پژوهش طراحی زیرстанسیون جعبه‌ای هوشمند مبتنی بر دستگاه‌های GIS فشار قوی ۱۱۰ کیلوولت
انتخاب و تنظیم تجهیزات توزیع بر اساس GIS
در حال حاضر، تجهیزات توزیع معمول شامل دستگاه‌های کلیدی خلاء در فضای باز، GIS داخل ساختمانی سنتی، GIS داخل ساختمانی با ساختار فولادی و GIS هیبریدی خارج ساختمانی است. این مطالعه به منظور کامل کردن تنظیم تجهیزات توزیع برای زیرстанسیون‌های هوشمند پیش‌ساخته در اندونزی انجام شده است. بیشتر زیرستانسیون‌های اندونزی در مناطقی با توپوگرافی پیچیده و چگالی بار کم قرار دارند. بر اساس طرح فعلی، استراتژی توسعه شبکه برق منطقه‌ای شامل استفاده از خطوط 110 kV موجود برای ساخت زیرستانسیون‌های کوچک ظرفیت است. بر این اساس، سطوح ولتاژ به تدریج کاهش می‌یابد تا کارایی سرمایه‌گذاری را به حداکثر برساند، استفاده از تجهیزات را افزایش دهد و نقش زیرستانسیون‌های 35 kV را کاهش دهد. زیرستانسیون‌های شبکه برق اندونزی مقیاس بزرگ هستند با هزینه سرمایه و تجهیزات بالا و دوره ساخت بلند، که نیازمند بهینه‌سازی بیشتر در انتخاب و تنظیم تجهیزات توزیع است.
GIS هیبریدی خارج ساختمانی مداربرها و جداکننده‌ها را یکپارچه می‌کند و از ماژراهای سنتی استفاده می‌کند. این ترتیب می‌تواند تعداد فلانژها و تجهیزات خارج ساختمانی را کاهش دهد و در نتیجه کارایی استفاده از زمین در منطقه هدف را افزایش دهد. علاوه بر این، رویکرد GIS هیبریدی می‌تواند دشواری نصب و گسترش را کاهش دهد 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 مشخصی را نیاز دارد. در اندونزی، کابینه‌های کنترل هوشمند معمولاً نیاز به دامنه رطوبت نسبی 5% - 95% و دامنه دما -5 - 55°C دارند و تشکیل یخ نباید رخ دهد. برای دستیابی به خنک‌سازی، جذب رطوبت و جلوگیری از کندی کابینه‌های کنترل خارج ساختمانی، این مطالعه از روش نصب یخچال‌های هوا در کنار درب‌های کابینه استفاده می‌کند.
در مورد تأسیسات الکتریکی اصلی، ضروری است که قابلیت اطمینان، کارایی اقتصادی، عملکرد و ایمنی آن در حین عملیات تضمین شود. برای تأسیسات الکتریکی 110 kV با یک مادربر، معمولاً از تأسیسات بخشی یا پلی استفاده می‌شود. تأسیسات پلی تعداد کمتری مداربر دارد و سرمایه‌گذاری کمتری نیاز دارد، اما قابلیت اطمینان آن کمتر از تأسیسات بخشی است و دشواری تغییر و گسترش بعدی آن بیشتر است. بنابراین، این مطالعه از مداربرها برای تقسیم مادربر استفاده می‌کند. با این روش تأسیسات بخشی، وقتی یک بخش از مادربر خراب می‌شود، بخش‌های باقی‌مانده می‌توانند به طور عادی برق تأمین کنند و خدمات قابل اعتمادی را تضمین کنند. تأسیسات بخشی یک مادربر نسبتاً ساده است با تعداد کمتری اجزای تجهیزات و قابلیت اطمینان و عملکرد بالا. ساختار زیرستانسیون هوشمند بهبود یافته در شکل 1 نشان داده شده است.
تبدیل‌کننده‌های 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 آنلاین گاز محلول در روغن و دستگاه تشخیص جریان زمین‌گیر آهن‌ربا آنلاین استفاده می‌کند. دستگاه اول با قیمت حدود 200,000 یوان برای هر ست، برای تشخیص عایق‌بندی داخلی تبدیل‌کننده اصلی استفاده می‌شود و دستگاه دوم برای تشخیص زنده جریان زمین‌گیر آهن‌ربا است. هر دو تکنولوژی نسبتاً پخته و به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تبدیل‌کننده اصلی هوشمند تجهیزات اولیه و ثانویه را یکپارچه می‌کند و قادر به ادراک وضعیت و ارزیابی وضعیت عملیاتی است. برای تسهیل نگهداری روزمره و نوبت‌های نظارت و کاهش حجم کار نگهداری، چرخه‌ی روغن طبیعی و خنک‌سازی هوا به عنوان روش خنک‌سازی تبدیل‌کننده اصلی انتخاب شده است.
GIS هیبریدی مداربرها، کلیدها و ترانسفورماتورهای جریان را در یک واحد یکپارچه می‌کند و با کاهش تعداد تجهیزات، فرآیند بازسازی را ساده‌تر می‌کند. علاوه بر این، GIS هیبریدی خارج ساختمانی تعداد کمتری تجهیزات و فلانژ دارد و قابلیت اطمینان و مقاومت در برابر فرسودگی بالاتری دارد که آن را در منطقه هدف به خوبی اجرا می‌کند. ولتاژ اسمی تجهیزات GIS هیبریدی 126 kV و جریان اسمی آن 2000 A است. هر واحد GIS هیبریدی شامل سنسورها، کابینه‌های کنترل هوشمند و دستگاه‌های تشخیص وضعیت گاز SF₆ است. این دستگاه‌ها می‌توانند وضعیت گاز و وضعیت عملیاتی 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 بود. اما این رویکرد منجر به تعداد زیادی حلقه‌ی عبور کابل می‌شود که برای نگهداری روزمره مطلوب نیست. بنابراین، می‌توان مدارهای ثانویه پایانه‌های هوشمند و مکانیزم‌های GIS هیبریدی را یکپارچه کرد. با ترکیب پانلهای کنترل، حلقه‌های قفل‌گیری، حلقه‌های جلوگیری از قطع و حلقه‌های غیرهم‌فاز در پایانه هوشمند، یک طراحی یکپارچه می‌تواند ایجاد شود.
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 شیء محور رویداد زیرستانسیون؛ (3) استفاده از طراحی یکپارچه پایانه‌های هوشمند و مدارهای کنترل مداربر برای کاهش توابع اضافی مانند حلقه‌های قفل‌گیری فشار. علاوه بر این بهبودهای مداری، جایگاه پایانه‌های هوشمند در کابینه‌های کنترل-جمع‌آوری اولیه حفظ شده و ارتباطات بین کابینه‌های کنترل-جمع‌آوری هوشمند و تجهیزات متناظر بهینه شده است.
طرح طراحی پیشنهادی در این مطالعه از مدل کابینه پیش‌ساخته مدولار استفاده می‌کند. طرح زیرستانسیون باید بر اساس شرایط طبیعی و نیازهای مهندسی منطقه هدف و دارای مزایایی مانند ایمنی، قابلیت اطمینان، دوستدار محیط زیست، محافظت از آتش و عملیات و نگهداری آسان باشد. در منطقه هدف، تجهیزات توزیع 110 kV و تبدیل‌کننده‌های اصلی از شمال به جنوب ترتیب داده شده‌اند. برای تأمین نیازهای حمل و نقل، یک مسیر آتش‌نشانی دایره‌ای در زیرستانسیون تنظیم شده و نصب تجهیزات محلی از طریق یک طرح کوچک‌سازی استفاده می‌کند. از طریق این طرح، 18% از مساحت زمین صرفه‌جویی می‌شود. طرح کلی تجهیزات توزیع در طرح طراحی در شکل 2 نشان داده شده است.
در مورد بهینه‌سازی ابعاد توزیع
طرح طراحی پیشنهادی در این تحقیق تجهیزات GIS هیبریدی را در دو ردیف ترتیب می‌دهد و تجهیزات توزیع 110 kV از ماژراهای پشتیبان آلومینیوم-مگنزیوم استفاده می‌کند. طرح بخش استاندارد معمولاً شامل ترتیب خطی ماژراهای لوله‌ای نرم در دو انتهای است که مقدار زیادی فضا در امتداد جانبی اشغال می‌کند. با توجه به یکپارچه‌سازی تجهیزات GIS هیبریدی، طرح آن فشرده‌تر است. این تحقیق ابعاد جانبی بخش را 8 متر تنظیم کرده که 2 متر کمتر از قبل است. طول استاندارد طولی 39 متر است. برای بهینه‌سازی ابعاد طولی، طرح پیشنهادی از تجهیزات یکپارچه استفاده می‌کند، ساختار ورودی خط را حذف می‌کند و چارچوب ماژرا را اصلاح می‌کند تا مقدار فضا در امتداد طولی کاهش یابد. با این دو بهبود، ابعاد طولی در طرح 25.2 متر است که 13.8 متر کمتر از طول استاندارد است و به طور موثر مقدار فضا که توسط تجهیزات اشغال می‌شود را کاهش می‌دهد.
تحلیل عملکرد و هزینه‌ی زیرستانسیون‌های هوشمند پیش‌ساخته
پس از تکمیل ساخت زیرستانسیون پیش‌ساخته، مراحل مربوط به آزمایش و راه‌اندازی باید انجام شود تا اطمینان حاصل شود که عملکرد هر دستگاه مطابق با نیازهای طراحی باشد و ارتباط عادی بین دستگاه‌ها و نرم‌افزارها تأمین شود. آزمایش داده‌هایی مانند جریان، مقدار ولتاژ، توان فعال، دما تبدیل‌کننده و عامل توان هر کلید در زیرستانسیون پیش‌ساخته را ثبت و تحلیل می‌کند تا عملکرد پایدار تجهیزات زیرستانسیون تضمین شود. در بین آنها، مقادیر دما تبدیل‌کننده در زمان‌های مختلف در شکل 3 نشان داده شده است.
با مشاهده شکل 3(a)، می‌توان دریافت که مقادیر دما فاز A، فاز B و فاز C همه در حالت نسبتاً پایدار باقی می‌مانند. دما فاز B بالاترین است که از 8:31 تا 8:32 به 43.6 °C می‌رسد؛ دما فاز A بین 42.0 - 43.2 °C متغیر است؛ و دما فاز C حدود 42.5 °C باقی می‌ماند. در شکل 3(b)، تغییرات در مقادیر دما تبدیل‌کننده جمع‌آوری شده در بعد از ظهر نیز نسبتاً کم است. به دلیل تغییرات محیطی، مقادیر کلی دما فاز A، فاز B و فاز C بالاتر از مقادیر اندازه‌گیری شده در صبح است اما هنوز در محدوده دماهای عادی است. در 14:32، مقدار دما فاز B 44.1 °C است و در این زمان، مقادیر دما فاز A و فاز C به ترتیب 42.9 °C و 42.6 °C هستند. در طول کل دوره اندازه‌گیری، کمترین دما فاز C 42.2 °C و بیشترین آن 43.7 °C است در حالی که دما فاز A در محدوده 42.6 - 43.8 °C متغیر است.
تحلیل داده‌های آزمایشی نشان می‌دهد که داده‌های زیرستانسیون پیش‌ساخته همه نیازهای طراحی را برآورده می‌کنند و با استانداردهای مربوطه مطابقت دارند. از نظر کارایی اقتصادی، بر اساس نظریه هزینه‌ی چرخه‌ی عمر، آزمایش تجزیه و تحلیل و محاسبه هزینه‌های مختلف تجهیزات توزیع 110 kV را انجام می‌دهد و طرح کلیدهای خلاء در فضای باز را برای مقایسه انتخاب می‌کند. نتایج مقایسه در شکل 4 نشان داده شده است.
در شکل 4، هزینه‌ی سرمایه‌گذاری اولیه طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه‌سازی شده 2.413 میلیون یوان است که 0.133 میلیون یوان بیشتر از طرح کلیدهای خلاء در فضای باز است. این امر عمده به دلیل این است که هزینه‌ی خرید تجهیزات در طرح طراحی GIS هیبریدی بیشتر از طرح کلیدهای خلاء در فضای باز است و هزینه‌ی مهندسی نصب نیز کمی بالاتر است.
در مرحله عملیات و نگهداری، نسبت هزینه‌ی مورد نیاز نسبتاً کم است. چون زیرستانسیون طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه‌سازی شده بدون نیروی انسانی است، فقط مقدار کمی بازرسی‌های منظم دستی نیاز است که هزینه‌های روزمره عملیات و نگهداری را کاهش می‌دهد. بنابراین، هزینه‌ی عملیات و نگهداری بسیار کمتر از طرح کلیدهای خلاء در فضای باز است.
احتمال خرابی سالانه طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه‌سازی شده به طور قابل توجهی کاهش یافته است که منجر به کاهش قابل توجه هزینه‌های نگهداری شده است. علاوه بر این، هزینه‌ی تخریب آن فقط 89% هزینه‌ی طرح کلیدهای خلاء در فضای باز است. با در نظر گرفتن تمام عوامل، ارزش فعلی هزینه‌ی چرخه‌ی عمر طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه‌سازی شده 0.549 میلیون یوان کمتر از طرح کلیدهای خلاء در فضای باز است. علاوه بر این، طرح زیرستانسیون هوشمند 110 kV GIS بر طرح کلیدهای خلاء در فضای باز سنتی برتری دارد.
نتیجه‌گیری
برای صرفه‌جویی در منابع زمین شهری، کوتاه کردن دوره ساخت و افزایش کارایی اقتصادی و قابلیت اطمینان زیرستانسیون‌های پیش‌ساخته، این تحقیق طرح طراحی GIS هیبریدی خارج ساختمانی که مداربرها و جداکننده‌ها را یکپارچه می‌کند را پیشنهاد می‌کند. با بهینه‌سازی مدار و استفاده از تأسیسات بخشی یک مادربر و بهینه‌سازی طرح کلی، تعداد خرابی‌ها کاهش یافته و هزینه‌ی نگهداری کاهش می‌یابد.
نتایج آزمایش نشان می‌دهد که در جمع‌آوری دما تبدیل‌کننده، مقادیر دما فاز A، فاز B و فاز C نسبتاً پایدار باقی می‌مانند. صبح، دما فاز A بین 42.0 - 43.2 °C متغیر است در حالی که دما فاز C حدود 42.5 °C باقی می‌ماند. بعد از ظهر، دما فاز C از کمترین 42.2 °C تا بیشترین 43.7 °C متغیر است و دما فاز A بین 42.6 °C و 43.8 °C متغیر است. داده‌های زیرستانسیون پیش‌ساخته نیازهای طراحی را برآورده می‌کنند و با استانداردهای مربوطه مطابقت دارند.
در تحلیل هزینه‌ی چرخه‌ی عمر، اگرچه هزینه‌ی سرمایه‌گذاری اولیه طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه‌سازی شده 2.413 میلیون یوان است که 0.133 میلیون یوان بیشتر از طرح کلیدهای خلاء در فضای باز است، طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه‌سازی شده فقط مقدار کمی بازرسی‌های منظم دستی نیاز دارد. این کاهش هزینه‌های روزمره عملیات و نگهداری را ایجاد می‌کند و هزینه‌ی عملیات و نگهداری بسیار کمتر از طرح کلیدهای خلاء در فضای باز است و هزینه‌ی نگهداری را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. محاسبات نشان می‌دهند که ارزش فعلی هزینه‌ی چرخه‌ی عمر طرح طراحی GIS هیبریدی بهینه‌سازی شده 0.549 میلیون یوان کمتر از طرح کلیدهای خلاء در فضای باز است که نشان می‌دهد طرح بهینه‌سازی شده 110 kV GIS هوشمند بر طرح کلیدهای خلاء در فضای باز سنتی برتری دارد.
با این حال، این تحقیق فقط طراحی اولیه زیرستانسیون را تحلیل و بهینه‌سازی می‌کند. در آینده، طراحی هوشمند جامع‌تر برای زیرستانسیون‌های ثانویه نیاز است که با در نظر گرفتن ارتباطات و ساخت زمینی انجام شود.
