راهکار جامع برای تنظیم‌کننده‌های ولتاژ پله‌ای زیرстанسیون: از اصول کار تا روندهای آینده

1. اصل کار و تکامل فنی تنظیم‌کننده‌های ولتاژ گام‌به‌گام

تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ گام‌به‌گام (SVR) دستگاه اصلی در تنظیم ولتاژ در زیرстанسیون‌های مدرن است که با استفاده از مکانیسم‌های تغییر پله، تنظیم دقیق ولتاژ را انجام می‌دهد. اصل کار آن بر اساس تنظیم نسبت ترانسفورماتور است: هنگامی که انحراف ولتاژ شناسایی می‌شود، سیستم موتوری پله‌ها را تغییر می‌دهد تا نسبت دورهای لوله ترانسفورماتور را تغییر دهد و به تبع آن ولتاژ خروجی را تنظیم کند. SVRهای معمولی تنظیم ولتاژ ±10% با گام‌های 0.625% یا 1.25% را فراهم می‌کنند که با استاندارد ANSI C84.1 برای نوسانات ولتاژ مطابقت دارد.

1.1 مکانیسم تنظیم گام‌به‌گام

• سیستم تغییر پله: ترکیبی از سوئیچ‌های مکانیکی موتوری و سوئیچ‌های الکترونیکی جامد. از اصل "برقراری قبل از قطع" با مقاومت‌های انتقال برای محدود کردن جریان حلقه استفاده می‌کند تا تامین برق بدون وقفه را امکان‌پذیر کند. تغییر پله در مدت 15-30 میلی‌ثانیه تکمیل می‌شود که منجر به جلوگیری از سقوط ولتاژ برای تجهیزات حساس می‌شود.
• واحد کنترل میکروپروسسور: با پردازنده‌های RISC 32 بیتی مجهز شده برای نمونه‌برداری ولتاژ در زمان واقعی (≥100 نمونه/ثانیه). از تحلیل FFT مبتنی بر DSP برای جدا کردن مؤلفه‌های اصلی و هارمونیک استفاده می‌کند که دقت اندازه‌گیری ±0.5% را فراهم می‌کند.

1.2 فناوری‌های کنترل دیجیتال مدرن
مدول‌های کنترل چندمنظوره یکپارچه بهینه‌سازی سناریوهای پیچیده را امکان‌پذیر می‌کنند:

• کاهش ولتاژ خودکار (VFR): ولتاژ خروجی را در حالت بار زیاد کاهش می‌دهد و با 4-8% کاهش، ضرر را کاهش می‌دهد. فرمول: Eff. VSET = VSET × (1 - %R)، که در آن %R (معمولاً 2-8%) نسبت کاهش را تعیین می‌کند. به عنوان مثال، سیستم 122V با 4.9% کاهش 116V خروجی می‌دهد.
• محدود کردن ولتاژ: محدوده عملیاتی (به عنوان مثال ±5% Un) را تعیین می‌کند. خودکار در حالت نقض محدوده ولتاژ مداخله می‌کند که توسط اپراتور محلی/دوردست یا SCADA قابل لغو است.
• تحمّل خطای: تنظیم اساسی را در طول خطاهای (به عنوان مثال ولتاژ به 70% Un) حفظ می‌کند. حافظه EEPROM پارامترهای مهم را برای ≥72 ساعت پس از قطع برق حفظ می‌کند.

2. راه‌حل‌های یکپارچه‌سازی سیستم زیرستانسیون

2.1 کنترل پله ترانسفورماتور و جبران موازی
تنظیم ولتاژ نیازمند کنترل هماهنگ چندین دستگاه است:

• تغییر پله تحت بار (OLTC): تنظیم‌کننده اصلی با محدوده ±10%. OLTCهای مدرن از سنسورهای موقعیت الکترونیکی (±0.5% دقت) برای ارسال داده‌های زنده به SCADA استفاده می‌کنند.
• بانک‌های خازن: بر اساس تقاضای بار واکنشی خودکار تغییر می‌کنند. معمولاً 4-8 گروه، ظرفیت 5-15% از ظرفیت ترانسفورماتور (به عنوان مثال 2-6 Mvar برای سیستم‌های 33kV). استراتژی‌های کنترل باید انحراف ولتاژ و عامل توان (هدف: 0.95-1.0) را متعادل کنند تا از جبران بیش از حد جلوگیری کنند.

2.2 فناوری‌های جبران سقوط خط
خط‌های تغذیه بلند از استراتژی‌های تنظیم توزیع شده استفاده می‌کنند:

• جبران سری: نصب خازن‌های سری روی خطوط هوایی 10-33kV برای جبران 40-70% از واکنش خط. به عنوان مثال، یک خازن 2000μF در نقطه میانی 15 کیلومتری ولتاژ انتهایی را 4-8% افزایش می‌دهد که توسط MOV surge arresters محافظت می‌شود.
• تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خط (SVRs): در فاصله 5-8 کیلومتر از زیرستانسیون‌ها نصب می‌شوند. ظرفیت: 500-1500 kVA، محدوده ±10%. با واحد‌های پایانه خط (FTUs) یکپارچه شده‌اند برای خودکارسازی محلی و کاهش وابستگی به ارتباطات.

2.3 پیکربندی تجهیزات

3. استراتژی‌های کنترل پیشرفته

3.1 کنترل نه‌zonه‌ای سنتی و بهبود‌ها
صفحه ولتاژ-قدرت واکنشی به 9 zon تقسیم می‌شود تا اقدامات پیش‌تعریف شده را فعال کند:

• منطق zon: مرزها توسط محدوده‌های ولتاژ (به عنوان مثال ±3% Un) و محدوده‌های قدرت واکنشی (به عنوان مثال ±10% Qn) تعیین می‌شوند. به عنوان مثال، zon 1 (ولتاژ پایین) افزایش ولتاژ را فعال می‌کند.
• محدودیت‌ها: نوسانات مرزی باعث عملکرد مکرر دستگاه‌ها (به عنوان مثال تغییر خازن در zon 5) می‌شود و قادر به مدیریت کوپلینگ چند محدودیت (به عنوان مثال نقض ولتاژ + کمبود قدرت واکنشی) نیست.

3.2 کنترل فازی و zon‌بندی پویا
سیستم‌های مدرن از منطق فازی برای غلبه بر محدودیت‌ها استفاده می‌کنند:

• فازی‌سازی: انحراف ولتاژ (ΔU) و انحراف قدرت واکنشی (ΔQ) را به عنوان متغیرهای فازی (به عنوان مثال از منفی بزرگ تا مثبت بزرگ) با توابع عضویت ذوزنقه‌ای تعریف می‌کند.
• پایه قاعده: 81 قاعده فازی امکان نقشه‌برداری غیرخطی را فراهم می‌کنند، به عنوان مثال:
• IF ΔU is Negative Large AND ΔQ is Zero THEN Raise Voltage.
• تعدیل پویا: محدوده مرده ولتاژ را در بارهای سنگین (±1.5%→±3%) گسترش می‌دهد و عملکرد دستگاه‌ها را 40-60% کاهش می‌دهد.

3.3 بهینه‌سازی چندهدفه
برای سناریوهای یکپارچه‌سازی انرژی توزیع شده:

• تابع هدف:
  Min[Ploss + λ1·(Uref - Umeas)² + λ2·(Qbalance) + λ3·(Tap_change)]
  (λ: ضرایب وزنی؛ Tap_change: هزینه عملیات پله)
• محدودیت‌ها:
1. امنیت ولتاژ: Umin ≤ Ui ≤ Umax
2. ظرفیت دستگاه: |Qc| ≤ Qcmax
3. عملیات روزانه پله: ∑|Tap_change| ≤ 8
• الگوریتم: بهینه‌سازی PSO بهبود یافته با 50 ذره که در <3s همگرا می‌شود و نیازهای زمان واقعی را برآورده می‌کند.

4. سیستم‌های پشتیبانی ارتباطات و خودکارسازی

4.1 معماری ارتباطات IEC 61850

• پیام‌رسانی GOOSE: دستورات بین زیرستانسیون‌ها را با تاخیر <10ms پشتیبانی می‌کند. امکان کنترل هماهنگ ولتاژ (به عنوان مثال، زیرستانسیون‌ها در 100ms به دستورات زیرستانسیون اصلی پاسخ می‌دهند).
• مدل‌سازی اطلاعات: گره‌های منطقی (به عنوان مثال ATCC برای کنترل پله، CPOW برای خازن‌ها) را تعریف می‌کند، هر کدام با 30+ شیء داده (به عنوان مثال TapPos، VoltMag) برای یکپارچه‌سازی plug-and-play.

4.2 یکپارچه‌سازی سیستم SCADA

• گرفتن داده: RTUs هر 2 ثانیه داده‌های مهم (ولتاژ، جریان، موقعیت پله) را نمونه‌برداری می‌کنند و انتقال داده‌های ولتاژ را اولویت می‌دهند.
• کارکردهای کنترل:
1. تعدیل پارامترهای دوردست (به عنوان مثال VSET، %R).
2. تغییر هموار حالت خودکار/دستی.
3. قفل عملیات خودکار در حالت خرابی دستگاه.
• تصویرسازی: دیاگرام‌های خطی پویا (نقاط نقض ولتاژ به رنگ قرمز مشخص می‌شوند)، منحنی‌های روند و هشدارهای صوتی.

4.3 پروتکل‌های ارتباطات کلیدی

5. بهینه‌سازی و اعتبارسنجی عملکرد

5.1 پیاده‌سازی پروتکل بهینه‌سازی ولتاژ (VO)
رویکرد سه‌مرحله‌ای انجمن انرژی آمریکا:

1. کاهش ولتاژ ثابت (VFR): کاهش 2-3% تمام وقت (به عنوان مثال 122V→119V). برای بارهای پایدار مناسب است. صرفه‌جویی سالانه: 1.5-2.5% اما می‌تواند مشکلات شروع موتور را ایجاد کند.
2. جبران سقوط خط (LDC): به طور دینامیک ولتاژ را بر اساس جریان بار تنظیم می‌کند.
3. بازخورد ولتاژ خودکار (AVFC): کنترل حلقه بسته با استفاده از 3-5 سنسور دوردست/خط تغذیه. الگوریتم PID با چرخه‌های 30 ثانیه‌ای.

5.2 کمی‌سازی عملکرد

• گرفتن داده: تجزیه‌کننده‌های توان کلاس 0.2S ولتاژ، THD و پارامترهای توان (فاصله 1 ثانیه، مدت 7 روز) را ضبط می‌کنند.
• محاسبه صرفه‌جویی انرژی: تحلیل رگرسیون اثرات دمایی را حذف می‌کند.
• متراکم کلیدی:
• نرخ تطبیق ولتاژ: >99.5%
• عملیات دستگاه روزانه: <4
• کاهش ضرر خط: 3-8%
• عمر تغییر خازن: >100,000 چرخه.

5.3 مقایسه تکنیک‌های بهینه‌سازی