کاربرد فناوری‌های شبکه هوشمند در مدیریت تلفات خطی مناطق ترانسفورماتور پایین‌ولتاژ
به عنوان جزء ضروری از شبکه توزیع، مناطق توزیع فشار پایین (در ادامه به آنها "ناحیه تبدیل فشار پایین" گفته می‌شود) از طریق مشکلات ضایعات خطی، مستقیماً بر سودآوری شرکت‌های تأمین برق و کیفیت مصرف برق برای کاربران نهایی تأثیر می‌گذارند. با این حال، رویکردهای مدیریتی سنتی در مسائل دقت و کارایی دارای نقاط ضعف واضحی هستند. در این زمینه، استفاده از تکنولوژی‌های 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 مؤثر بهبود بخشید بلکه اهداف صرفه‌جویی در انرژی و کاهش انتشار را نیز پشتیبانی می‌کند، که اهمیت بسیاری در ترویج توسعه با کیفیت بالا در صنعت برق دارد.
۱. مشکلات ضایعات خطی در ناحیه تبدیل فشار پایین
مشکلات ضایعات خطی در ناحیه تبدیل فشار پایین عمدتاً به دو دسته ضایعات فنی و ضایعات مدیریتی تقسیم می‌شوند. ضایعات فنی ناشی از ضایعات ذاتی تجهیزات و محدودیت‌های عملیاتی هستند- مثلاً ضایعات آهن و مس در ترانسفورماتورها و ضایعات انرژی ناشی از مقاومت خط. با در نظر گرفتن یک خط توزیع فشار پایین معمولی، وقتی مساحت مقطع رسانه ۵۰ میلی‌متر مربع و جریان بار ۲۰۰ آمپر باشد، ضایعات انرژی در هر کیلومتر خط حدود ۴ کیلووات خواهد بود.
وقتی مساحت مقطع رسانه تحت شرایط مشابه به ۷۰ میلی‌متر مربع افزایش یابد، ضایعات می‌تواند تا حدود ۳۰٪ کاهش یابد. ضایعات مدیریتی اغلب ناشی از خطاهای اندازه‌گیری، دزدی برق، یا عملیات و نگهداری نامناسب هستند. به عنوان مثال، دقت اندازه‌گیری مترهای برق مکانیکی در شرایط بار کم فقط حدود ۸۵٪ است، که بسیار کمتر از مترهای هوشمند که بیش از ۹۹٪ دارند. علاوه بر این، عدم تعادل سه فاز می‌تواند ضایعات خطی را به طور قابل توجهی افزایش دهد؛ اگر عدم تعادل جریان سه فاز در یک ناحیه تبدیل بیش از ۱۵٪ باشد، نرخ ضایعات خطی تا ۲٪ تا ۵٪ افزایش می‌یابد. وجود این مشکلات نشان می‌دهد که بازرسی دستی دیگر نمی‌تواند نیازهای مدیریت متخصص را برآورده کند و روش‌های هوشمند برای افزایش کارایی حاکمیت لازم است.
۲. تکنولوژی‌های شبکه هوشمند در مدیریت ضایعات خطی ناحیه تبدیل فشار پایین
۲.۱ تکنولوژی HPLC (ارتباط خط برق با سرعت بالا)
اصل اساسی تکنولوژی HPLC استفاده از خطوط توزیع فشار پایین موجود به عنوان رسانه ارتباطی، اتصال سیگنال‌های مدوله شده با فرکانس بالا به خطوط برق از طریق مدارهای اتصال برای دستیابی به انتقال داده با سرعت بالا است. این تکنولوژی عمدتاً در سناریوهایی مانند نظارت زنده بر شرایط عملیاتی خط در ناحیه تبدیل، جمع‌آوری داده‌های انرژی برق و تعامل اطلاعات برق کاربر استفاده می‌شود.
در مرحله اجرایی، ابتدا باید بررسی میدانی محیط خط ناحیه تبدیل انجام شود تا ویژگی‌های کانال و سطح تداخلات ارزیابی شود و بدین ترتیب فرکانس حمل‌کننده بهینه (معمولاً در محدوده ۱.۷-۳۰ مگاهرتز) و روش اتصال تعیین شود. سپس، کوپلرهای اختصاصی و ماژول‌های ارتباط HPLC در سمت فشار پایین ترانسفورماتور توزیع، جعبیات شاخه‌ای و مترهای برق کاربر نصب می‌شوند تا یک شبکه ارتباطی در ناحیه تبدیل ایجاد شود. در ضمن، 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 به طور منظم بازرسی و تنظیم تجهیزات انجام شود، کیفیت سیگنال ارتباطی نظارت شود و هر گونه ناهماهنگی به طور فوری رسیدگی شود. به عنوان مثال، اگر تضعیف سیگنال حمل‌کننده بیش از ۳۰ دسی‌بل یا نرخ خطای بیت بالاتر از ۱×۱۰⁻⁴ باشد، باید خطوط خراب یا منابع تحریک الکترومغناطیسی بررسی شود. در صورت لزوم، توان انتقال (معمولاً در محدوده –۱۰ دسی‌بل تا ۳۰ دسی‌بل) تنظیم یا کوپلرهای جایگزین شوند تا عملکرد پایدار سیستم تضمین شود.
برای افزایش ثبات ارتباط، سیستم‌های HPLC معمولاً از طرح‌های مدولاسیون سازگار استفاده می‌کنند، با انتخاب دینامیک مودهای مدولاسیون بر اساس کیفیت کانال. مودهای مدولاسیون مختلف در نرخ داده، مقاومت در برابر نویز و محدوده پوشش متفاوت هستند، که نیاز به پیکربندی بهینه بر اساس نوسان بار و شرایط نویز در ناحیه تبدیل دارند. به عنوان مثال، می‌توان مود مدولاسیون بالاتر در شب‌ها که بار کمتر و سطح نویز کمتر است فعال کرد تا ظرفیت داده افزایش یابد، در حالی که در ساعات اوج روز به مود مقاوم تغییر داده شود تا اطمینان از قابلیت اعتماد ارتباط فراهم شود. جدول ۱ سه مود مدولاسیون معمول در سیستم‌های HPLC را همراه با ویژگی‌های فنی آنها فهرست می‌کند و برای پیکربندی پارامترهای میدانی مرجعی ارائه می‌دهد.
جدول ۱ مقایسه ویژگی‌های فنی روش‌های مدولاسیون معمول در HPLC
| روش مدولاسیون | نرخ داده‌ای حداکثر (مگابیت بر ثانیه) | نیاز به SNR (دیسی‌بل) | فاصله ارتباطات معمولی (متر) |
| BPSK | 0.15 | ≥6 | ≤1200 |
| QPSK | 0.3 | ≥12 | ≤800 |
| 16-QAM | 0.6 | ≥20 | ≤500 |
۲.۲ دستگاه هوشمند جابجایی فاز
اصل کار دستگاه هوشمند جابجایی فاز، اندازه‌گیری جریان‌ها و ولتاژ در سه فاز، محاسبه نامتوازن بار در زمان واقعی و هنگامی که نامتوازنی از آستانه تنظیم شده (معمولاً ۱۰٪-۲۰٪) بیشتر شود، کنترل جابجایی بار برای متعادل کردن بار در سه فاز است. این دستگاه عمدتاً در انتهای مناطق ترانسفورماتوری، به خصوص در مناطق با بار تک‌فاز سنگین، استفاده می‌شود.
در مرحله اجرایی:
اول، محل نصب مناسب باید انتخاب شود—مانند جعبه‌های شاخه‌ای یا سمت پایین ولتاژ ترانسفورماتورهای توزیع—برای اطمینان از راحتی ساخت و نگهداری.
دوم، باید بررسی میدانی انجام شود تا توزیع بار مشخص شود و ظرفیت کلید به صورت منطقی تنظیم شود (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 ترانسفورماتور باید تقویت شود تا امکان تبادل اطلاعات و کنترل دوردست با دستگاه جابجایی وجود داشته باشد.
چهارم، در مرحله عملیات و نگهداری، باید به طور منظم تست‌های پیشگیرانه روی کلید انجام شود تا خطاهای بالقوه مانند سایش مکانیکی یا تماس ضعیف به موقع شناسایی و حل شوند و عملکرد ایمن و قابل اعتماد تضمین شود. علاوه بر این، باید به طور متناوب تحلیل روندهای تغییرات بار در منطقه ترانسفورماتور انجام شود تا منطق کنترل و تنظیمات پارامتری کلید به صورت لازم تنظیم شود.
جدول ۲ مرجع تنظیم ظرفیت برای دستگاه‌های کلید هوشمند
| نوع منطقه | تعداد کل کاربران | بیشترین بار تک‌فاز (kW) | ظرفیت مسیر توصیه شده (A) |
| منطقه مسکونی | ≤200 | 15 | 100 |
| منطقه مسکونی | 200 ~ 500 | 20 | 160 |
| منطقه تجاری | ≤100 | 30 | 250 |
| منطقه صنعتی | ≤50 | 50 | 400 |
۲.۳ تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار خط پایین‌ولتاژ
اصل کلی تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار خط پایین‌ولتاژ این است که ولتاژ و جریان خط را در زمان واقعی اندازه‌گیری کرده، پارامترهایی مانند مقاومت خط و عامل توان را محاسبه کرده و بر اساس انحراف موقعیت شماره‌بر فاز‌ساز را به صورت خودکار تنظیم می‌کند تا ولتاژ خروجی در محدوده قابل قبول نگهداری شود. این دستگاه عمدتاً در شبکه‌های توزیع پایین‌ولتاژ، به خصوص در مناطقی که در انتهای خطوط قرار دارند و ولتاژ معمولاً بسیار بالا یا پایین می‌شود، استفاده می‌شود.
ابتدا باید محل نصب مناسبی انتخاب شود—مانند سمت پایین‌ولتاژ ترانسفورماتور توزیع یا واحد حلقه‌ای—و بررسی میدانی انجام شود تا شعاع تغذیه و توزیع کاربران در طول خط مشخص شود.
ثانیاً، ظرفیت تنظیم‌کننده (ببینید جدول ۳) و استراتژی کنترل تعیین شود. در مرحله نصب و راه‌اندازی، آزمایش‌های بدون بار و با بار انجام می‌شود تا دقت تنظیم ولتاژ (معمولاً باید در محدوده ±۱.۵٪ باشد) و زمان واکنش (معمولاً باید بیش از ۳۰ ثانیه نباشد) تأیید شود، همچنین عملکرد محافظ‌هایی مانند ولتاژ بیش از حد و کم از حد نیز اعتبارسنجی شود.
ثالثاً، پس از راه‌اندازی، باید سیستم مدیریت عملیاتی جامعی تأسیس شود که الزامات برای بازرسی، عملیات و نگهداری را به صراحت تعریف کند تا عملکرد ایمن و پایدار تنظیم‌کننده تضمین شود. به عنوان مثال، اگر ولتاژ تک‌فازی به طور مداوم برای ۵ دقیقه بیش از ±۷٪ ارزش اسمی انحراف کند، یا اگر نامتوازنی ولتاژ سه‌فازی بیش از ۲٪ باشد، باید سبب آن به سرعت شناسایی شده و اقدامات اصلاحی اتخاذ شود. تجزیه و تحلیل داده‌های عملیاتی نشان می‌دهد که تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار به درستی پیکربندی شده می‌توانند نرخ همخوانی ولتاژ خط را ۵٪ تا ۱۵٪ افزایش دهند و به طور قابل توجهی ضرر خطوط ناشی از تخلفات ولتاژ را کاهش دهند.
جدول ۳ مرجع انتخاب تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار خط پایین‌ولتاژ
| ظرفیت ترانسفورماتور (کیلووات) | حداکثر جریان خط (آمپر) | جریان اسمی تنظیم‌کننده ولتاژ (آمپر) | تعداد پیشنهادی |
| ۱۰۰ | ۵۰ | ۷۵ | ۱ |
| ۲۰۰ | ۱۰۰ | ۱۵۰ | ۱ |
| ۳۱۵ | ۲۰۰ | ۳۰۰ | ۱~۲ |
| ۵۰۰ | ۳۰۰ | ۴۰۰ | ۲ |
۳. کاربرد فناوری
۳.۱ زمینه مورد و مشکلات اتلاف خط
منطقه ترانسفورماتور A در منطقه مرکزی یک شهر قدیمی قرار دارد، با شعاع تامین برق ۱.۵ کیلومتر، به ۷۱۲ مشتری ساکن و ۸۶ مشتری تجاری خدمات می‌دهد. زیرساخت‌های توزیع در این منطقه عمدتاً شامل یک ترانسفورماتور توزیع نوع S11-M.RL-400/10 با ظرفیت اسمی ۴۰۰ kVA است؛ شش خروجی ولتاژ پایین—دو با هادی JKLGYJ-120 میلی‌متر مربع و چهار با هادی JKLGYJ-70 میلی‌متر مربع—با میانگین طول خط ۵۱۰ متر برای هر مدار؛ علاوه بر این، چهار واحد حلقه اصلی HXGN-12 و ۱۸ کابین توزیع ولتاژ پایین یکپارچه 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 kW رسید، با افزایش مصرف برق ۷.۶٪ در مقایسه با سال قبل، اما نرخ اتلاف خط به ۹.۷٪ رسید، که به طور قابل توجهی از هدف مدیریتی ۶.۵٪ در همان دوره بالاتر 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 سه‌فاز، با ناهماهنگی حداکثر ۱۸.۲٪؛
سیم‌کشی غیرقانونی و دزدی برق توسط برخی کاربران؛
قدیمی شدن دستگاه‌های اندازه‌گیری با خطای اندازه‌گیری بیش از ±۵٪.
این عوامل به طور جمعی باعث اتلاف خط‌های پایدار بالا در منطقه شده و چالشی جدی در مدیریت ایجاد کرده است.
۳.۲ انتخاب و اجرای فناوری
برای حل مشکلات اتلاف خط در منطقه ترانسفورماتور A، پس از ارزیابی دقیق، راه‌حل جامعی شامل ارتباط HPLC، کلیدهای هوشمند تغییر فاز و تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار اجرا شد.
ابتدا کوپلرهای HPLC و ماژول‌های ارتباطی روی سمت ولتاژ پایین ترانسفورماتور نصب شدند و تجهیزات متناظر در هر جعبه شاخه و دستگاه اندازه‌گیری کاربر نصب شدند، که شبکه ارتباطی حمل کننده خط برق با سرعت بالا را در کل منطقه ترانسفورماتور ایجاد کرد. این شبکه امکان نظارت زنده بر وضعیت عملیاتی، از جمله ولتاژ، جریان، توان در اتوبوس‌ها و شاخه‌ها، همچنین شاخص‌های مهمی مانند دما و تحریک هارمونیک تجهیزات را فراهم کرد. بنابراین، کارکنان عملیات و نگهداری می‌توانستند به طور سریع ناهماهنگی‌ها را تشخیص دهند. علاوه بر این، داده‌های اندازه‌گیری انرژی با دقت بالا پشتیبانی قوی برای تجزیه و تحلیل و مدیریت اتلاف خط فراهم کرد.
ثانیاً، شش واحد کلید هوشمند تغییر فاز (با جریان عملیاتی حداکثر ۲۵۰ A) در جعبه‌های شاخه اصلی و مکان‌های بار کلیدی نصب شدند. این کلیدها به طور مداوم ناهماهنگی جریان سه‌فاز را اندازه‌گیری می‌کنند و هنگامی که ناهماهنگی بیش از ۱۵٪ شود، بار را به طور خودکار توزیع می‌کنند که باعث تعادل سه فاز می‌شود. آزمون‌های میدانی تأیید کردند که عملیات تغییر فاز در ۳۰ میلی‌ثانیه تکمیل شد، با انتقال هموار که هیچ اختلالی برای کاربران ایجاد نکرد. سه ماه پس از راه‌اندازی، ناهماهنگی سه‌فاز در منطقه از ۱۸.۲٪ به ۶.۵٪ کاهش یافت و نرخ اتلاف خط ۱.۷٪ کاهش یافت.
ثالثاً، برای حل مشکلات نقض ولتاژ در انتهای خط‌ها، یک تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند ۲۰۰ kVA در فاصله ۷۱۰ متر از ترانسفورماتور نصب شد. تنظیم‌کننده دامنه ولتاژ ورودی ۲۱۰–۴۳۰ V را می‌پذیرد و ولتاژ خروجی ۲۲۰ V ±۲٪ را حفظ می‌کند. این تنظیم‌کننده به طور خودکار نسبت دورهای خود را بر اساس اندازه‌گیری‌های ولتاژ زنده در انتهای خط تنظیم می‌کند و ولتاژ انتهایی را به طور مداوم در محدوده مجاز نگه می‌دارد. از زمان راه‌اندازی، تنظیم‌کننده به طور سریع در طول اوج‌ها و دره‌های مختلف بار واکنش نشان داد و نرخ رعایت ولتاژ در نه نقطه نظارت کلیدی را از ۸۷٪ به بیش از ۹۸.۵٪ افزایش داد.
از طریق رویکرد مدیریت حلقه بسته "نظارت-کنترل-بهینه‌سازی"، این اقدامات عملکرد اتلاف خط منطقه ترانسفورماتور A را به طور قابل توجهی بهبود بخشید و صرفه‌جویی سالانه حدود ۱۲۰۰۰۰ kWh انرژی را تحقق بخشید، 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 مدیریت جامع
| شاخص | قبل از مدیریت | بعد از مدیریت | میزان بهبود |
| بار حداکثر (کیلووات) | ۲۸۵ | ۲۶۸ | -۵.۹٪ |
| نرخ بار ترانسفورماتور | ۷۱.۳٪ | ۶۷.۰٪ | -۴.۳٪ |
| ناهمزمانی سه‌فازی | ۱۸.۲٪ | ۶.۵٪ | -۱۱.۷٪ |
| نرخ کیفیت ولتاژ | ۸۷.۰٪ | ۹۸.۵٪ | +۱۱.۵٪ |
| نرخ ضرر خط | ۹.۷٪ | ۶.۱٪ | -۳.۶٪ |
در عملیات واقعی، باید به نکات زیر توجه شود:
اولاً، در مورد قابلیت اطمینان ارتباط HPLC، قدرت انتقال، کدگذاری کانال و سایر پارامترها باید بر اساس شرایط خاص منطقه تبدیل‌دهنده به صورت مناسب تنظیم شوند؛ در صورت لزوم، می‌توان از روش‌های تقویت برای افزایش فاصله ارتباط استفاده کرد.
ثانیاً، زمان‌بندی و منطق انحصاری عملیات تغییر فاز باید با دقت تنظیم شود تا از تغییرات بیش از حد یا غیرصحيح جلوگیری شود—به عنوان مثال، می‌توان تغییرکننده 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 منظم ولتاژ باید شامل حاشیه‌ای باشد تا از تعدیلات مکرر که می‌تواند باعث سایش مکانیکی شود، جلوگیری شود؛ به جدول ۵ برای دستورالعمل‌های انتخاب و تنظیم منظم ولتاژ خودکار مراجعه کنید.
جدول ۵ مرجع انتخاب مدل برای منظم‌کننده‌های ولتاژ خودکار
| ظرفیت ترانسفورماتور | فاکتور بار ماکسیمم | حاشیه ظرفیت تنظیم‌کننده ولتاژ |
| ≤۲۰۰ کیلووات | ۰٫۶ - ۰٫۷ | ۲۰٪ - ۳۰٪ |
| ≤۴۰۰ کیلووات | ۰٫۷ - ۰٫۸ | ۱۵٪ - ۲۰٪ |
| >۴۰۰ کیلووات | ۰٫۷۵ - ۰٫۸۵ | ۱۰٪ - ۱۵٪ |
علاوه بر این، یک تیم عملیات و نگهداری با کیفیت بالا نیز برای تضمین عملکرد پایدار بلندمدت سیستم بسیار حیاتی است. فقط با هماهنگی تنگاتنگ با نیازهای واقعی، انتخاب و بهینه‌سازی راه‌حل‌های فنی بر اساس شرایط محلی و پشتیبانی آنها با یک مکانیسم مدیریت قوی می‌توان بهبود مداوم در مدیریت زیان خطی را به طور واقعی دستیابی کرد.
۴. نتیجه‌گیری
مدیریت زیان خطی در مناطق تبدیل‌دهنده فشار پایین برای بهبود کیفیت تأمین برق و کارایی اقتصادی اهمیت بسیاری دارد و استفاده از تکنولوژی‌های شبکه هوشمند در این زمینه پشتیبانی قوی ارائه می‌دهد. در عمل، تکنولوژی‌هایی مانند HPLC (ارتباط سریع خط برق)، دستگاه‌های کلید مبدل فاز هوشمند و تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خودکار خط فشار پایین به عنوان موارد تمرکز تحقیقاتی و اجرایی شده‌اند. با استفاده از این تکنولوژی‌ها می‌توان به نظارت زنده روی شرایط عملیاتی منطقه تبدیل‌دهنده، تعادل پویای بارهای سه فاز و تنظیم دقیق ولتاژ پایانه رسید.
به عنوان مثال، در منطقه تبدیل‌دهنده A در شهرستان معین، پس از درمان جامع، نرخ زیان 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 شده است.
با این حال، هنوز نیاز به بهبود در کاربردهای فعلی تکنولوژی وجود دارد، مثلاً افزایش قابلیت مقاومت در برابر تداخلات ارتباطی و تصفیه استراتژی‌های کنترل خود-تطبیقی تجهیزات. در آینده، تمرکز باید به طراحی یکپارچه و کنترل هماهنگ دستگاه‌های هوشمند و کاوش عمیق‌تر در مدل‌های پیش‌بینی زیان خطی بر اساس داده‌های بزرگ و هوش مصنوعی منتقل شود. علاوه بر این، تقویت آموزش فنی کارکنان عملیات و نگهداری ضروری است تا عملکرد پایدار بلندمدت سیستم تضمین شود. این اقدامات راه‌حل‌های کارآمدتر و پایدارتری برای مدیریت زیان خطی در مناطق تبدیل‌دهنده فشار پایین ارائه خواهند کرد.
