Uporaba tehnologij pametne omrežja pri upravljanju izgub v nizekotlačnih transformatorjih

Kot ključni sestavni del distribucijske mreže neposredno vplivajo nizkonapetostne distribucijske območja (v nadaljevanju se bodo imenovala "nizkonapetostna transformatorna območja") na ekonomske učinke podjetij za oskrbo z električno energijo in kakovost porabe elektrike za končne uporabnike preko težav s izgubami po linijah. Vendar pa tradicionalni pristopi upravljanja imajo očitne pomanjkljivosti glede točnosti in učinkovitosti. V tem kontekstu prinaša uporaba tehnologij pametnih omrežij nove rešitve za upravljanje s izgubami po linijah. S pripravljanjem naprednih tehničnih sredstev se ne le učinkovito izboljša rafiniranost upravljanja s izgubami po linijah, ampak se tudi podpirajo cilji energetske učinkovitosti in zmanjševanja emisij, kar je velik pomen za spodbujanje visokokakovostnega razvoja v elektroenergetskem sektorju.

1.Tehnične izgube in upravne izgube v nizkonapetostnih transformatornih območjih
Tehnične izgube v nizkonapetostnih transformatornih območjih so predvsem razdeljene na tehnološke izgube in upravne izgube. Tehnološke izgube izvirajo iz notranjih izgub opreme in operativnih omejitev - na primer, železne in bakrene izgube v transformatorjih ter izgube električne energije, ki jih povzroči upornost linij. Na primer, če je premer vodnika 50 mm² in tok bremena doseže 200 A, so izgube električne energije na kilometer linije približno 4 kW.

Če je premer vodnika pod enakimi pogoji povečan na 70 mm², se izgube lahko zmanjšajo približno za 30 %. Upravne izgube, na drugi strani, so pogosto povzročene merilnimi napakami, krajo električne energije ali neprimernim vzdrževanju in upravljanju. Na primer, točnost merjenja tradicionalnih mehanskih števčev za električna energija pri lahkem bremenu je samo približno 85 %, kar je daleč manj kot točnost pametnih števčev, ki presega 99 %. Poleg tega lahko znatno poveča izgube električne energije tudi neravnovesje tri-faznega toka; če preseže neravnovesje tri-faznega toka v transformatornem območju 15 %, se stopnja izgub po linijah poveča za 2 % do 5 %. Obstoj teh težav kaže, da večja inspekcija sama ni več zadovoljiva za potrebe rafiniranega upravljanja, in je nujno potrebno uporabiti inteligentne metode za izboljšanje učinkovitosti upravljanja.

2.Uporaba tehnologij pametnih omrežij pri upravljanju s izgubami po linijah v nizkonapetostnih transformatornih območjih

2.1 HPLC (High-Speed Power Line Communication) tehnologija
Osnovni princip HPLC tehnologije je uporaba obstoječih nizkonapetostnih distribucijskih linij kot komunikacijskih medijev, s katerimi se preko klopniških vezij združujejo visoko frekvenčno modulirane signale z električnimi linijami, da se doseže hitra prenosa podatkov. Ta tehnologija se predvsem uporablja v scenarijih, kot sta real-time spremljanje stanja delovanja linij v transformatornih območjih, zbiranje podatkov o električni energiji in interakcija informacij o porabi električne energije uporabnikov.

Pri izvajanju je prvi korak preiskava okolja linij v transformatornem območju, da se ocenijo značilnosti kanala in raven motenj, s tem pa se določi optimalna nosilna valovna dolžina (običajno v območju 1,7–30 MHz) in način združevanja. Nato se namestita posvečeni klopniški veziji in HPLC komunikacijski moduli na nizkonapetostni strani distribucijskega transformatorja, odvodnih skrinj in števčev za električna energija uporabnikov, da se ustvari komunikacijska omrežna struktura preko celotnega transformatornega območja. Sledi implementacija glavniškega sistema, ki se brezpomembno integrira z zgornjimi aplikacijskimi sistemi preko pretvorbe protokola.

V fazi vzdrževanja in upravljanja bi morali biti redno opravljene pregledi in kalibracije opreme, spremljana kakovost komunikacijskih signalov, in takoj obravnavani kakršni koli nenormalnosti. Na primer, če preseže utiha nosilnega signala 30 dB ali stopnja napak bitov preseže 1×10⁻⁴, bi morale biti preučene napake linije ali viri elektromagnetskih motenj. Če je potrebno, bi morala biti prilagojena moč prenosa (običajno v območju –10 dBm do 30 dBm) ali zamenjani klopniški vezji, da se zagotovi stabilno delovanje sistema. 

Za izboljšanje stabilnosti komunikacije HPLC sistemi običajno uporabljajo prilagodljive sheme modulacije, ki dinamično izbirajo načine modulacije glede na kakovost kanala. Različni načini modulacije se razlikujejo glede na hitrost podatkov, odpornost na šum in obseg pokritja, zato je potrebna optimizirana konfiguracija glede na fluktuacije bremena in raven šuma v transformatornem območju. Na primer, višje redne modulacije je mogoče omogočiti v nočnem času, ko je breme lažje in raven šuma nižja, da se izboljša propusnost podatkov, medtem ko se preklopi na trdnejši način med dnevno vrhunsko obdobjem, da se zagotovi zanesljivost komunikacije. Tabela 1 prikazuje primerjava tehničnih značilnosti treh običajno uporabljenih metod modulacije v HPLC sistemih, ki ponuja referenco za konfiguracijo parametrov na polju.

Tabela 1 Primerjava tehničnih značilnosti običajno uporabljenih metod modulacije za HPLC

2.2 Pametni naprava za menjavo faz
Namen pametne naprave za menjavo faz je merjenje tokov in naponov v treh fazah, izračun neravnovesja obremenitve v realnem času in, ko preseže prednastavljena meja (običajno 10%–20%), upravljanje menjave obremenitev za ponovno uravnoteženje treh-faznih obremenitev. Ta naprava se največ uporablja na koncu transformatornih območij, zlasti v področjih z velikimi enofaznimi obremenitvami.

Med izvajanjem:
Pri tem je prvi korak izbira ustrezne lokacije za namestitev – na primer v odvojnih škatlah ali na nizkonaponski strani distribucijskih transformatorjev – da se zagotovi lahkost gradnje in vzdrževanja.
Drugi korak je izvedba terenskega raziskovanja, da bi razumeli razporeditev obremenitev in razumno konfigurirali kapaciteto preklopnika (glej tabelo 2). Med fazo namestitve in komisije morajo biti izvedeni simulacijski testi obremenitev, da optimizirajo strategijo nadzora in nastavitve zaščite; na primer, nastavitev zaščite proti pretokom je običajno konfigurirana na 1,2-krat večji tok kot je imenovani tok.
Tretji korak je izboljšanje sistema za nadzor delovanja transformatornega območja, da omogoči informacijski izmenjak in oddaljen nadzor s spremenilnikom.
Četrti korak je, med fazo delovanja in vzdrževanja, redno izvajanje preventivnih testov na preklopniku, da bi pravočasno zaznali in rešili morebitne težave, kot so mehanska opotrebitev ali slaba stikovanost, in tako zagotovili varno in zanesljivo delovanje. Poleg tega bi morali biti redno analizirani trendi sprememb obremenitev v transformatornem območju, da bi se po potrebi prilagodila logika nadzora in nastavitve parametrov preklopnika.

Tabela 2 Sklicna konfiguracija kapacitete pametnega preklopnika

2.3 Nizko napetostni avtomatski regulator napetosti
Osnovni načel nizko napetostnega avtomatskega regulatorja napetosti je, da v realnem času meri napetost in tok v vodilu, izračuna parametre, kot so upornost vodila in faktor moči, in samodejno prilagodi položaj preklopnika transformatorja glede na odstopanje, da bi ohranil izhodno napetost znotraj sprejemljive obsege. Ta naprava se predvsem uporablja v nizkonapetostnih distribucijskih omrežjih, še posebej v krajevih na koncu vodil, kjer se napetost lahko pretresne ali pa zmanjša.

Prvi, mora biti izbrana ustrezna lokacija za namestitev, na primer na nizkonapetostni strani distribucijskega transformatorja ali kolobarne enote, in opravljena mora biti lokacijska raziskava, da bi se razumel oskrbni polmer in porazdelitev uporabnikov vzdolž vodila.
Drugi, mora biti določena kapaciteta regulatorja (glej Tabelo 3) in strategija nadzora. V fazi namestitve in komisije morajo biti izvedeni testi brez opterečenja in z opterečenjem, da bi se preverila točnost regulacije napetosti (običajno zahtevano znotraj ±1,5 %) in čas odziva (običajno ne več kot 30 sekund), ter tudi overjeni varnostni mehanizmi, kot sta prepogojenje in podpogojenje.
Tretji, po komisiji mora biti ustanovljen celosten sistem upravljanja operacij, ki jasno opredeljuje zahteve za pregledovanje, delovanje in vzdrževanje, da bi se zagotovilo varno in stabilno delovanje regulatorja. Na primer, če se enofazna napetost neprekinjeno odstopa za več kot ±7 % od imenske vrednosti 5 minut, ali če prekomerna nesimetrija triofazne napetosti preseže 2 %, mora biti hitro ugotovljena vzroki in sprejeta popravilna ukrepi. Analiza operativnih podatkov kaže, da pravilno konfigurirani avtomatski regulatorji napetosti lahko izboljšajo stopnjo skladnosti napetosti v vodilu za 5 % do 15 %, značilno zmanjšajojo gubitke v vodilu, povzročene kršitvami napetosti.

Tabela 3 Izbirni priporočnik za nizkonapetostne avtomatske regulatorje napetosti

3. Uporaba tehnologije

3.1 Pogosto zgodovinsko ozadje in težave s izgubo v omrežju
Transformatorska območja A se nahajajo v centru starega mestnega območja, z radijem oskrbe s strujev 1,5 km, ki služi 712 stanovanjskim in 86 trgovskim strankam. Distribucijska infrastruktura tega območja vključuje predvsem en distribucijski transformator tipa S11-M.RL-400/10 z nazivno močjo 400 kVA; šest nizkonapetostnih odhodnih vodov – dva z vodiči JKLGYJ-120 mm² in štiri z vodiči JKLGYJ-70 mm² – z povprečno dolžino voda 510 metrov na posamezen vod; dodatno pa še štiri HXGN-12 kolobarne enote in 18 nizkonapetostnih integriranih distribucijskih ohišji.

V zadnjih letih je zaradi lokalne urbanistične prenove in širitve trgovskih ustanov bremenje v tem transformatorskem območju pokazalo stalni rast. Na primer, leta 2018 je vrhunsko bremenje dosegle 285 kW, poraba elektrike pa se povečala za 7,6% glede na leta, vendar je stopnja izgube v omrežju dosegle 9,7%, kar je bistveno preseglo upravno ciljno stopnjo 6,5% za isto obdobje.

Na mesto so razkrili naslednje ključne težave:

• Slabo stikovanje pri stikališčih distribucijskega transformatorja in vodov, kar je povzročilo lokalno segrevanje in dodatne izgube;

• Neravnomerna distribucija trofaznega bremena, z največjo neravnovesnostjo do 18,2%;

• Nezakonito stikovanje in kraja struje nekaterih uporabnikov;

• Zastarela merilna naprava z merilnimi napakami, ki presegajo ±5%.

Ti dejavniki skupaj prispevali k trajno visokim izgubam v omrežju v območju, kar je ustvarilo težko ureditveni izziv.

3.2 Izbor tehnologije in izvedba
Za reševanje težav s izgubo v omrežju v Transformatorskem območju A je po temeljitih ocenah izveden celosten pristop, ki združuje komunikacijo HPLC, pametne fazi preklopnike in avtomatske napetostne regulatore.

Najprej so na nizkonapetostni strani transformatorja nameščeni HPLC spregnevniki in komunikacijski moduli, ter ustrezno oprema v vsakem odvetnem škatlu in pri merilu uporabnika, s čimer je vzpostavljena hitra komunikacijska mreža preko vodov, ki zajema celotno transformatorsko območje. Ta mreža omogoča realnočasno spremljanje operativnega stanja, vključno z napetostjo, tokom, močjo na matičnih vodovih in odvetnicah, kot tudi ključne kazalnike, kot so temperatura opreme in harmonična preoblikovanja. Održevalci tako lahko hitro zaznamejo anomalije. Poleg tega podatki o točnem merjenju energije zagotavljajo trdno podporo za analizo in upravljanje izgub v omrežju.

Drugič, na glavnih odvetnicah in ključnih bremenskih lokacijah so nameščene šest pametnih fazi preklopnikov (nazivni delovni tok 250 A), ki neprestano merijo neravnovesje trofaznega toka in samodejno prenasledijo bremena, ko preseže 15%, s čimer učinkovito uravnavajo tri faze. Poljski testi so potrdili, da so preklopni manevri končani v 30 ms, z gladkimi prehodi, ki ne motijo uporabnikom. Tri meseca po postavitvi je neravnovesje treh faz v območju zmanjšalo s 18,2% na 6,5%, stopnja izgube v omrežju pa je pastila za 1,7%.

Tretjič, za odpravo kršitev napetosti na koncu vodov, je 710 metrov od transformatorja nameščen 200 kVA pameten regulator napetosti. Regulator sprejme vhodni obseg napetosti 210–430 V in ohranja izhod 220 V ±2%. Samodejno prilagaja svojo vrtljajno razmerje na podlagi realnega merjenja napetosti na koncu voda, s čimer ohranja končno napetost stalno znotraj sprejemljivega obsega. Od postavitve naprej je regulator hitro odzival na različne vrhune in doline bremena, povečal pa je stopnjo skladnosti napetosti na devetih ključnih točkah nadzora z 87% na več kot 98,5%.

Sklenjeni cikel upravljanja “spremljanje–nadzor–optimizacija” teh ukrepov je bistveno izboljšal izvedbo izgub v omrežju v Transformatorskem območju A, dosegljivost ocenjenega letnega varčevanja energije približno 120.000 kWh, z opaznimi ekonomskimi koristi. Primerjava ključnih kazalnikov je prikazana v Tabeli 4.

Tabela 4 Ključna primerjava kazalnikov območja A pred in po celostnem upravljanju

V praksi je treba upoštevati še naslednje točke:
Prvič, zanesljivost komunikacije HPLC, moč oddaje, kodiranje kanala in druge parametre je treba ustrezno konfigurirati glede na specifične pogoje preobrazovalne postaje; če je potrebno, se lahko uporabijo relejske metode za podaljšanje razdalje komunikacije.
Drugič, časovniki in logika interlocka za operacije preklopnih ventilov je treba natančno nastaviti, da se izognemo prekomernim ali napačnim preklopih – na primer, preklopni ventil se lahko nastavi, da deluje le, ko je neravnovesje večje od 15 % in traja 3 minute.
Tretjič, pravilna izbira in konfiguracija kapacitete naprave za reguliranje napetosti mora vključevati določen rezerv, da se prepreči pogosta prilagajanja, ki bi lahko povzročila mehansko opadanje; glejte Tabelo 5 za smernice o izbiri in konfiguraciji avtomatskih naprav za reguliranje napetosti.

Tabela 5 Smernice za izbiro modelov avtomatskih naprav za reguliranje napetosti

Še več, visokokakovostna ekipa za operativno in vzdrževalna delo je ključnega pomena za zagotavljanje dolgoročne stabilnosti delovanja sistema. Le s tesnim prileganjem dejanskim potrebam, izbira in optimizacija tehničnih rešitev glede na krajevne razmere ter podpora z zdravim upravljalnim sistemom lahko dosežemo kontinualno napredek v upravljanju izgub.

4.Zaključek
Upravljanje izgub v nizekotlačnih transformatorjih ima velik pomen za izboljšanje kakovosti oskrbe z energijo in gospodarske učinkovitosti, pri čemer aplikacija tehnologij pametnih omrežij zagotavlja močno podporo v tem pogledu. V praktičnem delu so tehnologije, kot so HPLC (High-Speed Power Line Communication), pametni preklopniki za faze in avtomatski regulacijski napravi nizekotlačnih linij, postale ključni predmeti raziskovanja in implementacije. S temi tehnologijami lahko realiziramo real-time nadzor stanja operiranja območja transformatorja, dinamično uravnoteženje tlaka treh faz in točno regulacijo končne napetosti.

Kot primer lahko navedemo območje Transformator A v določeni mestni okolici, kjer se po komprehensivni sanaciji stopnja izgub zmanjšala z 9,7 % na 6,1 %, medtem ko se je stopnja skladnosti napetosti izboljšala za 11,5 %, kar je prineslo pomembne gospodarske in družbene koristi.

Vendar pa obstajajo še nekatere področja, ki zahtevajo izboljšave v trenutnih tehnoloških aplikacijah – na primer, daljša izboljšava odpornosti na motnje v komunikaciji in izboljšava strategij samodejne regulacije naprav. Gledano v prihodnost, bi se moralo osredotočiti na integrirani dizajn in koordinirano regulacijo pametnih naprav ter globlje raziskovanje modelov napovedovanja izgub na osnovi podatkov in umetne inteligence. Poleg tega je ključnega pomena izboljšanje tehničnega usposabljanja osebja za operativno in vzdrževalno delo, da bi zagotovili dolgoročno stabilno delovanje sistema. Te ukrepe bodo prinesli bolj učinkove in trajnostne rešitve za upravljanje izgub v nizekotlačnih transformatorjih.