פתרון מקיף עבור רגולטורי מתח צעד בתחנות הזרמה: מהעקרונות הפועלים ועד מגמות העתיד

1. עקרונות פעולה ופיתוח טכנולוגי של רגולטורים של מתח בצעדים

הרגולטור של מתח בצעדים (SVR) הוא מכשיר מרכזי להגדרת מתח בתחנות מיתוג מודרניות, המאפשר יציבות מדויקת של מתח באמצעות מנגנוני שינוי צעדים. העיקרון המרכזי שלו מתבסס על התאמה של יחס התאוצה: כאשר נמצאת סטייה במתח, מערכת הנעה מנועית משנה צעדים כדי לשנות את יחס הסיבובים, ומגדילה או מפחיתה את מתח הפלט. SVRs טיפוסיים מספקים ±10% הגדרת מתח עם צעדים של 0.625% או 1.25%, בהתאם לתקן ANSI C84.1 עבור תנודות מתח.

1.1 מנגנון הגדרה בצעדים

• מערכת החלפת צעדים: משלבת מערכות חילוף מכניות הנעות מנוע ומחזוריים אלקטרוניים מוצקים. משתמשת בעקרון "חיבור לפני ניתוק" עם מחזוריי מעבר כדי להגביל זרם מעגלי, ומספקת אספקה חשמלית ללא הפסקה. ההחלפה מתרחשת תוך 15-30 מ"ש, ומניעה ירידות מתח לעב"מים רגישים.
• יחידה שליטה מיקרו מעבד: מצוידת במעבדים RISC של 32 סיביות למדידת מתח בזמן אמת (≥100 מדידות לשנייה). משתמשת בניתוח FFT מבוססי DSP להפרדת רכיבים בסיסיים והרמוניים, ומשיגה דיוק מדידה של ±0.5%.

1.2 טכנולוגיות שליטה דיגיטליות מודרניות
מודולים שליטה רב-תכליתיים משולבים מאפשרים אופטימיזציה של מצבים מורכבים:

• הצלה אוטומטית של מתח (VFR): מפחיתה את מתח הפלט במהלך עומס יתר, ומפחיתה אבדות ב4-8%. נוסחה: Eff. VSET = VSET × (1 - %R), כאשר %R (בדרך כלל 2-8%) מגדיר את יחס ההצלה. לדוגמה, מערכת של 122V עם הצלה של 4.9% מפיקה 116V.
• הגבלת מתח: מגדירה גבולות פעולה (למשל, ±5% Un). מתערבת באופן אוטומטי במהלך הפרות מתח, ניתן להתעלם מהן על ידי מפעילים מקומיים/רחוקים או SCADA.
• מעבר באגים: שומרת על הגדרה בסיסית במהלך באגים (למשל, ירידת מתח ל-70% Un). זיכרון EEPROM שומר פרמטרים קריטיים למשך ≥72 שעות לאחר תקלה.

2. פתרונות אינטגרציה של מערכת תחנות מיתוג

2.1 שליטה בתאוצת המרתך ופיצוי מקביל
הגדרת מתח דורשת שליטה מתואמת של מספר מכשירים:

• מחליף צעדים תחת עומס (OLTC): הגדרת מתח ראשית עם טווח ±10%. OLTCs מודרניים משתמשים במדדי מיקום אלקטרוניים (±0.5% דיוק) לשלוח נתונים בזמן אמת ל-SCADA.
• בנקות קONDנסטורים: מחליפים באופן אוטומטי בהתאם לדרישה של כוח ריאקטיבי. תצורות טיפוסיות: 4-8 קבוצות, קיבולת של 5-15% מהספיקה של המרתך (למשל, 2-6 Mvar עבור מערכות 33kV). אסטרטגיות שליטה צריכות לאזן בין סטיות מתח ובין כוח גורם (יעד: 0.95-1.0) כדי למנוע דמיון יתר.

2.2 טכנולוגיות פיצוי ירידת קו
קווי אספקה ארוכים משתמשים באסטרטגיות הגדרה מבוזרות:

• פיצוי סדרתי: התקנת קONDנסטורים סדרתיים על קווי תקע 10-33kV לפיצוי 40-70% שלリアクタンスの補償。例：中点15kmに2000μFキャパシタを設置すると、末端電圧が4-8%上昇します。MOV避雷器で保護されます。
• 线路调节器（SVR）：从变电站部署5-8公里。容量：500-1500 kVA，范围：±10%。与馈线终端单元（FTU）集成，实现本地自动化，减少通信依赖。

2.3 设备配置

3. 先进的控制策略

3.1 传统的九区控制及改进
电压-无功功率平面被划分为9个区域以触发预定义的动作：

• 区域逻辑：由电压限制（例如，±3% Un）和无功限制（例如，±10% Qn）设定边界。例如：区域1（低电压）触发电压升高。
• 局限性：边界振荡导致设备频繁动作（例如，在区域5中电容器的切换），并且无法处理多约束耦合（例如，电压违规+无功不足）。

3.2 模糊控制与动态分区
现代系统采用模糊逻辑来克服这些局限性：

• 模糊化：将电压偏差（ΔU）和无功偏差（ΔQ）定义为模糊变量（例如，从“负大”到“正大”），并使用梯形隶属函数。
• 规则库：81条模糊规则实现非线性映射，例如：
• IF ΔU is Negative Large AND ΔQ is Zero THEN Raise Voltage.
• 动态调整：在重负荷期间扩展电压死区（±1.5%→±3%），减少设备动作次数达40-60%。

3.3 多目标优化
对于分布式能源集成场景：

• 目标函数：
  Min[Ploss + λ1·(Uref - Umeas)² + λ2·(Qbalance) + λ3·(Tap_change)]
  (λ：权重系数；Tap_change：抽头操作成本)
• 约束条件：
1. 电压安全：Umin ≤ Ui ≤ Umax
2. 设备容量：|Qc| ≤ Qcmax
3. 每日抽头操作次数：∑|Tap_change| ≤ 8
• 算法：改进的PSO优化，使用50个粒子在<3秒内收敛，满足实时要求。

4. 通信与自动化支持系统

4.1 IEC 61850通信架构

• GOOSE消息：支持站间命令，延迟小于<10毫秒。启用协调电压控制（例如，子站在接收到主站命令后在100毫秒内响应）。
• 信息建模：定义逻辑节点（例如，用于抽头控制的ATCC，用于电容器的CPOW），每个节点具有30多个数据对象（例如，TapPos，VoltMag）以实现即插即用集成。

4.2 SCADA系统集成

• 数据采集：RTU每2秒采样一次关键数据（电压、电流、抽头位置），优先传输电压数据。
• 控制功能：
1. 远程参数调整（例如，VSET，%R）。
2. 无缝自动/手动模式切换。
3. 设备故障时自动锁定操作。
• 可视化：动态单线图（电压违规用红色高亮显示）、趋势曲线和声音警报。

4.3 关键通信协议

5. 性能优化与验证

5.1 电压优化（VO）协议实施
美国能源协会的三层方法：

1. 固定电压降低（VFR）：全天候2-3%降低（例如，122V→119V）。适用于稳定负载。年节省量：1.5-2.5%，但存在电机启动问题的风险。
2. 线路压降补偿（LDC）：根据负载电流动态调整电压。
3. 自动电压反馈控制（AVFC）：使用每条馈线3-5个远程传感器的闭环控制。PID算法，周期为30秒。

5.2 性能量化

• 数据收集：0.2S级电力分析仪记录电压、THD和功率参数（1秒间隔，持续7天）。
• 节能计算：回归分析排除温度影响。
• 关键指标：
• 电压合规率：>99.5%
• 每日设备动作次数：<4
• 线路损耗减少：3-8%
• 电容器切换寿命：>100,000次循环。

5.3 优化技术比较