Toepassing van slimme netwerktechnologieën in het beheer van lijnverliezen in lage-spannings-transformatorzones

Als een essentieel onderdeel van het distributienetwerk hebben laagspanningsdistributiegebieden (hierna aangeduid als "laagspanningstransformatorgebieden") directe invloed op de economische voordelen voor elektriciteitsbedrijven en de kwaliteit van de elektriciteitsconsumptie voor eindgebruikers door hun lijnverliesproblemen. Traditionele beheersmethoden hebben echter duidelijke tekortkomingen qua nauwkeurigheid en efficiëntie. In dit verband biedt de toepassing van smart grid-technologieën nieuwe oplossingen voor lijnverliesbeheer. Door geavanceerde technische middelen in te voeren, kan niet alleen het niveau van lijnverliesbeheer effectief worden verbeterd, maar ook doelen op energiebesparing en emissiereductie worden ondersteund, wat van groot belang is voor de bevordering van hoogwaardige ontwikkeling in de elektriciteitsindustrie.

1.Lijnverliesproblemen in laagspanningstransformatorgebieden
Lijnverliesproblemen in laagspanningstransformatorgebieden worden voornamelijk ingedeeld in technische verliezen en beheerverliezen. Technische verliezen ontstaan uit inherente apparatuurverliezen en operationele beperkingen - bijvoorbeeld ijzer- en koperverliezen in transformatoren en vermogensverliezen veroorzaakt door lijnweerstand. Bij een typische laagspanningsdistributielijn, wanneer de doorsnede van de geleider 50 mm² is en de belastingstroom 200 A bedraagt, is het vermogensverlies per kilometer lijn ongeveer 4 kW.

Wanneer de doorsnede van de geleider onder dezelfde omstandigheden wordt verhoogd tot 70 mm², kan het verlies met ongeveer 30% worden verlaagd. Beheerverliezen daarentegen worden vaak veroorzaakt door meetfouten, stroomdiefstal of onjuiste bedrijfsvoering en onderhoud. Bijvoorbeeld, de meetnauwkeurigheid van traditionele mechanische elektriciteitsmeters onder lichte belastingsomstandigheden is slechts ongeveer 85%, veel lager dan die van slimme meters, die boven de 99% ligt. Bovendien kan een driefaseonevenwicht aanzienlijk bijdragen aan lijnverliezen; als de driefasestroomonevenwichtigheid in een transformatorgebied 15% overschrijdt, zal de lijnverliesratio met 2% tot 5% toenemen. Het bestaan van deze problemen geeft aan dat handmatige inspecties alleen niet langer voldoen aan de eisen van geraffineerd beheer, en intelligente methoden zijn dringend nodig om de efficiëntie van het bestuur te verhogen.

2.Smart grid-technologieën toegepast in lijnverliesbeheer van laagspanningstransformatorgebieden

2.1 HPLC (High-Speed Power Line Communication) technologie
Het fundamentele principe van HPLC-technologie is om bestaande laagspanningsdistributielijnen te gebruiken als communicatiemedia, door middel van koppelingsschakelingen hoogfrequente gemoduleerde signalen op de stroomlijnen te koppelen om hoge snelheden van gegevensoverdracht te realiseren. Deze technologie wordt voornamelijk toegepast in scenario's zoals realtime monitoring van de werkomstandigheden van lijnen in transformatorgebieden, elektriciteitsgegevensverzameling en interactie met elektriciteitsinformatie van gebruikers.

Tijdens de implementatie is de eerste stap een terreinonderzoek van de lijnomgeving van het transformatorgebied uit te voeren om de kanaaleigenschappen en interferentieniveaus te evalueren, waardoor de optimale dragende frequentie (doorgaans binnen 1,7-30 MHz) en koppelingsmethode worden bepaald. Vervolgens worden speciale koppelaars en HPLC-communicatiemodules geïnstalleerd aan de laagspanningskant van de distributietransformator, vertakkingskasten en elektriciteitsmeters van gebruikers om een communicatienetwerk over het transformatorgebied op te zetten. Tegelijkertijd wordt een hoofdstationssysteem ingericht om naadloos te integreren met bovenliggende toepassingssystemen via protocolconversie.

Tijdens de fase van bedrijfsvoering en onderhoud moeten regelmatig inspecties en kalibraties van apparatuur worden uitgevoerd, de kwaliteit van de communicatiesignalen moet worden bewaakt, en eventuele anomalieën moeten onmiddellijk worden aangepakt. Bijvoorbeeld, als de demping van draaggolfsignalen 30 dB overschrijdt of de bitfeilerratio boven 1×10⁻⁴ stijgt, moeten lijnfouten of elektromagnetische interferentiebronnen worden onderzocht. Indien nodig, moet de uitzendvermogen (doorgaans variërend van –10 dBm tot 30 dBm) worden aangepast of koppelaars vervangen worden om stabiele systeemoperatie te waarborgen. 

Om de communicatiestabiliteit te versterken, gebruiken HPLC-systemen meestal adaptieve modulatieschema's, waarbij modulatie-modi dynamisch worden geselecteerd op basis van de kanaalkwaliteit. Verschillende modulatieschema's verschillen in gegevenssnelheid, geluidsdemping en bereik, en vereisen geoptimaliseerde configuratie volgens lastfluctuaties en geluidstoestanden in het transformatorgebied. Bijvoorbeeld, kan hogere orde modulatie 's nachts worden ingeschakeld wanneer de lasten lichter zijn en geluidslevels lager zijn om de gegevensthroughput te verbeteren, terwijl het overschakelen naar een robuuste modus tijdens de spitsuren overdag de communicatiebetrouwbaarheid garandeert. Tabel 1 geeft een vergelijking van de technische kenmerken van drie veel gebruikte modulatieschema's in HPLC-systemen, wat referentie biedt voor de configuratie van veldparameters.

Tabel 1 Vergelijking van technische kenmerken van gangbare modulatieschema's voor HPLC

2.2 Intelligent Phase-Switching Switch Device
De werking van het intelligente faseoverschakelingsapparaat is om de driefase stroom en spanning te meten, de belastingsverdeling in real time te berekenen en wanneer de onbalans een vooraf ingestelde drempel (meestal 10%–20%) overschrijdt, de belasting te schakelen om de driefase belasting opnieuw in evenwicht te brengen. Dit apparaat wordt voornamelijk toegepast aan het einde van transformatorzones, vooral in gebieden met zware enkelefaselasten.

Tijdens de implementatie:
Ten eerste moet een geschikte installatielocatie worden gekozen—zoals bij vertakkingskasten of aan de laagspanningskant van distributietransformatoren—om de bouw en onderhoud eenvoudig uitvoerbaar te maken.
Ten tweede moet een terreinonderzoek worden uitgevoerd om de belastingsverdeling te begrijpen en de schakelaarcapaciteit redelijk te configureren (zie Tabel 2). Tijdens de installatie- en instelingsfase moeten belastingsimulatietests worden uitgevoerd om de besturingsstrategie en beschermingsinstellingen te optimaliseren; bijvoorbeeld, de overstromingsbeschermingsinstelling wordt meestal ingesteld op 1,2 keer de nominale stroom.
Ten derde moet het operatiebewakingssysteem van de transformatorzone worden verbeterd om informatie-uitwisseling en afstandsbediening mogelijk te maken met het schakelapparaat.
Ten vierde moeten tijdens de exploitatie- en onderhoudsfase preventieve tests regelmatig worden uitgevoerd op de schakelaar om potentiële fouten zoals mechanische slijtage of slechte contacten tijdig te identificeren en te verhelpen, waardoor veilige en betrouwbare werking wordt gewaarborgd. Daarnaast moet periodiek een analyse worden gemaakt van de trend van de belastingsvariaties in de transformatorzone om indien nodig de besturingslogica en parameterinstellingen van de schakelaar aan te passen.

Tabel 2 Capaciteitsconfiguratie-referentie voor slimme schakelapparatuur

2.3 Laagspanningslijn automatische spanningregelaar
De basisprincipe van de laagspanningslijn automatische spanningregelaar is om de lijnspanning en -stroom in real-time te meten, parameters zoals de lijnimpedantie en het vermogenfactor te berekenen, en de positie van de transformatortapchangers automatisch aan te passen op basis van de afwijking, teneinde de uitgangsspanning binnen een aanvaardbaar bereik te houden. Dit apparaat wordt voornamelijk toegepast in laagspanningsverdelingsnetwerken, vooral in gebieden aan het einde van lijnen waar de spanning geneigd is te hoog of te laag te worden.

Ten eerste moet een geschikte installatielocatie worden geselecteerd, zoals de laagspanningskant van een verdelingstransformator of een ringhoofdschakelaar, en moet er een locatieonderzoek worden uitgevoerd om de bevoorradingstraal en gebruikersverdeling langs de lijn te begrijpen.
Ten tweede moet de regelaarcapaciteit (zie Tabel 3) en de besturingsstrategie worden bepaald. Tijdens de installatie- en inbedrijfstellingfase moeten leegloop- en belastingsproeven worden uitgevoerd om de spanningregelaccurateit (typisch vereist binnen ±1,5%) en responstijd (meestal niet meer dan 30 seconden) te verifiëren, evenals om beschermingsfuncties zoals over- en onderspanning te valideren.
Ten derde moet na de inbedrijfstelling een omvattend bedrijfsleidingsysteem worden opgesteld, waarin de eisen voor inspectie, bediening en onderhoud duidelijk worden gedefinieerd om veilige en stabiele werking van de regelaar te garanderen. Bijvoorbeeld, als een enkefaselijke spanning continu langer dan 5 minuten buiten ±7% van de nominale waarde afwijkt, of als de driefasige spanningonevenwichtigheid 2% overschrijdt, moet de oorzaak onmiddellijk worden geïdentificeerd en correctieve maatregelen worden genomen. Operationele gegevensanalyse toont aan dat goed geconfigureerde automatische spanningregelaars de compliance van de lijnspanning met 5% tot 15% kunnen verbeteren, waardoor de lijnverliezen door spanningsovertredingen aanzienlijk worden verminderd.

Tabel 3 Selectie-referentie voor laagspanningslijn automatische spanningregelaars

3.Technologie-toepassing

3.1 Casusachtergrond en verliesproblemen in de lijn
Transformatorzone A ligt in het centrum van een oud stadsdeel, met een energievoorzieningsstraal van 1,5 km, waarbij 712 huishoudelijke klanten en 86 commerciële klanten worden bediend. De distributie-infrastructuur van de zone bestaat voornamelijk uit één S11-M.RL-400/10 type distributietransformator met een nominale capaciteit van 400 kVA; zes laagspanningsuitgangsvoeders - twee met JKLGYJ-120 mm² geleiders en vier met JKLGYJ-70 mm² geleiders - met een gemiddelde lijnlengte van 510 meter per circuit; bovendien zijn er vier HXGN-12 ringmain-eenheden en 18 geïntegreerde laagspanningsdistributiekasten.

In de afgelopen jaren heeft de belasting in deze transformatorzone door lokale stadsvernieuwing en de uitbreiding van commerciële vestigingen continu gegroeid. Bijvoorbeeld, in 2018 bereikte de piekbelasting 285 kW, met een jaar-op-jaar stijging van elektriciteitsverbruik van 7,6%, terwijl het lijnverliespercentage zo hoog was als 9,7%, wat aanzienlijk hoger was dan het beheerdoel van 6,5% voor dezelfde periode.

Ter plaatse inspecties onthulden de volgende belangrijke problemen:

• Slechte contacten op aansluitpunten van de distributietransformator en leidingen veroorzaakten lokale verhitting en extra verliezen;

• Ongelijke driefasebelastingverdeling, met een maximale onevenwichtigheid van 18,2%;

• Ongeautoriseerde bedrading en elektriciteitsdiefstal door bepaalde gebruikers;

• Verouderde meetapparatuur met meetfouten die ±5% overschreden.

Deze factoren droegen gezamenlijk bij aan de persistente hoge lijnverliezen in de zone, waardoor een ernstige beheersuitdaging ontstond.

3.2 Technologiekeuze en implementatie
Om de lijnverliesproblemen in Transformatorzone A te tackelen, werd na grondige evaluatie een geïntegreerde oplossing ingevoerd die HPLC-communicatie, intelligente faseoverschakelaars en automatische spanningregelaars combineert.

Ten eerste werden HPLC-koppelaars en communicatiemodules op de laagspanningszijde van de transformator geïnstalleerd, en werd overeenkomstige apparatuur in elke vertakkingskast en bij elk gebruikersmeetapparaat geplaatst, waardoor een high-speed power line carrier communicatienetwerk werd opgezet dat de hele transformatorzone omvatte. Dit netwerk maakte real-time monitoring van de operatiestatus mogelijk, inclusief spanning, stroom, vermogen op busbars en vertakkingen, evenals cruciale indicatoren zoals apparaatstemperatuur en harmonische vervorming. Operationeel en onderhoudspersoneel kon hierdoor anomalieën snel detecteren. Bovendien boden de high-accuracy energiemetingen solide ondersteuning voor lijnverliesanalyse en -beheer.

Ten tweede werden zes intelligente faseoverschakelaareenheden (gerateerd voor een maximale werkelijk stroom van 250 A) geïnstalleerd in belangrijke vertakkingskasten en sleutelbelastingslocaties. Deze schakelaars maten continu de driefase-stroomonevenwichtigheid en herverdeelden automatisch de belasting wanneer de onevenwichtigheid 15% overschreed, waardoor de drie fasen effectief gebalanceerd werden. Veldtests bevestigden dat schakelacties binnen 30 ms werden voltooid, met soepele overgangen die geen verstoring voor de gebruikers veroorzaakten. Drie maanden na de inbedrijfstelling daalde de driefase-onevenwichtigheid in de zone van 18,2% naar 6,5%, en het lijnverliespercentage daalde met 1,7%.

Ten derde werd, om de spanningsovertredingen aan het einde van de lijnen aan te pakken, een 200 kVA intelligente spanningregelaar 710 meter van de transformator geïnstalleerd. De regelaar accepteert een ingangsspanningsbereik van 210–430 V en houdt een uitgang van 220 V ±2%. Hij past automatisch zijn spoelverhouding aan op basis van real-time spanningmetingen aan het eind van de lijn, waardoor de eindspanning consistent binnen het aanvaardbare bereik wordt gehouden. Sinds de inbedrijfstelling heeft de regelaar snel gereageerd op verschillende belastingspieken en dalen, en bracht hij de spanningconformiteitsgraad op negen belangrijke bewakingspunten van 87% naar meer dan 98,5%.

Door een gesloten-loop beheerbenadering van "monitoring-controle-optimalisatie" hebben deze maatregelen de lijnverliesprestaties van Transformatorzone A aanzienlijk verbeterd, met een geschatte jaarlijkse energiebesparing van ongeveer 120.000 kWh, met opmerkelijke economische voordelen. Een vergelijking van de belangrijkste indicatoren is weergegeven in Tabel 4.

Tabel 4 Vergelijking van de belangrijkste indicatoren van Gebied A vóór en ná de alomvattende governance

Bij de feitelijke implementatie moeten ook de volgende punten worden opgemerkt:
Ten eerste moet de betrouwbaarheid van HPLC-communicatie, uitzendvermogen, kanaalcodering en andere parameters naar verhouding worden geconfigureerd op basis van de specifieke omstandigheden van het transformatorgebied; indien nodig kunnen relaismethoden worden gebruikt om de communicatieafstand te verlengen.
Ten tweede moeten de timing en interlocklogica van faseoverschakelingsoperaties zorgvuldig worden ingesteld om overmatige of foute schakelacties te voorkomen—bijvoorbeeld kan de schakelaar worden geconfigureerd om pas in actie te komen wanneer de onbalans meer dan 15% is en gedurende 3 minuten aanhoudt.
Ten derde moet de juiste selectie en capaciteitsconfiguratie van de spanningsregelaar een bepaalde marge bevatten om frequente aanpassingen die mechanische slijtage kunnen veroorzaken te voorkomen; raadpleeg Tabel 5 voor richtlijnen over de selectie en configuratie van automatische spanningsregelaars.

Tabel 5 Modelselectie Referentie voor Automatische Spanningsregelaars

Bovendien is een high-quality operation and maintenance team ook cruciaal voor het waarborgen van de langdurige stabiele werking van het systeem. Alleen door nauw aansluiting bij de daadwerkelijke behoeften, technische oplossingen te selecteren en optimaliseren volgens de lokale omstandigheden, en deze te ondersteunen met een solide managementmechanisme, kan er echt continue verbetering in de line loss governance worden bereikt.

4. Conclusie
Line loss management in lage-spanningsversterkerzones is van groot belang voor het verbeteren van de kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening en de economische efficiëntie, en de toepassing van smart grid-technologieën biedt hierin sterke ondersteuning. In de praktijk zijn technologieën zoals HPLC (High-Speed Power Line Communication), intelligente faseoverschakelingschakelaars en automatische spanningregelaars voor lage-spanningslijnen de belangrijkste focuspunten van onderzoek en implementatie geworden. Met deze technologieën kunnen real-time monitoring van de werking van versterkerzones, dynamisch balanceren van driefasebelastingen en nauwkeurige regeling van de eindspanning worden gerealiseerd.

Met als voorbeeld Versterkerzone A in een bepaalde stad, daalde na een grondige remediatie de line loss ratio van 9,7% naar 6,1%, en de spanningconformiteitsratio verbeterde met 11,5%, wat aanzienlijke economische en sociale voordelen opleverde.

Er zijn echter nog steeds gebieden die verbetering nodig hebben in de huidige technologie-toepassingen - bijvoorbeeld, de communicatie-antistoringcapaciteit verder versterken en de zelfaanpassende controlestrategieën van apparatuur verfijnen. In de toekomst moet de focus verschuiven naar geïntegreerde ontwerp en gecoördineerde controle van slimme apparatuur, en verdere verkenning van line loss predictie-modellen op basis van big data en kunstmatige intelligentie. Bovendien is versterkte technische opleiding voor operationele en onderhoudsmedewerkers essentieel om de langdurige stabiele werking van het systeem te waarborgen. Deze maatregelen zullen meer efficiënte en duurzame oplossingen opleveren voor line loss management in lage-spanningsversterkerzones.