Distribucija struje u naselju Živi model

Upravljate transformatorom od 500 kVA i niskonaponskim vodom koji napajaju 150 domova i njihova električna vozila. Preopterećenje zagrijava izolaciju i brzo je stari; dugi vod dopušta pad napona na udaljenom kraju. Jedan korak je 5 minuta.

Šta ćete naučiti

Simulator

Vrijeme 0 min
Temperatura najtoplije tačke namota 59 °C · Iskorištenost transformatora 42% · Napon na kraju voda 100,0% · Snaga punjenja EV 0 kWSN napajanje✓ 59°42%500 kVAONAN⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂⌂Napon na transformatoru 100,9% → Napon na kraju voda 100,0% · Preklopnik regulatora napona 0🚗 0 kW · 🌡 30,8 °C · Gubici 3,1 kW⊣⊢Iskorištenost susjednog transformatora 42%⏱ 14:00 · Neisporučena energija 0 kWh
  • Najtoplija tačka transformatora ispod 110 °C
  • Najtoplija tačka 110–120 °C (brže starenje)
  • Najtoplija tačka iznad 120 °C
  • Domovi s naponom u opsegu
  • Domovi blizu granice napona
  • Van opsega ili bez napajanja
  • Ventilatori / kondenzator u pogonu
  • Puni se oko tri EV

Kontrole

Ventilatori povećavaju rashladnu snagu za otprilike trećinu; ulje radi hladnije pri istom opterećenju.

Upravljani režimi važe samo za vozače uključene u program; ostali pune po dolasku.

Zatvara spojni prekidač za dio voda. Susjed ima svoju granicu (120 %), a dugi spoj spušta napon.

150 kvar reaktivne podrške: podiže napon na udaljenom kraju i malo smanjuje struju.

Svaki korak podiže sve napone za 1,25 % — pri laganom opterećenju može gurnuti bliski kraj iznad +5 %.

Direktno upravljanje opterećenjem bojlera i klima-uređaja: jedan blok od −15 % opterećenja domaćinstava na 60 min, zatim 2 sata blokade dok se oporave. Polovina odbačene energije se poslije vraća.

Pokazatelji

Temperatura najtoplije tačke namota
59°C
normalno
Iskorištenost transformatora
42%
normalno
Najgore odstupanje napona
0,9%
normalno
Faktor ubrzanja starenja
0,00×
normalno
Temperatura gornjeg sloja ulja53 °C
Vanjska temperatura30,8 °C
Potrošeni vijek izolacije (ekvivalentni sati)0,0 h
Opterećenje transformatora202 kW
Snaga punjenja EV0 kW
Napon na transformatoru100,9 %
Napon na kraju voda100,0 %
Gubici3,1 kW
Neisporučena energija0 kWh
Opterećenje isključeno upravljanjem0 kWh
EV energija koja još nedostaje0 %
Iskorištenost susjednog transformatora42 %
Faktor pokretanja hladnog opterećenja1,00 ×

Trend

Temperatura najtoplije tačke namota: — °C1600

Krizni scenariji

Nivo 1 · Večernji EV vrh u toplotnom valu

Popodne tokom toplotnog vala: klima-uređaji rade u svakom domu, a 100 električnih vozila priključit će se između 17:00 i 20:00 — povrh večernjeg vrha potrošnje domaćinstava. Samo 70 % vozača je uključeno u upravljano punjenje. Dočekajte 07:00 bez pregrijavanja i bez ispadanja transformatora, i bez oslanjanja na odbacivanje opterećenja.

  • Najtoplija tačka nikad iznad 110 °C
  • Potrošeni vijek izolacije ≤ 17 h (ne brže nego normalno)
  • Nijedan potrošač ne gubi napajanje
  • Odbačeno opterećenje ≤ 60 kWh

Nivo 2 · Kvar susjeda: preuzimanje njegovih potrošača

U 17:00 otkazuje susjedni transformator. Polovina njegovih domova prebacuje se na udaljeni kraj vašeg voda preko dugog spojnog kabla. Dodatna struja teče cijelom dužinom vašeg voda: držite svaki dom unutar ±5 % nazivnog napona (ANSI C84.1 Range A) i izbjegnite preopterećenje vlastitog transformatora.

  • Svaki napon unutar ±5 % (10 min nakon kvara)
  • Nijedan potrošač ne gubi napajanje
  • Najtoplija tačka nikad iznad 120 °C
  • Odbačeno opterećenje ≤ 60 kWh

Nivo 3 · Pokretanje hladnog opterećenja nakon prekida

Šestosatni ispad u ledenoj večeri završava u 18:00. Svi grijači su bili isključeni i svako EV čeka na punjenje. Kad ekipa zatvori prekidač, opterećenje se vraća daleko iznad uobičajenog — izgubite raznolikost potrošnje i transformator ponovo ispada. Vratite napajanje bez drugog ispada, držite napon u opsegu i ograničenje (curtailment) malim.

  • Nema drugog prekida (neisporučena energija = 0)
  • Svaki napon unutar ±5 % (10 min nakon obnove)
  • Isključeno opterećenje ≤ 120 kWh
  • Svaki EV napunjen do 07:00 (≤ 2 % nedostaje)
  • Opterećenost transformatora ostaje ispod praga releja od 150 % nakon zatvaranja prekidača (od 18:05)

Osnova — model iza brojeva

Svaka relacija koju simulator koristi, s njenim izvorom. Konstante označene kao pretpostavke su ilustrativne kalibracije.

Potražnja domaćinstava prati dnevni profil i vrijeme; svaki EV puni 7,2 kW dok se ne napuni.
P_homes = 150 × 2.0 kW × shape(h) × [1 + 0.025·max(0, θa−24) + 0.02·max(0, 15−θa)] × CLPU(t); P_EV = Σ 7.2 kW while plugged and not full[9]Pretpostavka: profil opterećenja, brojke o EV, impedanse voda, parametri hladnog opterećenja i snaga ventilatora su ilustrativne vrijednosti za generički prigradski vod, a ne podaci iz stvarne mreže.
Porast temperature gornjeg sloja ulja eksponencijalno se približava svojoj krajnjoj vrijednosti za trenutno opterećenje, s vremenskom konstantom od nekoliko sati.
Δθ_TO,U = 55 K · [(K²R+1)/(R+1)]ⁿ; Δθ_TO ← Δθ_TO,U + (Δθ_TO − Δθ_TO,U)·e^(−Δt/τ_TO), τ_TO = 180 min (ONAN) / 150 min (ONAF); R = P_k/P₀ at the rating K is referred to: 5 (ONAN), 5 × 1.33² ≈ 8.8 (ONAF)[1][2]
Najtoplija tačka namota nalazi se iznad ulja i prati struju u roku od nekoliko minuta.
Δθ_H,U = 25 K · K^(2m); Δθ_H ← Δθ_H,U + (Δθ_H − Δθ_H,U)·e^(−Δt/(k22·τw)), k22·τw = 8 min; θ_H = θ_A + Δθ_TO + Δθ_H[1][2]Pojednostavljenje: porast temperature najtoplije tačke prati jednu eksponencijalu (k21 = 1, vremenska konstanta k22·τw). Kratko prekoračenje dvočlane funkcije f2(t) iz IEC 60076-7 nakon naglog skoka opterećenja nije modelirano, pa najtoplija tačka može nakratko pokazivati nekoliko kelvina premalo.
Stepen hlađenja: ventilatori mijenjaju eksponente i nazivnu snagu na koju se opterećenje odnosi.
ONAN n = 0.8, m = 0.8; ONAF n = 0.9, m = 0.8 (IEEE C57.91), with K and R referred to the ONAF rating (1.33 × ONAN, R ≈ 8.8)[1][3]Pretpostavka: profil opterećenja, brojke o EV, impedanse voda, parametri hladnog opterećenja i snaga ventilatora su ilustrativne vrijednosti za generički prigradski vod, a ne podaci iz stvarne mreže.
Starenje izolacije u odnosu na referentnih 110 °C; udvostručuje se otprilike svakih 6–7 K.
F_AA = exp(15000/383 − 15000/(θ_H + 273)); aged hours = Σ F_AA·Δt; F_EQA = Σ F_AA·Δt / Σ Δt; normal life 180 000 h[1][3][2]
Gubici praznog hoda plus gubici opterećenja koji rastu s kvadratom struje.
P_loss = P₀ + P_k·K² + r_f·S_b·(|s_d|²/3 + Re(s_d·s_p*) + |s_p|²) + r_tie·S_b·|s_tie|², s_d = distributed load, s_p = far-end block (incl. capacitor); P₀ = 1 kW, P_k = 5 kW[7][2]
Približan pad napona duž transformatora i voda.
ΔV ≈ p·r + q·x (pu); distributed load drops ½ of the lumped value; capacitor Q_c raises V by Q_c·x; V_src = 1.02 + 0.02·(0.5 − shape) + tap × 1.25 %[7]Pretpostavka: profil opterećenja, brojke o EV, impedanse voda, parametri hladnog opterećenja i snaga ventilatora su ilustrativne vrijednosti za generički prigradski vod, a ne podaci iz stvarne mreže.
Opsezi servisnog napona preuzeti su iz standarda napona.
target |V − 1| ≤ 5 % (ANSI C84.1 Range A); Range B −8.3 % / +5.8 %; EN 50160: ±10 % for 95 % of 10-min means[4][5][6]
Zaštita: kada transformator i susjed ispadaju.
trip if K ≥ 1.5 for 30 min (accumulated), K ≥ 2.0 at once, or θ_H ≥ 140 °C; neighbour trips if K_B ≥ 1.2 for 30 min; re-energised after 60 min[2]Pretpostavka: podešenje preopterećenja od 30 minuta, trenutni element 2,0 pu i isključenje pri najtoplijoj tački 140 °C su ilustrativne postavke zasnovane na IEC 60076-7 granicama za distributivne transformatore (1,5 pu normalno ciklično, 2,0 pu kratkotrajno vanredno, 140 °C najtoplija tačka). Stvarna zaštita koristi krive osigurača ili releja.
Nakon ispada svi termostatski potrošači se uključe odjednom; dodatno opterećenje opada eksponencijalno.
M0 = 1 + 1.4·(1 − e^(−D/90 min)); CLPU(t) = 1 + (M0 − 1)·e^(−t/60 min)[8][1]Pretpostavka: profil opterećenja, brojke o EV, impedanse voda, parametri hladnog opterećenja i snaga ventilatora su ilustrativne vrijednosti za generički prigradski vod, a ne podaci iz stvarne mreže.
Ostale konstante koje model koristi.
500 kVA transformer, 30 °C rated ambient (55 K oil + 25 K gradient → 110 °C) · 60 EVs, 6–20 kWh need, arrival ≈ N(18:30, 1 h), depart 07:00 · curtailed charging 3.6 kW · transformer r = 1 %, x = 4 %; feeder r = 4 %, x = 2 %; tie r = 10 %, x = 4 % (500 kVA base) · neighbour 400 kVA, 120 homes, transfer ≤ 40 % · capacitor 150 kvar · tap ±4 × 1.25 % · shedding one 15 % block for 60 min, 120 min lockout, 50 % payback · fans 0.4 kW · ±3 % load noise, ±5 % daily scalePretpostavka: profil opterećenja, brojke o EV, impedanse voda, parametri hladnog opterećenja i snaga ventilatora su ilustrativne vrijednosti za generički prigradski vod, a ne podaci iz stvarne mreže.

Nasumičnost: mulberry32 generator sa seedom; korištene raspodjele — uniformna, eksponencijalna (inverzna CDF), normalna (Box–Muller), Poissonova (Knuth). Seed se prikazuje i može se dijeliti.

Izvori

  1. IEEE Std C57.91-2011 — IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step-Voltage Regulators (clause 5 ageing, clause 7 temperature, Annex on cold-load pickup) — IEEE, 2011
  2. IEC 60076-7:2018 — Power transformers, Part 7: Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers — IEC, 2018
  3. Comparison of Loading Guide Standards (IEEE C57.91 and IEC 60076-7): ageing equations, exponents n/m by cooling mode, 180 000 h normal life — IEEE PES Transformers Committee, C57.91 working group
  4. ANSI C84.1 — Electric Power Systems and Equipment: Voltage Ratings (60 Hz); Range A service voltage ±5 % (114–126 V on 120 V), Range B 110–127 V — NEMA / ANSI (summarised in USDA Rural Utilities Service guidance), 2020
  5. EN 50160:2022 — Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks, clause 4 low-voltage supply characteristics (clause 4 is not in the free preview, which ends at the scope) — CENELEC, CLC/TC 8X (official preview of the English text via the Slovak national standards body ÚNMS SR, STN EN 50160:2023), 2022
  6. A. Klajn, M. Bątkiewicz-Pantuła — Application Note: Standard EN 50160, Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks (LV supply voltage variations: Un ± 10 % for 95 % of the 10-min mean rms values of each week) — European Copper Institute / Leonardo ENERGY, Publication No. Cu0147, 2013
  7. W. H. Kersting — Distribution System Modeling and Analysis (approximate voltage drop, uniformly distributed load, line losses) — CRC Press, 2017
  8. C. Hachmann et al. — Cold load pickup model parameters based on measurements in distribution systems (exponential decay model, CLPU factors ≈ 1.9–2.8) — IET Generation, Transmission & Distribution 13(23), 2019
  9. SAE J1772 — Electric Vehicle and Plug-in Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler (AC Level 2 charging, e.g. 32 A × 240 V ≈ 7.7 kW) — SAE International, 2017

Ko se time bavi profesionalno

Edukativni model — nije za operativne odluke. Stvarni objekti kalibriraju svaku konstantu prema vlastitoj opremi i podacima.