Komplet løsning for spændingsregulatører i understationer: Fra arbejdssætninger til fremtidige tendenser
1. Arbejdss princip og teknologisk udvikling af trinvise spændingsregulatører
Den trinvise spændingsregulatør (SVR) er en kerneenhed til spændingsregulering i moderne understationer, der opnår præcis spændingsstabilisering gennem tap-changing mekanismer. Dens kerneprincip er baseret på transformatorforholdjustering: når der registreres en spændingsafvigelse, skifter et motor-drevet system taps for at ændre vindingsforholdet, hvilket justerer udgangsspændingen. Typiske SVR'er giver ±10% spændingsregulering med trinforøgelser på 0.625% eller 1.25%, i overensstemmelse med ANSI C84.1-standarden for spændingsfluktueringer.
1.1 Trinvist reguleringssystem
- Tapskiftsystem: Kombinerer motor-drevne mekaniske skifter og fasttilstands elektroniske skifter. Bruger et "make-before-break" princip med overgangsmodstandere for at begrænse cirkulerende strøm, hvilket sikrer uafbrudt strømforsyning. Skift udføres inden for 15–30 ms, og undgår spændingsfald for følsom udstyr.
- Mikroprocessorstyret kontrolenhed: Udstyret med 32-bit RISC-processorer for realtid spændingssampling (≥100 prøver/sec). Anvender DSP-baseret FFT-analyse for at adskille grundtoner og harmoniske komponenter, og opnår målnøjagtighed på ±0.5%.
1.2 Moderne digitale kontrolteknologier
Integrerede multifunktionelle kontrolmoduler muliggør kompleks scenariooptimering:
- Automatisk spændingsreduktion (VFR): Reducerer udgangsspændingen under systemoverbelastning, nedsætter tab med 4–8%. Formel: Eff. VSET = VSET × (1 - %R), hvor %R (typisk 2–8%) definerer reduktionsforholdet. For eksempel producerer et 122V-system med 4.9% reduktion 116V.
- Spændingsbegrænsning: Sætter driftsgrenser (f.eks. ±5% Un). Intervenerer automatisk under spændingskrænkelser, kan overstyres af lokale/fjerne operatører eller SCADA.
- Fault Ride-Through: Vedligeholder grundlæggende regulering under fejl (f.eks. spændingen falder til 70% Un). EEPROM-lager bevarer kritiske parametre i mindst 72 timer efter afbrydelsen.
2. Understations systemintegrationsløsninger
2.1 Transformer tapskontrol & parallelle kompensation
Spændingsregulering kræver koordineret kontrol af flere enheder:
- On-Load Tap Changer (OLTC): Primær regulator med ±10% område. Moderne OLTC'er bruger elektroniske positionsensorer (±0.5% nøjagtighed) for at sende realtid data til SCADA.
- Kondensatorbanker: Aktiveres automatisk baseret på reaktiv effekt efterspørgsel. Typiske konfigurationer: 4–8 grupper, kapacitet på 5–15% af transformatorrating (f.eks. 2–6 Mvar for 33kV-systemer). Kontrolstrategier skal balancere spændingsafvigelse og effektfaktor (mål: 0.95–1.0) for at undgå overkompensation.
2.2 Linje-fald-kompensations teknologier
Lange ledningslinjer anvender fordelt regulering:
- Seriekompensation: Installer serie kondensatorer på 10–33kV luftledninger for at kompensere 40–70% af linjereaktance. Eksempel: En 2000μF kondensator midt på 15 km forhøjer slutspændingen med 4–8%, beskyttet af MOV lynbeskyttelsesapparater.
- Linjespændingsregulatører (SVR'er): Installeres 5–8 km fra understationer. Kapacitet: 500–1500 kVA, rækkevidde ±10%. Integreret med Feeder Terminal Units (FTU'er) for lokal automatisering, reducerer kommunikationsafhængighed.
2.3 Udstyrkonfiguration
|
Enhedstype |
Funktion |
Vigtige parametre |
Typisk placering |
|
OLTC-transformator |
Primær spændingskontrol |
±8 taps, 1.25%/trin, <30s respons |
Understations hovedtransformator |
|
Kondensatorbanker |
Reaktiv kompensation |
5–15 Mvar, <60s skifteforsinkelse |
35kV/10kV bus |
|
Linjeregulator (SVR) |
Mid-voltage kompensation |
±10 taps, 0.625%/trin, 500–1500kVA |
Feeder midtpunkt |
|
SVG |
Dynamisk kompensation |
±2 Mvar, <10ms respons |
Fornyelig netforbindelse |
3. Avancerede kontrolstrategier
3.1 Traditionel ni-zones kontrol & forbedringer
Spændings-reaktiv effektplanen er opdelt i 9 zoner for at udløse fordefinerede handlinger:
- Zonelogik: Grænser sat af spændingsgrænser (f.eks. ±3% Un) og reaktive grænser (f.eks. ±10% Qn). Eksempel: Zone 1 (lav spænding) udløser spændingsforhøjelse.
- Begrænsninger: Grænseoscillationer forårsager hyppige enhedsaktioner (f.eks. kondensatorskifter i zone 5), og klargør ikke multi-betingelseskobling (f.eks. spændingskrænkelse + reaktiv mangel).
3.2 Uskarpe kontrol & dynamisk zonering
Moderne systemer anvender uskarpe logik for at overkomme begrænsninger:
- Uskarpering: Definerer spændingsafvigelse (ΔU) og reaktiv afvigelse (ΔQ) som uskarpe variable (f.eks., Negativ stor til Positiv stor), med trapetsformede medlemsfunktioner.
- Regelbase: 81 uskarpe regler muliggør ikke-lineær mapping, f.eks.:
- HVIS ΔU er Negativ stor OG ΔQ er Nul SÅ Hæv Spænding.
- Dynamisk justering: Udvider spændingsdødezoner under tung belastning (±1.5%→±3%), reducerer enhedsaktioner med 40–60%.
3.3 Flere målsætningsoptimering
For scenarier med fordelt energiintegration:
- Mål Funktion:
Min[Ploss + λ1·(Uref - Umeas)² + λ2·(Qbalance) + λ3·(Tap_change)]
(λ: vægtning koefficienter; Tap_change: tap operation kost) - Begrænsninger:
- Spændings sikkerhed: Umin ≤ Ui ≤ Umax
- Enhed kapacitet: |Qc| ≤ Qcmax
- Daglige tap operationer: ∑|Tap_change| ≤ 8
- Algoritme: Forbedret PSO-optimering med 50 partikler konvergerer i <3s, opfylder realtid krav.
4. Kommunikation & automatiserings understøttelsessystemer
4.1 IEC 61850 kommunikationsarkitektur
- GOOSE Messaging: Støtter inter-station kommandoer med <10ms forsinkelse. Muliggør koordineret spændingskontrol (f.eks. understationer svarer inden for 100ms til hovedstationskommandoer).
- Informationsmodelering: Definerer logiske knuder (f.eks. ATCC for tapskontrol, CPOW for kondensatorer), hver med 30+ dataobjekter (f.eks. TapPos, VoltMag) for plug-and-play integration.
4.2 SCADA systemintegration
- Dataindsamling: RTU'er sampler vigtige data (spænding, strøm, tapsposition) hvert 2 sekunder, prioriterer spændingsdataoverførsel.
- Kontrolfunktioner:
- Fjernparameterjustering (f.eks. VSET, %R).
- Seamless auto/manual tilstandsveksling.
- Automatisk driftslåsning under enhedsfejl.
- Visualisering: Dynamiske single-line diagrammer (spændingskrænkelser markeret i rødt), trendkurver, og lydalarm.
4.3 Vigtige kommunikationsprotokoller
|
Lag |
Technologi |
Ydeevne |
Anvendelse |
|
Station Lag |
MMS |
Forsinkelse <500ms |
Overvågningsdata upload |
|
Proces Lag |
GOOSE |
Forsinkelse <10ms |
Beskyttelse & kontrol |
|
Inter-Station |
R-GOOSE |
Forsinkelse <100ms |
Multi-station samordning |
|
Sikkerheds Lag |
IEC 62351-6 |
AES-128 kryptering |
Alle kommunikationslag |
5. Ydeevneoptimering & validering
5.1 Spændingsoptimerings (VO) protokolimplementering
USA Energi Association's tre-trins tilgang:
- Fast spændingsreduktion (VFR): Fuldtids 2–3% reduktion (f.eks. 122V→119V). Egnet til stabile belastninger. Årlig besparelse: 1.5–2.5%, men risikerer motorstartproblemer.
- Linje-fald-kompensation (LDC): Justerer spændingen dynamisk baseret på belastningsstrøm.
- Automatisk spændingsfeedback (AVFC): Lukket-loop kontrol ved hjælp af 3–5 fjerne sensorer/feeder. PID-algoritme med 30s cyklus.
5.2 Ydeevne kvantificering
- Dataindsamling: 0.2S-klasse strømanalyser registrerer spænding, THD, og effektparametre (1s intervaller, 7-dages varighed).
- Energibesparelsesberegning: Regressionsanalyse udelukker temperaturvirksomheder.
- Nøglemetrikker:
- Spændingsoverholdelsesrate: >99.5%
- Daglige enhedsaktioner: <4
- Linjetabreduktion: 3–8%
- Kondensator skift levetid: >100,000 cykler.
5.3 Optimeringsteknik sammenligning
