Anvendelse af smart grid teknologier i linjefortabningsstyring for lavspændings-transformatorzoner

Som en vigtig del af distributionsnetværket påvirker lavspændingsdistributionsområder (heretter henvist til som "lavspændings-transformatorzoner") direkte de økonomiske fordele for energiforsyningsvirksomheder og kvaliteten af elektricitetsforbrug for slutbrugere gennem deres linjetabproblemer. Traditionelle ledelsesmetoder har imidlertid tydelige mangler i præcision og effektivitet. I denne sammenhæng yder anvendelsen af smart grid-teknologier nye løsninger for linjetablet ledelse. Ved at introducere avancerede tekniske midler kan ikke kun præcisionen af linjetablet ledelse effektivt forbedres, men også mål om energibesparelse og emissionereduktion understøttes, hvilket er af stor betydning for at fremme højkvalitativ udvikling i el-sektoren.

1.Linjetabproblemer i lavspændings-transformatorzoner
Linjetabproblemer i lavspændings-transformatorzoner opdeles primært i tekniske tab og ledelsesmæssige tab. Tekniske tab stammer fra indbygget udstyrstab og driftsbegrænsninger – for eksempel jern- og kobbertab i transformatorer og strabtab orsaget af linje-resistens. Tag et typisk lavspændingsdistributionslinje som eksempel, når lederens tværsnitsareal er 50 mm² og belastningsstrømmen når 200 A, er strabet per kilometer af linjen cirka 4 kW.

Når lederens tværsnitsareal øges til 70 mm² under samme betingelser, kan tabet reduceres med omkring 30%. Ledelsesmæssige tab skyldes ofte målingsfejl, strøftyveri eller ukorrekt drift og vedligeholdelse. For eksempel er målnøyaktigheden for traditionelle mekaniske elforsyningsmålere under let belastede betingelser kun omkring 85%, langt lavere end for smarte målere, der overstiger 99%. Desuden kan tre-fase ubalance betydeligt øge linjetab; hvis tre-fase strømubalance i en transformatorzone overstiger 15%, vil linjetabsatsen stige med 2% til 5%. Disse problemer indikerer, at manuelt inspektion alene ikke længere kan opfylde kravene til raffineret ledelse, og intelligente metoder er presserende nødvendige for at forbedre styringen.

2.Smart grid-teknologier anvendt i linjetablet ledelse af lavspændings-transformatorzoner

2.1 HPLC (High-Speed Power Line Communication) teknologi
Den grundlæggende princippet for HPLC-teknologi er at bruge eksisterende lavspændingsdistributionslinjer som kommunikationsmedier, ved at kopplere højfrekvensmodulerede signaler til strømlinjer via koplingskredsløb for at opnå højhastighedsdataoverførsel. Denne teknologi anvendes hovedsagelig i scenarier som realtidsovervågning af linjes driftstilstande i transformatorzoner, elektricitetsdataindsamling og brugerinformation interaktion.

Under implementeringen er det første trin at foretage en lokalundersøgelse af transformatorzones linje-miljø for at vurdere kanal-karakteristika og støj-niveauer, således at den optimale bærende frekvens (typisk inden for 1.7–30 MHz) og kopplingsmetode fastsættes. Herefter installeres dedikerede koppler og HPLC-kommunikationsmoduler på lavspændings-siden af distributions-transformatorerne, grene-bokse, og brugerelektricitetsmålere for at etablere et kommunikationsnetværk over hele transformatorzonen. Samtidig implementeres en masterstation-system, der integrerer sig naadløst med overordnede applikationssystemer gennem protokolkonvertering.

I drifts- og vedligeholdelsesfasen skal regelmæssige inspektioner og kalibreringer af udstyr udføres, kommunikationssignal-kvaliteten overvåges, og eventuelle anomalier håndteres umiddelbart. For eksempel, hvis bærende signal-damping overstiger 30 dB eller bitfejl-raten stiger over 1×10⁻⁴, skal linje-fejl eller elektromagnetiske støj-kilder undersøges. Hvis det er nødvendigt, skal transmissions-styrken (typisk mellem -10 dBm og 30 dBm) justeres eller koppler erstattes for at sikre stabil system-drift. 

For at forbedre kommunikationens stabilitet anvender HPLC-systemer normalt adaptive moduleringsschemas, dynamisk valg af moduleringstyper baseret på kanalkvalitet. Forskellige moduleringsschemas varierer i datahastighed, støj-immunitet, og dækning, kræver optimeret konfiguration i henhold til belastnings-fluktueringer og støj-forhold i transformatorzonen. For eksempel kan højere ordens modulering aktiveres om natten, når belastningen er lettere og støj-niveauer er lavere, for at forbedre datagennemstrømnings-hastighed, mens skift til en robust mode under dagslyshøjdepunkter sikrer kommunikationens pålidelighed. Tabel 1 viser tre ofte anvendte moduleringsschemas i HPLC-systemer sammen med deres tekniske karakteristika, giver referencer for felt-parameter konfiguration.

Tabel 1 Teknisk sammenligning af almindelige moduleringstyper for HPLC

2.2 Intelligent Phase-Switching Switch Device
Princippet for intelligent faseskiftende switch-enhed er at måle trefasestrøm og spænding, beregne lastubalance i realtid, og når ubalancen overstiger et forudindstillet tærskel (typisk 10%–20%), kontrollere skiftet af laster for at genoprette balance mellem de trefaselaster. Denne enhed anvendes primært ved slutningen af transformerzoner, især i områder med store enkeltfaselaster.

Under implementering:
Først skal der vælges en passende installationsplads – såsom ved grenbokse eller på lavspændings-siden af distributions-transformatorer – for at sikre nem konstruktion og vedligeholdelse.
Anden, bør der gennemføres en stedsspecifik undersøgelse for at forstå lastfordelingen og konfigurere switch-kapaciteten rimeligt (se Tabel 2). Under installations- og indstillingsfasen bør der udføres lastsimuleringsprøver for at optimere kontrolstrategi og beskyttelsesindstillinger; for eksempel sættes overstrømsbeskyttelsen generelt til 1,2 gange den nominelle strøm.
Tredje, systemet til driftsmonitoring af transformerzonen bør forbedres for at muliggøre informationsudveksling og fjernkontrol med switch-enheden.
Fjerde, under drifts- og vedligeholdelsesfasen bør der regelmæssigt udføres forebyggende prøver på switchen for hurtigt at identificere og afhjælpe potentielle fejl som mekanisk slid eller dårlig kontakt, for at sikre sikkert og pålideligt drift. Desuden bør der periodisk gennemføres analyse af transformerzonens lastvariationsmønstre for at justere switchens kontrollogik og parameterindstillinger efter behov.

Tabel 2 Kapacitetskonfigurationsreference for smart switchgear

2.3 Lavspændingslednings automatisk spændingsregulator
Den grundlæggende princip for lavspændingslednings automatisk spændingsregulator er at måle ledningspåstanden og -strømmen i realtid, beregne parametre som ledningsimpedans og effektiv faktor, og automatisk justere positionen af transformatorens tap-changer baseret på afvigelsen, således at den udgående spænding holdes inden for en acceptabel grænse. Dette enhed anvendes primært i lavspændingsdistributivnetværk, især i områder ved enden af ledninger, hvor spændingen har tendens til at blive for høj eller for lav.

Først skal et passende installationssted vælges – f.eks. på lavspændings siden af en distributivtransformator eller en ringmainenhed – og der skal gennemføres en stedsspecifik undersøgelse for at forstå leveringsradius og brugerdistribution langs ledningen.
For det andet skal regulator kapaciteten (se Tabel 3) og kontrolstrategien fastsættes. Under installations- og kommissioneringsfasen bør der udføres ingenlast- og belastningstests for at verificere spændingsreguleringens præcision (typisk kræves det at være inden for ±1,5%) og reaktions tid (normalt ikke over 30 sekunder), samt for at validere beskyttelsesfunktioner som overspænding og undervoltage.
Til sidst, efter kommissionering, bør der oprettes et omfattende driftsledelsessystem, der klart definerer krav til inspektion, drift og vedligeholdelse for at sikre sikkert og stabilt drift af regulator. For eksempel, hvis en enkeltfase spænding konstant afviger mere end ±7% af den nominelle værdi i 5 minutter, eller hvis tre-fase spændingsubalance overstiger 2%, skal årsagen hurtigt identificeres, og korrektive foranstaltninger træffes. Driftsdataanalyser viser, at korrekt konfigurerede automatiske spændingsregulatorer kan forbedre linjens spændingsoverholdelsesrater med 5% til 15%, hvilket betydeligt reducerer linje tab på grund af spændingskrænkelser.

Tabel 3 Vælg Referencer for Lavspændingslednings Automatiske Spændingsregulatorer

3. Teknologianvendelse

3.1 Casusbaggrund og tab på ledninger
Transformatorzone A er beliggende i det indre byområde af en gammel urbant distrikt med en strømforsyningsradius på 1,5 km og leverer strøm til 712 private kunder og 86 kommercielle kunder. Zonens distributionsinfrastruktur omfatter primært én S11-M.RL-400/10 type fordelingstransformator med en mærkeeffekt på 400 kVA; seks lavspændingsudgående fødeledninger – to med JKLGYJ-120 mm² ledere og fire med JKLGYJ-70 mm² ledere – med en gennemsnitlig ledningslængde på 510 meter pr. kreds; derudover findes der fire HXGN-12 ringhovedenheder og 18 lavspændingsintegrerede distributionskabinetter.

I de senere år har belastningen i denne transformatorzone vist en kontinuerlig vækst på grund af lokal urban renovering og udvidelse af kommercielle faciliteter. For eksempel nåede spidsbelastningen i 2018 op på 285 kW, hvor elforbruget steg med 7,6 % i forhold til året før, men tabgraderne på ledningerne var så høje som 9,7 %, hvilket markant oversteg administrationsmålet på 6,5 % for samme periode.

På stedet udførte inspektioner afslørede følgende nøglespørgsmål:

• Dårlig kontakt ved forbindelsespunkterne på transformator og ledninger forårsagede lokal opvarmning og yderligere tab;

• Ujævn trefaset belastningsfordeling, med et maksimumsudsving på 18,2 %;

• Uløveligt tilslutning og tyveri af elektricitet hos visse brugere;

• Aldrende måleenheder med målefejl, der overstiger ±5 %.

Disse faktorer bidrog alle sammen til vedvarende høje tab på ledningerne i zonen og skabte en alvorlig administrationsudfordring.

3.2 Teknologivalg og implementering
For at løse problemet med tab på ledningerne i Transformatorzone A blev en omfattende løsning implementeret efter grundig evaluering, som integrerer HPLC-kommunikation, intelligente faseskifteswitches og automatiske spændingsregulatorer.

Først blev HPLC-koblinger og kommunikationsmoduler installeret på lavspændingssiden af transformator, og tilsvarende udstyr blev udrullet ved hver forgreningsboks og brugerens måler, hvilket etablerede et højhastigheds bærerkommunikationsnet over strømledninger, der dækker hele transformatorzonen. Dette net muliggør realtidsmonitorering af driftstilstanden, herunder spænding, strøm, effekt på busbarer og grene samt kritiske indikatorer såsom udstyrets temperatur og harmonisk forvrængning. Drifts- og vedligeholdelsespersonale kan dermed hurtigt registrere unormaliteter. Desuden giver de højpræcise energimålingsdata solid støtte til analyse og administration af tab på ledningerne.

For det andet blev seks intelligente faseskifteswitch-enheder (med en maksimal driftsstrøm på 250 A) installeret ved større forgreningskasser og nøglebelastningspunkter. Disse switches måler kontinuert ubalancen i trefasestrømmen og omfordeler automatisk belastningen, når ubalancen overstiger 15 %, hvilket effektivt balancerer de tre faser. Felttests bekræftede, at skiftehandlinger fuldføres inden for 30 ms, med jævne overgange, der ikke forstyrrer brugerne. Tre måneder efter idrifttagning faldt trefaseubalancen i zonen fra 18,2 % til 6,5 %, og tabgraderne på ledningerne faldt med 1,7 %.

For det tredje blev en 200 kVA intelligent spændingsregulator installeret 710 meter fra transformator for at løse spændingsafvigelser i enden af ledningerne. Regulatoren accepterer et inputspændingsområde på 210–430 V og holder en outputspænding på 220 V ±2 %. Den justerer automatisk sit omsætningsforhold baseret på reelle spændingsmålinger i ledningens ende og sikrer, at terminalspændingen konsekvent holdes inden for det acceptable område. Siden idrifttagningen har regulatoren reageret hurtigt under forskellige belastningstoppe og -daler og forbedret spændingsoverensstemmelsesgraden ved ni nøgleovervågningspunkter fra 87 % til over 98,5 %.

Gennem en lukket styringsmetode af „monitorering–kontrol–optimering“ har disse foranstaltninger markant forbedret ydelsen for tab på ledningerne i Transformatorzone A og opnået en estimeret årlig energibesparelse på ca. 120.000 kWh med bemærkelsesværdige økonomiske fordele. En sammenligning af nøgleindikatorer vises i Tabel 4.

Tabel 4 Sammenligning af nøgleindikatorer for område A før og efter omfattende administration

I den faktiske implementering bør følgende punkter også bemærkes:
Først skal HPLC-kommunikationsreliabilitet, overførselsstyrke, kanalkodning og andre parametre konfigureres fornuftigt i henhold til de specifikke forhold i transformatorzonen; hvis nødvendigt, kan relæmetoder anvendes for at udvide kommunikationsafstanden.
For det andet bør tidsbestemmelser og låselogik for faseskiftrelæer indstilles omhyggeligt for at undgå for mange eller fejlaktige skiftaktioner – for eksempel kan relæen konfigureres til kun at fungere, når ubalancen overstiger 15% og vedvarende i 3 minutter.
Til sidst skal valg og kapacitetskonfiguration af spændingsregulatoren inkludere en vis margen for at forhindre hyppige justeringer, der kan forårsage mekanisk slitage; se Tabel 5 for vejledning i automatisk spændingsregulatorvalg og -konfiguration.

Tabel 5 Modelvalg Referencer for Automatiske Spændingsregulatorer

Desuden er et højkvalificeret drift- og vedligeholdelseshold også afgørende for at sikre systemets langsigtede stabile drift. Kun ved tæt tilpasning til de faktiske behov, udvælgelse og optimering af tekniske løsninger i overensstemmelse med lokale forhold, og støtte heraf gennem et solidt ledelsesmekanisme, kan en kontinuerlig forbedring af linjeforskydningens styrelse virkelig opnås.

4. Konklusion
Linjeforskydningsstyring i lavspændings-transformatorzoner har stor betydning for at forbedre strømforsyningens kvalitet og økonomisk effektivitet, og anvendelsen af smart grid-teknologier giver stærk støtte i denne henseende. I praksis er teknologier som HPLC (High-Speed Power Line Communication), intelligente faseskiftende skifterenheder, og lavspændingslinjeautomatiske spændingsregulatører blevet nøgleområder for forskning og implementering. Med disse teknologier kan realtidsovervågning af transformatorzones driftstillstand, dynamisk balance af trefasebelastninger, og præcis regulering af slutpunktsspænding realiseres.

Med Transformer Zone A i en bestemt by som eksempel, faldt linjeforskydningsprocenten fra 9,7% til 6,1%, og spændingsoverholdelsesprocenten forbedrede sig med 11,5%, hvilket resulterede i betydelige økonomiske og sociale fordele.

Dog er der stadig områder, hvor der er brug for forbedringer i den nuværende teknologi anvendelse – for eksempel yderligere forbedring af kommunikations anti-støjegenskaber og uddybning af udstyr selvtilpassende kontrolstrategier. Fremover bør fokus skifte mod integreret design og koordineret kontrol af intelligente enheder, samt dybere udforskning af linjeforskydningsforudsigelsesmodeller baseret på big data og kunstig intelligens. Desuden er forbedret teknisk uddannelse af drift- og vedligeholdelsespersonale afgørende for at sikre systemets langsigtede stabile drift. Disse foranstaltninger vil levere mere effektive og bæredygtige løsninger for linjeforskydningsstyring i lavspændings-transformatorzoner.