محولات الجهد الخارجي الرقمية لدمج الشبكة الذكية

تتطلب التطورات نحو الشبكات الذكية تحولًا جذريًا في تقنيات قياس الطاقة ومراقبتها. لقد ظهرت المحولات الرقمية للجهد الخارجي (DVTs) كعناصر لا غنى عنها، حيث تلعب دورًا حاسمًا في تمكين استشعار الجهد بدقة عالية في الوقت الحقيقي، والتكامل السلس مع إنترنت الأشياء (IoT) وشبكات الاتصال، والقدرات التشخيصية المتقدمة للصيانة التنبؤية، ودعم تكامل الطاقة المتجددة وتحديث الشبكة. بالمقارنة مع المحولات التقليدية للجهد الكهرومغناطيسي أو السعوية (VTs)، تقدم DVTs مزايا مميزة مثل المناعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، والحجم والوزن المنخفضين (حتى 70% أصغر من المحولات التقليدية CVTs)، وواجهات الإخراج الرقمية المتوافقة مع معايير IEC 61850، وانخفاض استهلاك الطاقة، وعمر تشغيلي ممتد.

2.1 تقنيات الاستشعار الأساسية

2.1.1 استشعار الجهد البصري

تعتمد تقنيات استشعار الجهد الضوئي على التفاعل بين الضوء والحقول الكهربائية. تستخدم حساسات تأثير بوكيلز تأثير الكهروضوئية الخطية في البلورات مثل نوبات الليثيوم. عند تطبيق جهد، يتغير استقطاب الضوء الذي يمر عبر البلورة بشكل متناسب. على سبيل المثال، في جهاز قياس الجهد الضوئي 220kV، يتم دمج خلية بوكيلز في حلقة ألياف بصرية، ويتم نقل إشارة الجهد كضوء معدل الطور. من ناحية أخرى، تقيس حساسات شبكة براج للألياف (FBG) الإجهاد الميكانيكي الناتج عن الجهد أو تغيرات درجة الحرارة. يتغير طول موجة الضوء في الشبكات الليفية استجابةً لهذه التغيرات، والتي يمكن ربطها بالجهد المطبق.

2.1.2 استشعار الجهد الإلكتروني

تستخدم مقسمات الجهد المقاوم VTs مقاومات عالية الجهد (مثل مقاومات أكسيد المعدن أو مقاومات من نوع الفيلم) لتقسيم جهد الإدخال. ثم يتم قياس الجهد المنخفض الناتج بواسطة محولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs). تقدم مقسمات الجهد السعوي VTs، المشابهة من حيث المفهوم لمقسمات الجهد التقليدية CVTs ولكن مع معالجة الإشارة الإلكترونية، أوقات استجابة أسرع بكثير، غالبًا في حدود ≤1μs. تعتبر مقسمات الجهد المعتمدة على ملف روجوفسكي VTs حساسات حثية تقيس معدل تغير الجهد، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للتحليل العابر في أنظمة الطاقة.

2.2 معالجة الإشارة الرقمية والنقل

التحويل التناظري إلى الرقمي عالي الدقة هو جانب رئيسي من DVTs. يتم استخدام محولات ADC بدقة 24 بت بمعدلات أخذ عينات تصل إلى 1 ميجاهرتز عادةً لالتقاط أشكال موجية جهد عالية الدقة. يتيح بروتوكول IEC 61850 - 9 - 2LE نقل القيم المأخوذة (SV) عبر Ethernet مع طوابع زمنية، مما يضمن نقل البيانات بدقة وفي الوقت المناسب. يتم تنفيذ آليات التكرار، مثل روابط الألياف الضوئية المزدوجة ومصادر الطاقة القابلة للتبديل الساخن، لضمان عدم فقدان البيانات، مما يعزز موثوقية النظام.

3.1 التكيف البيئي

تم تصميم DVTs لتحمل الظروف القاسية في الهواء الطلق. بالنسبة للمناطق الساحلية المعرضة لضباب الملح والتآكل، يمكن أن توفر مواد مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 316L للإسكان، مع طلاءات PTFE، عمر خدمة يزيد عن 10 سنوات. للتعامل مع درجات الحرارة القصوى التي تتراوح من - 40 درجة مئوية إلى + 85 درجة مئوية، يتم استخدام الألياف البصرية المعوضة حرارياً، مما يضمن أن انحراف دقة القياس أقل من 0.01%. في وجود مجالات كهرومغناطيسية عالية، يمكن أن يقلل عزل الألياف الضوئية ودرع قفص فاراداي من الضوضاء الناتجة عن EMI بأكثر من 30 ديسيبل. بالنسبة للمناطق الملوثة بشدة، يتم استخدام العوازل المطاطية السيليكونية ذاتية التنظيف، مما يقلل من الحاجة إلى التنظيف اليدوي إلى مرة واحدة كل 5 سنوات أو أكثر.

3.2 قدرات دمج الشبكة الذكية

3.2.1 واجهات الاتصال

تتميز DVTs بواجهات اتصال متقدمة. بروتوكول الوقت الدقيق IEEE 1588 (PTP) يمكّن من مزامنة الوقت دون الميكروثانية، وهو أمر أساسي لوحدات قياس الطور (PMUs). بالنسبة لمحطات التحويل البعيدة التي تفتقر إلى بنية تحتية للألياف، تتوفر خيارات العودة 5G و LTE، مما يضمن نقل البيانات في الوقت الحقيقي والتكامل السلس مع الشبكة الذكية.

3.2.2 وظائف الحوسبة الطرفية

تقوم المعالجات الدقيقة المدمجة في DVTs بأداء وظائف مختلفة للحوسبة الطرفية. يمكنها إجراء تحليل توافقي يصل إلى المرتبة 50، واكتشاف انخفاضات وارتفاعات الجهد بما يتوافق مع IEEE 1668، وتقدير مواقع الأعطال باستخدام تحليل الموجات المتنقلة. تمكّن هذه الوظائف من المراقبة والتحكم في شبكة الطاقة في الوقت الحقيقي، مما يعزز استقرارها وموثوقيتها.

4.1 محولات الجهد الضوئي (OVTs)

4.1.1 الكل - بنية VT البصرية

في VT بصري بالكامل، يقوم القطب العالي الجهد بتحفيز مجال كهربائي في بلورة بوكيلز. يمر الضوء المستقطب عبر البلورة، ويتم الكشف عن انزياح الطور الخاص به، والذي يتناسب مع الجهد، بطريقة تداخلية. ثم يتم تحويل انزياح الطور المكتشف إلى إشارة جهد رقمية. توفر هذه البنية دقة عالية ومناعة للتداخل الكهرومغناطيسي.

4.1.2 دراسة حالة: 500kV OVT في المحطة الفرعية الذكية

تم نشر OVT بجهد 500 كيلو فولت في محطة فرعية ذكية في شنغهاي، ويتميز بنواة من بلورة الليثيوم نيوبيوم مع طلاء مضاد للأشعة فوق البنفسجية لحمايته من التعرض الطويل لأشعة الشمس. تم توفير مسارات ألياف مزدوجة كاحتياطي باستخدام مخطط حماية 1 + 1. تم دمج OVT مع نظام SCADA، مما يتيح تحليل استقرار الجهد في الوقت الحقيقي. لقد حقق دقة من فئة 0.1% مع زمن تأخير أقل من 50 ميكروثانية، مما يوضح قدراته العالية الأداء في بيئة الشبكة الذكية.

4.2 محولات الجهد الإلكتروني (EVTs)

4.2.1 مقسم مقاوم EVTs

يتكون مقسم الجهد المقاوم EVTs من ذراع عالي الجهد مع مقاومات أكسيد معدني متصلة على التوالي (مع مقاومة ≥10GΩ ومعامل درجة حرارة <50ppm/°C) وذراع منخفض الجهد مع مقاومات رقيقة محاطة في حجرة مستقرة حرارياً. يجعل هذا التصميم مثاليًا لمحطات التحويل الحضرية بجهد 110kV - 220kV حيث تكون المساحة محدودة بسبب حجمها المدمج.

4.2.2 مقسم سعوي EVTs

تقسيم الجهد السعوي EVTs يجمع بين تقسيم الجهد السعوي والتعويض الإلكتروني النشط. هذا التصميم الهجين يقضي على خطر الرنين الفيرومغناطيسي، وهو مشكلة شائعة في CVTs التقليدية، ويوفر قياس جهد أكثر استقرارًا ودقة.

4.3 وحدات VT/CT الرقمية المدمجة

تدمج وحدات VT/CT الرقمية المدمجة كل من وظائف قياس الجهد والتيار، مما يقلل من متطلبات المساحة بنسبة تصل إلى 50%. على سبيل المثال، قد تستخدم وحدة مدمجة بجهد 220 كيلو فولت استشعار الجهد البصري، وملف روجوفسكي لقياس التيار، ووحدة معالجة بيانات مشتركة مع واجهة IEC 61850. تبسط هذه التكاملات عملية التثبيت، وتقلل التكاليف، وتحسن الكفاءة العامة لمحطة التحويل.

5.1 استقرار الشبكة والتحكم الديناميكي

تلعب DVTs دورًا حيويًا في استقرار الشبكة والتحكم الديناميكي من خلال دعمها لوحدات قياس الطور (PMUs). من خلال تمكين قياسات الطور المتزامن بمعدل 30 - 60 إطارًا في الثانية، تسهل DVTs مراقبة استقرار المناطق الواسعة، والتحكم في تخفيف الاهتزازات، وإدارة تدفق الطاقة بين المناطق. بالإضافة إلى ذلك، فإن أوقات استجابتها السريعة (أقل من 1 مللي ثانية) تسمح بتفعيل سريع لمستعيدي الجهد الديناميكي (DVRs) للتخفيف من انخفاضات الجهد وحماية الأحمال الحرجة، مما يضمن التشغيل المستمر والمستقر لشبكة الطاقة.

5.2 دمج الطاقة المتجددة

مع الزيادة المستمرة في اختراق مصادر الطاقة المتجددة مثل مزارع الرياح والطاقة الشمسية، تساعد DVTs هذه المنشآت على تلبية متطلبات شبكة الكهرباء. إنها تمكن الامتثال لمتطلبات تجاوز الجهد المنخفض (LVRT)، وتحد من التشويه التوافقي ضمن حدود IEEE 519، وتدعم تنظيم الجهد لمصادر التوليد المتغيرة. في إدارة الشبكات الصغيرة، تمكن DVTs التحكم في الجهد في الوقت الحقيقي في الشبكات الصغيرة المعزولة، مما يسمح بالانتقال السلس بين أوضاع الشبكة المتصلة وغير المتصلة، مما يعزز مرونة وموثوقية تكامل الطاقة المتجددة.

5.3 إدارة صحة الأصول

تتميز DVTs بميزات لإدارة صحة الأصول. يمكن مراقبة درجة حرارة المكونات الداخلية باستخدام مستشعرات FBG، ويمكن اكتشاف تسرب الرطوبة من خلال الطيف الكهربائي العازل، ويمكن تقييم تدهور الطلاء باستخدام أجهزة قياس الإجهاد المدمجة. يمكن إدخال البيانات في الوقت الحقيقي من DVTs إلى التوائم الرقمية لأصول الشبكة، مما يمكّن من نمذجة العمر الافتراضي بدقة تصل إلى 90%، وتوقع أنماط الفشل (مثل شيخوخة العزل)، وتحسين جدولة الصيانة. يقلل هذا النهج في الصيانة التنبؤية من الانقطاعات غير المخطط لها، ويخفض تكاليف الصيانة، ويطيل عمر أصول الشبكة.

6.1 المعايير الدولية للـ VTs الرقمية

تلعب المعايير الدولية دورًا حاسمًا في ضمان جودة وتوافق محولات الجهد الرقمي (DVTs). تحدد IEC 60044 - 8 متطلبات محولات الجهد الرقمي، بما في ذلك فئات الدقة ومواصفات الواجهة. تحدد IEEE C37.118.1 المعايير للسينكروفازور في أنظمة الطاقة، وهو أمر أساسي للتشغيل السليم لمحولات الجهد الرقمي (DVTs) في تطبيقات الشبكة الذكية. تحدد IEC 61850 - 9 - 2 نقل القيم المأخوذة عبر شبكات الاتصال التسلسلي، مما يجعل محولات الجهد الرقمي (DVTs) قابلة للتشغيل المتبادل مع أجهزة الشبكة الذكية الأخرى.

6.2 بروتوكولات اختبار التوافقية

اختبار التوافقية ضروري لضمان أن DVTs يمكن أن تعمل بسلاسة ضمن شبكة ذكية. تشمل اختبارات المطابقة اختبار المناعة ضد التغيرات السريعة في الجهد الكهربائي / الانفجارات (EFT/B) وفقًا لـ IEC 61000 - 4 - 4، واختبار حماية زيادة الجهد وفقًا لـ IEC 61000 - 4 - 5، واختبار التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) وفقًا لـ CISPR 32. تركز اختبارات تكليف الميدان على قياس زمن التأخير (مع تحمل ≤100μs)، وضمان اتساق البيانات عبر القنوات الاحتياطية، وتقييم ثغرات الأمن السيبراني لتلبية متطلبات الامتثال لـ NIST SP 800 - 53.

7.1 مخاطر الأمن السيبراني

نظرًا لأن DVTs مرتبطة بشبكات الاتصال، فهي عرضة لتهديدات الأمن السيبراني مثل التلاعب بالبيانات من خلال اختراق الشبكة وهجمات الحرمان من الخدمة (DoS) على روابط الاتصال. للتخفيف من هذه المخاطر، تم تجهيز DVTs بميزات الأمن السيبراني المتوافقة مع IEEE 1686 - 2013، بما في ذلك التمهيد الآمن باستخدام وحدة النظام الموثوق به (TPM)، وتشفير البيانات باستخدام AES - 256 لنقل SV، وأنظمة كشف التسلل (IDS) على مستوى المحطة الفرعية.

7.2 تكامل النظام القديم

تعديل DVTs في المحطات الفرعية مع أجهزة حماية تناظرية موجودة يمثل تحديًا كبيرًا. لمعالجة ذلك، تُستخدم بوابات البروتوكول للتحويل بين IEC 61850 (المستخدمة من قبل DVTs) و IEC 60870 - 5 - 10، مما يتيح التكامل السلس للتقنيات الرقمية الجديدة مع الأنظمة القديمة. وهذا يسمح بترقية تدريجية لشبكة الطاقة دون الحاجة إلى تجديد كامل للبنية التحتية الحالية.

محولات الجهد الخارجي الرقمية ضرورية للتكامل الناجح وتشغيل الشبكات الذكية. إن تقنياتها المتقدمة في الاستشعار، وميزات التصميم المتوافقة مع الشبكة الذكية، وتطبيقاتها المتعددة في استقرار الشبكة، ودمج الطاقة المتجددة، وإدارة صحة الأصول تجعلها حجر الزاوية في أنظمة الطاقة الحديثة. على الرغم من وجود تحديات مثل مخاطر الأمن السيبراني ودمج الأنظمة القديمة، مع استراتيجيات التخفيف المناسبة والالتزام بالمعايير الدولية، ستستمر محولات الجهد الخارجي الرقمية في دفع تطور الشبكات الذكية نحو مستقبل أكثر موثوقية وكفاءة واستدامة.