کاربرد و توسعه آینده رله ها در شبکه های هوشمند

تحول انرژی جهانی با سرعتی بی سابقه در حال پیشرفت است. طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی (IEA) انرژی های تجدید پذیر پیش‌بینی می‌شود تا سال 2030 نزدیک به 40 درصد از تولید برق جهانی را این منابع تشکیل دهند، در حالی که پیش‌بینی می‌شود تعداد وسایل نقلیه الکتریکی در جاده‌ها از 200 میلیون نفر فراتر رود. این روند تقاضاهای بسیار بالایی را در مورد انعطاف پذیری، قابلیت اطمینان و تعامل شبکه های برق ایجاد می کند. شبکه هوشمند به عنوان یک پاسخ پدیدار شده است - ادغام سنجش پیشرفته، ارتباطات، کنترل و محاسبات ابری در شبکه‌های برق سنتی، که به شبکه قابلیت‌های «ادراک خود، تصمیم‌گیری و بازیابی خود» را می‌بخشد.

در معماری وسیع شبکه هوشمند، رله ها اگرچه اندازه کوچکی دارد، اما هم به عنوان "خط اول دفاع" و هم به عنوان "پایانه اجرا" برای عملکرد ایمن، پایدار و کارآمد سیستم عمل می کند. آنها مسئولیت های متعددی را بر عهده می گیرند، از جداسازی خطا و تعویض بار گرفته تا حفاظت از تجهیزات و ارسال انرژی. این مقاله از اصول اولیه شروع می شود و به طور سیستماتیک سناریوهای کاربردی اصلی رله ها را بررسی می کند شبکه های هوشمند ، بهبودهای ملموس آنها را در عملکرد شبکه تجزیه و تحلیل می کند و به مسیرهای تکامل فناوری آینده نگاه می کند. در نهایت، لیستی از سوالات متداول (FQA) برای مرجع سریع ارائه شده است.

اصول رله: از الکترومغناطیس تا ترمینال هوشمند

اصل عملیات و طبقه بندی

رله یک کلید برق اتوماتیک است. اصل کارکرد اصلی آن این است: هنگامی که مقدار ورودی (مانند ولتاژ، جریان، دما، زمان و غیره) به یک آستانه تعیین شده می رسد، یک آهنربای الکتریکی یا مدار الکترونیکی کنتاکت ها را به حرکت در می آورد و در نتیجه روشن/خاموش شدن مدار پرقدرت را کنترل می کند. با توجه به مسیرهای فنی، رله ها را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

نقش های سنتی در سیستم های قدرت

عملکرد کنترل : از سیگنال های جریان کوچک برای هدایت بارهای با جریان بالا استفاده می کند و شروع/توقف از راه دور را فعال می کند.

عملکرد حفاظتی : جریان اضافه، اضافه ولتاژ، کمبود ولتاژ، اتصال کوتاه و سایر ناهنجاری ها را تشخیص می دهد و مدارهای معیوب را به سرعت قطع می کند.

انتقال سیگنال : وضعیت تجهیزات (بسته/باز، زنگ هشدار) را به سیگنال های تماس خشک برای سیستم های نظارت تبدیل می کند.

پنج کاربرد اصلی رله ها در شبکه های هوشمند

پست های هوشمند و کنترل تجهیزات اولیه

شبکه‌های هوشمند بر روی پست‌های دیجیتال ساخته شده‌اند که به طور گسترده از ترانسفورماتورهای ابزار الکترونیکی و تجهیزات اولیه هوشمند (مانند قطع کننده‌های مدار هوشمند، سوئیچ‌های قطع کننده) استفاده می‌کنند. رله ها به عنوان محرک کنترل عمل می کنند و GOOSE (Generic Object) را دریافت می کنندOriented Substation Event) از ادغام واحدها یا دستگاه های حفاظتی و کنترلی فرمان می دهد و عملیات سوئیچینگ را در عرض میلی ثانیه تکمیل می کند.

مورد در نقطه : پس از نوسازی پست هوشمند 220 کیلوولت در چین، جایگزینی رله‌های الکترومغناطیسی سنتی با گروه‌های رله هوشمند، میانگین زمان کارکرد را از 80 میلی‌ثانیه به 15 میلی‌ثانیه کاهش داد و سرعت رفع خطای سیستم را تقریباً 80 درصد بهبود بخشید.

خود خطای شبکهبهبودی و پیکربندی مجدد سریع

قابلیت "خود ترمیم" شبکه های هوشمند به یک فرآیند حلقه بسته متکی است: تشخیص عیب → مکان → جداسازی → بازسازی. رله ها در این فرآیند نقش دوگانه ای دارند:

جداسازی خطا: هنگامی که یک اتصال کوتاه در یک خط اتفاق می افتد، رله ها به طور آنی عمل می کنند تا بخش معیوب را از شبکه اصلی جدا کنند.

پیکربندی مجدد خودکار: از طریق منطق اتوماسیون فیدر (FA)، رله ها سوئیچ های مجاور را برای انتقال بخش های غیر معیوب به منابع برق پشتیبان هماهنگ می کنند و زمان بازیابی را از ساعت ها به دقیقه ها یا حتی ثانیه ها فشرده می کنند.

کنترل دقیق بار و پاسخگویی به تقاضا

در طول دوره‌های توازن محدود عرضه و تقاضا، شبکه‌های هوشمند از مکانیسم‌های پاسخ تقاضا (DR) برای تنظیم بارهای سمت مشتری استفاده می‌کنند. رله ها دیگر فقط "سوئیچ های سخت" نیستند. آنها در ارتباط با پلتفرم های تجمع بار کار می کنند:

پاسخ قیمت زمان استفاده: بر اساس سیگنال های قیمت، رله ها به طور خودکار قطع یا تنظیم نمی شوندبارهای بحرانی (به عنوان مثال، دستگاه های تهویه مطبوع، شارژرهای EV).

کاهش بار اضطراری: هنگامی که فرکانس کاهش می یابد، رله ها به طور متوالی بارهای قطع کننده را بر اساس اولویت قطع می کنند و از خاموشی در مقیاس بزرگ جلوگیری می کنند.

طبق آمار وزارت انرژی ایالات متحده، ساختمان‌های تجاری که از رله‌های هوشمند برای پاسخگویی به تقاضا استفاده می‌کنند، می‌توانند بارهای اوج تابستان را 15 تا 25 درصد کاهش دهند و کمترین تأثیر را بر راحتی ساکنان داشته باشند.

اتصال دوستانه به شبکه منابع انرژی توزیع شده (DER)

ادغام گسترده فتوولتائیک ها (PV)، نیروی باد، ذخیره انرژی و وسایل نقلیه الکتریکی، شبکه های توزیع را از سیستم های "شعاعی یک طرفه" به سیستم های "تعاملی دو طرفه" تبدیل می کند. وظایف کلیدی رله ها در نقاط اتصال DER عبارتند از:

تشخیص فعال ضد جزیره : هنگامی که ولتاژ شبکه از بین می رود، رله ها به سرعت ژنراتورهای توزیع شده را قطع می کنند تا از عملیات جزیره ای که می تواند پرسنل تعمیر و نگهداری را به خطر بیندازد، جلوگیری می کند.

کنترل صاف کردن قدرت : بسته به شرایط آب و هوایی، رله ها دستگاه های ذخیره انرژی را به صورت دینامیکی سوئیچ می کنند یا خروجی های اینورتر را برای صاف کردن نوسانات برق تنظیم می کنند.

هماهنگی چند منبع : در ریزشبکه ها، رله ها به عنوان "سوئیچ دروازه" برای ارسال منابع مختلف انرژی بر اساس اولویت های اقتصادی یا زیست محیطی عمل می کنند.

مدیریت تجهیزات سلامت کامل چرخه عمر

رله‌های هوشمند مدرن دارای حسگرهای داخلی دما، ولتاژ و جریان هستند و از پروتکل ارتباطی IEC 61850 پشتیبانی می‌کنند. آنها می توانند داده های وضعیت مانند تعداد عملیات، سایش تماس و زمان کار را آپلود کنند. پلتفرم‌های تعمیر و نگهداری، همراه با مدل‌های یادگیری ماشین، عمر مفید باقی‌مانده رله‌ها را پیش‌بینی می‌کنند، به جای نگهداری برنامه‌ریزی‌شده، امکان نگهداری مبتنی بر شرایط را فراهم می‌کنند و هزینه‌های O&M را حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد کاهش می‌دهند.

افزایش ارزش سه بعدی رله ها در شبکه های هوشمند

روند توسعه آینده: از محرک تا "گره تصمیم گیری لبه"

ادغام هوش و هوش مصنوعی

نسل بعدی رله‌ها تراشه‌های هوش مصنوعی لبه‌ای را ادغام می‌کنند و امکان تشخیص ویژگی شکل موج محلی را برای تمایز بین «عیب‌های گذرا ناشی از رعد و برق» و «اتصال کوتاه دائمی» فراهم می‌کنند، و استراتژی‌های بسته شدن مجدد را به‌طور مستقل انتخاب می‌کنند – از اثرات ثانویه بسته شدن مجدد کور بر روی سیستم جلوگیری می‌کنند. انتظار می‌رود که رله‌های هوشمند خودآموز حدود سال ۲۰۲۸ وارد پروژه‌های آزمایشی شوند.

نرم افزار تعریف شده و مجازی سازی

با ظهور مفهوم سیستم قدرت تعریف شده توسط نرم افزار، منطق حفاظت رله دیگر به عنوان پارامترهای سخت افزاری ثابت کدگذاری نمی شود، بلکه براساس تقاضا از طریق برنامه های مبتنی بر ابر بارگذاری می شود. برای مثال، همان سخت‌افزار می‌تواند استراتژی «ضد توان معکوس PV» را در طول روز اجرا کند و در شب به استراتژی «مدیریت شارژ/تخلیه ذخیره‌سازی انرژی» روی آورد و به «یک دستگاه، چند کاربرد» دست یابد.

عملکرد فرکانس بالا و عریضنیمه هادی های Bandgap

بلوغ دستگاه‌های کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیم (GaN) جامد را فشار می‌دهد.رله های حالت به سمت سوئیچینگ فرکانس بالا در سطح مگاهرتز. این امر حجم رله های مورد استفاده در ترانسفورماتورهای الکترونیک قدرت (PET) و شبکه های توزیع ولتاژ متوسط DC (MVDC) را بیش از 50 درصد کاهش می دهد و در عین حال تلفات را به یک کاهش می دهد.سوم راه حل های مرسوم

عملیات و تعمیر و نگهداری دیجیتال دوگانه

در آینده، هر رله دارای یک "آینه مجازی" در یک پلت فرم دیجیتال دوقلو خواهد بود که حالت های الکتریکی، حرارتی و مکانیکی آن را در زمان واقعی منعکس می کند. از طریق شبیه‌سازی، حالت‌های خرابی بالقوه را می‌توان از هفته‌ها قبل پیش‌بینی کرد و امکان جایگزینی در پنجره زمانی بهینه را فراهم می‌کند - واقعاً به «زمان خرابی برنامه‌ریزی نشده صفر» دست یافت.

نتیجه گیری

رله ها به عنوان یک جزء کوچک اما حیاتی از شبکه های هوشمند، از سوئیچ های الکترومکانیکی ساده به ترمینال های هوشمند چند منظوره تبدیل شده اند که حس، ارتباطات، کنترل و محاسبات را یکپارچه می کنند. آنها نقشی بی بدیل در بهبود بهره وری مصرف انرژی، افزایش قابلیت اطمینان عرضه و تضمین ایمنی سیستم ایفا می کنند. در مواجهه با شبکه‌های آینده با نفوذ بالای انرژی‌های تجدیدپذیر، محتوای الکترونیکی با توان بالا و دیجیتالی‌سازی بالا، رله‌ها همچنان به سمت هوشمندتر، سریع‌تر، انعطاف‌پذیرتر و قابل اطمینان‌تر شدن پیشرفت خواهند کرد. نوآوری فناورانه، همراه با تلاش‌های استانداردسازی، به طور مشترک صنعت رله را به سمت ارائه یک پشتیبانی اساسی برای اهداف جهانی بی‌ثباتی کربن سوق می‌دهد.