Primjena tehnologija pametne mreže u upravljanju gubitcima na niskonaponskim transformatorskim zonama

Kao ključni sastavni dio distribucijske mreže, niskonaponske distribucijske zone (u daljnjem tekstu "niskonaponske transformatorne zone") izravno utječu na ekonomska dobrobiti poduzeća za snabdevanje strujom i kvalitetu potrošnje električne energije krajnjih korisnika kroz probleme sa gubitcima u linijama. Međutim, tradicionalni pristupi upravljanju imaju očite nedostatke u pogledu točnosti i učinkovitosti. U tom kontekstu, primjena tehnologija pametnih mreža pruža nove rješenja za upravljanje gubitcima u linijama. Uvođenjem naprednih tehničkih sredstava ne samo se može učinkovito poboljšati razina preciznosti upravljanja gubitcima u linijama, već se također mogu podržati ciljevi štednje energije i smanjenja emisija, što je od velike važnosti za promicanje visokokvalitetnog razvoja u elektroenergetskom sektoru.

1.Problemi sa gubitcima u niskonaponskim transformatorskim zonama
Gubitci u niskonaponskim transformatorskim zonama uglavnom se dijele na tehničke gubitke i gubitke u upravljanju. Tehnički gubitci proizlaze iz prirodnih gubitaka opreme i ograničenja u operaciji - na primjer, gubitci željeza i bakra u transformatorima i gubitci energije uzrokovani otporom linija. Uzimajući za primjer tipičnu niskonaponsku distribucijsku liniju, kada je poprečni presjek vodilja 50 mm², a opterećenje struje doseže 200 A, gubitak snage po kilometru linije iznosi približno 4 kW.

Ako se poprečni presjek vodilja poveća na 70 mm² pod istim uvjetima, gubitak može se smanjiti oko 30%. Gubitci u upravljanju, s druge strane, često su rezultat grešaka u mjerenju, krađe struje ili nepravilnog održavanja. Na primjer, točnost mjerenja tradicionalnih mehaničkih brojila struje pod uslovima slabog opterećenja iznosi samo oko 85%, daleko niže od pametnih brojila, čija točnost prelazi 99%. Također, nesimetrija tri faze može značajno povećati gubitke u linijama; ako nesimetrija struje u tri faze u transformatorskoj zoni premaši 15%, stopa gubitka u linijama će porasti za 2% do 5%. Postojanje ovih problema pokazuje da ručni pregled više ne može zadovoljiti potrebe preciznog upravljanja, a nužno je unaprijediti učinkovitost upravljanja inteligentnim metodama.

2.Tehnologije pametnih mreža primijenjene u upravljanju gubitcima u niskonaponskim transformatorskim zonama

2.1 HPLC (High-Speed Power Line Communication) tehnologija
Osnovni princip HPLC tehnologije jest korištenje postojećih niskonaponskih distribucijskih linija kao medija za komunikaciju, kopliranjem visokofrekventnih moduliranih signala na linije struje putem koplirnih krugova kako bi se postigla brza prijenosna brzina podataka. Ova tehnologija se uglavnom primjenjuje u scenarijima poput stvarnog vremena nadzora radnog stanja linija u transformatorskim zonama, skupljanja podataka o električnoj energiji i interakcije s informacijama o potrošnji struje korisnika.

Tijekom implementacije, prvi korak je provedba terenskog pregleda okruženja linija u transformatorskoj zoni kako bi se procijenile karakteristike kanala i razini interferencije, čime se odredi optimalna nosna frekvencija (obično unutar raspona od 1,7–30 MHz) i metoda kopliranja. Zatim se posebni kopliri i HPLC komunikacijski moduli instaliraju na niskonaponskoj strani distribucijskog transformatora, grančanika i brojila struje korisnika kako bi se osmislila komunikacijska mreža unutar transformatorske zone. Ujedno se deployira sustav glavnog stanice koji bez prekidno integrira gornje slojeve aplikacija putem konverzije protokola.

Tijekom faze održavanja, redovito treba provoditi inspekcije i kalibracije opreme, pratiti kvalitetu komunikacijskog signala i odraditi sve anomalije. Na primjer, ako je atenuacija signala nosača premašila 30 dB ili je stopa grešaka bita premašila 1×10⁻⁴, trebaju se ispitati greške u liniji ili izvore elektromagnetske interferencije. Ako je potrebno, treba prilagoditi snagu prijenosa (obično u rasponu od –10 dBm do 30 dBm) ili zamijeniti koplire kako bi se osigurala stabilnost rada sustava. 

Za poboljšanje stabilnosti komunikacije, HPLC sustavi obično koriste adaptivne sheme modulacije, dinamički birajući načine modulacije temeljeno na kvaliteti kanala. Različite sheme modulacije variraju u brzini prijenosa podataka, otpornosti na buku i opsegu pokrivenja, zahtijevaju optimiziranu konfiguraciju prema fluktuacijama opterećenja i buke u transformatorskoj zoni. Na primjer, visoko-redne modulacije mogu se omogućiti noću kada je opterećenje manje i nivo buke niži kako bi se poboljšala propusnost podataka, dok se prelazak na robustan način tijekom vrha dnevne potrošnje osigurava pouzdanost komunikacije. Tablica 1 navede tri najčešće korištene sheme modulacije u HPLC sustavima zajedno s njihovim tehničkim karakteristikama, pružajući referencu za konfiguraciju parametara na terenu.

Tablica 1 Usponjave tehničkih karakteristika uobičajenih metoda modulacije za HPLC

2.2 Prijelazni uređaj inteligentnog faza
Princip rada prijelaznog uređaja inteligentnog faza temelji se na mjerenju trofaznih struja i naponâ, izračunu neizravnjenosti opterećenja u stvarnom vremenu te, kada ta neizravnjenost premaši predodređeni prag (obično 10%–20%), upravljanju prijelazima opterećenja kako bi se ponovno uravnotežila trofazna opterećenja. Ovaj uređaj se primarno primjenjuje na kraju zona transformatora, posebno u područjima s velikim jednofaznim opterećenjima.

Tijekom implementacije:
Prvo, potrebno je odabrati odgovarajuće mjesto za instalaciju – na primjer, u razgranatim kutijama ili na niskonaponskoj strani distribucijskih transformatora – kako bi se osigurala lakoća montaže i održavanja.
Drugo, treba provesti terensko istraživanje kako bi se shvatilo raspodjela opterećenja i razumno konfigurirana kapacitet prijelaznog uređaja (vidi Tablicu 2). Tijekom faze instalacije i komisije, trebaju se provesti simulacijski testovi opterećenja kako bi se optimizirala strategija upravljanja i postavke zaštite; na primjer, postavka zaštite od prekomjerne struje obično se konfigurira na 1.2 puta nominalnu struju.
Treće, sustav nadzora rada zone transformatora mora se unaprijediti kako bi se omogućila razmjena informacija i daljinsko upravljanje s prijelaznim uređajem.
Četvrto, tijekom faze rada i održavanja, redovito trebaju se provoditi preventivni testovi na prijelaznom uređaju kako bi se vremepodno otkrivale i ispravljale potencijalne greške poput mehaničkog sitanja ili lošeg kontakta, što osigurava siguran i pouzdan rad. Također, redovito treba analizirati trendove varijacija opterećenja u zoni transformatora kako bi se po potrebi prilagodila logika upravljanja i postavke parametara prijelaznog uređaja.

Tablica 2 Referentna konfiguracija kapaciteta za pametni prijelazni uređaj

2.3 Automatski regulator napona niskog napona
Osnovni princip automatskog regulatora napona niskog napona je mjeriti napon i struju u stvarnom vremenu, izračunati parametre poput impedancije linije i faktora snage, te automatski prilagoditi položaj promjena stupnjeva transformatora na temelju odstupanja kako bi se održao izlazni napon unutar prihvatljivog raspona. Ovaj uređaj primarno se koristi u niskonaponskim distribucijskim mrežama, posebno u područjima na kraju linija gdje se napon često previše povećava ili smanjuje.

Prvo, mora se odabrati odgovarajuće mjesto za instalaciju - na primjer, na niskonaponskoj strani distribucijskog transformatora ili krmnog jedinice - i provesti terensko istraživanje kako bi se shvatila opsežnost snabdijevanja i raspodjela korisnika duž linije.
Drugo, treba odrediti kapacitet regulatora (vidi Tablicu 3) i strategiju upravljanja. Tijekom faze instalacije i komisije, trebaju se provesti testovi bez opterećenja i s opterećenjem kako bi se verificirala točnost regulacije napona (obično zahtijeva se da bude unutar ±1,5%) i vrijeme reakcije (obično ne prelazi 30 sekundi), kao i provjerene funkcije zaštite poput previsokog i preniskog napona.
Treće, nakon komisije, treba uspostaviti sveobuhvatan sustav upravljanja operacijama, jasno definirajući zahtjeve za pregled, rad i održavanje kako bi se osigurala sigurna i stabilna operacija regulatora. Na primjer, ako se jednofazni napon neprekidno odstupa izvan ±7% od nominalne vrijednosti tijekom 5 minuta, ili ako prekomjerna neravnoteža trofaznog napona premaši 2%, uzrok mora se ubrzano identificirati i poduzeti ispravne mjere. Analiza operativnih podataka pokazuje da pravilno konfigurirani automatski regulatori napona mogu poboljšati stopu usklađenosti napona linije za 5% do 15%, značajno smanjujući gubitke na liniji uzrokovane kršenjem napona.

Tablica 3 Preporuka za odabir automatskih regulatora napona niskog napona

3. Primjena tehnologije

3.1 Pregled slučaja i problemi s gubitcima na liniji
Transformatorska zona A nalazi se u centru starog gradskeg područja, s radijusom snabdevanja strujom od 1,5 km, osiguravajući struju 712 stambenim i 86 poslovnim korisnicima. Distribucijska infrastruktura u toj zoni uglavnom uključuje jedan distribucijski transformator tipa S11-M.RL-400/10 s nominiranim kapacitetom od 400 kVA; šest niskonaponskih izlaznih vodova - dvije sa vodovima JKLGYJ-120 mm² i četiri sa vodovima JKLGYJ-70 mm² - s prosječnom duljinom cijevi od 510 metara po svakoj cijevi; dodatno, postoje četiri HXGN-12 prstene glavne jedinice i 18 niskonaponskih integriranih distribucijskih ormara.

U posljednjih godina, zbog lokalne urbanističke renovacije i proširenja trgovinskih objekata, opterećenje u ovoj transformatorskoj zoni pokazalo je kontinuirani rast. Na primjer, 2018. godine, vrhunsko opterećenje dosegnulo je 285 kW, s potrošnjom struje koja se povećala za 7,6% u godišnjem odnosu, ali stopa gubitaka na liniji bila je visoka kao 9,7%, značajno premašujući upravljački cilj od 6,5% za isti razdoblje.

Na mjestu inspekcija otkriveni su sljedeći ključni problemi:

• Loš kontakt na priključnim točkama distribucijskog transformatora i vodova uzrokovao je lokalno zagrijavanje i dodatne gubitke;

• Neravnomjerno raspodjela trofaznog opterećenja, s maksimalnom neravnotežom od 18,2%;

• Neautorizirano spajanje i krađa struje od strane određenih korisnika;

• Starenje mjernih uređaja s greškom mjerenja većom od ±5%.

Ovi faktori zajedno doprinijeli su stalno visokim gubitcima na liniji u zoni, stvarajući ozbiljan izazov u upravljanju.

3.2 Odabir tehnologije i implementacija
Za rješavanje problema s gubitcima na liniji u Transformatorskoj zoni A, nakon temeljitog procjena, implementiran je kompletan sustav koji integriše komunikaciju HPLC, pametne prekidače za promjenu faza i automatske regulatore napona.

Prvo, HPLC spojnici i komunikacijski moduli instalirani su na niskonaponskoj strani transformatora, a odgovarajuće opreme su deployirane na svakom grančanom ormaru i korisničkom brojilu, stvarajući visokobrzinsku mrežu nosača struje koja pokriva cijelu transformatorsku zonu. Ova mreža omogućila je stvarno vrijeme praćenje radnog stanja, uključujući napon, struju, snagu na matičnim vodovima i grana, kao i ključne indikatore poput temperature opreme i harmonijskih odstupanja. Osoblje za održavanje moglo je time pravočasno otkriti anomalije. Nadalje, visoko precizni podaci o energiji omogućili su solidnu podršku analizi i upravljanju gubitcima na liniji.

Drugo, šest jedinica pametnih prekidača za promjenu faza (s maksimalnim radnim strujama od 250 A) instalirano je na ključnim grančanim ormarima i ključnim lokacijama opterećenja. Ovi prekidači neprekidno mjerili su neravnomjernost trofazne struje i automatski redistribuirali opterećenje kada je neravnomjerna premašila 15%, efektivno ravnotežeći tri faze. Poligon testovi su potvrdili da su akcije prebacivanja završene unutar 30 ms, s gladkim prijelazima bez prekida za korisnike. Tri mjeseca nakon ulaska u pogon, neravnomjerna trofazna opterećenja u zoni smanjila su se s 18,2% na 6,5%, a stopa gubitaka na liniji smanjila se za 1,7%.

Treće, kako bi se riješile povrede napona na kraju voda, instaliran je 200 kVA pametni regulator napona na udaljenosti od 710 metara od transformatora. Regulator prihvaća raspon ulaznih napona od 210–430 V i održava izlaz od 220 V ±2%. Automatski prilagođava svoj omjer zavojnice na temelju stvarnog mjerenja napona na kraju voda, održavajući terminalni napon konzistentno unutar prihvatljivog raspona. Od ulaska u pogon, regulator brzo reagirao je kroz razne vrhune i doline opterećenja, podižeći stupanj usklađenosti napona na devet ključnih točaka praćenja s 87% na preko 98,5%.

Kroz zatvorenu petlju pristupa "praćenje–kontrola–optimizacija", ove mjere značajno poboljšale su performanse gubitaka na liniji u Transformatorskoj zoni A, ostvareći procijenjenu godišnju uštedu energije od približno 120.000 kWh, s značajnim ekonomskim koristima. Usporedba ključnih pokazatelja prikazana je u Tablici 4.

Tablica 4 Usporedba ključnih indeksa zone A prije i poslije kompletnog upravljanja

U stvarnoj implementaciji trebaju se također uzeti u obzir sljedeće točke:
Prvo, u pogledu pouzdanosti HPLC komunikacije, snage prijenosa, kodiranja kanala i drugih parametara trebali bi biti razumno konfigurirani prema specifičnim uvjetima transformatorne zone; ako je potrebno, mogu se koristiti metode releja kako bi se proširio udaljenost komunikacije.
Drugo, vremenski raspored i logika interlokiranja radnji faza-prekidača trebaju biti pažljivo postavljeni kako bi se spriječili prekomjeran ili pogrešan broj promjena stanja – na primjer, prekidač može biti konfiguriran da djeluje samo kada neizravnoteženost premaši 15% i traje 3 minute.
T treće, pravilna odabir i konfiguracija kapaciteta naponskog regulatora trebala bi uključivati određeni margine kako bi se spriječile česte prilagodbe koje mogu dovesti do mehaničkog istraživanja; za smjernice o odabiru i konfiguraciji automatskog naponskog regulatora vidjeti Tablicu 5.

Tablica 5 Referentni odabir modela za automatske naponske regulator

Također, visokokvalitetni tim za održavanje i rad je ključan za osiguranje dugoročnog stabilnog rada sustava. Samo usko pridruživanjem stvarnim potrebama, odabirom i optimizacijom tehničkih rješenja prema lokalnim uvjetima, te podupiranjem toga zasnovanim mehanizmom upravljanja, može se stvarno postići kontinuirano poboljšanje upravljanja gubitcima na liniji.

4.Zaključak
Upravljanje gubitcima na liniji u niskonaponskim transformatornim zonama ima veliku važnost za poboljšanje kvalitete snabdijevanja strujom i ekonomskih učinaka, a primjena tehnologija pametne mreže pruža snažnu podršku u tom smjeru. U praktičnom radu, tehnologije poput HPLC (High-Speed Power Line Communication), inteligentnih uređaja za promjenu faza i automatiziranih regulatora naponaline niske napona postale su ključni fokusi istraživanja i implementacije. S ovim tehnologijama može se ostvariti stvarno vrijeme praćenja stanja rada transformatorne zone, dinamičko balansiranje trofaznih opterećenja i precizna regulacija terminalnog napona.

Na primjer, uzimajući Transformatornu zonu A u nekom gradskom okrugu, nakon kompleksne rekonstrukcije, stopa gubitaka na liniji smanjila se sa 9,7% na 6,1%, a stopa ispunjenosti normi napona se povećala za 11,5%, ostvarene su značajne ekonomske i društvene koristi.

Međutim, postoje još područja koje trebaju unaprijeđenje u trenutnoj primjeni tehnologija - na primjer, daljnje jačanje sposobnosti zaštite od smetnji u komunikaciji i unaprijeđenje strategija samoadaptivnog upravljanja opreme. Gledajući u budućnost, fokus bi trebao biti na integriranom dizajnu i koordiniranom upravljanju inteligentnih uređaja, te dubljem istraživanju modela predviđanja gubitaka na liniji temeljenih na velikim podacima i umjetnoj inteligenciji. Također, nužno je jačanje tehničkog obrazovanja osoblja za održavanje i rad kako bi se osiguralo dugoročno stabilno funkcioniranje sustava. Ove mjere će pružiti učinkovitije i održive rješenje za upravljanje gubitcima na liniji u niskonaponskim transformatornim zonama.