Solución integral para reguladores de tensión de paso en subestacións: Dende os principios de funcionamento ata as tendencias futuras

1. Funcionamento e evolución tecnolóxica dos reguladores de tensión por etapas

O Regulador de Tensión por Etapas (SVR) é un dispositivo central para a regulación da tensión en subestacións modernas, logrando unha estabilización precisa da tensión a través de mecanismos de cambio de tomas. O seu principio fundamental basease na axuste do ratio transformador: cando se detecta unha desviación de tensión, un sistema motorizado cambia as tomas para alterar o ratio de espiras, axustando así a tensión de saída. Os SVRs típicos ofrecen unha regulación de tensión de ±10% con incrementos de 0,625% ou 1,25%, cumprindo coa norma ANSI C84.1 para fluctuacións de tensión.

1.1 Mecanismo de regulación por etapas

• Sistema de Cambio de Tomas: Combina interruptores mecánicos accionados por motor e interruptores electrónicos sólidos. Utiliza o principio de "conectar antes de cortar" con resistencias de transición para limitar a corrente circulante, asegurando un suministro de enerxía ininterrumpido. O cambio completa en 15-30 ms, prevenindo caídas de tensión para equipos sensibles.
• Unidade de Control de Microprocesador: Equipada con procesadores RISC de 32 bits para muestreo de tensión en tempo real (≥100 mostras/seg). Emprega análise FFT baseada en DSP para separar os componentes fundamentais e harmónicos, logrando unha precisión de medida de ±0,5%.

1.2 Tecnoloxías de control dixital moderno
Módulos de control multifunción integrados permiten a optimización de escenarios complexos:

• Reducción Automática de Tensión (VFR): Redúce a tensión de saída durante a sobrecarga do sistema, reducindo as perdas en 4-8%. Fórmula: Eff. VSET = VSET × (1 - %R), onde %R (típicamente 2-8%) define o ratio de redución. Por exemplo, un sistema de 122V con unha redución do 4,9% produce 116V.
• Límite de Tensión: Establece límites operativos (por exemplo, ±5% Un). Intervén automaticamente durante as violacións de tensión, superables por operadores locais/remotos ou SCADA.
• Resistencia a Fallos: Mantén a regulación básica durante fallos (por exemplo, caída de tensión ao 70% Un). A almacenamento EEPROM preserva parámetros críticos durante ≥72 horas após un corte.

2. Solucións de Integración de Sistemas de Subestación

2.1 Control de Tomas do Transformador & Compensación Paralela
A regulación de tensión require un control coordinado de múltiples dispositivos:

• Cambiador de Tomas Baixo Carga (OLTC): Regulador principal con un rango de ±10%. Os OLTCs modernos utilizan sensores de posición electrónicos (precisión ±0,5%) para transmitir datos en tempo real a SCADA.
• Bancos de Capacitores: Conmutados automaticamente en función da demanda de potencia reactiva. Configuracións típicas: 4-8 grupos, capacidade no 5-15% da clasificación do transformador (por exemplo, 2-6 Mvar para sistemas de 33kV). As estratexias de control deben equilibrar a desviación de tensión e o factor de potencia (obxectivo: 0,95-1,0) para evitar a sobrecompensación.

2.2 Tecnoloxías de Compensación de Caída de Línea
As alimentadoras de longa distancia utilizan estratexias de regulación distribuída:

• Compensación en Serie: Instala capacitores en serie en liñas aéreas de 10-33kV para compensar o 40-70% da reactancia da liña. Exemplo: Un capacitor de 2000μF no punto medio de 15 km aumenta a tensión final en 4-8%, protexido por pararrayos MOV.
• Reguladores de Tensión de Línea (SVRs): Despregados a 5-8 km das subestacións. Capacidade: 500-1500 kVA, rango ±10%. Integrados con Unidades Terminais de Alimentadora (FTUs) para automatización localizada, reducindo a dependencia de comunicación.

2.3 Configuración de Equipos

3. Estratexias de Control Avanzadas

3.1 Control Tradicional de Nove Zonas & Melhoras
O plano de tensión-potencia reactiva está dividido en nove zonas para activar accións predefinidas:

• Lóxica de Zona: Límites establecidos por límites de tensión (por exemplo, ±3% Un) e límites reactivos (por exemplo, ±10% Qn). Exemplo: A zona 1 (baja tensión) activa o aumento de tensión.
• Limitacións: As oscilacións nos límites causan accións frecuentes dos dispositivos (por exemplo, conmutación de capacitores na zona 5) e non manexan a acoplación de múltiples restricións (por exemplo, violación de tensión + deficiencia reactiva).

3.2 Control Difuso & Zonificación Dinámica
Os sistemas modernos adoptan lóxica difusa para superar as limitacións:

• Difusificación: Define a desviación de tensión (ΔU) e a desviación reactiva (ΔQ) como variables difusas (por exemplo, Gran Negativa a Gran Positiva), con funcións de pertinencia trapezoidais.
• Base de Regras: 81 regras difusas permiten un mapeo non lineal, por exemplo:
• SE ΔU é Gran Negativa E ΔQ é Cero ENTONCES Aumentar Tensión.
• Axuste Dinámico: Expande as zonas mortas de tensión durante cargas pesadas (±1,5%→±3%), reducindo as accións dos dispositivos en 40-60%.

3.3 Optimización Multiobjetivo
Para escenarios de integración de enerxía distribuída:

• Función Obxectivo:
  Min[Ploss + λ1·(Uref - Umeas)² + λ2·(Qbalance) + λ3·(Tap_change)]
  (λ: coeficientes de ponderación; Tap_change: custo de operación de tomas)
• Restriccións:
1. Seguridade de tensión: Umin ≤ Ui ≤ Umax
2. Capacidade do dispositivo: |Qc| ≤ Qcmax
3. Operacións diarias de tomas: Σ|Tap_change| ≤ 8
• Algoritmo: Optimización PSO mellorada con 50 partículas que converxe en <3s, satisfacendo os requisitos en tempo real.

4. Sistemas de Comunicación & Automatización de Apoio

4.1 Arquitectura de Comunicación IEC 61850

• Mensaxes GOOSE: Soporta comandos inter-subestación con <10ms de retardo. Permite un control de tensión coordinado (por exemplo, as subestacións responden dentro de 100ms aos comandos da subestación principal).
• Modelado de Información: Define nodos lóxicos (por exemplo, ATCC para control de tomas, CPOW para capacitores), cada un con 30+ obxectos de datos (por exemplo, TapPos, VoltMag) para integración plug-and-play.

4.2 Integración do Sistema SCADA

• Adquisición de Datos: Las RTUs muestrean datos críticos (tensión, corrente, posición de tomas) cada 2 segundos, priorizando a transmisión de datos de tensión.
• Funcións de Control:
1. Axuste remoto de parámetros (por exemplo, VSET, %R).
2. Cambio sin interrupción entre modo automático y manual.
3. Bloqueo automático de operación durante fallos de dispositivo.
• Visualización: Diagramas de unha liña dinámicos (violacións de tensión resaltadas en vermello), curvas de tendencia e alarmas audibles.

4.3 Protocolos de Comunicación Clave

5. Optimización & Validación de Rendemento

5.1 Implementación do Protocolo de Optimización de Tensión (VO)
Aproximación de tres niveis da Asociación de Energía dos EE.UU.:

1. Reducción Fixa de Tensión (VFR): Redución permanente de 2-3% (por exemplo, 122V→119V). Adequada para cargas estables. Ahorro anual: 1,5-2,5%, pero con risco de problemas de arranque de motores.
2. Compensación de Caída de Línea (LDC): Axusta dinamicamente a tensión en función da corrente de carga.
3. Realimentación Automática de Tensión (AVFC): Control de bucle cerrado utilizando 3-5 sensores remotos/alimentadora. Algoritmo PID con ciclos de 30s.

5.2 Cuantificación de Rendemento

• Recollida de Datos: Analisadores de poder de clase 0,2S rexistran tensión, THD e parámetros de potencia (intervalos de 1s, duración de 7 días).
• Cálculo de Ahorro de Enerxía: Análise de regresión exclúe efectos de temperatura.
• Métricas Clave:
• Taxa de conformidade de tensión: >99,5%
• Accións diarias de dispositivo: <4
• Redución de perdas de liña: 3-8%
• Vida útil de conmutación de capacitores: >100.000 ciclos.

5.3 Comparación de Técnicas de Optimización