Älyverkkojen teknologioiden soveltaminen alijännitteisten muuntaja-alueiden linjahäviöiden hallintaan

Kunnon jakeluverkon olennaisena komponenttina alijännitysjakauma-alueet (jäljempänä "alijännitysmuunnosalueet") vaikuttavat suoraan sähköntarjoajien taloudellisiin etuihin ja loppukäyttäjien sähkönkulutuksen laatuun niiden linjahäviöongelmien kautta. Kuitenkin perinteisillä hallintomenetelmillä on ilmeisiä puutteita tarkkuuden ja tehokkuuden kannalta. Tässä yhteydessä älyverkkoteknologioiden soveltaminen tarjoaa uusia ratkaisuja linjahäviöhallintaan. Edistyneiden teknisten keinojen käyttö mahdollistaa linjahäviöhallinnan jatkuvan tarkentamisen sekä tukee energiansäästö- ja päästövähennystavoitteita, mikä on erittäin tärkeää sähköalan korkealaatuiselle kehitykselle.

1.Linja-häviöt alijännitysmuunnosalueissa
Alijännitysmuunnosalueiden linjahäviöongelmat voidaan pääasiassa luokitella tekniseksi häviöiksi ja hallintohäviöiksi. Tekniset häviöt johtuvat luontaisista laitteen häviöistä ja toiminnallisten rajoitteiden vuoksi - esimerkiksi muuntimen rauta- ja kuparihäviöt ja linjan vastuksen aiheuttamat energiahäviöt. Ottamalla tyypillinen alijännitysjakaumalinja esimerkiksi, kun johtajan poikkileikka-ala on 50 mm² ja kuormitusvirta saavuttaa 200 A, linjan voiman häviö kilometriä kohti on noin 4 kW.

Kun johtajan poikkileikka-ala kasvatetaan 70 mm² samojen olosuhteiden alla, häviö voidaan vähentää noin 30 %. Hallintohäviöt, toisaalta, johtuvat usein mitattavuusvirheistä, sähkövarastoinnista tai väärästä operaatiosta ja ylläpidosta. Esimerkiksi perinteisten mekaanisten sähkömittarien mitattavuustarkkuus kevyt kuormituksen olosuhteissa on vain noin 85 %, mikä on paljon alhaisempi kuin älymittareiden, jotka ylittävät 99 %. Lisäksi kolmivaiheinen epätasapaino voi merkittävästi lisätä linjahäviöitä; jos muunnosalueen kolmivaiheinen virtaepätasapaino ylittää 15 %, linjahäviöaste nousee 2 % - 5 %:iin. Nämä ongelmat osoittavat, että manuaalinen tarkastus ei enää riitä hienosäätelyn vaatimuksiin, ja älykkäitä menetelmiä tarvitaan kiireellisesti hallintotehokkuuden parantamiseksi.

2.Älyverkkoteknologiat alijännitysmuunnosalueiden linjahäviöhallinnassa

2.1 HPLC (High-Speed Power Line Communication) -tekniikka
HPLC-tekniikan perustavaa laatua oleva periaate on käyttää olemassa olevia alijännitysjakaumalinjoja kommunikaatiomediaan, kytkemällä korkeataajuuden moduloidut signaalit sähkölinjoihin kytkentäpiirien avulla, saavuttaakseen nopean tiedonsiirron. Tätä teknologiaa käytetään pääasiassa skenaareissa, kuten muunnosalueen linjojen toiminto-olosuhteiden reaaliaikaiseen valvontaan, sähköenergian tiedonkeruuseen ja käyttäjän sähköinformaation vuorovaikutukseen.

Toteutuksen aikana ensimmäinen askel on suorittaa muunnosalueen linjaympäristön paikkatutkimus arvioidakseen kanavan ominaisuuksia ja häiriötasoja, määrittääkseen optimaalisimman taajuuden (yleensä 1,7–30 MHz) ja kytkentätavan. Seuraavaksi asennetaan erityisiä kytkentälaitteita ja HPLC-kommunikaatiomoduuleja jakelu­muunnoksen alijännityspuolelle, haaroituskortteihin ja käyttäjän sähkömittareihin muodostamaan kommunikaatioverkko koko muunnosalueen yli. Samalla käynnistetään päätestation järjestelmä integroitumaan yläpuolisten sovellusjärjestelmien kanssa protokollamuunnoksen kautta.

Toiminnan ja ylläpidon vaiheessa laitteita tulisi tarkastaa ja kalibroida säännöllisesti, kommunikaationsignaalin laadun tarkkailuun ja poikkeamien nopeaan korjaamiseen. Esimerkiksi, jos signaalin heikkeneminen ylittää 30 dB tai bitinvirheaste noussee yli 1×10⁻⁴, pitäisi tutkia linjavikoja tai sähkömagneettisia häiriölähteitä. Tarvittaessa siirtovirtauksen (yleensä välillä –10 dBm - 30 dBm) tulisi säädellä tai kytkentälaitteet vaihdetaan varmistaakseen järjestelmän vakauden.

Kommunikaation vakauden parantamiseksi HPLC-järjestelmät käyttävät yleensä sopeutettavia modulaatiomenetelmiä, valitsemalla dynaamisesti modulaatiotapoja kanavanlaadun mukaan. Eri modulaatiomenetelmillä on erilainen datanopeus, melusuorasuuntaisuus ja kattavuus, joten ne on optimoitava muunnosalueen kuorman fluktuoihin ja melutilanteisiin mukautuneesti. Esimerkiksi korkeampi modulaatiotapa voidaan ottaa käyttöön yöllä, kun kuormitukset ovat kevyempiä ja melutasot alhaisempia, parantaakseen tiedonsiirron läpimenoa, kun taas päivällä huipputunneilla siirtyminen vahvaan moodiin varmistaa kommunikaation luotettavuuden. Taulukko 1 listaa kolme yleisimmin käytettyä HPLC-järjestelmien modulaatiota ja niiden tekniset ominaisuudet, tarjoten viitetietoa kenttäparametrien konfigurointiin.

Taulukko 1 Yleisten HPLC-modulaatioiden teknisten ominaisuusten vertailu

2.2 Älykäs vaihtovesivaihtolaite
Älykkään vaihtovesivaihtolaitteen toimintaperiaate perustuu kolmen vaiheen sähkövirran ja jännitteen mittaamiseen, reaaliaikaiseen kuorman epätasapainon laskentaan ja kuormien vaihtamisen ohjaamiseen uudelleen tasapainottamaan kolmen vaiheen kuormat, kun epätasapaino ylittää etukäteen asetetun kynnyksen (yleensä 10%–20%). Tämä laite soveltuu pääasiassa muuntokameroiden alueiden päätteeseen, erityisesti alueilla, joilla on runsaasti yksivaiheisia kuormia.

Toteutuksen aikana:
Ensimmäiseksi on valittava sopiva asennuspaikka—esimerkiksi haarakotiloissa tai jakelu­muuntajan alavolttilaisella puolella—varmistaakseen rakentamisen ja huollon helpomman suorittamisen.
Toiseksi tulisi tehdä paikan tutkimus ymmärtääkseen kuorman jakautumisen ja määrittääkseen kohtuullisesti vaihtolaitteen kapasiteetin (katso taulukko 2). Asennus- ja komissionointivaiheessa tulisi suorittaa kuorman simulointitestit optimoidakseen ohjausstrategian ja suojalajittelun; esimerkiksi ylikuljetussuojan asetus on yleensä määritelty 1,2 kertaa nominālisähkövirtaan verrattuna.
Kolmanneksi muuntokamera-alueen toiminnan valvontajärjestelmän on parannettava mahdollistaakseen tiedonsiirron ja etäohjaamisen vaihtolaitteen kanssa.
Neljänneksi toiminnan ja huollon vaiheessa tulisi säännöllisesti suorittaa ennaltaehkäiseviä testejä vaihtolaitteelle havitakseen ja käsitelläkseen potentiaalisia vikoja, kuten mekaanista kuluminen tai huono yhteys, varmistaakseen turvallisen ja luotettavan toiminnan. Lisäksi muuntokamera-alueen kuorman vaihtelusuuntauksia tulisi tarkastella säännöllisesti säätääkseen tarvittaessa vaihtolaitteen ohjauslogiikkaa ja parametreja.

Taulukko 2 Älykkään vaihtolaitteen kapasiteettikonfiguraation viitetiedot

2.3 Alavirta-automatikkoregulaattori
Alavirta-automatikkoregulaattorin perusperiaate on mitata jatkuvasti linjan jännite ja virta, laskentaa parametreja kuten linjan impedanssi ja tehokkuuskerroin, ja automaattisesti säätää muuntimen tapasijan asentoa poikkeaman mukaan, jotta ulosjännite pysyy hyväksyttävällä tasolla. Tämä laite käytetään pääasiassa alavirtajakoissa, erityisesti linjojen päässä, missä jännite usein tulee liian korkeaksi tai alhaiseksi.

Ensiksi on valittava sopiva asennuspaikka, kuten jakomuuntajan alavirtapuolelle tai rengasjakoyksikölle, ja suoritettava paikan päällä tutkimus ymmärtääksesi tarjontasäde ja käyttäjien jakautuminen linjan varrella.
Toiseksi on määritettävä regulaattorin kapasiteetti (katso Taulukko 3) ja ohjausstrategia. Asennuksen ja komissionoinnin vaiheessa tulisi suorittaa tyhjiön ja kuormituksen testit tarkistaaksesi jännitensäädöksen tarkkuuden (yleensä ±1,5% sisällä) ja vasta-aikaa (yleensä enintään 30 sekuntia), sekä vahvistaa suojausfunktiot kuten ylijännite- ja alijännitesuoja.
Kolmanneksi, komissionoinnin jälkeen on perustettava kattava toiminnallinen hallintajärjestelmä, määrittelemällä selvästi tarkastuksen, toiminnan ja huollon vaatimukset, varmistaaksesi regulaattorin turvallisen ja vakavan toiminnan. Esimerkiksi, jos yhden vaiheen jännite jatkuu pois ±7% nimiarvostaan viiden minuutin ajan, tai jos kolmivaiheen jänniten epätasapaino ylittää 2%, syytä on tunnistettava nopeasti ja korjaavia toimenpiteitä on ryhdyttävä. Toiminnan datan analyysi osoittaa, että asianmukaisesti konfiguroidut automatikkoregulaattorit voivat parantaa linjan jännitetasonmukaisuutta 5-15 prosentilla, vähentäen merkittävästi jännitepoikkeamista aiheutuvia linjahäviöitä.

Taulukko 3 Valintareferenssi alavirtaline-automatikkoregulaattoreille

3.Teknologian soveltaminen

3.1 Tapaus tausta ja linjahäviöt
Transformerialue A sijaitsee vanhan kaupunginosan keskustassa, sen sähköntarjontasäde on 1,5 km, ja se palvelee 712 asunnonyritystä ja 86 kauppakäyttäjää. Alueen jakeluinfrastruktuuri koostuu pääasiassa yhdestä S11-M.RL-400/10 -tyypin jakelumuuntimesta, jonka suunniteltu kapasiteetti on 400 kVA; kuudesta alavirta-ulosjohtajasta, joista kaksi on JKLGYJ-120 mm² -johtimia ja neljä JKLGYJ-70 mm² -johtimia, joiden keskimääräinen reitin pituus on 510 metriä per reitti; lisäksi siellä on neljä HXGN-12-renkaanmainittimet ja 18 alavirtayhdistetty jakelukabinetit.

Viime vuosina paikallisten kaupunki uudistusten ja kauppatalojen laajentumisen vuoksi tämän transformerialueen kuormitus on osoittanut jatkuvaa kasvua. Esimerkiksi vuonna 2018 huippukuorma oli 285 kW, sähkönkulutus kasvoi 7,6 prosenttia edellisvuodesta, mutta linjahäviöaste oli korkea 9,7 prosentin, mikä merkittävästi ylitti samanaikaisen hallintatavoitteen 6,5 prosentin.

Paikan päällä tehdyn tarkastuksen tuloksena havaittiin seuraavat avainongelmat:

• Huono kontakti jakelumuuntimen ja johtojen yhdistyskohteissa aiheutti paikallista lämpenemistä ja lisähäviöitä;

• Epätasainen kolmen vaiheen kuormituksen jakautuminen, maksimaalinen epätasapaino saavutti 18,2 %;

• Tiettyjen käyttäjien laittomat johtojen asennukset ja sähkövarastus;

• Ikääntyneet mitattavat laitteet, mittaushäiriöt ylittivät ±5 %.

Nämä tekijät yhdessä vaikuttivat alueen jatkuviin korkeisiin linjahäviöihin, luo vakavan hallintahaasteen.

3.2 Teknologian valinta ja toteutus
Transformerialueen A linjahäviöongelman ratkaisemiseksi toteutettiin kattava ratkaisu, joka sisältää HPLC-viestinnän, älykkäät vaiheenvaihtosuljet ja automaattiset jänniteohjaimet, jälkeen perusteellista arviointia.

Ensiksi HPLC-koppija- ja viestintämoodulit asennettiin muuntimen alavirtapuolelle, ja vastaava laitteisto otettiin käyttöön jokaisessa haarakabinetissa ja käyttäjänmittarissa, luoden nopean sähkölinjan kantaja- (HPLC) viestintäverkon, joka kattaa koko transformerialueen. Tämä verkko mahdollisti toimintatilan reaaliaikaisen valvonnan, mukaan lukien jännite, virta, tehokkuus busseissa ja haarissa, sekä tärkeät indikaattorit, kuten laitteen lämpötila ja harmoninen vääristyminen. Ylläpitohenkilöstö voisi siten havaita poikkeamat välittömästi. Lisäksi korkean tarkkuuden energiamittausdata tarjosi vahvan tuen linjahäviöanalyysille ja -hallinnalle.

Toiseksi asennettiin kuusi älykkäästi vaiheenvaihtosulketta (suurin sallittu toimintavirta 250 A) tärkeimpiin haarakabinetteihin ja avainkuormituksille. Nämä suljet jatkuvasti mitasivat kolmen vaiheen virran epätasapainon ja automaattisesti uudelleenjaksoivat kuormitukset, kun epätasapaino ylitti 15 %, tehokkaasti tasapainottaen kolmea vaihetta. Kenttätestit vahvistivat, että vaihtosuljet suoritettiin alle 30 ms:n aikana, sileillä siirroilla, jotka eivät häirinneet käyttäjiä. Kolme kuukautta komissionoinnin jälkeen alueen kolmen vaiheen epätasapaino väheni 18,2 %:sta 6,5 %:iin, ja linjahäviöaste pudotti 1,7 %.

Kolmanneksi, jotta vastattaisiin jännitetason rikkomuksiin linjojen päässä, asennettiin 200 kVA älykkäs jänniteohjain 710 metrin päässä muuntimesta. Ohjain hyväksyy syöttöjänniten 210–430 V ja ylläpitää ulosjohtoa 220 V ±2 %. Se automaattisesti säädettää kulmakertoimensa reaalisaikaisen jännitemitan perusteella linjan päässä, pitäen loppujännitteen jatkuvasti hyväksyttävissä rajoissa. Komissionoinnin jälkeen ohjain on reagoinut nopeasti erilaisiin kuorman huipuihin ja laaksoihin, nostamalla jännitteen noudattamisasteen yhdeksästä avainvalvontapisteestä 87 %:sta yli 98,5 %:iin.

Näiden toimenpiteiden avulla “valvonta–kontrolli–optimointi” -suljettu silmukka -lähestymistapa on huomattavasti parantanut Transformerialueen A linjahäviösuoritusta, saavuttaen arviolta vuosittain noin 120 000 kWh:n energiansäästön, huomattavia taloudellisia etuja. Tärkeiden indikaattoreiden vertailu ennen ja jälkeen kattavaa hallintaa näkyy taulukossa 4.

Taulukko 4 Avainindikaattorien vertailu alueen A ennen ja jälkeen kattava hallinto

Todellisessa toteutuksessa on myös huomioitava seuraavat seikat:
Ensinnäkin, HPLC-viestinnän luotettavuuden, siirtotuen, kanavakoodauksen ja muiden parametrien on oltava järkevästi määritetty kohdealueen erityiskohtien mukaan; tarvittaessa voidaan käyttää välitysmenetelmiä viestintätavan pidentämiseksi.
Toiseksi, vaiheenvaihtosulkujen ajoitus ja lukitusloogikan on määriteltävä huolellisesti välttääksemme liian suuret tai virheelliset vaihdotoimet—esimerkiksi sulku voidaan määrittää toimimaan vain silloin, kun tasapaino ylittää 15 % ja jatkuu 3 minuuttia.
Kolmanneksi, automaattisen jänniteensäädintä valittaessa ja sen kapasiteettia määriteltäessä on varmistettava, että sille on annettu jonkin verran marginaalia välttääksemme useita säätötoimia, jotka voivat aiheuttaa mekaanista kuletta; tarkista taulukko 5 automaattisen jänniteensäädintä koskeviin ohjeisiin.

Taulukko 5 Automatisoidun jänniteensäädintä koskeva mallivalintareferenssi

Lisäksi korkealaatuinen operaatiot ja ylläpito ovat myös olennaisia järjestelmän pitkäaikaisen vakavan toiminnan takaamiseksi. Vain tiiviissä yhteistyössä todellisten tarpeiden kanssa, teknisten ratkaisujen valitsemalla ja optimoimalla paikallisten olosuhteiden mukaan, ja tukevalla hallintomekanismilla voidaan saavuttaa jatkuva parannus linjahäviön hallinnassa.

4. Johtopäätökset
Linjahäviön hallinta alijännitteisten muuntajan alueissa on erittäin tärkeää sähköntarjonnan laadun ja taloudellisen tehokkuuden parantamiseksi, ja älyverkon teknologioiden käyttö tukee voimakkaasti tässä suhteessa. Käytännössä tekniikoista kuten HPLC (High-Speed Power Line Communication), älykkäät vaiheenvaihtovalvoimet ja alijännitepiirien automaattiset jännitesäätimet ovat tulleet keskeisiksi tutkimuksen ja toteutuksen kohteiksi. Nämä tekniikat mahdollistavat muuntaja-alueiden toimintojen reaaliaikaisen seurannan, kolmen vaiheen kuormituksen dynaamisen tasapainottamisen sekä loppupisteen jänniten tarkka säätely.

Käytännön esimerkkinä voidaan mainita Transformer Zone A tietyssä kaupungissa, jossa yleishygieeniset korjaukset alentivat linjahäviön prosenttiosuuden 9,7 %:sta 6,1 %:iin, ja jänniten vastaavuuden prosenttiosuus parani 11,5 %, saavutettuaan huomattavia taloudellisia ja sosiaalisia hyötyjä.

Kuitenkin nykyisessä teknologian soveltamisessa on edelleen kehitettävää – esimerkiksi kommunikaation häiriökierron vastustuskyvyn parantaminen ja laitteiden itsesäätymisen strategioiden tarkentaminen. Tulevaisuudessa painopiste siirtyisi älykkäiden laitteiden integroituihin suunnitteluun ja yhteistyöhön sekä syvempään tutkimukseen linjahäviön ennustemalleihin perustuen suuriin tiedonsaantiohjelmiin ja tekoälyn käyttöön. Lisäksi on välttämätöntä vahvistaa operaatiot ja ylläpidon henkilöstön teknistä koulutusta varmistaaksemme järjestelmän pitkäaikaisen vakavan toiminnan. Nämä toimenpiteet tarjoavat tehokkaampia ja kestävämpiä ratkaisuja linjahäviön hallintaan alijännitteisillä muuntaja-alueilla.