حلول مبتكرة لمنظمي الجهد الاضافي في أنظمة توزيع الكهرباء

1 ملخص تنفيذي​

​تحديات إدارة الجهد في الشبكات التوزيعية الحديثة:​​

• المغذيات ذات المسافات الطويلة تسبب انخفاضًا في الجهد؛
• تكامل مصادر الطاقة الموزعة (DER) يؤدي إلى تدفق طاقة ثنائي الاتجاه؛
• التقلبات في الحمل تسبب تغيرات متكررة في الجهد.

​السمات الفنية لمنظمي الجهد المتدرج (SVRs):​​

• يستخدم تقنية تغيير الوصلة لتغيير نسبة دوران ملفات المحول، مما يحقق نطاق تعديل جهد ±10% (عادةً في 32 خطوة، 0.625% لكل خطوة)؛
• مزايا رئيسية تكمن في قدرات التعديل الديناميكي في الوقت الحقيقي مع استراتيجيات تحكم متعددة، مما يوفر دعمًا مرناً للجهد في شبكة التوزيع.

​اتجاهات تطور التكنولوجيا:​​

• تطور من المقابس الميكانيكية الأساسية إلى أنظمة متكاملة تشمل الإلكترونيات القوية والخوارزميات التكيفية للتحكم والوحدات الذكية للتواصل؛
• مثال ممثل: ABB SPAU341C يدمج وظيفة تعويض الهبوط الخطي (LDC)، محاكاة خصائص إعاقة الخط لتحقيق السيطرة الدقيقة على الجهد في نقاط الحمل البعيدة؛
• استخدام المفاتيح المغناطيسية والترائيكس يقلل من خسائر المعدات والحجم، مما يعزز مرونة النشر والفعالية الاقتصادية.

​2 المبدأ الفني والهيكل​

​آلية التنظيم الأساسية للجهد:​​

• يحقق التنظيم للجهد عن طريق تغيير نسبة دوران ملفات المحول، معتمداً على تقنية تغيير الوصلة في مقابس التحميل تحت الحمل (OLTCs).

​عملية التحكم بحلقة مغلقة:​​

1. محولات الجهد تستلم باستمرار إشارات جهد النظام؛
2. تُنشئ إشارات خطأ عن طريق مقارنة القيم المستلمة بالقيم المرجعية المحددة؛
3. وحدة التحكم تقرر اتجاه تغيير الوصلة (زيادة/نقصان) وحجم الخطوة بناءً على إشارة الخطأ.

​المعلمات الفنية الرئيسية للمنظمين الحديثين (SVRs):​​

• على سبيل المثال، ABB SPAU341C: يدعم خطوات ضبط الجهد الدقيقة بنسبة 0.625%، مما يتيح ضبط الجهد بدقة في 32 خطوة ضمن نطاق ±10%.

​2.1 المكونات الأساسية​

• ​مفتاح الوصلة تحت الحمل (OLTC):​​ هو العنصر الرئيسي للمنظِّم، يستخدم مطفآت فراغية لتقليل الشرار الكهربائي. المقاومات الانتقالية تضمن استمرارية التيار أثناء التحويل، مما يمنع انقطاع التغذية للحمل. التصاميم الحديثة تستعمل تقنية الانتقال المزدوج للمقاومات، مما يقلل وقت التحويل إلى 40-60 ميلي ثانية.
• ​وحدة التحكم:​​ مبنية على المعالجات الدقيقة عالية الأداء (ARM/DSP)، تدمج استراتيجيات تحكم متعددة. ABB SPAU341C يعتمد على هندسة موديولية، تتضمن وحدات الاتصال، وحدات الإدخال والإخراج، ووحدة التنظيم التلقائي للجهد، مما يدعم المراقبة المستمرة للتشخيص الفوري للعتاد والبرمجيات.
• ​وحدة القياس والحماية:​​ محولات الجهد/التيار (مثل PT1، PT2، TA1) تستلم باستمرار معلمات النظام. الوحدات مجهزة بوظائف حظر التيار الزائد الثلاثي والأجراء عند انخفاض الجهد. عند اكتشاف دائرة قصيرة أو هبوط شديد في الجهد، يتم حظر عمليات تغيير الوصلة فوراً لمنع تلف المعدات.
• ​واجهة التواصل والتشغيل:​​ تدعم بروتوكولات التواصل مثل Ethernet، GPRS وغيرها لمراقبة بعيدة وإعداد المعلمات. وحدة العرض توفر واجهة تشغيل محلية، تعرض المعلمات الرئيسية مثل النقاط المرجعية والقيم المقاسة في الوقت الحقيقي.

​2.2 الخصائص التشغيلية الرئيسية​

​3 حلول التطبيق في تصميم نظام التوزيع​

​3.1 السيناريوهات التطبيقية النموذجية​

• ​المغذيات الرادية الطويلة:​​ تطبيق كلاسيكي لمنظمي الجهد (SVRs). في شبكات التوزيع الريفية، غالبًا ما تمتد خطوط 10kV لأكثر من 15 كم، مما يسبب انحرافًا شديدًا في الجهد في نهاية المغذي. نشر منظمي الجهد (SVRs) في منتصف الخط أو في نهاية المغذي يعوض بشكل فعال عن هبوط الجهد. تظهر الممارسات الهندسية أن منظم جهد واحد يمكنه زيادة نصف قطر المغذي بنسبة 30%، وتحسين معدل الامتثال للجهد في نهاية المغذي من أقل من 70% إلى أكثر من 98%، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة تحديث الخط.
• ​شبكات التوزيع الحضرية ذات الكثافة العالية:​​ تواجه تحديات التقلبات في الحمل وعدم التطابق في الجهد. عادةً ما يتم تركيب منظمي الجهد (SVRs) في مخارج المحولات أو في عقد الوحدات الرئيسية الحلقة (RMU). في مشروع إعادة تجهيز منطقة تجارية في المدينة، أدى تركيب منظمي الجهد في 4 عقد رئيسية إلى تقليل التقلبات في الجهد خلال ساعات الذروة من ±8% إلى ±2%، بينما قلل أيضًا من خسائر الخط بنسبة 12% من خلال تحسين الطاقة غير الفعالة.
• ​مناطق الاختراق العالي لمصادر الطاقة الموزعة (DER):​​ تتطلب إدارة تحديات تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه. عندما يتجاوز اختراق الطاقة الشمسية 30%، غالبًا ما تواجه الشبكات التقليدية انتهاكات للجهد. يقوم منظمي الجهد (SVRs) بتعديل المنطق التحكمي تلقائيًا عبر وضع الطاقة العكسية، مما يخفض الجهد بشكل نشط خلال فترات فائض التوليد. أدى مشروع تجريبي للطاقة الشمسية باستخدام التحكم التنسيقي بين منظمي الجهد ومحوّلات الطاقة الشمسية إلى زيادة قدرة استيعاب الطاقة الشمسية المحلية بنسبة 25% وتقليل معدلات القطع بنسبة 18%.

​3.2 تحسين استراتيجية التحكم​

• ​تحسين الجهد والطاقة غير الفعالة (VVO):​​ ينسق بين منظمي الجهد (SVRs) ومجموعات المكثفات الموازية لتقليل خسائر النظام.
• ​التحكم التنسيقي متعدد المراحل:​​ في الشبكات المعقدة حيث يتم تركيب عدة منظمي جهد (SVRs) بشكل متسلسل، يجب تجنب تعارضات التحكم. تعد طريقة التنسيق الزمني الأكثر عملية—تحديد تأخير المنظم (SVR) العلوي (عادةً 30-60 ثانية) ليكون على الأقل ضعف تأخير المنظم (SVR) السفلي. عند اكتشاف انتهاك للجهد، يعمل المنظم السفلي أولاً. إذا استمرت المشكلة بعد فترة التأخير الخاصة به، يتدخل المنظم العلوي. هذا النهج يقلل بشكل كبير من العمليات غير الضرورية لتغيير الوصلة (حتى 40%) مع الحفاظ على استقرار الجهد.
• ​استراتيجيات التحكم التكيفية:​​ منظمي الجهد الحديثون (مثل SPAU341C) يدمجون خوارزميات ذاتية التعلم لتوقع احتياجات تعديل الجهد بناءً على الأنماط التاريخية للحمل. يقوم النظام بتغيير مسبق لمواقع الوصلات خلال فترات أنماط الحمل اليومية المماثلة (مثل الذروة الصباحية)، مما يقلل من زمن استجابة تعديل الجهد من دقائق إلى ثوانٍ. هذه الاستراتيجية مناسبة بشكل خاص للتقلبات في إنتاج الطاقة الشمسية أو السيناريوهات ذات الشحن المركّز للمركبات الكهربائية (EV).

​3.3 مصفوفة اختيار السيناريو​

​4 性能优化与创新技术​

​降损技术：​​

混合开关技术是减少SVR损耗的核心创新。传统的机械分接开关接触电阻高达数十毫欧，并且存在显著的电弧损耗。现代解决方案采用磁保持继电器和背对背晶闸管的混合结构：

• ​稳态导通：​​ 由磁保持继电器处理（接触电阻<1毫欧）
• ​切换瞬间：​​ 背对背晶闸管提供电流路径（触发时间<2微秒）
• ​切换后稳态：​​ 机械触点再次闭合，半导体器件关闭。
  这种设计将切换损耗降低了80%，体积缩小了40%，实现了无电弧切换，并延长了设备寿命。实际运行数据显示，混合开关SVR的年维护成本比传统型号低55%。

​拓扑创新​也做出了重要贡献。级联电压调节器采用串联变压器和并联电容器的混合结构，提供三种可选操作模式：

1. ​等效串联补偿模式：​​ 针对长线路末端的电压提升。
2. ​电压-无功调整模式：​​ 协调电压和无功优化。
3. ​纯电压调节模式：​​ 快速响应电压骤降。
   这种设计在相同容量下系统损耗减少了15-20%，同时提高了故障穿越能力。

​5 应用案例与实践经验​

​5.1 农村长距离馈线的电压提升​

• ​项目背景：​​ 一个山区28公里10kV馈线供电分散负荷。高峰时段末端电压降至8.7kV（低于标准下限9.7kV），无法满足灌溉泵的电力需求。传统解决方案需要新建变电站，成本超过800万日元。
• ​解决方案：​​ 在12公里和22公里处串联部署两台ABB SPAU341C调节器，采用主从协调策略。
• 设备配置：每台SVR：800kVA，±15%范围，启用LDC。
• 控制策略：主站（22公里）延迟：60秒；从站（12公里）延迟：30秒。
• 补偿参数：虚拟R = 0.32Ω，X = 0.45Ω（模拟线路阻抗）。
• ​结果：​​
• 末端电压稳定在9.8-10.2kV；合格率从61%上升到99.6%。
• 灌溉季节高峰负荷期间水泵启动转矩不足的问题完全消除。
• 总投资：180万日元（相比新建变电站成本降低77.5%）。
• 年能源损失减少约150 MWh，相当于节约能源成本约12万日元。

​5.2 城市高密度区域的电能质量改善​

• ​项目背景：​​ 在城市环网单元（RMU）的供电区域内，商业综合体和电动汽车充电站导致电压波动达到±8%。变压器在高峰时段负载率达到130%。
• ​解决方案：​​ 在RMU入口处部署SVR + 动态无功补偿（SVG）系统。
• 设备选择：SPAU341C调节器（1250kVA）±200kVar SVG。
• 控制架构：VVO协调控制器每5分钟进行一次联合优化。
• 预测算法：基于深度学习的负荷预测（准确率>92%）。
• ​结果：​​
• 电压波动控制在±2%以内（符合IEEE 519标准）。
• 变压器负载率降至85%，释放30%容量。
• 综合线路损耗从7.8%降至6.2%，每年节省约8万日元。
• 充电桩故障率降低40%；用户投诉减少90%。