الحل الشامل لمنظمي الجهد التدريجي في المحطات الكهربائية: من مبادئ العمل إلى الاتجاهات المستقبلية

1. مبدأ العمل والتطور التكنولوجي للمنظمين المتدرجين للجهد

المنظم المتدرج للجهد (SVR) هو جهاز أساسي لتنظيم الجهد في المحولات الحديثة، حيث يحقق الاستقرار الدقيق للجهد من خلال آليات تغيير الأطواق. يعتمد مبدئه الأساسي على تعديل نسبة المحول: عند اكتشاف انحراف في الجهد، تقوم نظام ميكانيكي مدعوم بمحرك بتغيير الأطواق لتغيير نسبة عدد الألفاف، مما يؤدي إلى تعديل الجهد الخرجي. توفر المنظمات المتدرجة النموذجية ±10% من تنظيم الجهد بزيادات 0.625% أو 1.25%، وفقًا للمعيار ANSI C84.1 للتقلبات الجهدية.

1.1 آليات التنظيم المتدرج

• نظام تبديل الأطواق: يجمع بين المفاتيح الميكانيكية المدعومة بالمحرك والمفاتيح الإلكترونية الصلبة. يستخدم مبدأ "التوصيل قبل القطع" مع مقاومات انتقالية لتقييد التيار الدائري، مما يضمن استمرارية تزويد الطاقة. يتم الانتهاء من التبديل خلال 15–30 مللي ثانية، مما يمنع انخفاض الجهد لأجهزة الحساسة.
• وحدة التحكم المعالجة الدقيقة: مجهزة بمعالجات RISC 32 بت لأخذ عينات الجهد بشكل فوري (≥100 عينة/ثانية). تستعمل تحليل FFT القائم على DSP لفصل المكونات الأساسية والوهمية، مما يحقق دقة قياس ±0.5%.

1.2 تقنيات التحكم الرقمية الحديثة
وحدات التحكم متعددة الوظائف المتكاملة تمكن من تحسين السيناريوهات المعقدة:

• تخفيض الجهد التلقائي (VFR): يخفض الجهد الخرجي أثناء زيادة الحمل النظامي، مما يقلل من الخسائر بنسبة 4–8%. الصيغة: Eff. VSET = VSET × (1 - %R)، حيث %R (عادةً 2–8%) يحدد نسبة التخفيض. على سبيل المثال، نظام 122 فولت مع تخفيض 4.9% ينتج 116 فولت.
• تحديد الجهد: يحدد حدود التشغيل (مثل ±5% Un). يقوم بالتدخل التلقائي أثناء انتهاكات الجهد، ويمكن إلغاؤه بواسطة المشغلين المحليين/عن بعد أو SCADA.
• القدرة على تحمل الأعطال: يحافظ على التنظيم الأساسي أثناء الأعطال (مثل انخفاض الجهد إلى 70% Un). يقوم ذاكرة EEPROM بحفظ المعلمات الحرجة لمدة ≥72 ساعة بعد الانقطاع.

2. حلول تكامل أنظمة المحولات الفرعية

2.1 تحكم بالأطواق الموازية وتعويض موازٍ
يتطلب تنظيم الجهد التحكم المنسق في أجهزة متعددة:

• مبدل الأطواق تحت الحمل (OLTC): المنظم الرئيسي بمدى ±10%. تستخدم OLTCs الحديثة مستشعرات وضع إلكترونية (±0.5% دقة) لإرسال البيانات الفعلية إلى SCADA.
• المجاميع الكهربائية: يتم تبديلها تلقائيًا بناءً على طلب الطاقة غير النشطة. التكوينات النموذجية: 4–8 مجموعات، سعة 5–15% من تصنيف المحول (مثل 2–6 Mvar لنظم 33 كيلوفولت). يجب أن توازن استراتيجيات التحكم بين انحراف الجهد ومعامل القوة (الهدف: 0.95–1.0) لتجنب التعويض الزائد.

2.2 تقنيات تعويض انخفاض الخط
تستخدم الخطوط ذات المسافات الطويلة استراتيجيات التنظيم الموزعة:

• التعويض المتسلسل: تثبيت المكثفات المتسلسلة على خطوط الهواء المفتوحة 10–33 كيلوفولت لتعويض 40–70% من رد فعل الخط. مثال: 2000μF مكثف في نقطة الوسط عند 15 كم يزيد الجهد النهائي بنسبة 4–8%، محمي بواسطة صمامات الحماية MOV.
• منظمي الجهد الخط (SVRs): يتم نشرها 5–8 كم من المحولات الفرعية. السعة: 500–1500 kVA، المدى ±10%. مدمجة مع وحدات النهاية للخط (FTUs) للتحكم المحلي، مما يقلل من الاعتماد على الاتصالات.

2.3 تكوين المعدات

3. استراتيجيات التحكم المتقدمة

3.1 التحكم التقليدي في التسع مناطق وتحسيناته
يتم تقسيم مستوى الجهد والطاقة غير النشطة إلى 9 مناطق لتحفيز الإجراءات المحددة مسبقًا:

• منطق المنطقة: تحدد الحدود بواسطة حدود الجهد (مثل ±3% Un) وحدود الطاقة غير النشطة (مثل ±10% Qn). مثال: منطقة 1 (انخفاض الجهد) تثير زيادة الجهد.
• القيود: تتسبب التذبذبات على الحدود في تشغيل الأجهزة بشكل متكرر (مثل تبديل المجاميع في المنطقة 5)، ولا تتعامل مع التداخل متعدد القيود (مثل انتهاك الجهد + نقص الطاقة غير النشطة).

3.2 التحكم الضبابي والتوزيع الديناميكي للمناطق
تتبنى الأنظمة الحديثة المنطق الضبابي للتغلب على القيود:

• الضبابية: تحدد انحراف الجهد (ΔU) وانحراف الطاقة غير النشطة (ΔQ) كمتغيرات ضبابية (مثل السالب الكبير إلى الموجب الكبير)، مع دوال العضوية شبه المنحرفة.
• قاعدة القواعد: 81 قاعدة ضبابية تسمح بالترابط اللاخطي، مثل:
• إذا كان ΔU سالب كبير AND ΔQ صفر فإن رفع الجهد.
• التعديل الديناميكي: يوسع المناطق الميتة للجهد أثناء الأحمال الثقيلة (±1.5%→±3%)، مما يقلل من تشغيل الأجهزة بنسبة 40–60%.

3.3 التحسين متعدد الأهداف
لسيناريوهات تكامل الطاقة الموزعة:

• دالة الهدف:
  Min[Ploss + λ1·(Uref - Umeas)² + λ2·(Qbalance) + λ3·(Tap_change)]
  (λ: معاملات الوزن؛ Tap_change: تكلفة عملية التبديل)
• القيود:
1. سلامة الجهد: Umin ≤ Ui ≤ Umax
2. سعة الجهاز: |Qc| ≤ Qcmax
3. عمليات التبديل اليومية: ∑|Tap_change| ≤ 8
• الخوارزمية: تحسين PSO المحسن مع 50 جسيم يتقارب في <3 ثانية، مما يلبي متطلبات الوقت الحقيقي.

4. أنظمة الدعم للاتصالات والتحكم الآلي

4.1 هندسة الاتصال IEC 61850

• رسائل GOOSE: تدعم الأوامر بين المحطات بتأخير <10 مللي ثانية. تمكن من التحكم المنسق في الجهد (مثل استجابة المحطات الفرعية في غضون 100 مللي ثانية لأوامر المحطة الرئيسية).
• نمذجة المعلومات: تحدد العقد المنطقية (مثل ATCC للتحكم بالأطواق، CPOW للمجاميع الكهربائية)، كل منها مع 30+ كائنات بيانات (مثل TapPos، VoltMag) للتكامل بسهولة.

4.2 تكامل نظام SCADA

• جمع البيانات: RTUs تأخذ عينات من البيانات الحرجة (الجهد، التيار، موقع الطوق) كل 2 ثانية، مع أولوية لإرسال بيانات الجهد.
• وظائف التحكم:
1. تعديل المعلمات عن بعد (مثل VSET، %R).
2. تبديل سلس بين وضع التحكم التلقائي واليدوي.
3. قفل التشغيل التلقائي أثناء أعطال الأجهزة.
• التصور: مخططات خط واحد ديناميكية (مع تسليط الضوء على انتهاكات الجهد باللون الأحمر)، منحنيات الاتجاه، والإنذارات الصوتية.

4.3 البروتوكولات الرئيسية للاتصال

5. تحسين الأداء والتحقق منه

5.1 تنفيذ بروتوكول تحسين الجهد (VO)
نهج الجمعية الأمريكية للطاقة الثلاثي المستويات:

1. تخفيض الجهد الثابت (VFR): تخفيض كامل الوقت 2–3% (مثل 122V→119V). مناسب للأحمال المستقرة. توفير سنوي: 1.5–2.5%، ولكن يشكل خطرًا على بدء تشغيل المحركات.
2. تعويض انخفاض الخط (LDC): يعدل الجهد بشكل ديناميكي بناءً على تيار الحمل.
3. ردود الفعل التلقائية للجهد (AVFC): تحكم حلقة مغلقة باستخدام 3–5 أجهزة استشعار بعيدة/خط. خوارزمية PID بدورات 30 ثانية.

5.2 تحديد الأداء

• جمع البيانات: أجهزة تحليل الطاقة من فئة 0.2S تسجل الجهد، THD، ومعلمات الطاقة (فترات 1 ثانية، مدة 7 أيام).
• حساب توفير الطاقة: تحليل الانحدار يستبعد تأثيرات درجة الحرارة.
• المؤشرات الرئيسية:
• نسبة التوافق مع الجهد: >99.5%
• عمليات الأجهزة اليومية: <4
• تخفيض خسائر الخط: 3–8%
• عمر الخدمة لتبديل المجاميع: >100,000 دورة.

5.3 مقارنة تقنيات التحسين