Primena tehnologija pametne mreže u upravljanju gubitcima na niskonaponskim transformatornim zonama

Kao ključni deo distributivne mreže, niskonaponske distribucijske zone (u daljem tekstu "niskonaponske transformatorske zone") direktno utiču na ekonomske dobiti preduzeća za snabdevanje električnom energijom i kvalitet potrošnje električne energije kod krajnjih korisnika putem problema sa gubitcima u linijama. Međutim, tradicionalni pristupi upravljanju imaju očigledne nedostatke u pogledu preciznosti i efikasnosti. U ovom kontekstu, primena tehnologija pametne mreže pruža nove rešenja za upravljanje gubitcima u linijama. Uvođenjem naprednih tehničkih sredstava, ne samo se može efektivno povećati nivo sofisticiranosti upravljanja gubitcima u linijama, već se takođe podržavaju ciljevi štednje energije i smanjenja emisija, što je od velike važnosti za promovisanje visokokvalitetnog razvoja u elektroenergetskom sektoru.

1.Problemi sa gubitcima u niskonaponskim transformatorskim zonama
Gubitci u niskonaponskim transformatorskim zonama su uglavnom kategorizirani kao tehnički gubitci i gubitci iz upravljanja. Tehnički gubitci nastaju iz prirodnih gubitaka opreme i ograničenja u operaciji – na primer, gubitci železa i bakra u transformatorima i gubitci energije uzrokovani otporom linija. Na primer, kod tipične niskonaponske distribucijske linije, kada je presečni površin konduktera 50 mm² i struja opterećenja dostigne 200 A, gubitak energije po kilometru linije iznosi oko 4 kW.

Ako se presečni površin konduktera poveća na 70 mm² pod istim uslovima, gubitak se može smanjiti oko 30%. Gubitci iz upravljanja, s druge strane, često nastaju zbog grešaka merenja, krađe električne energije ili nepravilne održavanje. Na primer, preciznost merenja tradicionalnih mehaničkih brojila električne energije u uslovima lakog opterećenja iznosi samo oko 85%, daleko niže od preciznosti pametnih brojila, koja prelazi 99%. Takođe, trofazni nebalans može značajno povećati gubitke u linijama; ako trofazni nebalans struje u transformatorskoj zoni premaši 15%, stopa gubitka u linijama će porasti od 2% do 5%. Postojanje ovih problema pokazuje da ručni pregledi više ne mogu da ispunjavaju zahteve za sofisticirano upravljanje, a potrebni su inteligentni metodi za poboljšanje efikasnosti upravljanja.

2.Tehnologije pametne mreže primenjene u upravljanju gubitcima u niskonaponskim transformatorskim zonama

2.1 HPLC (High-Speed Power Line Communication) tehnologija
Osnovni princip HPLC tehnologije je korišćenje postojećih niskonaponskih distribucijskih linija kao medija za komunikaciju, kroz koje se visoko-frekventni modulirani signali prenose putem spregnutih krugova kako bi se ostvario brzi prenos podataka. Ova tehnologija se uglavnom primenjuje u scenarijima poput stvarnog vremena nadzora rada linija u transformatorskim zonama, skupljanja podataka o električnoj energiji i interakcije informacija o potrošnji električne energije korisnika.

Tijekom implementacije, prvobitno treba provesti terensko istraživanje okruženja linija transformatorske zone kako bi se procenile karakteristike kanala i nivoi interferencije, odnosno odrediti optimalnu nosiljačku frekvenciju (obično u opsegu od 1,7–30 MHz) i metod spregnute. Zatim se instaliraju specijalni spregnuti i HPLC komunikacioni moduli na niskonaponskom delu distribucijskog transformatora, granačnim kutijama i brojilima električne energije korisnika kako bi se formirala komunikaciona mreža kroz transformatorsku zonu. Istodobno, baza sistema se deployira kako bi se bez prekidno integrirala sa gornjim slojevima aplikacionih sistema putem konverzije protokola.

Tijekom faze održavanja, redovno treba vršiti inspekcije i kalibracije opreme, monitorisati kvalitet komunikacionih signala i pravo vrijeme reagirati na bilo kakve anomalije. Na primjer, ako atenuacija nosiljačkog signala premaši 30 dB ili stopa greške bita pređe 1×10⁻⁴, trebaju se ispitati greške u linijama ili izvore elektromagnetskih interferencija. Ako je potrebno, treba prilagoditi snagu emitovanja (obično u opsegu od –10 dBm do 30 dBm) ili zamijeniti spregnuti kako bi se osiguralo stabilno funkcionisanje sistema. 

Za poboljšanje stabilnosti komunikacije, HPLC sistemi obično koriste adaptivne sheme modulacije, dinamički birajući mode modulacije na osnovu kvaliteta kanala. Različite sheme modulacije variraju u smislu brzine podataka, otpornosti na šum i pokrivenja, zahtevaju optimiziranu konfiguraciju u skladu sa fluktuacijama opterećenja i uslovi šuma u transformatorskoj zoni. Na primjer, moguće je omogućiti modulaciju višeg reda tokom noći kada su opterećenja manja i nivoi šuma niži kako bi se povećala proletačnost podataka, dok se preklapanje na robustan modus tokom vrhunskih sati dnevne aktivnosti osigurava pouzdanost komunikacije. Tabela 1 navodi tri često korišćene metode modulacije u HPLC sistemima zajedno sa njihovim tehničkim karakteristikama, pružajući referentnu osnovu za konfiguraciju polja parametara.

Tabela 1 Uporedba tehničkih karakteristika često korišćenih metoda modulacije za HPLC

2.2 Inteligentni uređaj za prebacivanje faza
Princip rada inteligentnog uređaja za prebacivanje faza zasniva se na merenju struja i naponih tri faze, izračunavanju neravnoteže opterećenja u stvarnom vremenu, i kada ta neravnoteža premaši predpostavljeni prag (obično 10%–20%), kontrolisanju prebacivanja opterećenja kako bi se opet ravnoteža opterećenja tri faze postigla. Ovaj uređaj se primarno koristi na kraju zona transformatora, posebno u područjima sa velikim jednofaznim opterećenjima.

Tokom implementacije:
Najpre, potrebno je odabrati odgovarajuće mesto za instalaciju—na primer, u granačnicama ili na niskonaponskoj strani distribucijskih transformatora—kako bi se osigurala lakoća izgradnje i održavanja.
Zatim, treba sprovoditi terenska istraživanja kako bi se shvatilo raspoređenje opterećenja i razumno konfigurisana kapacitet prekidača (videti Tabelu 2). Takođe, tokom faze instalacije i komisioniranja, treba sprovoditi simulacije opterećenja kako bi se optimizovala strategija kontrole i podešavanja zaštite; na primer, podešavanje zaštite od prekomerne struje obično se postavlja na 1.2 puta nominalnu struju.
Treće, sistem nadzora rada zone transformatora mora biti unapređen kako bi omogućio razmenu informacija i daljinsku kontrolu sa prekidačem.
Četvrto, tokom faze rada i održavanja, redovno treba sprovoditi preventivne testove na prekidaču kako bi se na vreme identifikovali i rešili potencijalni problemi poput mehaničkog iscrpljenja ili lošeg kontakta, osiguravajući time siguran i pouzdan rad. Takođe, treba redovno analizirati trendove promene opterećenja zone transformatora kako bi se po potrebi prilagođavala logika kontrole i parametri prekidača.

Tabela 2 Referentna konfiguracija kapaciteta za pametni prekidač

2.3 Automatski regulator napona niskog napona
Osnovni princip automatskog regulatora napona na niskonaponskim linijama zasniva se na mernom praćenju napona i struje u stvarnom vremenu, izračunavanju parametara kao što su impedanca linije i faktor snage, te automatskom prilagođavanju pozicije preklapača transformatora na osnovu odstupanja, kako bi se održao izlazni napon unutar prihvatljivog opsega. Ovo uređenje se primarno koristi u niskonaponskim distribucijskim mrežama, posebno u područjima na kraju linija gde napon ima tendenciju da postane previše visok ili nizak.

Prvo, potrebno je odabrati odgovarajuće mesto za instalaciju - na primer, na niskonaponskoj strani distribucijskog transformatora ili ring glavne jedinice, i sprovesti terensko istraživanje kako bi se shvatila zona isporuke i raspodela korisnika duž linije.
Drugo, mora se odrediti kapacitet regulatora (videti Tabelu 3) i strategija upravljanja. Takođe, tijekom faze instalacije i komisijalizacije treba provesti testove bez opterećenja i sa opterećenjem kako bi se verifikovala tačnost regulacije napona (obično se zahteva da bude unutar ±1,5%) i vreme reagovanja (obično ne premaše 30 sekundi), kao i validirane funkcije zaštite poput previsokog i pretinog napona.
Treće, nakon komisijalizacije, treba utvrditi sistem korištenja, održavanja i nadzora, jasno definišući zahteve za inspekciju, operativnost i održavanje kako bi se osigurala sigurna i stabilna radnja regulatora. Na primjer, ako jednofazni napon neprekidno odstupa izvan ±7% od nominalne vrednosti tokom 5 minuta, ili ako nebalans napon tri faze premaše 2%, uzrok mora biti ubrzano identificiran i poduzete ispravne mere. Analiza operativnih podataka pokazuje da pravilno konfigurisani automatski regulatori napona mogu povećati stopu usklađenosti napona linije od 5% do 15%, značajno smanjujući gubitke na liniji uzrokovane prekršajem napona.

Tabela 3 Referentni okvir za odabir automatskih regulatora napona niskog napona

3. Примена технологије

3.1 Позадина случаја и проблеми са губицима на линији
Трансформаторска зона А налази се у центру старог градског дела, са радијусом снабдевања од 1,5 км, која служи 712 становачка корисника и 86 привредних корисника. Расподелна инфраструктура ове зоне углавном укључује један дистрибутивни трансформатор тип S11-M.RL-400/10 са номиналном моћћу од 400 кВА; шест излазних низких напона — две са проводником JKLGYJ-120 мм² и четири са проводником JKLGYJ-70 мм² — са просечном дужином линије од 510 метара по кружној линији; такође, постоје четири HXGN-12 прстеновите расподелне јединице и 18 интегралних расподелних шкафа низког напона.

У последњим годинама, због локализоване градске реновације и проширења привредних објеката, оптерећење у овој трансформаторској зони показало је непрекидни пораст. На пример, 2018. године, врхунско оптерећење достигло је 285 кВ, са повећањем потрошње електричне енергије за 7,6% годишње, али стопа губитака на линији била је висока до 9,7%, значајно пређуши управничком циљу од 6,5% за исто време.

На месту су открили следеће кључне проблеме:

• Лош контакт на спојевима дистрибутивног трансформатора и линија који је довео до локализованог нагревања и додатних губитака;

• Неједнака расподела оптерећења на три фазе, са максималним небалансом од 18,2%;

• Незаконита кабелирања и крађа електричне енергије од стране неких корисника;

• Старе мерења уређаја са грешком мереже над ±5%.

Ови фактори су заједно допринели непрекидно високим губицима на линији у зони, стварајући тешку управничку предизвик.

3.2 Одабир и имплементација технологије
Да би се решили проблеми са губицима на линији у Трансформаторској зони А, после детаљне процене, имплементирана је комплексна решења која интегрише комуникацију HPLC, интелигентне прекидаче за прелазак фаза и аутоматске регулаторе напона.

Прво, HPLC куплу и модуле за комуникацију су инсталовани на страни низког напона трансформатора, а одговарајућа опрема је дислоцирана у свакој граначкој кутији и корисничком броду, установљавајући мрежу за високобрзинску комуникацију преко електричне мреже која покрива целу трансформаторску зону. Ова мрежа је омогућила стварно време надзора над оперативним стањем, укључујући напон, струју, моћ на магистралама и гранама, као и кључне показатеље као што су температура опреме и хармонијска деформација. Одржавање и обслуживање осoblja je moglo brzo otkriti anomalije. Takođe, podaci o preciznom merenju energije pružili su čvrstu podršku za analizu i upravljanje gubitcima na liniji.

Drugo, šest jedinica inteligentnih prekidača za fazi (najveći radni tok od 250 A) je instalirano u glavnim granacima i ključnim lokacijama opterećenja. Ovi prekidači kontinuirano mere nebalans tri-faznog toka i automatski raspoređuju opterećenje kada nebalans premaši 15%, efektivno balansirajući tri faze. Poligon testova je potvrdio da su akcije preklapanja završene unutar 30 ms, s gladkim prelazima bez prekidanja korisnika. Tri meseca nakon komisionisanja, nebalans tri faze u zoni se smanjio sa 18,2% na 6,5%, a stopa gubitaka na liniji se snizila za 1,7%.

Treće, kako bi se rešili problema s neslaganjem napona na kraju linija, instaliran je 200 kVA inteligentni regulator napona 710 metara daleko od transformatora. Regulator prihvata ulaznu opsegu napona od 210–430 V i održava izlaz od 220 V ±2%. Automatski prilagođava svoj omjer vikova na osnovu stvarnih merenja napona na kraju linije, održavajući terminalni napon konzistentno u prihvatljivom opsegu. Od komisionisanja, regulator je brzo reagirao kroz razne vrhove i doline opterećenja, povešavajući stopu ispunjenosti napona na devet ključnih tačaka nadzora sa 87% na preko 98,5%.

Kroz zatvorenu petlju upravljanja "nadzor-kontrola-optimalizacija", ove mere su značajno poboljšale performanse gubitaka na liniji u transformatorskoj zoni A, ostvarivši procenjenu godišnju uštedu od približno 120.000 kWh, sa značajnim ekonomskim benefitima. Usporedba ključnih pokazatelja prikazana je u Tabeli 4.

Tabela 4 Ključna usporedba pokazatelja zone A prije i poslije kompleksnog upravljanja

U stvarnoj implementaciji, treba uzeti u obzir i sledeće:
Prvo, u pogledu pouzdanosti komunikacije HPLC, snage prijenosa, kodiranja kanala i drugih parametara, trebalo bi da se pravilno konfigurišu prema specifičnim uslovima transformatorne zone; ako je potrebno, mogu se koristiti metode releja kako bi se proširio opseg komunikacije.
Drugo, vreme i logika interlokiranja operacija prekidnika za prebacivanje faza trebalo bi da budu pažljivo podešeni kako bi se izbegla prekomjerna ili greška u prebacivanju – na primer, prekidnik može biti podešen tako da djeluje samo kada nebalans premaši 15% i traje 3 minuta.
Treće, pravilna selekcija i konfiguracija kapaciteta naponskog regulatora trebalo bi da uključuju određenu rezervu kako bi se spriječile česte prilagodbe koje mogu dovesti do mehaničkog istrošenja; videti Tabelu 5 za smernice o odabiru i konfiguraciji automatskih naponskih regulatora.

Tabela 5 Referentni modeli za odabir automatskih naponskih regulatora

Takođe, visokokvalitetan tim za održavanje i rad je takođe ključan za osiguranje dugoročnog stabilnog rada sistema. Samo usko prilagođavanje stvarnim potrebama, biranje i optimizacija tehničkih rešenja prema lokalnim uslovima, uz podršku zasnovanom menadžerskom mehanizmu, može doista omogućiti kontinuirani napredak u upravljanju gubitcima na liniji.

4.Zaključak
Upravljanje gubitcima na liniji u niskonaponskim transformatorskim zonama ima veliku važnost za poboljšanje kvaliteta snabdijevanja strujom i ekonomskih efikasnosti, a primena tehnologija pametne mreže pruža snažnu podršku u ovom pogledu. U praktičnom radu, tehnologije kao što su HPLC (High-Speed Power Line Communication), inteligentni uređaji za promenu faza i automatika za regulaciju napon na niskonaponskim linijama postale su ključni fokusi istraživanja i implementacije. Sa ovim tehnologijama moguće je ostvariti realno vreme nadzora stanja operativnosti transformatorske zone, dinamičku balansiranje trofaznih opterećenja i preciznu regulaciju terminalnog napona.

Kao primer, nakon kompletne remedijacije, stopa gubitaka na liniji u Transformatorskoj zoni A u nekom gradu opštine smanjila se sa 9,7% na 6,1%, a stopa saglasnosti napona se poboljšala za 11,5%, ostvarujući značajne ekonomske i društvene koristi.

Međutim, postoje još područja za unapređenje u trenutnoj primeni tehnologija - na primer, dalji razvoj sposobnosti odoljivosti na interferenciju komunikacija i sofisticiranje strategija samoadaptivnog kontrolisanja opreme. U budućnosti, fokus treba da bude na integriranom dizajnu i koordinisanom kontrolisanju inteligentnih uređaja, kao i na dubljem ispitivanju modela predviđanja gubitaka na liniji baziranih na velikim podacima i veštačkoj inteligenciji. Takođe, potrebno je jačanje tehničkog obuke osoblja za održavanje i rad kako bi se osigurala dugoročna stabilna operacija sistema. Ove mere će dostaviti efikasnija i održiva rešenja za upravljanje gubitcima na liniji u niskonaponskim transformatorskim zonama.