Intelligens hálózati technológiák alkalmazása a kisfeszültségi transzformátorzónák vezetékveszteség-kezelésében

Mint a hálózat-tervezés alapvető összetevője, a nyalásfeszültségű átalakító területek (a továbbiakban "nyalásfeszültségű átalakító zónák" néven említve) közvetlenül befolyásolják az ellátóvállalatok gazdaságosságát és a végfelhasználók energiafogyasztásának minőségét a vonalsavi problémák révén. Azonban a hagyományos kezelési módszereknek nyilvánvaló hiányosságai vannak a pontosság és hatékonyság szempontjából. Ebben a kontextusban a intelligens hálózati technológiák alkalmazása új megoldásokat kínál a vonalsavi kezeléshez. A fejlett technikai eszközök bevezetésével nem csak jelentősen javítható a vonalsavi kezelés raffinált szintje, de támogathatja az energiatakarékosság és a szennyezés csökkentése céljait is, ami nagyon jelentős a villamosenergiaipar minőségi fejlődésének előmozdításához.

1. Vonalsavi problémák a nyalásfeszültségű átalakító zónákban
A nyalásfeszültségű átalakító zónákban fellépő vonalsavi problémák elsősorban technikai saviakkal és kezelési saviakkal osztályozhatók. A technikai savvak természetes berendezési savvakból és működési korlátozásokból erednek – például, a transzformátorok vas- és réz-savai, valamint a vezetékellenállás miatti energiasav. Vizsgáljuk meg egy tipikus nyalásfeszültségű elosztó vonalt, amelyben a vezeték keretszelete 50 mm², és a terhelési áram 200 A, ekkor a vonal savja kilométerenként körülbelül 4 kW.

Ugyanilyen feltételek mellett, ha a vezeték keretszeletét 70 mm²-ra növeljük, a sav körülbelül 30%-kal csökkenthető. A kezelési savvak gyakran mérési hibák, elektrumlopás vagy helytelen üzemeltetés és karbantartás következményei. Például a hagyományos mechanikus mérések pontossága könnyterhelés esetén csak körülbelül 85%, ami sokkal alacsonyabb, mint a intelligens mérések 99%-nál magasabb értéke. Továbbá, a háromfázisú egyenlőtlenség jelentősen megnövelheti a vonalsavokat; ha a háromfázisú áramerőtlen egyenlőtlenség egy átalakító zónában 15% felett van, a vonalsavi arány 2%-5%-al növekszik. Ezek a problémák azt mutatják, hogy a manuális ellenőrzés már nem tudja biztosítani a raffinált kezelés igényeit, és intelligens módszerekkel lehet gyorsítani a felügyelet hatékonyságát.

2. Intelligens hálózati technológiák alkalmazása a nyalásfeszültségű átalakító zónák vonalsavi kezelésében

2.1 HPLC (Gyors Sebességű Villamosenergiai Vezeték-Kommunikáció) Technológia
A HPLC technológia alapelve a meglévő nyalásfeszültségű elosztóvonallal, mint kommunikációs médiával, ahol a magasfrekvenciás modulált jeleket a villamosenergiai vonalakra kapcsoló áramkörök segítségével csatlakoztatják, hogy elérjék a gyors sebességű adatátvitelt. Ez a technológia főleg olyan forgatókönyvekben használatos, mint a vonal működési állapotának valós idejű figyelése a zónában, az elektromos energiával kapcsolatos adatgyűjtés, és a felhasználói információk interakciója.

A végrehajtás során az első lépés a zóna vonalkörnyezetének helyszíni felmérése, a csatorna jellemzőinek és zavarainak kiértékelése, így meghatározva a legoptimálisabb viszonylagos frekvenciát (általában 1.7–30 MHz között) és a kapcsolódási módot. Ezután dedikált kapcsolók és HPLC kommunikációs modulok települnek a nyalásfeszültségű oldalon, a választó dobozokban, és a felhasználói mérésekben, hogy beállítsák a zóna keresztüli kommunikációs hálózatot. Ugyanakkor egy főállomány rendszer is települ, amely protokoll konverzióval szélességgel integrálódik a felsőbb rétegbeli alkalmazási rendszerekbe.

Az üzemeltetési és karbantartási fázisban rendszeresen kell ellenőrizni és kalibrálni a berendezéseket, figyelni a kommunikációs jelminőséget, és bármilyen anomáliát rövid időn belül orvosolni. Például, ha a viszonylagos jel lecsengése 30 dB felett vagy a bit hibaaránya 1×10⁻⁴ felett emelkedik, akkor vonalhibákat vagy elektromágneses zavarforrásokat kell vizsgálni. Ha szükséges, a küldési teljesítményt (általában -10 dBm és 30 dBm között) be kell állítani, vagy a kapcsolókat cserélni, hogy biztosítsa a rendszer stabil működését. 

A kommunikáció stabilitásának javítása érdekében a HPLC rendszerek általában adaptív modulációs sémaival működnek, dinamikusan kiválasztva a modulációs módokat a csatorna minőségének alapján. A különböző modulációs sémák eltérő adatsebességgel, zajelleniással, és lefedettséggel rendelkeznek, amelyek optimalizált beállítást igényelnek a terhelési fluktuációk és zajkörülmények alapján a zónában. Például, a könnyebb terhelés és a kevesebb zajos éjszakai időszakban engedélyezhető magasabb rendszer, hogy javítsa az adatátviteli képességet, míg a napi csúcshodinak a megbízható módra való váltása garantálja a kommunikáció megbízhatóságát. A táblázat 1. közös HPLC rendszerekben használt modulációs módszereket és technikai jellemzőket listázza, referenciaként a mezői paraméter beállításához.

Táblázat 1 Technikai Jellemzők Összehasonlítása Gyakori Modulációs Módszerekhez HPLC-hez

2.2 Intelligens fázisváltó eszköz
Az intelligens fázisváltó eszköz működésének alapja, hogy méri a háromfázisú áramokat és feszültségeket, valós időben kiszámítja a terhelés egyensúlytalanságát, és amikor az egyensúlytalanság meghaladja a beállított küszöbértéket (általában 10%–20%), akkor irányítja a terhelések váltását, hogy újraegyensúlyozza a háromfázisú terheléseket. Ez az eszköz elsősorban transzformátorzónák végén alkalmazható, különösen olyan területeken, ahol nagy a szimplex terhelés.

A megvalósítás során:
Először, megfelelő telepítési helyet kell kiválasztani – például ágak dobozaihoz vagy a tervezett elosztótranszformátorok alacsony feszültségű oldalához –, hogy megkönnyítse az építkezést és karbantartást.
Másodszor, helyszíni felmérést kell végezni, hogy megértsük a terheléseloszlást, és ésszerűen konfiguráljuk a kapcsolókapacitást (lásd: Táblázat 2). A telepítés és a beüzemelés során terhelés-szimulációs tesztekkel finomítható a vezérlési stratégia és a védelmi beállítások; például az áramtúlterhelési védelem általában 1,2-szeres a nominális áramot adja meg.
Harmadszor, a transzformátorzóna működési monitorozási rendszerét erősíteni kell, hogy lehetővé tegye az információcserét és a távoli irányítást a kapcsolóeszközzel.
Negyedszer, a működés és karbantartás folyamata során rendszeresen prevenciós vizsgálatokat kell végezni a kapcsolón, hogy időben fel lehessen fedezni és kezelni a potenciális hibákat, mint például a mechanikai súrlódás vagy a rossz kapcsolás, így biztosítva a biztonságos és megbízható működést. Ezen felül, a transzformátorzóna terhelés-változási trendjeinek rendszeres elemzése mellett szükség szerint módosítható a kapcsoló vezérlési logikája és paraméterbeállításai.

Táblázat 2 Intelligens kapcsoló berendezések kapacitási konfigurációjának referenciája

2.3 Alacsony feszültségű vonal automatikus feszültségállító
Az alacsony feszültségű vonal automatikus feszültségállítójának alapvető elve, hogy valós időben méri a vonalfeszültséget és -áramot, kiszámítja a vonal-ellenállást, az erősítési tényezőt és más paramétereket, majd automatikusan beállítja a transzformátor csapcserepozíciót a szabványos értéktől való eltérés alapján, hogy a kimeneti feszültség elfogadható tartományban maradjon. Ez az eszköz elsősorban alacsony feszültségű elosztóhálózatokban, különösen a vonal végén, ahol a feszültség gyakran túl magas vagy alacsony lesz, talál alkalmazását.

Először is, megfelelő telepítési helyet kell kiválasztani, például egy elosztótranszformátor alacsony feszültségű oldalára vagy egy gyűrűközponti egységre, és helyszíni felmérést kell végezni a szolgáltatási sugár és a felhasználói eloszlás ismerete érdekében.
Másodszor, meghatározni kell a szabályozó kapacitását (lásd: Táblázat 3) és a vezérlési stratégiát. A telepítés és beüzemelés során üresfutású és terheléses tesztek kerülnek végrehajtásra, hogy ellenőrizzék a feszültségbeállítás pontosságát (általában ±1,5%-on belül kell lennie) és a válaszidőt (általában nem haladhatja meg a 30 másodperct), valamint érvényesítsék a túlfeszültség és alulfeszültség elleni védelmi funkciókat.
Harmadszor, a beüzemelést követően egy átfogó üzemeltetési rendszernek kell létrejönnie, amely világosan meghatározza a felügyelet, üzem, karbantartás követelményeit, hogy biztosítja a szabályozó biztonságos és stabil működését. Például, ha egy egyfázis feszültség folyamatosan 5 percig túlszabványos értéken (+/-7%) marad, vagy ha a háromfázisú feszültség egyensúlya 2% felett van, akkor a probléma okát gyorsan ki kell deríteni és korrekciós intézkedéseket kell tennie. Az üzemeltetési adatok elemzése azt mutatja, hogy megfelelően beállított automatikus feszültségállítók 5%-15%-kal javíthatják a vonal-feszültség konformitását, jelentősen csökkentve a feszültség-szabálytalanságok által okozott vonalveszteségeket.

Táblázat 3 Alacsony feszültségű vonal automatikus feszültségállítók kiválasztási referenciája

3. Technológiai alkalmazás

3.1 Eset háttér és vezetékes veszteségek
Az A átalakító terület egy régi városi kerület központjában található, 1,5 km távolságú szolgáltatási sugárral, 712 lakossági és 86 kereskedelmi ügyféllel. A terület elosztási infrastruktúrája főleg egy S11-M.RL-400/10 típusú elosztási transzformátort (400 kVA-os jelölési kapacitással), hat alacsony feszültségű kiinduló vezetéket (kettő JKLGYJ-120 mm², négy JKLGYJ-70 mm² vezetékkel) átlagosan 510 méteres hosszúsággal, továbbá négy HXGN-12 gyűrűhálózati egységet és 18 alacsony feszültségű integrált elosztási szekrényt tartalmaz.

Az elmúlt években a helyi városfejlesztés és a kereskedelmi beépülések kiterjesztése miatt a területen a terhelés folyamatos növekedést mutatott. Például 2018-ban a csúcsterhelés 285 kW-ra emelkedett, a villamosenergia-fogyasztás pedig 7,6%-kal nőtt éves bázisban, míg a vezetékes veszteségi arány 9,7%-ra emelkedett, ami jelentősen meghaladta a 6,5% kezelési célkitűzést ugyanebben az időszakban.

A helyszíni ellenőrzések a következő fő problémákat tárulták fel:

• A transzformátor és a vezetékek csatlakozási pontjainak rossz kapcsolata helyi hőtartályokat és további veszteségeket okozott;

• A háromfázisú terhelés egyenlőtlen eloszlása, ahol a legnagyobb egyensúlytalanság 18,2%-ra emelkedett;

• Néhány felhasználó illegális vezetékbevezetése és villanylopása;

• Öregedő mérőeszközök, amelyek mérési hibája ±5%-ot haladt meg.

Ezek a tényezők közösen hozzájárultak a területen fennmaradó magas vezetékes veszteségekhez, ami súlyos kezelési kihívást jelentett.

3.2 Technológia kiválasztása és végrehajtása
Az A átalakító területen lévő vezetékes veszteségi problémák megoldására, részletes értékelés után egy olyan teljes körű megoldást valósítottak meg, amely HPLC kommunikációt, intelligens fázisváltó kapcsolókat és automatikus feszültségrendezőket integrál.

Először is, HPLC kupler- és kommunikációs modulokat telepítettek a transzformátor alacsony feszültségű oldalán, és a megfelelő berendezéseket minden agyagtároló és felhasználói mérőn belül, ezzel egy teljes körű, nagy sebességű hatalmazott hálózati kommunikációs hálót hoztak létre az egész átalakító területen. Ez a hálózat lehetővé tette a működési állapot valós idejű figyelését, beleértve a busz- és agyagokon lévő feszültséget, áramot, teljesítményt, valamint a berendezések hőmérsékletét és harmonikus torzítását. Az üzemeltetési és karbantartási személyzet így gyorsan fel tudta fedezni a rendellenességeket. Továbbá a nagy pontosságú energia-mérési adatok erős támogatást nyújtottak a vezetékes veszteségek elemzésére és kezelésére.

Másodszor, hat intelligens fázisváltó kapcsolóegységet (maximális működési áram 250 A) telepítettek a fő agyagtárolóknál és a kulcsfontosságú terhelési helyeken. Ezek a kapcsolók folyamatosan mértek a háromfázisú áram-egyenlőtlenséget, és automatikusan újratermeltek a terheléseket, ha az egyenlőtlenség 15%-ot haladt meg, így hatékonyan kiegyenlítve a három fázist. A mezői tesztek igazolták, hogy a kapcsolómozgások 30 ms alatt végeztek, sima átmenetekkel, anélkül, hogy zavarokat okoztak volna a felhasználóknak. A beüzemelés után három hónap múlva a terület háromfázisú egyenlőtlensége 18,2%-ról 6,5%-ra csökkent, a vezetékes veszteségi arány pedig 1,7%-kal esett.

Harmadszor, a vezetékek végén lévő feszültség-szabálytalanságok kezelésére 200 kVA intelligens feszültségrendezőt telepítettek 710 méterre a transzformátortól. A szabályozó 210–430 V-es bemeneti feszültség tartományt fogad el, és 220 V ±2%-os kimeneti feszültséget tart fenn. Valós idejű feszültségmérések alapján automatikusan beállítja a tekerőarányát, hogy a végponti feszültség konzisztensen a megengedett tartományon belül maradjon. A beüzemelés óta a szabályozó gyorsan reagált a különböző terhelési csúcsokon és völgyekben, a kilenc kulcsfontosságú figyelési ponton a feszültség megfelelőségi arányát 87%-ról több mint 98,5%-ra emelte.

A „figyelés–irányítás–optimalizálás” zárt hurok kezelési megközelítésének révén ezek a intézkedések jelentősen javították az A átalakító terület vezetékes veszteségi teljesítményét, becslés szerint kb. 120 000 kWh éves energiamegspárokodást érve, jelentős gazdasági előnyökkel. A kulcsfontosságú mutatók összehasonlítása a 4. táblázatban látható.

Táblázat 4. A terület kulcsfontosságú mutatóinak összehasonlítása a teljes kezelés előtt és után

A tényleges végrehajtás során az alábbi pontokra is figyelemmel kell lenni:
Először is, a HPLC-kommunikáció megbízhatóságát illetően, a továbbítóerő, csatornakódolás és egyéb paramétereket a transzformációs zóna konkrét feltételei szerint kell megfelelően beállítani; szükség esetén használhatók közvetítő módszerek a kommunikációs távolság kiterjesztésére.
Másodszor, a fázisváltó kapcsolók időzítését és összekapcsolási logikáját óvatosan be kell állítani, hogy elkerülje a túlzott vagy hibás váltási műveleteket—például a kapcsolót úgy lehet beállítani, hogy csak akkor lépjen be, ha az aránytalanság 15% felett van, és 3 percig tart.
Harmadszor, a feszültségregulátor megfelelő kiválasztása és kapacitásának beállítása bizonyos tartalékot kell tartalmaznia, hogy elkerülje a gyakori beállításokat, amelyek mechanikai sérülést okozhatnak; lásd az 5. táblázatot az automatikus feszültségregulátor kiválasztásával és beállításával kapcsolatos iránymutatásokért.

Táblázat 5 Automatikus feszültségregulátorok modellkiválasztási referenciája

Ezen felül egy minőségi üzemeltetési és karbantartási csapat is kulcsfontosságú szerepet játszik a rendszer hosszú távú stabil működésének biztosításában. Csak a valós igényekhez való szoros igazodással, a helyi körülményekre szabott technikai megoldások kiválasztásával és optimalizálásával, valamint egy jól kidolgozott menedzsment mechanizmussal lehet a folyamatos fejlesztést a vonalveszteség-kezelés terén valóban elérni.

4. Összegzés
A vonalveszteség-kezelés alacsony feszültségű transzformátorzónákban nagyon jelentős a villamosenergia-szolgáltatás minőségének és gazdaságosságának javítása szempontjából, és a smart grid technológiák alkalmazása ebben erősen támogatja. A gyakorlatban a HPLC (High-Speed Power Line Communication), az intelligens fázisváltó eszközök és az alacsony feszültségű vonal automatikus feszültség-választók a kutatás és a végrehajtás fókuszai lettek. Ezekkel a technológiákkal a transzformátorzónák működési állapotának valós idejű figyelése, a háromfázisú terhelés dinamikus egyensúlya, valamint a terminál feszültség pontos beállítása lehetséges.

Példaként említve egy megyei városban található Transzformátorzóna A-t, ahol a komplex intézkedések után a vonalveszteségi arány 9,7%-ról 6,1%-ra csökkent, és a feszültség konformitási aránya 11,5%-kal javult, jelentős gazdasági és társadalmi előnyökkel.

Ugyanakkor a jelenlegi technológiai alkalmazásokban további fejlesztésre van szükség, például a kommunikációs zavarellenállás további növelése és a berendezések sajátigényes vezérlési stratégiáinak finomítása. A jövőben a hangsúly az intelligens eszközök integrált tervezésére és koordinált irányítására, valamint a big data és mesterséges intelligencia alapján mélyebben kifejlesztett vonalveszteség-előrejelző modellek vizsgálatára kell fordulnia. Ezenkívül a technikai képzés megerősítése az üzemeltetési és karbantartási személyzet számára szükséges a rendszer hosszú távú stabil működésének biztosításához. Ezek a lépések hatékonyabb és fenntarthatóbb megoldásokat nyújthatnak a vonalveszteség-kezelés terén az alacsony feszültségű transzformátorzónákban.