13.8 متر کوتاه‌تر از طول استاندارد، که به طور مؤثری فضای اشغال شده توسط تجهیزات را کاهش می‌دهد.

تحلیل عملکرد و هزینه زیرستانسیون‌های هوشمند پیش‌ساخته

پس از اتمام ساخت زیرستانسیون پیش‌ساخته، مراحل مربوطه برای اطمینان از عملکرد هر دستگاه طبق طراحی و امکان ارتباط نرمال بین دستگاه‌ها و نرم‌افزار باید انجام شود. آزمایش داده‌هایی مانند جریان، ولتاژ، توان فعال، دمای ترانسفورماتور و عامل توان هر کلید در زیرستانسیون پیش‌ساخته را ثبت و تحلیل می‌کند تا عملکرد پایدار تجهیزات زیرستانسیون اطمینان‌بخش باشد. در میان آنها، مقادیر دمای ترانسفورماتور در دوره‌های زمانی مختلف در شکل 3 نشان داده شده است.

با مشاهده شکل 3(a)، می‌توان دریافت که مقادیر دمای فاز A، فاز B و فاز C همه در حالت نسبتاً پایداری قرار دارند. دمای فاز B بالاترین است و از 8:31 تا 8:32 به 43.6 °C می‌رسد؛ دمای فاز A بین 42.0 - 43.2 °C متغیر است؛ و دمای فاز C در حدود 42.5 °C باقی می‌ماند. در شکل 3(b)، تغییرات در مقادیر دمای ترانسفورماتور جمع‌آوری شده در بعد از ظهر نیز نسبتاً کم است. به دلیل تغییرات محیطی، مقادیر کلی دمای فاز A، فاز B و فاز C از مقادیر اندازه‌گیری شده صبح بالاتر است اما هنوز در محدوده دماهای طبیعی قرار دارد. در 14:32، مقدار دمای فاز B 44.1 °C است و در این زمان مقادیر دمای فاز A و فاز C به ترتیب 42.9 °C و 42.6 °C هستند. در طول کل دوره اندازه‌گیری، کمترین دمای فاز C 42.2 °C و بیشترین آن 43.7 °C است، در حالی که دمای فاز A در محدوده 42.6 - 43.8 °C نوسان می‌کند.

تحلیل داده‌های آزمایشی نشان می‌دهد که داده‌های زیرستانسیون پیش‌ساخته همه طبق نیازهای طراحی هستند و با استانداردهای پذیرش مرتبط مطابقت دارند. از نظر کارایی اقتصادی، بر اساس نظریه هزینه‌های چرخه حیات، آزمایش تجزیه و تحلیل و محاسبه هزینه‌های مختلف تجهیزات توزیع 110 kV را انجام می‌دهد و طرح سوئیچگر با عایق هوایی را برای مقایسه انتخاب می‌کند. نتایج مقایسه در شکل 4 نشان داده شده است.

در شکل 4، هزینه سرمایه‌گذاری اولیه طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه 2.413 میلیون RMB است که 0.133 میلیون RMB بیشتر از طرح سوئیچگر با عایق هوایی است. این امر به دلیل این است که هزینه خرید تجهیزات طرح طراحی GIS هیبریدی بالاتر از طرح سوئیچگر با عایق هوایی است و هزینه مهندسی نصب نیز کمی بالاتر است.

در مرحله عملیات و نگهداری، نسبت هزینه‌های مورد نیاز نسبتاً کم است. چون زیرستانسیون طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه یک زیرستانسیون بدون نفر است و فقط نیاز به تعداد کمی از بازرسی‌های منظم دارد، که هزینه‌های روزمره عملیات و نگهداری را کاهش می‌دهد. بنابراین، هزینه عملیات و نگهداری بسیار کمتر از طرح سوئیچگر با عایق هوایی است.

احتمال خرابی سالانه طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه به طور قابل توجهی کاهش یافته و در نتیجه هزینه‌های نگهداری به طور قابل توجهی کاهش یافته است. علاوه بر این، هزینه خرابی آن فقط 89٪ هزینه خرابی طرح سوئیچگر با عایق هوایی است. با در نظر گرفتن تمام عوامل، ارزش فعلی هزینه‌های چرخه حیات طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه 0.549 میلیون RMB کمتر از طرح سوئیچگر با عایق هوایی است. علاوه بر این، طرح زیرستانسیون 110 kV GIS هوشمند بر طرح سوئیچگر با عایق هوایی سنتی برتری دارد.

نتیجه‌گیری

برای صرفه‌جویی در منابع زمین شهری، کوتاه‌تر کردن دوره ساخت و افزایش کارایی اقتصادی و قابلیت اطمینان زیرستانسیون‌های پیش‌ساخته، این تحقیق طرح طراحی GIS هیبریدی خارج ساختمان را که مداربرها و جداکننده‌ها را یکپارچه می‌کند، پیشنهاد می‌کند. با بهینه‌سازی مدار و استفاده از مدار یک اتوبوس تقسیم‌شده و بهینه‌سازی چیدمان کلی، تعداد خرابی‌ها کاهش یافته و هزینه نگهداری کاهش یافته است.

نتایج آزمایش نشان می‌دهد که در جمع‌آوری دمای ترانسفورماتور، مقادیر دمای فاز A، فاز B و فاز C نسبتاً پایدار مانده‌اند. صبح، دمای فاز A بین 42.0 - 43.2 °C متغیر است، در حالی که دمای فاز C در حدود 42.5 °C باقی می‌ماند. بعد از ظهر، دمای فاز C از کمترین 42.2 °C تا بیشترین 43.7 °C متغیر است و دمای فاز A بین 42.6 °C و 43.8 °C نوسان می‌کند. داده‌های زیرستانسیون پیش‌ساخته نیازهای طراحی را برآورده می‌کنند و با استانداردهای پذیرش مرتبط مطابقت دارند.

در تحلیل هزینه‌های چرخه حیات، گرچه هزینه سرمایه‌گذاری اولیه طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه 2.413 میلیون RMB است که 0.133 میلیون RMB بیشتر از طرح سوئیچگر با عایق هوایی است، اما طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه فقط نیاز به تعداد کمی از بازرسی‌های منظم دارد. این امر هزینه‌های روزمره عملیات و نگهداری را کاهش می‌دهد و هزینه عملیات و نگهداری بسیار کمتر از طرح سوئیچگر با عایق هوایی است و هزینه نگهداری نیز به طور قابل توجهی کاهش یافته است. محاسبات نشان می‌دهد که ارزش فعلی هزینه‌های چرخه حیات طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه 0.549 میلیون RMB کمتر از طرح سوئیچگر با عایق هوایی است، که نشان می‌دهد طرح 110 kV GIS هوشمند بهینه بر طرح سوئیچگر با عایق هوایی سنتی برتری دارد.

با این حال، این تحقیق فقط طراحی اولیه زیرستانسیون را تحلیل و بهینه‌سازی کرده است. در آینده، طراحی هوشمند جامع‌تر برای زیرستانسیون‌های ثانویه با در نظر گرفتن ارتباطات و ساخت زمین باید انجام شود.