Aplicació de tecnologies de xarxa intel·ligent en la gestió de pèrdues de línia en zones de transformadors de baixa tensió

Com a component essencial de la xarxa de distribució, les zones de distribució de baixa tensió (d'ara endavant referides com a "zones transformadores de baixa tensió") afecten directament els beneficis econòmics de les empreses d'abastament elèctric i la qualitat del consum d'electricitat per part dels usuaris finals a través dels seus problemes de pèrdues en línia. Tanmateix, els enfoques tradicionals de gestió presenten evidents deficiències en termes de precisió i eficiència. En aquest context, l'aplicació de tecnologies de xarxes intel·ligents proporciona noves solucions per al gestió de pèrdues en línia. Introduint mitjans tècnics avançats, no només es pot millorar efectivament el nivell de refinament del gestió de pèrdues en línia, sino que també es poden suportar objectius d'eficiència energètica i reducció d'emissions, el que té una gran importància per promoure el desenvolupament de qualitat a l'indústria elèctrica.

1.Problemes de Pèrdues en Línia en Zones Transformadores de Baixa Tensió
Els problemes de pèrdues en línia en zones transformadores de baixa tensió es classifiquen principalment en pèrdues tècniques i pèrdues de gestió. Les pèrdues tècniques provenen de les pèrdues inherent de l'equipament i les limitacions operatives, per exemple, les pèrdues de ferro i cobre en els transformadors i les pèrdues d'energia causades per la resistència de la línia. Prenguem com a exemple una línia de distribució de baixa tensió típica, quan la secció transversal del conductor és de 50 mm² i la corrent de càrrega arriba a 200 A, la pèrdua de potència per quilòmetre de línia és aproximadament de 4 kW.

Quan la secció transversal del conductor s'incrementa a 70 mm² en les mateixes condicions, la pèrdua es pot reduir aproximadament un 30%. D'altra banda, les pèrdues de gestió sovint provenen d'errors de mesura, robar electricitat, o mala operació i manteniment. Per exemple, la precisió de mesura dels comptadors d'electricitat mecànics tradicionals en condicions de poc càrrega només és d'aproximadament l'85%, molt inferior a la de comptadors intel·ligents, que supera el 99%. Addicionalment, l'equilibri trifàsic també pot incrementar significativament les pèrdues en línia; si el desequilibri de corrent trifàsic en una zona transformadora excedeix el 15%, la taxa de pèrdues en línia augmentarà entre el 2% i el 5%. L'existència d'aquests problemes indica que la inspecció manual ja no compleix amb les exigències del gestió refinat, i són urgentment necessaris mètodes intel·ligents per augmentar l'eficiència en la governança.

2.Tecnologies de Xarxa Intel·ligent Aplicades al Gestió de Pèrdues en Línia en Zones Transformadores de Baixa Tensió

2.1 Tecnologia HPLC (High-Speed Power Line Communication)
El principi fonamental de la tecnologia HPLC és utilitzar les existents línies de distribució de baixa tensió com a mitjà de comunicació, acoblant senyals modulats d'alta freqüència a les línies d'electricitat a través de circuits d'acoblament per aconseguir la transmissió ràpida de dades. Aquesta tecnologia s'aplica principalment en escenaris com el monitoratge en temps real de les condicions d'operació de les línies en zones transformadores, la recopilació de dades d'energia elèctrica, i la interacció d'informació sobre el consum d'electricitat dels usuaris.

Durant la implementació, el primer pas és realitzar una inspecció del lloc de les condicions ambientals de la línia de la zona transformadora per avaluar les característiques del canal i els nivells d'interferència, així determinant la freqüència portadora òptima (habitualment dins del rang de 1,7–30 MHz) i el mètode d'acoblament. A continuació, s'instalen acobladors dedicats i mòduls de comunicació HPLC al costat de baixa tensió del transformador de distribució, caixes de branques, i comptadors d'electricitat dels usuaris per establir una xarxa de comunicació a través de la zona transformadora. Alhora, es desplega un sistema maestro per integrar-se de manera transparent amb els sistemes d'aplicació superior a través de la conversió de protocols.

Durant la fase d'operació i manteniment, s'haurien de realitzar inspeccions i calibracions regulars de l'equipament, monitorar la qualitat del senyal de comunicació, i abordar prontament qualsevol anomalia. Per exemple, si l'atenuació del senyal portador excedeix 30 dB o la taxa d'error de bits sobrepasa 1×10⁻⁴, s'hauria d'investigar la presència de falles en línia o fonts d'interferència electromagnètica. Si és necessari, s'hauria d'ajustar la potència de transmissió (habitualment dins del rang de –10 dBm a 30 dBm) o substituir els acobladors per assegurar el funcionament estable del sistema. 

Per millorar la estabilitat de la comunicació, els sistemes HPLC solen adoptar esquemes de modulació adaptativa, seleccionant dinàmicament modes de modulació basats en la qualitat del canal. Diferents esquemes de modulació varien en la velocitat de dades, la immunitat al soroll, i l'àmbit de cobertura, requereixent una configuració òptima segons les fluctuacions de càrrega i les condicions de soroll a la zona transformadora. Per exemple, es pot habilitar la modulació d'ordre superior durant la nit, quan les càrregues són menors i els nivells de soroll són més baixos, per millorar la capacitat de dades, mentre que passar a un mode robust durant les hores punta diurnes assegura la fiabilitat de la comunicació. La Taula 1 llista tres mètodes de modulació comuns utilitzats en els sistemes HPLC juntament amb les seves característiques tècniques, proporcionant referència per a la configuració de paràmetres de camp.

Taula 1 Comparació de Característiques Tècniques de Mètodes Comuns de Modulació per a HPLC

2.2 Dispositiu de commutació intel·ligent de fases
El principi del dispositiu de commutació intel·ligent de fases és mesurar les corrents i tensions trifàsiques, calcular el desequilibri de càrrega en temps real i, quan aquest desequilibri supera un llindar preestablert (normalment entre el 10% i el 20%), controlar la commutació de les càrregues per reequilibrar les càrregues trifàsiques. Aquest dispositiu es fa servir principalment al final de les zones de transformadors, especialment en àrees amb càrregues monofàsiques pesades.

Durant la implementació:
Primer, s'ha de seleccionar una ubicació d'instal·lació adequada, com ara a caixes de branques o al costat de baixa tensió dels transformadors de distribució, per assegurar la facilitat de construcció i manteniment.
Segon, s'ha de realitzar una inspecció del lloc per entendre la distribució de la càrrega i configurar de manera raonable la capacitat del dispositiu de commutació (vegeu Taula 2). Durant la fase d'instal·lació i puesta en marxa, s'han de realitzar proves de simulació de càrrega per optimitzar la estratègia de control i les configuracions de protecció; per exemple, la configuració de protecció per sobrecorrent normalment es configura a 1.2 vegades la corrent nominal.
Tercer, s'ha de millorar el sistema de monitorització de la zona de transformador per permetre l'intercanvi d'informació i el control remot amb el dispositiu de commutació.
Quart, durant la fase d'operació i manteniment, s'han de realitzar regularment proves preventives al dispositiu de commutació per identificar i resoldre prontament possibles faults com el desgast mecànic o el contacte deficient, assegurant una operació segura i fiable. Addicionalment, s'ha de realitzar periòdicament l'anàlisi de les tendències de variació de la càrrega de la zona de transformador per ajustar la lògica de control i les configuracions de paràmetres del dispositiu de commutació si cal.

Taula 2 Referència de Configuració de Capacitat per a Maquinària de Commutació Intel·ligent

2.3 Regulador automàtic de tensió per línies de baixa tensió
El principi bàsic del regulador automàtic de tensió per línies de baixa tensió consisteix en mesurar la tensió i la corrent de la línia en temps real, calcular paràmetres com la impedància de la línia i el factor de potència, i ajustar automàticament la posició del commutador de toma de la transformadora basant-se en la desviació, així mantenint la tensió de sortida dins d'un rang acceptable. Aquest dispositiu es fa servir principalment en xarxes de distribució de baixa tensió, especialment en àrees al final de les línies on la tensió tendeix a ser excessivament alta o baixa.

En primer lloc, s'ha de seleccionar una ubicació d'instal·lació adequada, com ara el costat de baixa tensió d'una transformadora de distribució o una unitat de muntatge en anell, i s'ha de realitzar un estudi de lòcums per entendre el radi d'abast i la distribució d'usuaris a la línia.
En segon lloc, s'ha de determinar la capacitat del regulador (veure Taula 3) i l'estrategia de control. Durant la fase d'instal·lació i prova, s'han de realitzar proves sense càrrega i amb càrrega per verificar la precisió de regulació de tensió (normalment requerit dins ±1,5%) i el temps de resposta (habitualment no superior a 30 segons), així com validar funcions de protecció com la sobretensió i la subtensió.
En tercer lloc, després de la puesta en marcha, s'ha d'establir un sistema integral de gestió operativa, definint clarament els requisits d'inspecció, operació i manteniment per assegurar una operació segura i estable del regulador. Per exemple, si la tensió monofàsica continua desviada més enllà de ±7% del valor nominal durant 5 minuts, o si la desigualtat de tensió trifàsica supera el 2%, cal identificar ràpidament la causa i prendre mesures correctores. L'anàlisi de dades operatives mostra que els reguladors automàtics de tensió configurats adequadament poden millorar les taxes de conformitat de tensió de la línia entre un 5% i un 15%, reduint significativament les pèrdues de línia causades per incumpliments de tensió.

Taula 3 Referència de selecció per a reguladors automàtics de tensió per línies de baixa tensió

3.Aplicació de la tecnologia

3.1 Antecedents del cas i problemes de pèrdues en la línia
La Zona de Transformador A està situada en el centre d'una zona urbana antiga, amb un radi d'abast d'energia de 1,5 km, atenent 712 clients residencials i 86 clients comercials. L'infraestructura de distribució de la zona inclou principalment un transformador de distribució S11-M.RL-400/10 amb una capacitat nòminal de 400 kVA; sis alimentacions de baixa tensió - dues amb conductors JKLGYJ-120 mm² i quatre amb conductors JKLGYJ-70 mm² - amb una longitud mitjana de línia de 510 metres per circuit; a més, hi ha quatre unitats de mà d'anell HXGN-12 i 18 armari integrats de distribució de baixa tensió.

En els últims anys, a causa de la renovació urbana localitzada i l'expansió d'establiments comercials, la càrrega en aquesta zona de transformador ha mostrat un creixement continu. Per exemple, el 2018, la càrrega màxima va arribar a 285 kW, amb un increment del consum d'electricitat del 7,6% anual, però la taxa de pèrdues en la línia era tan alta com el 9,7%, superant significativament l'objectiu de gestió del 6,5% per al mateix període.

Les inspeccions in situ van revelar els següents problemes clau:

• Un contacte deficient als punts de connexió del transformador de distribució i les línies causava un escalfament localitzat i pèrdues addicionals;

• Una distribució desigual de la càrrega trifàsica, amb un desequilibri màxim que arribava al 18,2%;

• Connexions no autoritzades i furt d'electricitat per part d'algun usuari;

• Dispositius de mesura vells amb errors de mesura superiors al ±5%.

Aquests factors contribuïren colectivament a pèrdues persistentment altes en la línia a la zona, creant un repte de governança greu.

3.2 Selecció i implementació de la tecnologia
Per abordar els problemes de pèrdues en la línia a la Zona de Transformador A, es va implementar una solució integral que integrava la comunicació HPLC, interruptors intel·ligents de canvi de fase i reguladors automàtics de tensió, després d'una avaluació exhaustiva.

Primer, es van instal·lar couplers HPLC i mòduls de comunicació al costat de baixa tensió del transformador, i es va desplegar l'equipament corresponent a cada caixa de branques i comptador d'usuari, establint una xarxa de comunicació de portadora de línia d'alta velocitat que cobria tota la zona de transformador. Aquesta xarxa permetia la monitorització en temps real de l'estat operatiu, incloent la tensió, corrent, potència en barraments i branques, així com indicadors crítics com la temperatura de l'equipament i la distorsió harmònica. El personal d'operacions i manteniment podia detectar així ràpidament les anomàlies. A més, les dades de mesura d'energia d'alta precisió proporcionaven un suport sòlid per a l'anàlisi i la gestió de les pèrdues en la línia.

Segon, es van instal·lar sis unitats d'interruptor intel·ligent de canvi de fase (amb una corrent màxima d'operació de 250 A) a les caixes de branques principals i ubicacions de càrrega clau. Aquests interruptors mesuraven contínuament el desequilibri de corrent trifàsica i redistribuïen automàticament la càrrega quan el desequilibri superava el 15%, equilibrant efectivament les tres fases. Les proves de camp confirmaren que les accions de commutació es completaven en menys de 30 ms, amb transicions suaus que no interrompien els usuaris. Tres mesos després de la posada en marxa, el desequilibri trifàsic a la zona va disminuir del 18,2% al 6,5%, i la taxa de pèrdues en la línia va baixar en un 1,7%.

Tercer, per abordar les infraccions de tensió al final de les línies, es va instal·lar un regulador de tensió intel·ligent de 200 kVA a 710 metres del transformador. El regulador accepta un rang de tensió d'entrada de 210–430 V i manté una sortida de 220 V ±2%. Ajusta automàticament la seva relació de voltants basant-se en les mesures de tensió en temps real al final de la línia, mantenint la tensió terminal consistentment dins del rang acceptable. Des de la posada en marxa, el regulador ha respost ràpidament a través de diversos pics i valles de càrrega, augmentant la taxa de conformitat de la tensió en nou punts de monitorització clau del 87% a més del 98,5%.

A través d'un enfocament de gestió tancada de "monitorització–control–optimització", aquestes mesures han millorat significativament el rendiment de les pèrdues en la línia a la Zona de Transformador A, assolint un estimat d'estalvi energètic anual d'aproximadament 120.000 kWh, amb beneficis econòmics notables. Un comparativa d'indicadors clau es mostra a la Taula 4.

Taula 4 Comparació d'Indicadors Clau de l'Àrea A Abans i Després de la Gestió Integral

En la implementació real, també s'han de tenir en compte els punts següents:
Primer, en què es refereix a la fiabilitat de la comunicació HPLC, la potència de transmissió, la codificació del canal i altres paràmetres haurien de ser configurats de manera raonable segons les condicions específiques de la zona del transformador; si cal, es poden utilitzar mètodes de relè per estendre la distància de comunicació.
Segon, el temps i la lògica d'interbloqueig de les operacions dels interruptors de canvi de fase haurien de ser configurats amb cura per evitar accions de commutació excessives o errònies—per exemple, l'interruptor es pot configurar per actuar només quan la desbalançada superi el 15% i persisteixi durant 3 minuts.
Tercer, la selecció i la configuració de la capacitat del regulador de tensió haurien d'incloure un cert marge per prevenir ajustos freqüents que podrien causar desgast mecànic; consulteu la Taula 5 per a directrius sobre la selecció i la configuració dels reguladors de tensió automàtics.

Taula 5 Referència de Selecció de Models per a Reguladors de Tensió Automàtics

A més a més, un equip d'operacions i manteniment de qualitat també és crucial per assegurar el funcionament estable a llarg termini del sistema. Només alinear-se estretament amb les necessitats reals, seleccionar i optimitzar solucions tècniques segons les condicions locals i suportar-les amb un mecanisme de gestió sòlid es pot aconseguir una millora contínua en la governança de la pèrdua de línia.

4.Conclusió
La gestió de pèrdues de línia en zones de transformadors de baixa tensió té una gran importància per millorar la qualitat de subministrament elèctric i l'eficiència econòmica, i l'aplicació de tecnologies de xarxa intel·ligent proporciona un fort suport en aquest sentit. En la pràctica, tecnologies com l'HPLC (Comunicació de Línia Elèctrica d'Alta Velocitat), dispositius de commutació de fase intel·ligents i reguladors automàtics de tensió de baixa tensió han esdevingut focs clau de recerca i implementació. Amb aquestes tecnologies, es pot realitzar la monitorització en temps real de les condicions operatives de les zones de transformadors, l'equilibri dinàmic de les càrregues tri-fàsiques i la regulació precisa de la tensió terminal.

Prenent com a exemple la Zona de Transformador A d'una ciutat de comarca, després d'una remediació integral, la taxa de pèrdua de línia va disminuir del 9,7% al 6,1%, i la taxa de conformitat de la tensió va millorar en un 11,5%, assolint beneficis econòmics i socials significatius.

No obstant això, encara hi ha àrees que requereixen millora en les aplicacions tecnològiques actuals, per exemple, augmentar més la capacitat antinterferència de la comunicació i refinament de les estratègies de control autoadaptatiu dels equips. Mirant cap al futur, l'enfocament hauria de canviar cap al disseny integrat i el control coordinat de dispositius intel·ligents, i una exploració més profunda de models de predicció de pèrdues de línia basats en dades massives i intel·ligència artificial. A més, és essencial intensificar la formació tècnica del personal d'operacions i manteniment per assegurar el funcionament estable a llarg termini del sistema. Aquestes mesures proporcionaran solucions més eficients i sostenibles per a la gestió de pèrdues de línia en zones de transformadors de baixa tensió.