Приложение на интелигентните мрежови технологии в управлението на загубите в нисковолтови трансформаторни зони

Като есенциален компонент на разпределителната мрежа, нисковолтовите разпределителни зони (по-нататък се наричат "низковолтови трансформаторни зони") директно влияят върху икономическите ползи за предприятията за доставка на електроенергия и качеството на потребителството на електроенергия от крайните потребители чрез проблемите си свързани с загубите по линия. Въпреки това, традиционните подходи към управлението имат очевидни недостатъци във връзка с точността и ефективността. В този контекст, приложението на технологии за умна мрежа предоставя нови решения за управление на загубите по линия. Чрез въвеждането на напреднали технически средства не само може да се подобри значително нивото на детайлното управление на загубите по линия, но могат да бъдат подкрепени и целите за спестяване на енергия и намаляване на емисиите, което е от голямо значение за насърчаване на висококачественото развитие в електроенергийната индустрия.

1.Проблеми с загубите по линия в низковолтовите трансформаторни зони
Проблемите с загубите по линия в низковолтовите трансформаторни зони се класифицират основно като технически загуби и загуби в управлението. Техническите загуби произтичат от вродените загуби на оборудването и оперативни ограничения – например, железни и медни загуби в трансформаторите и загуби на енергия, причинени от съпротивлението на линията. Един типичен пример за нисковолтова разпределителна линия, когато сечната площ на проводника е 50 мм² и токът на нагрузката достига 200 А, загубата на мощност на километър от линията е приблизително 4 кВт.

Когато сечната площ на проводника се увеличи до 70 мм² при същите условия, загубата може да бъде намалена с около 30%. Загубите в управлението, от друга страна, често са причинени от грешки в измерването, кражби на електроенергия или неправилно управление и поддръжка. Например, точността на измерване на традиционните механични електроумерители при лека нагрузка е само около 85%, много по-ниска от тази на умните електроумерители, която надвишава 99%. Освен това, трифазната асиметрия може значително да увеличи загубите по линия; ако трифазната асиметрия на тока в трансформаторна зона надвиши 15%, темпото на загуби по линия ще се увеличи с 2% до 5%. Съществуването на тези проблеми показва, че ръчната проверка вече не може да удовлетвори изискванията на детайлното управление, и са необходими интелигентни методи за повишаване на ефективността на управлението.

2.Технологии за умна мрежа, приложени в управлението на загубите по линия в низковолтовите трансформаторни зони

2.1 HPLC (технология за високоскоростна комуникация по линии на електроенергия)
Основният принцип на технологията HPLC е използването на съществуващите низковолтови разпределителни линии като медиум за комуникация, чрез който се куплируват високочестотни модулирани сигнали към електроенергийните линии, за да се постигне високоскоростна передача на данни. Тази технология се използва главно в сценарии като реално време наблюдение на работните условия на линиите в трансформаторните зони, събиране на данни за електроенергия и взаимодействие с информацията за потребителската електроенергия.

При изпълнението, първата стъпка е да се проведе обход на място на околната среда на линиите в трансформаторната зона, за да се оценият характеристиките на канала и нива на пречките, така че да се определи оптималната носителна честота (обикновено в диапазон от 1,7–30 МГц) и метод на куплиране. След това, специализирани куплиращи устройства и модули за HPLC комуникация се инсталират на низковолтовата страна на разпределителния трансформатор, разклонителни кутии и потребителски електроумерители, за да се установи комуникационна мрежа в цялата трансформаторна зона. Междувременно, системата за главна станция се разпокоява, за да се интегрира безшовно с горните приложения чрез преобразуване на протоколи.

По време на фазата на эксплоатация и поддръжка, трябва да се извършват регулярни проверки и корекции на оборудването, да се наблюдава качеството на комуникационния сигнал и всички аномалии трябва да бъдат разгледани незабавно. Например, ако затихването на сигнала на носителя надвиши 30 дБ или вероятността за грешка надвиши 1×10⁻⁴, трябва да се изследват дефекти на линията или източници на електромагнитно пречките. При нужда, трябва да се коригира предаваната мощност (обикновено в диапазон от -10 дБм до 30 дБм) или да се заменят куплиращите устройства, за да се гарантира стабилна работа на системата. 

За подобряване на стабилността на комуникацията, системите HPLC обикновено използват адаптивни модулационни схеми, динамично избирайки модулационни режими въз основа на качеството на канала. Различните модулационни схеми варира в скоростта на данни, устойчивостта към шума и радиуса на покритие, изискващи оптимизирана конфигурация въз основа на колебанията на нагрузката и условията на шума в трансформаторната зона. Например, по-високоредовна модулация може да бъде активирана през нощта, когато нагрузката е по-малка и нивата на шума са по-ниски, за да се подобри пропускната способност на данните, докато превключването към режим на устойчивост по време на върховете на деня осигурява надеждността на комуникацията. Таблица 1 сравнява техническите характеристики на три обикновено използвани модулационни метода в системите HPLC, предлагайки справка за конфигурацията на параметрите на полето.

Таблица 1 Сравнение на техническите характеристики на обикновено използваните модулационни методи за HPLC

2.2 Интелектуално устройство за превключване на фази
Принципът на интелектуалното устройство за превключване на фази е да измерва трите фазни тока и напрежения, да изчислява в реално време дисбаланса на натоварването и когато дисбалансът надхвърли предварително зададен праг (обикновено 10%–20%), да контролира превключването на натоварванията, за да се възстанови балансът на трите фазни натоварвания. Това устройство се прилага основно в края на зоните на трансформаторите, особено в области с тежки единични фазни натоварвания.

При реализация:
Първо, трябва да се избере подходящо място за монтаж – като например в разклонителни кутии или на нисконапрегнатата страна на разпределителните трансформатори, за да се осигури лесна строителна работа и поддръжка.
Второ, трябва да се проведе обход на местността, за да се разбере разпределението на натоварванията и да се конфигурира рационално капацитетът на превключвателя (виж таблица 2). По време на фазата на монтаж и настройка, трябва да се извършат тестове с имитация на натоварването, за да се оптимизира стратегията за управление и настройките на защитата; например, настройката на защитата от прекомерен ток обикновено се конфигурира на 1.2 пъти по-голям от номиналния ток.
Трето, системата за наблюдение на работата на зоната на трансформатора трябва да бъде усъвършенствана, за да се осигури размяна на информация и дистанционно управление с превключвателното устройство.
Четвърто, по време на фазата на експлоатация и поддръжка, трябва регулярно да се извършват профилактични тестове на превключвателя, за да се идентифицират и решават потенциални дефекти, като механично износване или лош контакт, за да се гарантира безопасна и надеждна работа. Освен това, трябва периодично да се анализират тенденциите на вариациите на натоварването в зоната на трансформатора, за да се коригира логиката за управление и настройките на параметрите на превключвателя, ако е необходимо.

Таблица 2 Ръководство за конфигуриране на капацитета на интелигентното превключвателно устройство

2.3 Автоматичен регулатор на напрежението за нисковолтови линии
Основният принцип на автоматичния регулатор на напрежението за нисковолтови линии е да измерва напрежението и тока в линията в реално време, да изчислява параметри като импеданса на линията и коефициента на мощност, и автоматично да коригира позицията на ключа за промяна на отводките на трансформатора в зависимост от отклонението, с цел поддържане на изходното напрежение в приемлив диапазон. Това устройство се прилага предимно в нисковолтовите разпределителни мрежи, особено в области на края на линиите, където напрежението обикновено става или прекомерно високо, или ниско.

Първо, трябва да се избере подходящо място за инсталиране – такова като нисковолтовата страна на разпределителния трансформатор или единица за кръгови магистрали, и да се проведе полево проучване, за да се разберат радиусът на доставка и разпределението на потребителите по линията.
Второ, трябва да се определят капацитетът на регулатора (виж Таблица 3) и стратегията за контрол. По време на фазата на инсталация и конфигуриране, трябва да се извършват тестове без навой и под навой, за да се провери точността на регулировката на напрежението (обикновено изисква се да бъде в ±1,5%) и времето за реакция (обикновено не надхвърля 30 секунди), както и да се потвърдят функции за защита като прекомерно високо и ниско напрежение.
Трето, след конфигурирането, трябва да се установи комплексна система за управление на операциите, дефинирайки ясно изискванията за инспекции, операции и поддръжка, за да се гарантира безопасна и стабилна работа на регулатора. Например, ако еднофазното напрежение продължава да отклонява повече от ±7% от номиналната стойност в продължение на 5 минути, или ако несъответствието на трифазното напрежение надхвърли 2%, причината трябва да бъде идентифицирана незабавно и да се предприемат коригиращи мерки. Анализът на операционните данни показва, че правилно конфигурирани автоматични регулатори на напрежението могат да увеличат процентите на съответствие на напрежението по линията с 5% до 15%, значително намалявайки загубите по линията, причинени от нарушения на напрежението.

Таблица 3 Справочник за избор на автоматични регулатори на напрежението за нисковолтови линии

3. Приложение на технологията

3.1 Основен случай и проблеми с загубите в линията
Трансформаторна зона A е разположена в центъра на стар градски район, с радиус на доставка на електроенергия от 1,5 км, обслужваща 712 жилищни и 86 комерсиални потребители. Разпределителната инфраструктура в зоната включва главно един трансформатор за разпределение от тип S11-M.RL-400/10 с номинална мощност от 400 кВА; шест изходящи нисковолтови питащи линии - две с проводници JKLGYJ-120 мм² и четири с проводници JKLGYJ-70 мм², със средна дължина на линията от 510 метра за всяка; освен това има четири HXGN-12 пръстенови щативи и 18 нисковолтови интегрирани разпределителни шкафа.

През последните години, поради местни градски преобразования и разширяване на комерсиалните предприятия, бремето в тази трансформаторна зона показва непрекъснат растеж. Например, през 2018 г. пиковото бреме достигна 285 кВт, а потреблението на електроенергия се увеличи с 7,6% на година, но темпото на загуби в линията беше високо до 9,7%, значително надхвърляйки целта за управление от 6,5% за същия период.

На място бяха установени следните ключови проблеми:

• Лош контакт в точките на свързване на трансформатора за разпределение и линиите, причинявайки локално затопляне и допълнителни загуби;

• Неравномерно разпределение на трите фази, с максимално несъответствие, достигащо 18,2%;

• Неразрешено опъване на жица и кражби на електроенергия от определени потребители;

• Застарели устройства за измерване с грешки в измерването, надхвърлящи ±5%.

Тези фактори общо допринесоха за постоянно високи загуби в линията в зоната, създавайки сериозен предизвикателство за управлението.

3.2 Избор на технология и реализация
За да се справят с проблемите с загубите в линията в Трансформаторна зона A, след детайлна оценка беше приложено комплексно решение, интегриращо комуникация по HPLC, интелигентни переключватели на фази и автоматични регулатори на напрежението.

Първо, бяха инсталирани HPLC куплери и комуникационни модули от нисковолтната страна на трансформатора, а съответното оборудване беше разположено във всеки разклонителен шкаф и потребителски счетач, създавайки високоскоростна мрежа за комуникация по силовата линия, покриваща цялата трансформаторна зона. Тази мрежа позволи реално време наблюдение на оперативното състояние, включително напрежението, тока, мощността на основните и разклонителните линии, както и ключови показатели като температурата на оборудването и хармоничната деформация. Персоналът за експлоатация и поддръжка можеше така да открива аномалии веднага. Освен това, данните за измерване на енергията с висока точност предоставиха твърда подкрепа за анализ и управление на загубите в линията.

Второ, бяха инсталирани шест интелигентни переключвателя на фази (с максимален работен ток от 250 А) в основните разклонителни шкафове и ключови места на бремето. Тези переключватели непрекъснато измерваха несъответствието на трифазния ток и автоматично преразпределяха бремето, когато несъответствието надхвърляше 15%, като ефективно балансираха трите фази. Полеви тестове потвърдиха, че переключващите действия се завършваха в рамките на 30 мс, с гладки преминавания, които не прекъсваха потребителите. Три месеца след влизането в експлоатация, несъответствието на трите фази в зоната намаля от 18,2% до 6,5%, а темпото на загуби в линията спадна с 1,7%.

Трето, за да се справят с нарушенията на напрежението в края на линиите, беше инсталиран 200 кВА интелигентен регулатор на напрежението на разстояние от 710 метра от трансформатора. Регулаторът приема входно напрежение от 210–430 В и поддържа изход от 220 В ±2%. Автоматично коригира соотношението на обмотките си в зависимост от реалните измервания на напрежението в края на линията, поддържайки терминалното напрежение постоянно в приемлив диапазон. От момента на влизането в експлоатация, регулаторът бързо реагира през различни пики и долини на бремето, повишавайки темпа на съответствието на напрежението в девет ключови точки за наблюдение от 87% до над 98,5%.

Чрез подход за затворен цикъл на управление „наблюдение–контрол–оптимизация“, тези мерки значително подобриха производителността на загубите в линията в Трансформаторна зона A, постигайки предварително ежегодно спестяване на енергия от около 120 000 кВтч, с явни икономически ползи. Сравнение на ключовите показатели е показано в таблица 4.

Таблица 4 Сравнение на ключовите показатели на област A преди и след комплексното управление

В действителната имплементация, следва да се отбележат и следните моменти:
Първо, относно надеждността на HPLC комуникацията, мощността на излъчване, кодирането на канала и другите параметри трябва да бъдат рационално конфигурирани в зависимост от конкретните условия на трансформаторната зона; при необходимост може да се използват методи за релейно удължаване, за да се разшири разстоянието на комуникацията.
Второ, времето и логиката на интерлокуване на операциите с переключвателят на фази трябва внимателно да бъдат зададени, за да се избегнат прекомерни или грешни действия – например, переключвателят може да бъде конфигуриран да действа само когато дисбалансът надхвърли 15% и продължи в продължение на 3 минути.
Трето, правилното избиране и конфигурация на капацитета на регулатора на напрежението трябва да включва определен резерв, за да се предотврати честа корекция, която може да доведе до механично износване; за насоки по избор и конфигурация на автоматичния регулатор на напрежението се препоръчва да се отчетат указанията в таблица 5.

Таблица 5 Ръководство за избор на модели на автоматични регулатори на напрежението

Освен това, висококачествена екипа за операции и поддръжка е също ключов фактор за осигуряване на дългосрочното стабилно функциониране на системата. Едва чрез тясно съответствие на реалните потребности, избор и оптимизация на технически решения в според местните условия, и подкрепа с добре разработен управленски mechanism, може да бъде постигнат истински непрекъснат прогрес в управлението на загубите.

4.Заключение
Управлението на загубите в зоните на нисковолтови трансформатори има голямо значение за подобряването на качеството на електроенергиите и икономична ефективност, и приложението на технологии на интелигентната мрежа предоставя силна подкрепа в това отношение. В практическата работа, технологии като HPLC (High-Speed Power Line Communication), интелигентни устройства за превключване на фази и автоматични регулатори на напрежението в нисковолтовата линия са станали ключови точки на изследванията и прилагането. С тези технологии, може да се реализира реално наблюдение на условието на зоната на трансформатора, динамично равновесие на тритефазните нагрузки и точна регулировка на напрежението на терминала.

Взимайки за пример зона А на трансформатор в даден град, след комплексното лечение, темпът на загуби намаля от 9.7% до 6.1%, а процентът на съответствие на напрежението се увеличи с 11.5%, достигайки значителни икономически и социални ползи.

Все пак, все още има области, които изискват подобрение в текущите приложения на технологиите – например, допълнително подобряване на способността за противодействие на помехи в комуникацията и префиниране на стратегиите за самонастройка на оборудването. Напред, акцентът трябва да се смести към интегриран дизайн и координирано управление на интелигентните устройства, и по-дълбоко изучаване на моделите за прогнозиране на загубите на основата на големи данни и изкуствен интелект. Освен това, е необходимо да се увеличат техническите обучениета за персонала, отговарящ за операциите и поддръжката, за да се гарантира дългосрочното стабилно функциониране на системата. Тези мерки ще доставят по-ефективни и устойчиви решения за управлението на загубите в зоните на нисковолтови трансформатори.