Applicazione delle tecnologie Smart Grid nella gestione delle perdite di linea nelle zone dei trasformatori a bassa tensione

Come componente essenziale della rete di distribuzione, le aree di distribuzione a bassa tensione (quiinafter definite "zone di trasformazione a bassa tensione") influiscono direttamente sui benefici economici delle imprese di fornitura elettrica e sulla qualità del consumo di energia per gli utenti finali attraverso i problemi di perdite di linea. Tuttavia, gli approcci gestionali tradizionali presentano evidenti carenze in termini di precisione ed efficienza. In questo contesto, l'applicazione delle tecnologie della smart grid offre nuove soluzioni per la gestione delle perdite di linea. Introducendo mezzi tecnici avanzati, non solo si può migliorare efficacemente il livello di raffinatezza nella gestione delle perdite di linea, ma si possono anche sostenere gli obiettivi di risparmio energetico e riduzione delle emissioni, il che ha un grande significato per promuovere uno sviluppo di alta qualità nel settore elettrico.

1.Problemi di perdite di linea nelle zone di trasformazione a bassa tensione
I problemi di perdite di linea nelle zone di trasformazione a bassa tensione sono principalmente categorizzati in perdite tecniche e perdite di gestione. Le perdite tecniche derivano da perdite intrinseche degli apparecchi e dai vincoli operativi, ad esempio, le perdite di ferro e rame nei trasformatori e le perdite di energia causate dalla resistenza delle linee. Prendendo come esempio una tipica linea di distribuzione a bassa tensione, quando la sezione del conduttore è di 50 mm² e la corrente di carico raggiunge 200 A, la perdita di potenza per chilometro di linea è di circa 4 kW.

Quando la sezione del conduttore viene aumentata a 70 mm² nelle stesse condizioni, la perdita può essere ridotta di circa il 30%. Le perdite di gestione, d'altra parte, sono spesso causate da errori di misurazione, furti di energia elettrica o manutenzione e operazioni inappropriate. Ad esempio, l'accuratezza di misurazione dei tradizionali contatori elettrici meccanici in condizioni di carico leggero è solo dell'85% circa, molto inferiore a quella dei contatori intelligenti, che supera il 99%. Inoltre, l'equilibrio trifase può aumentare significativamente le perdite di linea; se l'equilibrio di corrente trifase in una zona di trasformazione supera il 15%, il tasso di perdita di linea aumenterà del 2% al 5%. L'esistenza di questi problemi indica che l'ispezione manuale non può più soddisfare le esigenze della gestione raffinata, e sono urgentemente necessari metodi intelligenti per migliorare l'efficienza della governance.

2.Tecnologie della smart grid applicate nella gestione delle perdite di linea nelle zone di trasformazione a bassa tensione

2.1 Tecnologia HPLC (High-Speed Power Line Communication)
Il principio fondamentale della tecnologia HPLC consiste nell'utilizzare le linee di distribuzione a bassa tensione esistenti come supporto di comunicazione, accoppiando segnali modulati ad alta frequenza alle linee elettriche tramite circuiti di accoppiamento per ottenere la trasmissione di dati ad alta velocità. Questa tecnologia viene principalmente applicata in scenari come il monitoraggio in tempo reale delle condizioni operative delle linee nelle zone di trasformazione, la raccolta di dati di energia elettrica e l'interazione delle informazioni sull'energia elettrica degli utenti.

Durante l'implementazione, il primo passo è effettuare un sopralluogo dell'ambiente delle linee della zona di trasformazione per valutare le caratteristiche del canale e i livelli di interferenza, determinando così la frequenza portante ottimale (tipicamente compresa tra 1,7-30 MHz) e il metodo di accoppiamento. Successivamente, vengono installati coupler dedicati e moduli di comunicazione HPLC sul lato a bassa tensione del trasformatore di distribuzione, nelle casse di ramificazione e nei contatori elettrici degli utenti per stabilire una rete di comunicazione all'interno della zona di trasformazione. Nel frattempo, viene dispiegato un sistema di stazione principale per integrarsi senza soluzione di continuità con i sistemi di applicazione superiore attraverso la conversione di protocolli.

Durante la fase di operazione e manutenzione, devono essere eseguiti regolari controlli e tarature delle attrezzature, monitorata la qualità del segnale di comunicazione e affrontate tempestivamente eventuali anomalie. Ad esempio, se l'attenuazione del segnale portante supera i 30 dB o il tasso di errore bit supera i 1×10⁻⁴, dovrebbero essere indagate le cause di guasto delle linee o le fonti di interferenza elettromagnetica. Se necessario, la potenza di trasmissione (tipicamente compresa tra -10 dBm e 30 dBm) dovrebbe essere regolata o i coupler sostituiti per garantire l'operatività stabile del sistema. 

Per migliorare la stabilità della comunicazione, i sistemi HPLC adottano solitamente schemi di modulazione adattativa, selezionando dinamicamente i modi di modulazione in base alla qualità del canale. I diversi schemi di modulazione variano in termini di velocità di dati, resistenza al rumore e copertura, richiedendo una configurazione ottimizzata in base alle fluttuazioni del carico e alle condizioni di rumore nella zona di trasformazione. Ad esempio, durante la notte, quando i carichi sono più leggeri e i livelli di rumore più bassi, può essere abilitata una modulazione di ordine superiore per migliorare il throughput dei dati, mentre durante le ore di punta del giorno, lo switch a un modo robusto garantisce l'affidabilità della comunicazione. La tabella 1 elenca tre metodi di modulazione comuni utilizzati nei sistemi HPLC insieme alle loro caratteristiche tecniche, fornendo un riferimento per la configurazione dei parametri sul campo.

Tabella 1 Confronto delle caratteristiche tecniche dei metodi di modulazione comuni per HPLC

2.2 Dispositivo di commutazione intelligente a cambio di fase
Il principio del dispositivo di commutazione intelligente a cambio di fase è quello di misurare le correnti e le tensioni trifase, calcolare in tempo reale l' squilibrio del carico e, quando lo squilibrio supera una soglia preimpostata (tipicamente tra il 10% e il 20%), controllare la commutazione dei carichi per riequilibrare i carichi trifase. Questo dispositivo viene principalmente applicato alla fine delle zone dei trasformatori, specialmente in aree con carichi monofase pesanti.

Durante l'implementazione:
In primo luogo, deve essere selezionata un'ubicazione di installazione appropriata, ad esempio presso i boccaporti di ramificazione o sul lato a bassa tensione dei trasformatori di distribuzione, per garantire facilità di costruzione e manutenzione.
In secondo luogo, dovrebbe essere condotta una ricognizione sul sito per comprendere la distribuzione del carico e configurare in modo ragionevole la capacità del dispositivo di commutazione (vedi Tabella 2). Durante la fase di installazione e messa in servizio, devono essere eseguiti test di simulazione del carico per ottimizzare la strategia di controllo e le impostazioni di protezione; ad esempio, l'impostazione della protezione contro sovra-corrente è generalmente configurata a 1,2 volte la corrente nominale.
In terzo luogo, deve essere migliorato il sistema di monitoraggio dell'operazione della zona del trasformatore per abilitare lo scambio di informazioni e il controllo remoto con il dispositivo di commutazione.
In quarto luogo, durante la fase di operazione e manutenzione, devono essere regolarmente eseguiti test preventivi sul dispositivo di commutazione per identificare e risolvere prontamente potenziali guasti come usura meccanica o cattiva connessione, assicurando un'operazione sicura e affidabile. Inoltre, dovrebbe essere condotta periodicamente un'analisi delle tendenze di variazione del carico nella zona del trasformatore per adattare la logica di controllo e le impostazioni dei parametri del dispositivo di commutazione se necessario.

Tabella 2 Riferimento per la configurazione della capacità degli apparati di commutazione intelligenti

2.3 Regolatore di Tensione Automatico per Linea a Basso Tensione
Il principio fondamentale del regolatore di tensione automatico per linea a basso tensione consiste nel misurare in tempo reale la tensione e la corrente della linea, calcolare parametri come l'impedenza della linea e il fattore di potenza, e regolare automaticamente la posizione del cambiastufe del trasformatore in base alla deviazione, al fine di mantenere la tensione di uscita entro un intervallo accettabile. Questo dispositivo è principalmente applicato nelle reti di distribuzione a bassa tensione, specialmente nelle aree alla fine delle linee dove la tensione tende a diventare eccessivamente alta o bassa.

In primo luogo, deve essere selezionata una posizione di installazione appropriata, ad esempio sul lato a bassa tensione di un trasformatore di distribuzione o in un armadio anello principale, e deve essere effettuata una ricognizione del sito per comprendere il raggio di fornitura e la distribuzione degli utenti lungo la linea.
In secondo luogo, deve essere determinata la capacità del regolatore (vedi Tabella 3) e la strategia di controllo. Durante la fase di installazione e messa in servizio, devono essere eseguiti test a vuoto e a carico per verificare l'accuratezza della regolazione della tensione (solitamente richiesta entro ±1,5%) e il tempo di risposta (generalmente non superiore a 30 secondi), nonché per validare funzioni di protezione come sovratensione e sottotensione.
In terzo luogo, dopo la messa in servizio, deve essere stabilito un sistema complessivo di gestione operativa, definendo chiaramente i requisiti per le ispezioni, l'operazione e la manutenzione al fine di garantire il funzionamento sicuro e stabile del regolatore. Ad esempio, se una tensione monofase si discosta continuamente oltre ±7% del valore nominale per 5 minuti, o se l'instabilità della tensione trifase supera il 2%, la causa deve essere identificata prontamente e devono essere adottate misure correttive. L'analisi dei dati operativi dimostra che i regolatori di tensione automatici configurati correttamente possono migliorare i tassi di conformità della tensione della linea da 5% a 15%, riducendo significativamente le perdite di linea causate da violazioni della tensione.

Tabella 3 Riferimento per la Selezione dei Regolatori di Tensione Automatici per Linea a Basso Tensione

3.Applicazione della tecnologia

3.1 Contesto del caso e problemi di perdite di linea
La zona trasformatrice A si trova nel centro di un vecchio quartiere urbano, con un raggio di fornitura di energia di 1,5 km, servendo 712 clienti residenziali e 86 clienti commerciali. L'infrastruttura di distribuzione della zona include principalmente un trasformatore di distribuzione del tipo S11-M.RL-400/10 con una capacità nominale di 400 kVA; sei linee di uscita a bassa tensione—due con conduttori JKLGYJ-120 mm² e quattro con conduttori JKLGYJ-70 mm²—con una lunghezza media di 510 metri per circuito; inoltre, ci sono quattro unità di anello principale HXGN-12 e 18 armadi di distribuzione integrati a bassa tensione.

Negli ultimi anni, a causa della ristrutturazione urbana locale e dell'espansione degli stabilimenti commerciali, il carico in questa zona trasformatrice ha mostrato una crescita continua. Ad esempio, nel 2018, il carico di punta ha raggiunto 285 kW, con un aumento del consumo di energia del 7,6% rispetto all'anno precedente, ma il tasso di perdite di linea era elevato al 9,7%, superando significativamente l'obiettivo di gestione del 6,5% per lo stesso periodo.

Le ispezioni sul campo hanno rivelato i seguenti problemi chiave:

• Cattivi contatti nei punti di connessione del trasformatore di distribuzione e delle linee che causavano riscaldamenti localizzati e ulteriori perdite;

• Distribuzione non uniforme del carico trifase, con un massimo squilibrio del 18,2%;

• Collegamenti non autorizzati e furti di energia da parte di alcuni utenti;

• Dispositivi di misurazione obsoleti con errori di misurazione superiori al ±5%.

Questi fattori hanno contribuito collettivamente a mantenere le perdite di linea elevate nella zona, creando una sfida di governance significativa.

3.2 Selezione e implementazione della tecnologia
Per affrontare i problemi di perdite di linea nella Zona Trasformatrice A, dopo una valutazione approfondita, è stata implementata una soluzione complessiva che integra la comunicazione HPLC, interruttori intelligenti di commutazione di fase e regolatori di tensione automatici.

In primo luogo, sono stati installati coupler HPLC e moduli di comunicazione sul lato a bassa tensione del trasformatore, e l'equipaggiamento corrispondente è stato distribuito in ogni scatola di derivazione e contatore utente, stabilendo una rete di comunicazione a portatore di linea ad alta velocità che copre l'intera zona trasformatrice. Questa rete ha permesso il monitoraggio in tempo reale dello stato operativo, inclusi voltaggio, corrente, potenza su barre e ramificazioni, nonché indicatori critici come temperatura dell'equipaggiamento e distorsione armonica. In questo modo, il personale di manutenzione poteva rilevare prontamente anomalie. Inoltre, i dati di misurazione energetica ad alta precisione hanno fornito un solido supporto per l'analisi e la gestione delle perdite di linea.

In secondo luogo, sono stati installati sei unità di interruttori intelligenti di commutazione di fase (con una corrente massima di funzionamento di 250 A) nelle principali scatole di derivazione e nei punti di carico chiave. Questi interruttori misuravano continuamente lo squilibrio di corrente trifase e ridistribuivano automaticamente il carico quando lo squilibrio superava il 15%, bilanciando efficacemente le tre fasi. I test sul campo hanno confermato che le azioni di commutazione venivano completate entro 30 ms, con transizioni fluide che non causavano interruzioni agli utenti. Tre mesi dopo la messa in servizio, lo squilibrio trifase nella zona è diminuito dal 18,2% al 6,5%, e il tasso di perdite di linea è calato del 1,7%.

In terzo luogo, per affrontare le violazioni di tensione alla fine delle linee, è stato installato un regolatore di tensione intelligente da 200 kVA a 710 metri dal trasformatore. Il regolatore accetta un intervallo di tensione di ingresso da 210 a 430 V e mantiene un'uscita di 220 V ±2%. Regola automaticamente il rapporto di avvolgimento in base alle misurazioni in tempo reale della tensione alla fine della linea, mantenendo la tensione terminale costantemente all'interno dell'intervallo accettabile. Dalla messa in servizio, il regolatore ha risposto rapidamente attraverso vari picchi e valli di carico, aumentando il tasso di conformità della tensione in nove punti di monitoraggio chiave dall'87% a oltre il 98,5%.

Attraverso un approccio di gestione a ciclo chiuso di "monitoraggio–controllo–ottimizzazione", queste misure hanno migliorato significativamente le prestazioni di perdite di linea della Zona Trasformatrice A, realizzando un risparmio energetico annuale stimato di circa 120.000 kWh, con notevoli benefici economici. Un confronto degli indicatori chiave è mostrato nella Tabella 4.

Tabella 4 Confronto degli indicatori chiave della Zona A prima e dopo la governance complessiva

Nell'implementazione effettiva, si dovrebbero notare anche i seguenti punti:
Primo, riguardo la affidabilità della comunicazione HPLC, la potenza di trasmissione, la codifica del canale e altri parametri dovrebbero essere configurati in modo ragionevole in base alle condizioni specifiche dell'area della trasformazione; se necessario, possono essere utilizzati metodi di rilancio per estendere la distanza di comunicazione.
Secondo, il timing e la logica di interblocco delle operazioni degli interruttori di commutazione di fase dovrebbero essere impostati con cura per evitare azioni di commutazione eccessive o erronee—ad esempio, l'interruttore può essere configurato per agire solo quando lo squilibrio supera il 15% e persiste per 3 minuti.
Terzo, la scelta appropriata e la configurazione della capacità del regolatore di tensione dovrebbero includere un certo margine per prevenire regolazioni frequenti che potrebbero causare usura meccanica; fare riferimento alla Tabella 5 per linee guida sulla scelta e configurazione dei regolatori di tensione automatici.

Tabella 5 Riferimento per la Scelta del Modello dei Regolatori di Tensione Automatici

Inoltre, un team di operazioni e manutenzione di alta qualità è fondamentale per garantire il funzionamento stabile a lungo termine del sistema. Solo allineandosi strettamente alle esigenze effettive, selezionando e ottimizzando soluzioni tecniche in base alle condizioni locali e supportandole con un solido meccanismo di gestione, si può davvero raggiungere un miglioramento continuo nella governance delle perdite di linea.

4.Conclusione
La gestione delle perdite di linea nelle zone dei trasformatori a bassa tensione è di grande importanza per migliorare la qualità dell'approvvigionamento elettrico ed l'efficienza economica, e l'applicazione delle tecnologie della smart grid fornisce un forte supporto in questo senso. Nel lavoro pratico, tecnologie come HPLC (High-Speed Power Line Communication), dispositivi di commutazione intelligente della fase e regolatori automatici di tensione a bassa tensione sono diventati punti focali chiave di ricerca e implementazione. Con queste tecnologie, è possibile realizzare il monitoraggio in tempo reale delle condizioni operative della zona del trasformatore, l'equilibrio dinamico dei carichi trifase e la regolazione precisa della tensione terminale.

Prendendo come esempio la Zona del Trasformatore A in una certa città di contea, dopo una ristrutturazione complessiva, il tasso di perdita di linea è diminuito dal 9,7% al 6,1%, e il tasso di conformità della tensione è migliorato del 11,5%, ottenendo benefici economici e sociali significativi.

Tuttavia, ci sono ancora aree che necessitano di miglioramenti nell'attuale applicazione delle tecnologie, ad esempio, l'ulteriore miglioramento delle capacità anti-interferenza della comunicazione e il raffinamento delle strategie di controllo auto-adattivo degli apparecchi. Guardando al futuro, l'enfasi dovrebbe spostarsi verso la progettazione integrata e il controllo coordinato dei dispositivi intelligenti, nonché verso un'indagine più approfondita dei modelli di previsione delle perdite di linea basati su big data e intelligenza artificiale. Inoltre, è essenziale fornire formazione tecnica avanzata al personale di operazioni e manutenzione per garantire il funzionamento stabile a lungo termine del sistema. Queste misure porteranno soluzioni più efficienti e sostenibili per la gestione delle perdite di linea nelle zone dei trasformatori a bassa tensione.