Solució completa per a reguladors de tensió en subestacions: Des dels principis de funcionament fins a les tendències futures

1. Principi de funcionament i evolució tecnològica dels reguladors de tensió per etapes

El Regulador de Tensió per Etapes (RTE) és un dispositiu central per al control de la tensió en les subestacions modernes, assolint una estabilització precisa de la tensió mitjançant mecanismes de canvi de toma. El seu principi fonamental es basa en l'ajust del rati de transformació: quan es detecta una desviació de tensió, un sistema motoritzat canvia les tomes per alterar el rati de voltatges, ajustant així la tensió de sortida. Els RTE típics ofereixen un control de tensió de ±10% amb increments d'etapa de 0,625% o 1,25%, complint amb l'estàndard ANSI C84.1 per a fluctuacions de tensió.

1.1 Mecanismes de regulació per etapes

• Sistema de canvi de tomes: Combina interruptors mecànics motoritzats i interruptors electrònics de estado sòlid. Utilitza el principi de "connecta abans de trencar" amb resistors de transició per limitar la corrent circulant, assegurant una alimentació ininterrupta. El canvi de tomes s'acompleix en 15-30 ms, prevenint caigudes de tensió per a equips sensibles.
• Unitat de Control de Microprocessador: Equipada amb processadors RISC de 32 bits per a mostreig de tensió en temps real (≥100 mostres/s). Emplea anàlisi FFT basada en DSP per separar components fonamentals i harmònics, assolint una precisió de mesura de ±0,5%.

1.2 Tecnologies de control digital modernes
Mòduls de control multifuncionals integrats permeten l'optimització de escenaris complexos:

• Reducció Automàtica de Tensió (VFR): Redueix la tensió de sortida durant sobrecàrregues del sistema, reduint les pèrdues en un 4-8%. Fórmula: Eff. VSET = VSET × (1 - %R), on %R (típicament 2-8%) defineix el rati de reducció. Per exemple, un sistema de 122V amb una reducció del 4,9% produeix 116V.
• Límit de Tensió: Estableix límits operatius (p. ex., ±5% Un). Intervé automàticament durant violacions de tensió, sobreescrita per operadors locals/remots o SCADA.
• Tolerància a Faults: Manté la regulació bàsica durant faults (p. ex., caiguda de tensió a 70% Un). El magatzemament EEPROM preserva paràmetres crítics per ≥72 hores post-interrupció.

2. Solucions d'integració de sistemes de subestacions

2.1 Control de tomes del transformador i compensació paral·lela
La regulació de tensió requereix un control coordinat de diversos dispositius:

• Canviador de Tomes Sobrecàrrega (OLTC): Regulador principal amb un rang de ±10%. Els OLTC moderns utilitzen sensors de posició electrònics (precisió de ±0,5%) per transmetre dades en temps real a SCADA.
• Bancs de Capacitors: Commutats automàticament basant-se en la demanda de potència reactiva. Configuracions típiques: 4-8 grups, capacitat de 5-15% de la capacitat del transformador (p. ex., 2-6 Mvar per a sistemes de 33kV). Les estratègies de control han de balançar la desviació de tensió i el factor de potència (objectiu: 0,95-1,0) per evitar la sobrecompensació.

2.2 Tecnologies de compensació de caiguda de línia
Les alimentacions de llarga distància utilitzen estratègies de regulació distribuïdes:

• Compensació en Sèrie: Instal·la capacitors en sèrie en línies aèries de 10-33kV per compensar 40-70% de la reactància de la línia. Exemple: Un capacitor de 2000μF a mig camí (15 km) augmenta la tensió final en 4-8%, protegit per pararrayos MOV.
• Reguladors de Tensió de Línia (RTE): Desplegats a 5-8 km de les subestacions. Capacitat: 500-1500 kVA, rang ±10%. Integrats amb Unitats Terminal de Feeder (FTU) per a automatització localitzada, reduint la dependència de la comunicació.

2.3 Configuració d'equips

3. Estratègies de control avançades

3.1 Control tradicional de nou zones i milloraments
El pla de tensió-potència reactiva es divideix en nou zones per a desencadenar accions predefinides:

• Lògica de Zona: Limits establerts per límits de tensió (p. ex., ±3% Un) i límits reactivos (p. ex., ±10% Qn). Exemple: La zona 1 (baixa tensió) desencadena un increment de tensió.
• Limitacions: Les oscil·lacions a les fronteres causen accions freqüents dels dispositius (p. ex., commutació de capacitors a la zona 5), i no poden gestionar la couplació de múltiples restriccions (p. ex., violació de tensió + deficiència reactiva).

3.2 Control difús i zonificació dinàmica
Els sistemes moderns adopten lògica difusa per superar les limitacions:

• Fuzzificació: Defineix la desviació de tensió (ΔU) i la desviació reactiva (ΔQ) com a variables difuses (p. ex., Negativa Gran a Positiva Gran), amb funcions de pertinença trapezoidals.
• Base de Regles: 81 regles difuses permeten una correspondència no lineal, p. ex.:
• SI ΔU és Negativa Gran I ΔQ és Zero Aleshores Augmenta Tensió.
• Ajust Dinàmic: Expandeix les zones mortes de tensió durant càrregues pesades (±1,5%→±3%), reduint les accions dels dispositius en un 40-60%.

3.3 Optimització multi-objectiu
Per a escenaris d'integració d'energia distribuïda:

• Funció Objectiu:
  Min[Ploss + λ1·(Uref - Umeas)² + λ2·(Qbalance) + λ3·(Tap_change)]
  (λ: coeficients de ponderació; Tap_change: cost de la operació de tomes)
• Restriccions:
1. Seguretat de tensió: Umin ≤ Ui ≤ Umax
2. Capacitat del dispositiu: |Qc| ≤ Qcmax
3. Operacions diàries de tomes: Σ|Tap_change| ≤ 8
• Algoritme: Optimització PSO millorada amb 50 partícules que convergeix en <3s, complint els requisits en temps real.

4. Sistemes de suport de comunicació i automatització

4.1 Arquitectura de Comunicació IEC 61850

• Missatgeria GOOSE: Suporta ordres interestacionals amb <10ms de retard. Habilita un control de tensió coordinat (p. ex., les subestacions responen en 100ms a les ordres de la subestació principal).
• Modelatge d'Informació: Defineix nodes lògics (p. ex., ATCC per al control de tomes, CPOW per als capacitors), cadascun amb més de 30 objectes de dades (p. ex., TapPos, VoltMag) per a integració plug-and-play.

4.2 Integració del Sistema SCADA

• Adquisició de Dades: Les RTUs mostren dades crítiques (tensió, corrent, posició de tomes) cada 2 segons, prioritariant la transmissió de dades de tensió.
• Funcions de Control:
1. Ajust remot de paràmetres (p. ex., VSET, %R).
2. Canvi fluid entre modes automàtic i manual.
3. Bloqueig automàtic de l'operació durant faults del dispositiu.
• Visualització: Diagrames de línia única dinàmics (violacions de tensió destacades en vermell), corbes de tendència i alarms sonores.

4.3 Protocols de Comunicació Clau

5. Optimització i validació del rendiment

5.1 Implementació del protocol d'optimització de tensió (VO)
L'aproximació de tres nivells de l'Associació d'Energia dels EUA:

1. Reducció Fixa de Tensió (VFR): Reducció total de 2-3% (p. ex., 122V→119V). Adequat per a càrregues estables. Estalvis anuals: 1,5-2,5%, però comporta riscos de problemes d'arrancada de motors.
2. Compensació de Caiguda de Línia (LDC): Ajusta dinàmicament la tensió basant-se en la corrent de càrrega.
3. Comptador de Retroalimentació de Tensió Automàtica (AVFC): Control en bucle tancat utilitzant 3-5 sensors remots/feeder. Algoritme PID amb cicles de 30s.

5.2 Quantificació del rendiment

• Recopilació de Dades: Analitzadors de potència de classe 0,2S registren tensió, THD i paràmetres de potència (intervals de 1s, durada de 7 dies).
• Càlcul d'Estalvis d'Energia: Anàlisi de regressió exclou els efectes de temperatura.
• Mètriques Clau:
• Taxa de conformitat de tensió: >99,5%
• Accions diàries del dispositiu: <4
• Reducció de pèrdues de línia: 3-8%
• Vida útil de commutació de capacitors: >100.000 cicles.

5.3 Comparació de tècniques d'optimització