کاربرد تکنولوژی‌های شبکه هوشمند در مدیریت ضریب خطی مناطق تبدیل‌کننده فشار پایین

به عنوان جزء ضروری از شبکه توزیع، مناطق توزیع با فشار پایین (در ادامه به آن "منطقه ترانسفورماتور با فشار پایین" گفته می‌شود) از طریق مشکلات ضایعات خطی مستقیماً بر سودآوری شرکت‌های تأمین برق و کیفیت مصرف برق مصرف‌کنندگان نهایی تأثیر می‌گذارند. با این حال، رویکردهای مدیریتی سنتی در مورد دقت و کارایی نقصان‌های واضحی دارند. در این زمینه، استفاده از فناوری‌های شبکه هوشمند راه‌حل‌های جدیدی برای مدیریت ضایعات خطی ارائه می‌دهد. با معرفی وسایل فنی پیشرفته، نه تنها می‌توان سطح تخصصی مدیریت ضایعات خطی را به طور موثری بهبود بخشید، بلکه هدف‌های صرفه‌جویی در انرژی و کاهش تولید آلودگی را نیز می‌توان حمایت کرد، که اهمیت بسیاری در ترویج توسعه با کیفیت بالا در صنعت برق دارد.

۱. مشکلات ضایعات خطی در مناطق ترانسفورماتور با فشار پایین
مشکلات ضایعات خطی در مناطق ترانسفورماتور با فشار پایین به دو دسته ضایعات فنی و ضایعات مدیریتی تقسیم می‌شوند. ضایعات فنی از ضایعات ذاتی تجهیزات و محدودیت‌های عملیاتی ناشی می‌شوند - به عنوان مثال، ضایعات آهن و مس در ترانسفورماتورها و ضایعات برق ناشی از مقاومت خط. با در نظر گرفتن یک خط توزیع با فشار پایین نمونه، وقتی مساحت مقطع عرضی هادی ۵۰ میلی‌متر مربع و جریان بار ۲۰۰ آمپر باشد، ضایعات برق در هر کیلومتر خط حدود ۴ کیلووات خواهد بود.

وقتی مساحت مقطع عرضی هادی به ۷۰ میلی‌متر مربع تحت شرایط مشابه افزایش یابد، ضایعات می‌تواند حدود ۳۰٪ کاهش یابد. ضایعات مدیریتی، از طرف دیگر، غالباً ناشی از خطاهای اندازه‌گیری، دزدی برق یا عملیات و نگهداری نامناسب است. به عنوان مثال، دقت اندازه‌گیری مترهای برق مکانیکی سنتی در شرایط بار کم فقط حدود ۸۵٪ است، که بسیار کمتر از دقت مترهای هوشمند است که بیش از ۹۹٪ است. علاوه بر این، عدم تعادل سه‌فاز می‌تواند ضایعات خطی را به طور قابل توجهی افزایش دهد؛ اگر عدم تعادل جریان سه‌فاز در منطقه ترانسفورماتور بیش از ۱۵٪ باشد، نرخ ضایعات خطی ۲ تا ۵٪ افزایش می‌یابد. وجود این مشکلات نشان می‌دهد که بازرسی دستی دیگر نمی‌تواند نیازهای مدیریت دقیق را برآورده کند و روش‌های هوشمند برای افزایش کارایی حکمرانی ضروری هستند.

۲. فناوری‌های شبکه هوشمند که در مدیریت ضایعات خطی مناطق ترانسفورماتور با فشار پایین استفاده می‌شوند

۲.۱ فناوری HPLC (ارتباط خطی برق با سرعت بالا)
اصول اساسی فناوری HPLC شامل استفاده از خطوط توزیع با فشار پایین موجود به عنوان رسانه‌های ارتباطی است، که از طریق مدارهای کوپلر سیگنال‌های مدوله شده با فرکانس بالا را به خطوط برق متصل می‌کند تا انتقال داده با سرعت بالا را فراهم کند. این فناوری عمدتاً در سناریوهایی مانند نظارت زنده بر شرایط عملیاتی خط در مناطق ترانسفورماتور، جمع‌آوری داده‌های انرژی الکتریکی و تعامل اطلاعات مصرف برق کاربران استفاده می‌شود.

در مرحله اجرایی، ابتدا باید بررسی محلی محیط خط منطقه ترانسفورماتور انجام شود تا ویژگی‌های کانال و سطح تداخلات ارزیابی شود و بنابراین فرکانس حمله بهینه (معمولاً در محدوده ۱.۷-۳۰ مگاهرتز) و روش کوپلر تعیین شود. سپس، کوپلرهای اختصاصی و ماژول‌های ارتباطی HPLC در سمت فشار پایین ترانسفورماتور توزیع، جعبه‌های شاخه‌ای و مترهای برق کاربران نصب می‌شوند تا یک شبکه ارتباطی در سراسر منطقه ترانسفورماتور ایجاد شود. در همین حال، یک سیستم مرکزی نصب می‌شود تا از طریق تبدیل پروتکل به سیستم‌های کاربردی بالاتر به صورت بی‌وقفه یکپارچه شود.

در مرحله عملیات و نگهداری، باید بازرسی‌ها و کالیبراسیون‌های منظم تجهیزات انجام شود، کیفیت سیگنال ارتباطی نظارت شود و هر گونه ناهماهنگی بلافاصله برطرف شود. به عنوان مثال، اگر کاهش سیگنال حمله بیش از ۳۰ دسی‌بل یا نرخ خطای بیت بالاتر از ۱×۱۰⁻⁴ باشد، باید به دنبال عیوب خط یا منابع تداخل الکترومغناطیسی باشد. در صورت لزوم، توان ارسال (معمولاً در محدوده –۱۰ دسی‌بل تا ۳۰ دسی‌بل) باید تنظیم شود یا کوپلرهای جایگزین شوند تا عملکرد پایدار سیستم تضمین شود. 

برای افزایش پایداری ارتباط، سیستم‌های HPLC معمولاً از طرح‌های مدولاسیون تطبیقی استفاده می‌کنند که به طور دینامیکی مدل‌های مدولاسیون را بر اساس کیفیت کانال انتخاب می‌کنند. مدل‌های مختلف مدولاسیون در نرخ داده، مقاومت در برابر نویز و محدوده پوشش متفاوت هستند و نیاز به تنظیم بهینه بر اساس نوسانات بار و شرایط نویز در منطقه ترانسفورماتور دارند. به عنوان مثال، می‌توان در شب‌هایی که بار کمتر و سطح نویز کمتر است، مدولاسیون مرتبه بالا را فعال کرد تا ظرفیت انتقال داده افزایش یابد، در حالی که در ساعات اوج روزی برای تضمین قابلیت اطمینان ارتباط، به مود مقاوم تغییر داد. جدول ۱ مدل‌های مدولاسیون معمول در سیستم‌های HPLC را همراه با ویژگی‌های فنی آنها فهرست می‌کند و مرجعی برای تنظیم پارامترهای میدانی ارائه می‌دهد.

جدول ۱ مقایسه ویژگی‌های فنی روش‌های مدولاسیون معمول برای HPLC

2.2 دستگاه هوشمند تغییر فاز
اصل عمل دستگاه هوشمند تغییر فاز اندازه‌گیری جریان‌ها و ولتاژهای سه‌فاز، محاسبه نامتعادل بار در زمان واقعی و هنگامی که نامتعادل بیش از حد تعیین شده (معمولاً ۱۰٪-۲۰٪) باشد، کنترل تغییر بار برای متعادل کردن بارهای سه‌فاز است. این دستگاه عمدتاً در انتهای مناطق ترانسفورماتوری، به خصوص در مناطق با بار تک‌فاز سنگین، استفاده می‌شود.

در طول اجرای پروژه:
اول، باید مکان مناسبی برای نصب انتخاب شود—مانند جعبه‌های شاخه‌ای یا سمت ولتاژ پایین ترانسفورماتورهای توزیع—برای اطمینان از آسانی ساخت و نگهداری.
دوم، باید یک بررسی محلی انجام شود تا توزیع بار را بشناسد و ظرفیت دستگاه را به صورت منطقی تنظیم کند (به جدول ۲ مراجعه کنید). در مرحله نصب و راه‌اندازی، تست‌های شبیه‌سازی بار انجام می‌شود تا استراتژی کنترل و تنظیمات حفاظتی بهینه شوند؛ به عنوان مثال، تنظیم حفاظت از جریان بیش از حد معمولاً در ۱.۲ برابر جریان اسمی تنظیم می‌شود.
سوم، سیستم نظارت عملیاتی منطقه ترانسفورماتوری باید تقویت شود تا امکان تبادل اطلاعات و کنترل دوردست با دستگاه تغییر فاز وجود داشته باشد.
چهارم، در مرحله عملیات و نگهداری، باید به طور منظم تست‌های پیشگیرانه روی دستگاه انجام شود تا به موقع خطاها مانند سایش مکانیکی یا تماس ضعیف شناسایی و حل شوند و عملکرد ایمن و قابل اعتماد را تضمین کنند. علاوه بر این، باید به طور دوره‌ای تحلیل روند تغییرات بار منطقه ترانسفورماتوری انجام شود تا منطق کنترل و تنظیمات پارامترهای دستگاه را در صورت نیاز تنظیم کنید.

جدول ۲ مرجع تنظیم ظرفیت دستگاه‌های هوشمند تغییر فاز

۲.۳ تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار خطوط فشار پایین
اصل کلی عملکرد تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار خطوط فشار پایین این است که ولتاژ و جریان خط را به طور همزمان اندازه‌گیری کند، پارامترهایی مانند مقاومت خط و عامل توان را محاسبه نماید و بر اساس انحراف، موقعیت تپ چنجر ترانسفورماتور را به صورت خودکار تنظیم کند تا ولتاژ خروجی در محدوده قابل قبول حفظ شود. این دستگاه بیشتر در شبکه‌های توزیع فشار پایین، به ویژه در مناطق انتهایی خطوط که ولتاژ معمولاً بسیار بالا یا پایین می‌شود، استفاده می‌شود.

ابتدا مکان نصب مناسب باید انتخاب شود - مانند سمت فشار پایین ترانسفورماتور توزیع یا واحد حلقه اصلی - و با انجام بررسی میدانی، شعاع تأمین و توزیع کاربران در طول خط مشخص شود.
دوم، ظرفیت تنظیم‌کننده (به جدول ۳ مراجعه کنید) و استراتژی کنترل باید تعیین شود. در مرحله نصب و راه‌اندازی، آزمون‌های بدون بار و با بار باید انجام شود تا دقت تنظیم ولتاژ (معمولاً باید در محدوده ±۱.۵٪ باشد) و زمان پاسخ (معمولاً بیش از ۳۰ ثانیه نمی‌باشد) مورد تأیید قرار گیرد، همچنین توابع محافظت مانند ولتاژ بیش از حد و کم از حد نیز باید معتبر شوند.
سوم، پس از راه‌اندازی، باید سیستم مدیریت عملیاتی جامعی تأسیس شود که الزامات بازرسی، عملیات و نگهداری را به صورت واضح تعریف کند تا عملکرد ایمن و پایدار تنظیم‌کننده تضمین شود. به عنوان مثال، اگر ولتاژ تک‌فازی به طور مداوم بیش از ±۷٪ از مقدار اسمی برای ۵ دقیقه یا عدم تعادل ولتاژ سه‌فازی بیش از ۲٪ باشد، باید علت به سرعت شناسایی و اقدامات اصلاحی اتخاذ شود. تجزیه و تحلیل داده‌های عملیاتی نشان می‌دهد که تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار به درستی پیکربندی شده می‌توانند نرخ همگرایی ولتاژ خطوط را ۵٪ تا ۱۵٪ افزایش دهند و به طور قابل توجهی ضرر ناشی از نقض ولتاژ را کاهش دهند.

جدول ۳ مرجع انتخاب تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار خطوط فشار پایین

۳. کاربرد فناوری

۳.۱ زمینه مورد و مشکلات اتلاف خط
منطقه ترانسفورماتور A در منطقه مرکزی شهر قدیمی قرار دارد، با شعاع تأمین برق ۱.۵ کیلومتر، خدمات به ۷۱۲ مشتری ساکن و ۸۶ مشتری تجاری ارائه می‌دهد. زیرساخت‌های توزیع در این منطقه عمدتاً شامل یک ترانسفورماتور توزیع نوع S11-M.RL-400/10 با ظرفیت اسمی ۴۰۰ کیلووات؛ شش خروجی فیدر پایین‌ولتاژ - دو تا با هادی JKLGYJ-120 میلی‌متر مربع و چهار تا با هادی JKLGYJ-70 میلی‌متر مربع - با میانگین طول خط ۵۱۰ متر برای هر مدار؛ علاوه بر آن، چهار واحد حلقه‌ای HXGN-12 و ۱۸ کابین توزیع یکپارچه پایین‌ولتاژ وجود دارد.

در سال‌های اخیر، به دلیل بازسازی محلی شهری و گسترش مراکز تجاری، بار در این منطقه ترانسفورماتور نشان دهنده رشد مداوم بوده است. به عنوان مثال، در سال ۲۰۱۸، بار پیک به ۲۸۵ کیلووات رسید، با افزایش مصرف برق ۷.۶٪ در مقایسه با سال قبل، در حالی که نرخ اتلاف خط به ۹.۷٪ رسید، که به طور قابل توجهی از هدف مدیریتی ۶.۵٪ در همان دوره بیشتر است.

بررسی‌های محلی مشکلات کلیدی زیر را نشان داد:

• تماس ضعیف در نقاط اتصال ترانسفورماتور توزیع و خطوط که باعث گرم شدن محلی و اتلاف اضافی شده است؛

• توزیع نامساوی بار سه‌فازی، با عدم تعادل ماکسیمم ۱۸.۲٪؛

• سیم‌کشی غیرقانونی و دزدی برق توسط برخی از کاربران؛

• تجهیزات اندازه‌گیری قدیمی با خطاهای اندازه‌گیری بیش از ±۵٪.

این عوامل به طور جمعی باعث اتلاف خط بالا در منطقه شده و چالش شدیدی برای مدیریت ایجاد کرده است.

۳.۲ انتخاب و اجرای فناوری
برای حل مشکلات اتلاف خط در منطقه ترانسفورماتور A، پس از ارزیابی دقیق، یک راه‌حل جامع شامل ارتباطات HPLC، کلیدهای هوشمند تغییر فاز و تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار اجرا شد.

ابتدا کوپلرهای HPLC و ماژول‌های ارتباطی در سمت پایین‌ولتاژ ترانسفورماتور نصب شدند و تجهیزات متناظر در هر جعبه شاخه و دستگاه اندازه‌گیری کاربر نصب شدند، که یک شبکه ارتباطی حامل خط برق با سرعت بالا را در تمام منطقه ترانسفورماتور ایجاد کرد. این شبکه موجب نظارت زنده بر وضعیت عملیاتی، از جمله ولتاژ، جریان، توان در شین و شاخه‌ها، و همچنین شاخص‌های مهمی مانند دما و تحریف هارمونیک تجهیزات شد. افراد عملیات و نگهداری می‌توانند بنابراین به سرعت ناهماهنگی‌ها را تشخیص دهند. علاوه بر این، داده‌های اندازه‌گیری انرژی با دقت بالا پشتیبانی قوی برای تحلیل و مدیریت اتلاف خط ارائه می‌کند.

دوم، شش واحد کلید هوشمند تغییر فاز (با جریان عملیاتی حداکثر ۲۵۰ آمپر) در جعبه‌های شاخه اصلی و مکان‌های بار کلیدی نصب شدند. این کلیدها به طور مداوم عدم تعادل جریان سه‌فاز را اندازه‌گیری می‌کنند و هنگامی که عدم تعادل بیش از ۱۵٪ شود، بار را به طور خودکار توزیع می‌کنند، که موجب توازن سه‌فاز می‌شود. آزمایش‌های میدانی تأیید کرد که عملیات تغییر فاز در ۳۰ میلی‌ثانیه کامل شد، با انتقال صاف که هیچ اختلالی برای کاربران ایجاد نکرد. سه ماه پس از راه‌اندازی، عدم تعادل سه‌فاز در منطقه از ۱۸.۲٪ به ۶.۵٪ کاهش یافت و نرخ اتلاف خط ۱.۷٪ کاهش یافت.

سوم، برای رفع نقض ولتاژ در انتهای خطوط، یک تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند ۲۰۰ کیلووات در فاصله ۷۱۰ متر از ترانسفورماتور نصب شد. تنظیم‌کننده ولتاژ ورودی ۲۱۰-۴۳۰ ولت را می‌پذیرد و خروجی ۲۲۰ ولت ±۲٪ را حفظ می‌کند. این تنظیم‌کننده به طور خودکار نسبت دورهای خود را بر اساس اندازه‌گیری‌های ولتاژ زنده در انتهای خط تنظیم می‌کند، که ولتاژ انتهایی را به طور مداوم در محدوده قابل قبول نگه می‌دارد. از زمان راه‌اندازی، تنظیم‌کننده به سرعت در پاسخ به مختلف قله‌ها و دره‌های بار عمل کرده و نرخ تطبیق ولتاژ در نه نقطه نظارت کلیدی را از ۸۷٪ به بیش از ۹۸.۵٪ افزایش داده است.

به وسیله رویکرد مدیریت حلقه بسته "نظارت-کنترل-بهینه‌سازی"، این اقدامات عملکرد اتلاف خط در منطقه ترانسفورماتور A را به طور قابل توجهی بهبود بخشیده و صرفه‌جویی تخمینی سالانه حدود ۱۲۰۰۰۰ کیلووات ساعت را به دست آورده است، با فواید اقتصادی قابل توجه. مقایسه شاخص‌های کلیدی در جدول ۴ نشان داده شده است.

جدول ۴ مقایسه شاخص‌های کلیدی منطقه A قبل و بعد از حکمرانی جامع

در عملیات اجرایی، باید به نکات زیر توجه شود:
اولاً، در مورد قابلیت اطمینان ارتباطات HPLC، باید توان ارسال، کدگذاری کانال و پارامترهای دیگر با توجه به شرایط خاص منطقه تغییر دهنده به طور مناسب تنظیم شوند؛ در صورت لزوم، روش‌های رله می‌توانند برای گسترش فاصله ارتباطی استفاده شوند.
ثانیاً، زمان‌بندی و منطق انحصاری عملیات سوئیچ تغییر فاز باید با دقت تنظیم شود تا از تغییرات بیش از حد یا اشتباه جلوگیری شود- به عنوان مثال، می‌توان سوئیچ را به گونه‌ای تنظیم کرد که فقط زمانی عمل کند که عدم تعادل بیش از ۱۵٪ باشد و برای ۳ دقیقه ثابت بماند.
ثالثاً، انتخاب و تنظیم ظرفیت درست تنظیم‌کننده ولتاژ باید شامل حاشیه‌ای باشد تا از تعدیلات مکرر که می‌تواند باعث سایش مکانیکی شود جلوگیری شود؛ به جدول ۵ برای رهنمودهای انتخاب و تنظیم تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار مراجعه کنید.

جدول ۵ رفرنس انتخاب مدل برای تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار

علاوه بر این، یک تیم عملیات و نگهداری با کیفیت بالا نیز برای تضمین عملکرد پایدار بلندمدت سیستم بسیار حیاتی است. فقط با هم‌اندازی نزدیک با نیازهای واقعی، انتخاب و بهینه‌سازی راه‌حل‌های فنی طبق شرایط محلی و پشتیبانی آنها با یک مکانیسم مدیریت قوی می‌توان بهبود مداوم در مدیریت ضایعات خطی به طور واقعی دست یافت.

۴. نتیجه‌گیری
مدیریت ضایعات خطی در مناطق ترانسفورماتوری کم‌ولتا برای بهبود کیفیت تامین برق و کارایی اقتصادی بسیار مهم است و استفاده از فناوری‌های شبکه هوشمند در این زمینه پشتیبانی قوی ارائه می‌دهد. در کارهای عملی، فناوری‌هایی مانند HPLC (ارتباط خطی برق با سرعت بالا)، دستگاه‌های مبدل فاز هوشمند و تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار خط کم‌ولتا به مرکز تحقیقات و اجرایی شدن تبدیل شده‌اند. با استفاده از این فناوری‌ها، می‌توان به نظارت زنده روی وضعیت عملکرد منطقه ترانسفورماتور، تعادل دینامیکی بارهای سه‌فاز و تنظیم دقیق ولتاژ پایانه رسید.

به عنوان مثال، در منطقه ترانسفورماتور A در شهرستان مشخصی، پس از درمان جامع، نرخ ضایعات خطی از ۹/۷٪ به ۶/۱٪ کاهش یافته و نرخ انطباق ولتاژ ۱۱/۵٪ بهبود یافت که منجر به کسب سودهای اقتصادی و اجتماعی قابل توجه شد.

با این حال، هنوز نیاز به بهبود در کاربردهای فعلی فناوری وجود دارد—مثلاً، افزایش قابلیت مقاومت در برابر تداخلات ارتباطی و تکامل راهبردهای کنترل خود-تطبیقی تجهیزات. در آینده، تمرکز باید به طراحی یکپارچه و کنترل هماهنگ دستگاه‌های هوشمند و کاوش عمیق‌تر در مدل‌های پیش‌بینی ضایعات خطی بر اساس داده‌های بزرگ و هوش مصنوعی منتقل شود. علاوه بر این، تقویت آموزش فنی برای کارکنان عملیات و نگهداری برای تضمین عملکرد پایدار بلندمدت سیستم ضروری است. این اقدامات راه‌حل‌های کارآمدتر و پایدارتری برای مدیریت ضایعات خطی در مناطق ترانسفورماتوری کم‌ولتا ارائه خواهند کرد.