تطبيق تقنية الطائرات بدون طيار في عمليات التحكم المتسلسلة لمحطات التحويل

مع تقدم تقنيات الشبكة الذكية، أصبح التحكم التتابعي (التحكم التلقائي القائم على نظام الرصد والتحكم) في محطات التحويل تقنية أساسية لضمان استقرار تشغيل النظام الكهربائي. رغم أن التقنيات الحالية للتحكم التتابعي قد تم نشرها على نطاق واسع، لا تزال التحديات المتعلقة باستقرار النظام تحت ظروف التشغيل المعقدة وتآزر الأجهزة مهمة. تقدم تقنية الطائرات بدون طيار (UAV) - التي تتميز بالسرعة والمرونة وقدرات الفحص اللا مادي - حلًا مبتكرًا لتحسين عمليات التحكم التتابعي.

من خلال دمج العمليات القائمة على الطائرات بدون طيار مثل الدوريات الجوية ومراقبة الحالة في الوقت الحقيقي بشكل عميق في الأنظمة التقليدية للتحكم التتابعي، يمكن التغلب بشكل فعال على القيود المرتبطة بالعمليات اليدوية، مما يتيح إدراكًا دقيقًا وفي الوقت الحقيقي لحالة المعدات ويحسن بشكل كبير من موثوقية ومستوى ذكاء التحكم التتابعي. البحث حول تطبيقات الطائرات بدون طيار في التحكم التتابعي في محطات التحويل يحمل أهمية عملية كبيرة لتطوير الشبكات الذكية.

1. نظرة عامة على عمليات التحكم التتابعي في محطات التحويل
1.1 التعريف
يشير التحكم التتابعي في محطات التحويل إلى تنفيذ تلقائي متسلسل لسلسلة من عمليات المعدات الكهربائية وفقًا للإجراءات والقواعد المنطقية المحددة مسبقًا عبر نظام التحكم الآلي. كمثال على ذلك: في السابق، كان على المشغلين القيام بتشغيل المقاطع والفصل وغيرها من الأجهزة يدويًا واحدًا تلو الآخر. بينما مع التحكم التتابعي، يحتاج المشغلون فقط لإصدار أمر شامل واحد من محطة الرصد؛ ثم يقوم النظام بتنفيذ السلسلة بأكملها تلقائيًا وبشكل دقيق - مثل قطع مقاطع الخط ثم فتح الفصل المرتبط بها - مما يبسط بشكل كبير سير العمل التشغيلي.

1.2 المبادئ التقنية
يعتمد التحكم التتابعي في محطات التحويل على نظام أتمتة متكامل يتكون من مكونات رئيسية تشمل جهاز الإشراف، ووحدات القياس والتحكم، والأجهزة الذكية. يعمل جهاز الإشراف كواجهة بين الإنسان والآلة، حيث يتلقى أوامر المشغل ويقوم بتحويلها إلى إشارات تحكم قابلة للتنفيذ. تقوم وحدات القياس والتحكم باستلام البيانات التشغيلية في الوقت الحقيقي بشكل مستمر - مثل التيار والجهد وموضع المعدات - مما يوفر الوعي بالموقف للمشغلين والإدخالات الحرجة لقرارات التسلسل المنطقي. تتصل الأجهزة الذكية مباشرة بالمعدات الأساسية لتنفيذ عمليات الفصل وتتواصل مع وحدات القياس والتحكم وغيرها من الأجهزة عبر الألياف البصرية أو الكابلات، مما يضمن نقل البيانات سريعًا بدقة لدعم تنفيذ التحكم التتابعي بأمان وكفاءة.

1.3 المزايا
1.3.1 تحسين كفاءة التشغيل
في عمليات محطات التحويل التقليدية، تعاني إجراءات الفصل من عدم كفاءة ملحوظة. على سبيل المثال، خلال عملية نقل خط 220 كيلوفولت، يجب على الموظفين التنقل مرارًا وتكرارًا بين الأقسام لتأكيد هويات المعدات وتأكيد الحالة وتشغيل المقاطع والفصل يدويًا. بسبب قيود البشر، يستغرق العملية الكاملة عادةً من 2 إلى 3 ساعات، مما يستهلك كميات كبيرة من الجهود البشرية ويتسبب في مخاطر خطأ تؤثر على كفاءة الشبكة.

مع تطور تقنيات الشبكات الذكية، توفر أنظمة التحكم التتابعي نهجًا تحويليًا. عند تلقي الأمر من الخلفية الرصد، يقوم النظام بتنفيذ التسلسل الكامل تلقائيًا - بما في ذلك التحقق من حالة الجهاز وتقييم تذكرة العمل وأوامر الفصل - بمعدل زمني بلغة ملي ثانية بناءً على المنطق المبرمج مسبقًا. تظهر البيانات الميدانية أن استخدام التحكم التتابعي يقلل من وقت نقل خط 220 كيلوفولت إلى أقل من 20 دقيقة - وهو تحسين بنسبة أكثر من 80٪ مقارنة بالطرق التقليدية. هذا الاختراق يعزز مرونة تشغيل الشبكة، مما يسمح بإعادة التكوين السريع أثناء التقلبات في الحمل ويوفر بشكل كبير من مدة انقطاع التيار الكهربائي أثناء الأعطال، وبالتالي يحسن من موثوقية وكفاءة تزويد الطاقة بشكل عام.

1.3.2 تعزيز سلامة التشغيل
تعاني العمليات اليدوية في محطات التحويل من العديد من العوامل البشرية غير المتوقعة التي تشكل مخاطر سلامة خفية. تعتبر اليقظة لدى المشغل حاسمة؛ فالتعب الناجم عن الورديات الليلية، على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إلى قراءة العلامات بطريقة خاطئة أو تنفيذ الخطوات خارج التسلسل. بالإضافة إلى ذلك، تختلف مستويات المهارة بين الموظفين - حيث يكون الموظفون الجدد أقل دراية بالإجراءات المعقدة مقارنة بالموظفين ذو الخبرة - مما يزيد من احتمالية الأخطاء. تشير الإحصائيات غير الكاملة إلى أن مئات حالات فشل المعدات في محطات التحويل وأحداث الشبكة السنوية تنشأ من الأخطاء البشرية.

يقوم التحكم التتابعي بإنشاء حاجز سلامة قوي. قبل التنفيذ، تقوم التحقق من المنطق المدمج بفحص كل خطوة ضد القواعد المحددة مسبقًا للسلامة والتوصيل الكهربائي. لن يمضي النظام إلا عندما يتم تلبية جميع الشروط. على سبيل المثال، أثناء تغذية الخط، يقوم النظام تلقائيًا بتأكيد حالة المقاطع والفصل؛ إذا تم اكتشاف أي شذوذ، يتوقف العملية على الفور ويثير إنذارًا. هذا يمنع الأخطاء الخطيرة مثل فتح الفصل تحت الحمل أو إغلاق مفتاح الأرض أثناء التغذية، مما يقلل بشكل أساسي من مخاطر تلف المعدات وأحداث الشبكة، ويضمن تشغيل محطات التحويل بأمان واستقرار أكبر.

1.4 الحالة الحالية للتطبيق
مع استمرار الصين في تقدم مبادرتها للشبكات الذكية، أصبح التحكم التتابعي ركيزة للعمليات الحديثة في محطات التحويل. في المحطات الجديدة، أصبحت مبادئ التصميم الذكي معيارًا، مع تكامل التحكم التتابعي كوحدة وظيفية رئيسية. على سبيل المثال، في شرق الصين، بلغ معدل تبني التحكم التتابعي في المحطات الجديدة خلال الخمس سنوات الماضية 95٪. في المدن الاقتصادية المتقدمة مثل شنتشن وشنغهاي، تتجاوز نسبة التغطية 80٪ للمحطات ذات الجهد 220 كيلوفولت وما فوق، مما يعزز بشكل كبير كفاءة وسلامة الشبكة الإقليمية.

وفي الوقت نفسه، تستمر أعمال تحديث المحطات القديمة مع قدرات ذكية بشكل ثابت. في شمال الصين، تم تحديث محطة تحويل عمرها 20 عامًا بجهد 110 كيلوفولت بنجاح لتضمين وظيفة التحكم التتابعي من خلال استبدال الوحدات الذكية للإدخال والإخراج وتحديث نظام الإشراف، مما يحسن بشكل ملحوظ كفاءة التشغيل والموثوقية.

ومع ذلك، مع زيادة نطاق التحكم المتسلسل، تصبح العقبات التقنية واضحة في السيناريوهات المعقدة. في ظروف الطقس القاسي، أعطال الخطوط المتعددة، أو التقلبات المفاجئة في الحمل، يجب على النظام معالجة كميات هائلة من البيانات الفعلية وتنفيذ منطق معقد، مما قد يؤدي إلى تأخير الاستجابة، توقف المنطق، أو حتى أفعال خاطئة. بالإضافة إلى ذلك، مشاكل التوافق بين معدات الشركات المصنعة المختلفة - بسبب الاختلافات في بروتوكولات الاتصال، صيغ البيانات، ومعايير الواجهات - غالباً ما تسبب نقل بيانات غير طبيعي أو استجابة الأوامر المتأخرة، مما يقوض سلاسة ودقة العمليات المتسلسلة.

لحل هذه التحديات، يتبع قطاع الكهرباء حلولًا ثنائية المسار: الابتكار التكنولوجي والتوحيد. تقنيًا، يتم تحسين الخوارزميات لتعزيز معالجة البيانات واتخاذ القرارات في ظروف معقدة. فيما يتعلق بالمعايير، يتم التركيز على توحيد واجهات الاتصال والبروتوكولات لتحسين التوافق عبر الشركات المصنعة.

في هذا السياق، تقدم تقنية الطائرات بدون طيار - التي توفر المناورة المرنة، زوايا رؤية متنوعة، والاستشعار اللالامس - مسارًا ابتكاريًا لتعزيز التحكم المتسلسل. أثناء العمليات المتسلسلة، يمكن للطائرات بدون طيار القيام برصد ديناميكي فعلي للحالة المعدات باستخدام التصوير متعدد الأطياف، الحرارية بالأشعة تحت الحمراء، وغيرها من التقنيات المتقدمة، مما يتيح الحصول على معلمات دقيقة وكشف الأخطاء بسرعة. هذا الرد الفعلي الفعلي يدعم بشكل فعال اتخاذ قرارات أكثر ذكاءً في أنظمة التحكم المتسلسل، مما يرفع الذكاء والموثوقية في عمليات شبكة الكهرباء.

2. تطبيق تقنية الطائرات بدون طيار في التحكم المتسلسل للمحطة
2.1 بناء نموذج ثلاثي الأبعاد واقعي للمحطة باستخدام تقنية الطائرات بدون طيار
دمج تقنية الطائرات بدون طيار لبناء توأمة رقمية ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للمحطة يمثل تطورًا ابتكاريًا وعمليًا للغاية في التحكم المتسلسل. مجهزة بكاميرات ذات دقة عالية من المستوى المساحي، يمكن للطائرات بدون طيار إجراء استطلاعات جوية شاملة من ارتفاعات وأوجه متعددة، التقاط التخطيط العام والتفاصيل الدقيقة للمعدات الأساسية. هذا يولد مجموعة بيانات غنية من الصور عالية الدقة ضرورية لنمذجة ثلاثية الأبعاد دقيقة. لضمان تناسق البيانات والدقة الهندسية، يجب أن تلتزم مهمات الطيران بدقة بالمعايير التشغيلية المحددة للطائرات بدون طيار، كما هو مفصل في الجدول 1.

من بين هذه المعايير، تم تحديد ارتفاع الطيران عند 120 مترًا - وهو ارتفاع يضمن قيام الطائرة المُسيَّرة بالتقاط صور تغطي المحطة الفرعية بأكملها مع الحفاظ على وضوح كافٍ للتفاصيل. ويتم التحكم في سرعة الطيران بين 2–5 م/ث للحفاظ على استقرار الطائرة أثناء الطيران ومنع ضبابية الحركة الناتجة عن السرعة الزائدة. وتُضبط فترة التعرض عند 2–3 ثوانٍ، مما يتيح تحقيق ثبات في سطوع الصورة ونوعية موثوقة تحت ظروف إضاءة متغيرة.

توفر درجة التداخل الأمامية بنسبة 85% والجانبية بنسبة 75% مناطق تداخل واسعة بين الصور المجاورة، ما يوفر الهوامش الضرورية اللازمة لربط الصور لاحقًا وإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد. وتتراوح بؤرة عدسة الكاميرا بين 35 إلى 50 مم، مقترنة بمستشعر عالي الدقة بحجم 6048 × 4032 بكسل، مما يمكنها من التقاط تفاصيل دقيقة لمعدات المحطة الفرعية المختلفة بفعالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن المسافة العينية الأرضية (GSD) البالغة 1.5 سم/بكسل تضمن أن كل بكسل يقابل بدقة بعدًا حقيقيًا على الأرض، مما يعزز بشكل كبير الدقة المكانية.

من خلال الالتزام الصارم بهذه معايير الطيران، تقوم الطائرة المُسيرة بالحصول على صور عالية الجودة، والتي – بعد معالجتها عبر برنامج فوتوغراميتري احترافي يتضمن ربط الصور ودمجها وإعادة بنائها ثلاثية الأبعاد – تنتج نموذجًا رقميًا ثلاثي الأبعاد شديد الواقعية والتفصيل للمحطة الفرعية. ويُوفِّر هذا النموذج معلومات مرجعية مكانية بديهية ودقيقة لعمليات التحكم المتسلسل، مما يمكن المشغلين من فهم تخطيط المعدات وحالتها بوضوح، وبالتالي وضع أساس متين لتنفيذ دقيق لتسلسلات التشغيل الآلية.

2.2 تنفيذ "التأكيد المزدوج" لموقع المفصل في المحطات الفرعية
تُعد جهاز "التأكيد المزدوج" للمفاصيل عنصرًا حيويًا للتحقق من موقع المفتاح. حيث يستخدم أجهزة استشعار مثبتة مباشرة على آلية التشغيل الميكانيكية الأساسية لمراقبة الحالة الفعلية للمفصل. ويتميز النظام بوجود مفتاحين صغيرين: يكون المفتاح الصغير الثاني مرتبطًا مباشرة بالمستشعر ومسؤولًا عن تسجيل الموقع الفعلي لشفرة المفصل. ويتم إرسال الإشارة المستخلصة عبر المستشعر إلى مستقبل إشارات، والذي بدوره يحول البيانات إلى نظام القياس والتحكم في المحطة الفرعية. وتتيح آلية الإرسال المغلقة هذه اكتشافًا فوريًا وعالي الدقة لمواقع المفاصيل، مما يوفر تحققًا موثوقًا من الموقع لعمليات التحكم المتسلسل.

باعتبارها الوحدة المركزية، تستلم وحدة قياس وتحكم المحطة الفرعية الإشارات من المفتاح الصغير الأول (الاستجابة الميكانيكية) والإشارة المعالجة من المفتاح الصغير الثاني (الاستجابة القائمة على المستشعر). وبعد دمج هذين المدخليْن والتحقق منهما، ترسل الوحدة بيانات الحالة الموحدة إلى مضيف التحكم المتسلسل. وفي الوقت نفسه، يقوم مضيف منع الأخطاء بالتحقق من جميع أوامر التشغيل الصادرة عن مضيف التحكم المتسلسل. ولا يمكن المضي قدمًا في العملية المتسلسلة إلا بعد اجتياز هذا التحقق من الخطأ.

تحذف هذه الآلية "ذات التأكيد المزدوج" تقنيًا المخاطر المرتبطة بفشل إشارة نقطة واحدة أو الحكم الخاطئ، مما يحسن بشكل كبير موثوقية اكتشاف موقع المفصل. وفي السيناريوهات الواقعية – سواء خلال عمليات التبديل الروتينية أو الاستجابات الطارئة – يضمن المفصل ذو التأكيد المزدوج أن المشغلين يتلقون دائمًا معلومات دقيقة عن الموقع، مما يمنع بشكل فعال حدوث أخطاء في التشغيل ويعزز سلامة واستقرار أنظمة التحكم المتسلسل.

2.3 التطبيق العملي
في مشروع توسيع محطة فرعية بجهد 110 كيلو فولت، كانت دمج المعدات الجديدة في نظام التحكم المتسلسل الحالي يشكل تحديات كبيرة – وقد تم التعامل مع هذه التحديات بشكل فعال من خلال تقنية الطائرات المُسيرة. حيث قامت الفرق التشغيلية باستخدام الطائرات المُسيرة وفقًا لمعايير طيران صارمة: فقد ضمان ارتفاع طيران 120 مترًا تغطية شاملة للمحطة الفرعية مع الحفاظ على التفاصيل على مستوى المعدات؛ وحافظت سرعة طيران تتراوح بين 2–5 م/ث على استقرار المنصة للحصول على صور واضحة؛ وسمحت فترة تعريض تتراوح بين 2–3 ثوانٍ بالتكيف مع ظروف الإضاءة المتغيرة لضمان الحصول على صور عالية الجودة. ومع تداخل أمامي بنسبة 85% وتداخل جانبي بنسبة 75%، وفرت مجموعة البيانات هوامشًا وافية لمعالجة فوتوغرامترية قوية.

باستخدام تقنيات متقدمة في مجال الفوتوغراميتري والنمذجة ثلاثية الأبعاد، تم تحويل الصور عالية الدقة الملتقطة بالطائرات المُسيرة إلى نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد دقيق للمحطة الفرعية. وقد سمح هذا النموذج المكاني الغامر لفريق التشغيل بتحليل العلاقات المكانية بين المعدات القديمة والمعدات الجديدة المثبتة بدقة. وأثناء محاكاة إجراءات التحكم المتسلسل، استفاد المشغلون من النموذج في التخطيط المسبق لأفضل المسارات التشغيلية وتحديد الأجهزة المستهدفة بدقة باستخدام إحداثيات مكانية دقيقة – مما قلل بشكل كبير من وقت التشغيل الابتدائي لدمج المعدات الجديدة.

وفي الممارسة العملية، سمح هذا النهج لفريق المشروع بإكمال دمج وتشغيل نظام التحكم المتسلسل قبل الموعد المحدد بيومين. وهذا لا يقلل فقط من المدة الإجمالية للمشروع، بل يسرع أيضًا انتقال المحطة الفرعية نحو التشغيل الذكي، ووضع الأساس المتين لأدائها الآمن والموثوق على المدى الطويل.

في سيناريوهات التشغيل والصيانة اليومية للتحكم المتسلسل في هذه المحطة الفرعية 110 كيلو فولت، تُعد آلية "التأكيد المزدوج" للمفصل الركيزة الأساسية لسلامة وكفاءة العمليات، بينما توفر تقنية الطائرات المُسيرة دعمًا مساعدًا قويًا. وعلى سبيل المثال، خذ عملية تحكم متسلسل طارئة ليلاً: بعد أن يصدر المشغلون أمرًا بفتح المفصل من مضيف التحكم المتسلسل، يتم تنشيط جهاز "التأكيد المزدوج" فورًا لآلية نقل الإشارة والتحقق الدقيقة. ويقوم المفتاحان الصغيران داخل الجهاز بإرسال إشارات موقع شفرة المفصل في الوقت الفعلي إلى وحدة قياس وتحكم المحطة الفرعية. ثم تقوم هذه الوحدة بدمج الإشارات ومعالجتها مبدئيًا قبل إعادة إرسالها إلى مضيف التحكم المتسلسل. وفي الوقت نفسه، يقوم مضيف منع الأخطاء بالتحقق المنطقي من أمر التشغيل؛ ولا يمكن تنفيذ عملية الفتح إلا بعد تأكيد مضيف منع الأخطاء بأن الأمر صحيح.

وخلال هذه العملية، تلعب الطائرة المُسيرة أيضًا دورًا مهمًا. وباستغلال قدرتها العالية على المناورة، تقوم الطائرة المُسيرة بمراقبة فورية وشاملة لمعدات المحطة الفرعية – مع التركيز بشكل خاص على منطقة المفصل. وفي الوقت الذي يعمل فيه جهاز "التأكيد المزدوج"، تقوم الطائرة المُسيرة بإرسال بث مباشر للفيديو الميداني إلى غرفة التحكم، مما يوفر للمشغلين مرجعًا بصريًا إضافيًا لضمان دقة التشغيل بشكل أكبر.

مقارنة بالتحقق اليدوي التقليدي على الأرض، تقلل هذه الطريقة المتكاملة وقت التشغيل من 10 دقائق إلى 3 دقائق فقط، مما يعزز الكفاءة بشكل كبير. وأكثر من ذلك، فإنها تساعد في القضاء بشكل فعال على خطر الخطأ الناجم عن الإضاءة السيئة وتعب المشغل أثناء التفتيش اليدوي الليلي.

3. الخاتمة
لقد أتاحت تقنية الطائرات بدون طيار اختراقات ابتكارية لعمليات التحكم المتسلسل في محطات التحويل. من خلال بناء نماذج ثلاثية الأبعاد واقعية، تزيد هذه التقنية بشكل فعال من كفاءة دمج المعدات الجديدة في أنظمة التحكم المتسلسل وتسريع تنفيذ المشاريع. عند العمل مع أجهزة "التأكيد المزدوج" للفصل، تحسن الطائرات بدون طيار بشكل كبير السلامة والدقة في تشغيل المعدات. مع استمرار تطور تقنية الطائرات بدون طيار وتعمق تكاملها مع أنظمة التحكم المتسلسل، هناك وعد بحل المزيد من التحديات مثل التكيف تحت ظروف التشغيل المعقدة والتوافق بين المعدات، مما يؤدي إلى تقدم مستمر في تشغيل محطات التحويل نحو الذكاء والموثوقية، وتقديم الدعم الفني القوي لتشغيل أنظمة الطاقة بشكل مستقر وكفء.