Anwendung neuer stangenmontierter Schaltgeräte in Kleinkraftwerken in bergigen Gebieten

Kleine Wasserkraft bezieht sich auf Kraftwerke mit einer Einheiten-Installierleistung von weniger als 50.000 kV. Die Integration von kleiner Wasserkraft in das Verteilnetz verändert die Systemtopologie und die Stromflussrichtung. In der Literatur wurden die Herausforderungen bei der Regulierung von Regionen, die reich an kleiner Wasserkraft sind, analysiert und diskutiert, Strategien zur Wiederzuschaltung für Verteilnetzleitungen mit kleiner Wasserkraft untersucht und ein neues automatisches Sicherheitsabschaltgerät für kleine Wasserkraftwerke vorgeschlagen.

​1 Aktueller Stand der Kleinen Wasserkraft in Berggebieten​
Die Gesamtfläche beträgt 45.385 km², wobei 98,3 % des Gebiets bergiges Gelände ausmachen. Es gibt 58 kleine Wasserkraftwerke mit einer gesamten Installierleistung von 41,45 MW, von denen die meisten eine Installierleistung von unter 1 MW haben. Diese Anlagen sind weit verbreitet und leiden unter schlechten Kommunikationsbedingungen.

Aufgrund ihres Alters verwenden die Anlagen hauptsächlich mechanische Steuerungsausrüstung und fehlen an Automatisierungseinrichtungen. Die meisten Eingangsmessgeräte sind Pulszählwerke, die manuell abgelesen werden und keine Fernübertragungsfähigkeiten besitzen. Steuerungs- und Synchronisationseinrichtungen verfügen nicht über Kommunikationsschnittstellen, sodass Betriebsdaten meist telefonisch an die Disponenten gemeldet werden müssen.

Die 10-kV-Leitungen der 35-kV-Umspannwerke des Netzes arbeiten oft im Hybridmodus, in dem kleinere Wasserkraftwerke und Lastverbrauch koexistieren. Die Hochspannungsseite des Hauptspeiseleiters verwendet Fall-Aus-Sicherungen, die einfach in ihrer Struktur sind und über T-Verbindungen an die 10-kV-Netzanschlussleitungen angeschlossen sind.

​2 Problemanalyse​
​2.1 Auswirkungen auf die Aktivierung von Leitungautomatikgeräten​
In aktiven Verteilnetzen kann nach einem Auslösen des Umspannwerk-Ausgangsschalters ein kleines Wasserkraftwerk weiterhin den Fehlerpunkt versorgen, was die Fehlerbogenlöschung behindert und die Erfolgsquote der Wiederzuschaltung reduziert. Wenn dezentrale Energiequellen (DER) während der Wiederzuschaltung angeschlossen bleiben, kann es zu asynchroner Schließung kommen, was zu Einschaltströmen führt, die die Wiederzuschaltung verhindern und kleine Wasserkraftanlagen beschädigen können.

Einige 10-kV-Netzanschlusskraftwerke verfügen weder über Unterspannungsschutz für ihre Netzanschlussleitungsschutz noch für ihren Generatorschutz, was den Anforderungen des Netzbetriebs nicht entspricht. Dies beeinträchtigt erheblich die sichere und zuverlässige Stromversorgung des Netzes und die Betriebsdauer der Generatoren.

Wenn in der Netzanschlussleitung eines kleinen Wasserkraftwerks ein Fehler auftritt, kann der Generator nach dem Fehlerrauschen auf der Systemseite nicht schnell genug abgetrennt werden. Dies kann zu einer asynchronen Netzneuanbindung nach der Wiederzuschaltung auf der Systemseite führen, wodurch die Wiederzuschaltung auf der Systemseite nicht aktiviert wird und unnötige Stromausfälle für öffentliche Transformatornutzer verursacht, was zu erheblichen negativen sozialen Auswirkungen führt.

Daher beeinträchtigt die Unfähigkeit des Generators, sich schnell abzutrennen, wenn in der Netzanschlussleitung ein Fehler auftritt, erheblich die sichere und zuverlässige Stromversorgung des Netzes und kann zu einer asynchronen Netzneuanbindung führen.

​2.2 Unvollständige Übermittlung von Versorgungsinformationen​
Basierend auf Felduntersuchungen befinden sich die meisten kleinen Wasserkraftwerke in Berggebieten, weit entfernt von den zentralen Umspannwerken des Netzes. Der Einsatz spezieller Glasfaserkabel durch Wälder wäre kostspielig und unzuverlässig. Das Upgrade der Automatisierungsausrüstung und die Datenübertragung über sichere drahtlose private Netze nach Cybersicherheitsbewertungen erfordern ebenfalls erhebliche Investitionen. Darüber hinaus haben die meisten kleinen Wasserkraftwerke eine begrenzte Kapazität und einen geringen Ertrag, was ihre Anreize für Upgrades reduziert. Begrenzungen der Kommunikationskanäle führen dazu, dass unvollständige Informationen an das Versorgungszentrum gesendet werden.

Die Unfähigkeit, Echtzeit-Betriebsdaten an das regionale Versorgungszentrum zu übertragen, beeinträchtigt jedoch die Analyse des Netzes durch die Versorger und die Zuverlässigkeit der 10-kV-Verteiltransformatorleitungen. Die Versorgungsplattform wird gezwungen, für längere Zeiträume blind für kleine Wasserkraftwerke zu arbeiten, was die sichere Betriebsführung des regionalen Netzes gefährdet.

​3 Lösungen​
​3.1 Lösungsübersicht​
Um effektive Überwachung und Datenerfassung für kleine Wasserkraftwerke sowie die Verbesserung der Netzsecurity und -zuverlässigkeit zu erreichen, werden die Fall-Aus-Sicherungen auf der Hochspannungsseite der Haupttransformatorleiter durch neue stangenmontierte Vakuumschaltkreuze mit hochpräzisen elektronischen Sensoren ersetzt. Diese werden mit Linienautomatisierungsterminale (FTUs) mit Fernmeldedienst, Fernmessung, Fernsteuerung und automatischer Abschaltungsfunktionen kombiniert, um Daten am 10-kV-Netzanschlusspunkt und den Schalterstatus zu erfassen.

Die vorhandenen Eingangspulszählwerke werden durch dreiphasige elektronische Mehrfachenergiezählwerke ersetzt, um Betriebsdaten der Generatoreinheiten zu erfassen, die über Feldbus an das FTU übertragen werden. Das FTU ist mit einem Doppelkarten-Kommunikationsvertikalverschlüsselungsmodul ausgestattet. Die Daten werden sicher verschlüsselt und über einen dedizierten öffentlichen drahtlosen Netzwerkkanal mit starker Signalabdeckung in das integrierte regionale Versorgungssystem hochgeladen.

Wenn ein Fehler in der Netzanschlussleitung zum Auslösen des Umspannwerk-Ausgangsschalters führt, aktiviert der Spannungsabfallschutz des FTU und der stangenmontierte Schaltkreuz schaltet ab, um das kleine Wasserkraftwerk vom Netz zu trennen. Nach der Wiederherstellung der Stromversorgung erfolgt eine Neusynchronisierung und Wiederverbindung.

​3.2 Digitales Automatisierungspaket​
Das digitale Automatisierungspaket umfasst ZW32-stangenmontierte Schaltkreuze, doppelseitige Isolierabscheider, Spannungswandler und digitale FTUs. Die Schaltkreis-Einheit integriert drei kombinierte elektronische Sensoren (EVCT) und eine lokale digitale Einheit (ADMU).

Die Gesamtstruktur ist kompakt und leicht, was die Installation und Wartung erleichtert. Im Vergleich zu traditionellen intelligenten Überwachungssoftware von Prüfausrüstungen ermöglicht dieses System der Überwachungssoftware, Betriebsdaten aus den Betriebssystemen von 32 Einheiten zu erhalten. Gleichzeitig erfasst es Dateigrößen von Kameraaufnahmen und überwacht, ob die Software der Prüfausrüstung (kleine Pakete, Stangenpakete, fehlende Stangen im Karton, Fünfradprüfung) normal betrieben wird, zusammen mit Ablehnungsaktioninformationsdaten. Konkrete Ausprägungen sind:

• Die Software sendet abgelehnte Bilddaten an die Konsole.
• Die Software sendet alle Bilddaten an die Konsole.
• Die Software sendet alle statistischen Daten (einschließlich Marke, Datum, Uhrzeit, Einheitsinformationen usw.) an die Konsole.

Mit Hilfe des intranetbasierten Fabrik-Servers werden, wenn die Überwachungssoftware der Prüfausrüstung Fehlerinformationsdaten generiert, diese an den Server übertragen, was über den intranetbasierten Fabrik-Server Alarme vor Ort auslöst. Fehlerinformationsdaten werden auch per PC und mobilen Endgeräten fern alarmiert. Probleme wie Softwareabstürze, Kameratrennungen, Kamerafehler beim Aufnehmen von Bildern, defekte Sensor für die Detektion von Zigarettenpaketen, fehlende Defektbilder und Fehlfunktionen der Ablehnungseinrichtungen lösen Warnhinweise auf PC- und mobilen Schnittstellen aus. Die Alarmseite zeigt Gerätefehlerinformationen, Standorte, Auftretenszeit und Bearbeitungsprotokolle an.

​3.3 Implementierung der Frühwarnkontrolle für Produktqualität​
Durch die Analyse der Prüfdaten der Ausrüstung werden frühzeitige Warnungen ausgegeben, wenn die Anzahl der defekten Zigarettenpakete bestimmte Schwellenwerte überschreitet oder anomale Defektfrequenzen auftreten. Die Qualitätswarnfunktion informiert Wartungspersonal, damit relevante Teile der Hauptproduktionseinrichtungen angepasst oder repariert werden, um Qualitätsdefekte zeitgerecht zu beseitigen und deren Verschlimmerung zu verhindern.

Die Daten von Prüfausrüstungen für kleine Pakete, Fünfradprüfungen, fehlende Stangen im Karton und Stangenpakete werden basierend auf qualitativen Defektbildnameninformationen (einschließlich Zeitpunkt des Defektauftretens, Menge der defekten Produkte und Kamerastandort, an dem der Defekt festgestellt wurde) analysiert. Eine Produktdefektwarnung wird ausgegeben, wenn die Defektanzahl den Warnschwellenwert überschreitet.

Durch die Analyse der Zeit und Menge der defekten Produkte können die Frequenz der Defekte über einen bestimmten Zeitraum und langfristige Trends statistisch analysiert werden. Dies bietet eine Grundlage für die Ausrüstungsbewertungsverwaltung, ermöglicht rechtzeitige Warnungen für Wartungspersonal und verbessert die wissenschaftliche Wartungsverwaltung.

​3.4 Zentrale Verwaltung des Zustands der Prüfausrüstung​
Produktionsmanagementpersonal (Prozessqualitätspersonal, Ausrüstungsverwalter) nutzt das Überwachungssystem, um den Betriebszustand der Prüfausrüstung und die Produktdefektsituation zentral zu vergleichen und zu analysieren, um eine zentrale Verwaltung des Zustands der Prüfausrüstung zu erreichen. Das Überwachungssystem der Prüfausrüstung kann den aktuellen Betriebszustand, die Qualitätsdefekttrends und die historische Datenstatistik aller Prüfausrüstungen in der Fabrik anzeigen, was eine einheitliche zentrale Verwaltung aller Fabrikausrüstungen ermöglicht.

Umfangreiche historische Fehlerprotokolle ermöglichen die Analyse des Anteils fehlerhafter Einheiten, Fehlerarten, fehlerhafter Ausrüstung und Spitzenfehlzeitpunkte. Geplante Wartungsverwaltung wird für Einheiten, Fehlerarten und Ausrüstungen mit häufigen Fehlern implementiert, um deren Auftreten zu verhindern.

​4 Schlussfolgerung​
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Ausrüstungsprüfsystem in der Zigarettenfabrikation realzeitbasierte Onlineüberwachung erfordert, um den Betriebszustand der Prüfausrüstung zu verfolgen, Alarmsignale und Fehlerortung bereitzustellen. Dies reduziert während des Produktionsprozesses von Zigarettenpaketen, gewährleistet reibungslosen Produktionsbetrieb und verbessert die Produktionsleistung.