Aplikace technologií inteligentních sítí v řízení ztrát v nízkonapěťových transformátorových obvodech

Jako zásadní součást distribuční sítě má nízko napěťové distribuční oblasti (dále jen „nízkopráhlové transformační zóny“) přímý vliv na ekonomické výsledky podniků dodávajících elektrickou energii a kvalitu spotřeby elektrické energie koncovými uživateli prostřednictvím problémů s ztrátami na lince. Však tradiční přístupy k řízení mají zjevné nedostatky v hledisku přesnosti a efektivity. V tomto kontextu poskytuje aplikace technologií inteligentního gridu nové řešení pro správu ztrát na lince. Zavedením pokročilých technologických prostředků lze nejen efektivně zlepšit úroveň detaile správy ztrát na lince, ale také podporovat cíle šetrného nakládání s energií a snížení emisí, což má velký význam pro podporu vysokokvalitního rozvoje v elektrotechnickém průmyslu.

1.Problémy s ztrátami na lince v nízkopráhlových transformačních zónách
Ztráty na lince v nízkopráhlových transformačních zónách se primárně dělí do technických ztrát a ztrát řízení. Technické ztráty plynou z vnitřních ztrát zařízení a omezení provozu – například železnaté a měděné ztráty v transformátorech a ztráty energie způsobené odporem vedení. U typické nízkopráhlové distribuční linky, když průřez vodiče je 50 mm² a proud zatížení dosahuje 200 A, činí ztráta energie na kilometr linky přibližně 4 kW.

Když se průřez vodiče zvýší na 70 mm² za stejných podmínek, lze ztráty snížit asi o 30 %. Ztráty řízení jsou na druhou stranu často způsobeny chybami měření, krádeží elektrické energie, nebo nesprávnou operací a údržbou. Například přesnost měření tradičních mechanických elektrických čítačů za lehkého zatížení činí pouze zhruba 85 %, což je daleko nižší než u inteligentních čítačů, které překračují 99 %. Kromě toho může třífázový nesouhlas značně zvýšit ztráty na lince; pokud nesouhlas proudů v transformační zóně přesahuje 15 %, míra ztrát na lince se zvýší o 2 % až 5 %. Existence těchto problémů ukazuje, že ručná kontrola již nemůže splnit požadavky detaile správy, a je naléhavě potřeba inteligentních metod ke zlepšení efektivity správy.

2.Aplikace technologií inteligentního gridu ve správě ztrát na lince v nízkopráhlových transformačních zónách

2.1 HPLC (High-Speed Power Line Communication) technologie
Základní princip HPLC technologie spočívá v použití stávajících nízkopráhlových distribučních linek jako komunikační média, přičemž vysoko frekvenčně modulované signály jsou připojeny na elektrické linky přes spojovací obvody k dosažení vysokorychlostní přenos dat. Tato technologie se hlavně uplatňuje v scénářích, jako je reálné sledování pracovního stavu linky v transformační zóně, shromažďování dat o elektrické energii a interakce informací o spotřebě elektrické energie uživatelů.

Při realizaci je prvním krokem provedení terénného průzkumu prostředí linky transformační zóny k hodnocení charakteristik kanálu a úrovní rušení, aby bylo možné určit optimální nosnou vlnovou délku (typicky v rozmezí 1,7–30 MHz) a metodu spojení. Poté jsou instalovány speciální spojovací prvky a HPLC komunikační moduly na nízkopráhlové straně distribučního transformátoru, odbočkových skříních a čítačích elektrické energie uživatelů, aby byla vytvořena komunikační síť přes transformační zónu. Současně je nasazen systém centrální stanice, který bezproblémově integruje horní vrstvy aplikačních systémů prostřednictvím konverze protokolů.

Během fáze provozu a údržby by měla být pravidelně provedena kontrola a kalibrace zařízení, sledována kvalita komunikačních signálů a jakékoli anomálie musí být okamžitě vyřešeny. Například, pokud se zeslabení signálu nosiče překročí 30 dB nebo míra bitových chyb přesáhne 1×10⁻⁴, by měly být vyšetřeny vadné linky nebo zdroje elektromagnetického rušení. Pokud je třeba, by měla být upravena výkon vysílání (typicky v rozsahu –10 dBm až 30 dBm) nebo nahrazeny spojovací prvky, aby bylo zajištěno stabilní fungování systému. 

Pro zlepšení stability komunikace obvykle HPLC systémy používají adaptivní modulační schémata, dynamicky vybírající modulační režimy na základě kvality kanálu. Různé modulační schémata se liší datovou rychlostí, odolností vůči šumu a rozsahem pokrytí, vyžadují optimalizovanou konfiguraci podle kolísání zátěže a podmínek šumu v transformační zóně. Například, vyšší pořadí modulace mohou být povoleny v noci, kdy je zátěž menší a hladina šumu nižší, aby se zlepšila propustnost dat, zatímco přepnutí na robustní režim během dne v době špičky zajistí spolehlivost komunikace. Tabulka 1 uvádí porovnání technických charakteristik tří běžně používaných modulačních metod v HPLC systémech, poskytující referenci pro konfiguraci polních parametrů.

Tabulka 1 Srovnání technických charakteristik běžných modulačních metod HPLC

2.2 Chytrý přepínací čidlo
Princip chytrého přepínacího čidla spočívá v měření třífázových proudů a napětí, v reálném čase se počítá nerovnováha zatížení a když tato nerovnováha překročí přednastavenou hranici (obvykle 10%–20%), dojde k ovládání přepnutí zatížení pro vyrovnání třífázového zatížení. Toto zařízení je hlavně používáno na konci oblastí transformátorů, zejména v oblastech s vysokým jednofázovým zatížením.

Během realizace:
Nejdříve musí být zvoleno vhodné místo pro instalaci—například v rozváděcích skříních nebo na nízkonapěťové straně distribučních transformátorů—aby bylo zajištěno snadné provedení stavebních prací a údržby.
Druhým krokem je provedení terénního průzkumu, aby bylo možné pochopit rozdělení zatížení a racionálně nakonfigurovat kapacitu přepínacího čidla (viz Tabulka 2). Během fáze instalace a nastavení by měly být prováděny simulace zatížení, aby bylo možné optimalizovat strategii řízení a nastavení ochrany; například nastavení ochrany proti přetoku je obvykle konfigurováno na 1,2 násobku nominálního proudu.
Třetím krokem je potřeba posílit systém monitoringu provozu oblasti transformátoru, aby byl umožněn výměna informací a vzdálené řízení s přepínacím čidlem.
Čtvrtým krokem je, během fáze provozu a údržby, pravidelně provádět preventivní testy na přepínacím čidle, aby bylo možné včas identifikovat a odstranit potenciální poruchy, jako jsou mechanické opotřebení nebo špatný kontakt, což zajistí bezpečné a spolehlivé fungování. Kromě toho by měla být pravidelně prováděna analýza trendů změn zatížení oblasti transformátoru, aby bylo možné případně upravit logiku řízení a parametry nastavení přepínacího čidla.

Tabulka 2 Referenční konfigurace kapacity pro chytré přepínací čidlo

2.3 Automatický regulátor napětí na nízkovoltové lince
Základní princip automatického regulátoru napětí na nízkovoltové lince spočívá v reálném čase měření napětí a proudu na lince, výpočtu parametrů jako je impedancí linky a koeficientem využití, a automatické úpravě polohy spínacího prvku transformátoru na základě odchylky, aby se udrželo výstupní napětí v přijatelném rozsahu. Toto zařízení se primárně používá v nízkovoltových distribučních sítích, zejména v oblastech na konci linek, kde se napětí může stát buď příliš vysoké, nebo příliš nízké.

Nejprve musí být vybráno vhodné místo pro instalaci - například na nízkovoltové straně distribučního transformátoru nebo v okruhovém rozvodném škrničním skříňovém zařízení - a provedena místní průzkum, abychom pochopili dodávací poloměr a rozdělení uživatelů podél linky.
Druhým krokem je určení kapacity regulátoru (viz Tabulka 3) a strategie řízení. Během fáze instalace a nastavení by měly být provedeny zkoušky bez zátěže a s zátěží, aby byla ověřena přesnost regulace napětí (obvykle požadovaná do ±1,5%) a doba odezvy (obvykle nesmí přesahovat 30 sekund), stejně jako schopnosti ochrany proti přepětí a podpětí.
Třetím krokem je po nastavení vytvoření komplexního systému operačního řízení, který jasně definuje požadavky na kontrolu, provoz a údržbu, aby byl zajistěn bezpečný a stabilní provoz regulátoru. Například, pokud jednofázové napětí trvale odkloní od nominální hodnoty více než o ±7% po dobu 5 minut, nebo pokud nerovnováha třífázového napětí překročí 2%, musí být příčina rychle identifikována a podniknuty nápravné opatření. Analýza operačních dat ukazuje, že správně nakonfigurované automatické regulátory napětí mohou zlepšit soulad napětí na lince o 5% až 15%, což výrazně snižuje ztráty na lince způsobené porušením limitů napětí.

Tabulka 3 Referenční tabulka pro výběr automatických regulátorů napětí na nízkovoltové lince

3. Aplikace technologie

3.1 Pozadí případu a problémy s ztrátami v rozvodné síti
Transformační oblast A se nachází v centru starého městského obvodu s dodávkovým poloměrem 1,5 km, sloužící 712 bytovým zákazníkům a 86 komerčním zákazníkům. Rozvodná infrastruktura této oblasti zahrnuje primárně jednu transformátor S11-M.RL-400/10 s nominálním výkonem 400 kVA; šest nízko napěťových odvodů – dva s vodiči JKLGYJ-120 mm² a čtyři s vodiči JKLGYJ-70 mm² – s průměrnou délkou trasy 510 metrů na okruh; navíc jsou zde čtyři HXGN-12 okruhové uzly a 18 integrovaných distribučních skříní nízkého napětí.

V posledních letech, díky lokalizovanému městskému obnovování a rozšíření komerčních zařízení, došlo v této transformační oblasti k neustálému růstu zatěžování. Například v roce 2018 dosáhl vrcholový výkon 285 kW, spotřeba elektrické energie stoupla o 7,6% ročně, ale míra ztrát v rozvodné síti byla až 9,7%, což je výrazně nad cílovou hodnotou správy 6,5% pro stejnou dobu.

Při místních inspekčních kontrolách byly zjištěny následující klíčové problémy:

• Špatný kontakt na spojích mezi transformátorem a linkami způsoboval lokální zahřívání a další ztráty;

• Nerovnoměrné rozdělení třífázového zatěžování, s maximálním nesouladem dosahujícím 18,2 %;

• Neoprávněné zapojení a krádeže elektrické energie některými uživateli;

• Zastaralé měřicí přístroje s měřením chyb přesahujícím ±5 %.

Tyto faktory společně přispívaly k trvale vysokým ztrátám v rozvodné síti v oblasti, což vytvářelo vážný problém ve správě.

3.2 Výběr a implementace technologie
K řešení problémů s ztrátami v rozvodné síti v Transformační oblasti A bylo po důkladné evaluaci implementováno komplexní řešení, které integruje HPLC komunikaci, inteligentní fázové přepínací spínače a automatické regulační zařízení napětí.

Nejprve byly na nízkonapěťové straně transformátoru nainstalovány HPLC spojky a komunikační moduly, a odpovídající vybavení bylo nasazeno v každé odvětvové skříni a uživatelském měřiči, vytvářejíc tak vysokorychlostní síť nosnou vedení pokrývající celou transformační oblast. Tato síť umožňuje reálně časové sledování operačního stavu, včetně napětí, proudu, výkonu na sběrných lištách a odvětvích, stejně jako klíčových ukazatelů, jako je teplota zařízení a harmonické zkreslení. Opeřovatelské a servisní personál mohou tak rychle zjistit anomálie. Kromě toho poskytuje přesná data o energetickém měření pevnou podporu pro analýzu a správu ztrát v rozvodné síti.

Druhým krokem bylo nainstalování šesti inteligentních fázových přepínacích spínačů (nominální pracovní proud 250 A) v hlavních odvětvových skříních a klíčových zatěžovacích místech. Tyto spínače kontinuálně měří nerovnoměrnost třífázového proudu a automaticky redistribuují zatěžování, když nesoulad přesahuje 15 %, efektivně vyrovnávají tři fáze. Polní testy potvrdily, že přepínací akce byly dokončeny během 30 ms, s hladkým přechodem, který nezpůsobil žádné rušení pro uživatele. Tři měsíce po uvedení do provozu se nerovnoměrnost tří fází v oblasti snížila z 18,2 % na 6,5 % a míra ztrát v rozvodné síti klesla o 1,7 %.

Třetím krokem bylo instalování 200 kVA inteligentního regulačního zařízení napětí 710 metrů od transformátoru, aby se zabránilo porušení napětí na konci vedení. Regulátor přijímá vstupní rozsah napětí 210–430 V a udržuje výstup 220 V ±2 %. Automaticky upravuje svůj poměr otáček na základě reálně časových měření napětí na konci vedení, udržuje koncové napětí konstantně v přijatelném rozsahu. Od uvedení do provozu reaguje regulátor rychle na různé vrcholy a údolí zatěžování, zvyšuje míru shody napětí na devíti klíčových monitorovacích bodech z 87 % na více než 98,5 %.

Přes uzavřený management „monitorování–řízení–optimalizace“ tyto opatření výrazně zlepšily výkon ztrát v rozvodné síti v Transformační oblasti A, dosahujíce odhadované roční úspory energie přibližně 120 000 kWh s významnými ekonomickými výhodami. Srovnání klíčových ukazatelů je uvedeno v tabulce 4.

Tabulka 4 Klíčové indexy Transformační oblasti A před a po komplexním řízení

V praxi by měly být také zohledněny následující body:
Prvně, pokud jde o spolehlivost komunikace HPLC, výkon přenosu, kanálové kódování a další parametry by měly být rozumně nastaveny podle konkrétních podmínek transformátorové stanice; pokud je to nutné, lze použít relé metody pro prodloužení vzdálenosti komunikace.
Druhým bodem je pečlivé nastavení časování a logiky interlocku pro operace s fázovými přepínači, aby se zabránilo příliš častým nebo chybným přepínacím akcím - například, přepínač může být nastaven tak, aby reagoval pouze tehdy, když nerovnováha přesahuje 15 % a trvá 3 minuty.
Třetím bodem je správná volba a nastavení kapacity napěťového regulátoru, které by mělo zahrnovat určitou rezervu, aby se zabránilo častým úpravám, které by mohly způsobit mechanický opotřebení; viz Tabulka 5 pro doporučení k výběru a nastavení automatických napěťových regulátorů.

Tabulka 5 Referenční tabulka pro výběr modelů automatických napěťových regulátorů

Kvalitativní operační a údržbářský tým je rovněž klíčový pro zajištění dlouhodobé stabilního provozu systému. Pouze tím, že se pečlivě přizpůsobíme skutečným potřebám, vybereme a optimalizujeme technické řešení podle místních podmínek a podpoříme je zdravým řídicím mechanismem, lze dosáhnout skutečného trvalého zlepšení správy ztrát v elektrických článcích.

4. Závěr
Správa ztrát v nízkonapěťových transformátorových obvodech má velký význam pro zlepšení kvality dodávky elektřiny a ekonomické efektivity, a aplikace technologií inteligentní sítě poskytuje v tomto ohledu silnou podporu. V praxi se technologie jako HPLC (High-Speed Power Line Communication), inteligentní přepínací přepínače fází a automatické napěťové regulátory nízkého napětí staly klíčovými oblastmi výzkumu a implementace. S těmito technologiemi lze realizovat reálné časové monitorování provozních stavů transformátorového obvodu, dynamické vyvážení třífázového zatížení a přesné regulace koncového napětí.

Na příkladu transformátorového obvodu A v určitém okresním městě, po komplexním zásahu, sazba ztrát klesla z 9,7 % na 6,1 % a soulad napětí se zlepšil o 11,5 %, což přineslo významné ekonomické a společenské výhody.

Nicméně, stále existují oblasti, které vyžadují zlepšení v současných aplikacích technologií – například dále zlepšovat odolnost proti rušivým vlivům v komunikaci a zdokonalovat strategie samoadaptivní kontroly zařízení. V budoucnu by se měl důraz přesunout na integrovaný design a koordinovanou kontrolu inteligentních zařízení a hlubší zkoumání modelů predikce ztrát na základě big data a umělé inteligence. Kromě toho je nezbytné posílit technické školení personálu pro operace a údržbu, aby bylo zajištěno dlouhodobé stabilní fungování systému. Tyto opatření poskytnou efektivnější a udržitelnější řešení pro správu ztrát v nízkonapěťových transformátorových obvodech.