Приложение на технологията UAV в последователните контролни операции на електропредавателни станции

С напредъка на технологиите за умни мрежи последователното управление (автоматизирано комутиране въз основа на SCADA) в подстанциите е станало ключова техника за осигуряване на стабилна работа на електрическата система. Въпреки че съществуващите технологии за последователно управление вече са широко разпространени, предизвикателствата, свързани със стабилността на системата при сложни режими на работа и съвместимостта на оборудването, продължават да бъдат значителни. Технологията на безпилотни летателни апарати (БЛА), характеризираща се с гъвкавост, мобилност и възможности за инспекции без контакт, предлага иновативно решение за оптимизация на операциите по последователно управление.

Чрез дълбоко интегриране на функции, базирани на БЛА, като патрулиране от въздуха и мониторинг в реално време на състоянието, в традиционните системи за последователно управление могат ефективно да бъдат преодоляни ограниченията на ръчните операции, което позволява прецизно и в реално време възприемане на състоянието на оборудването и значително повишава надеждността и нивото на интелигентност на последователното управление. Проучването на прилагането на БЛА в последователното управление в подстанции има голямо практическо значение за напредъка в развитието на умните мрежи.

1. Общ преглед на операциите по последователно управление в подстанциите
1.1 Определение
Последователното управление в подстанциите се отнася до автоматично изпълнение стъпка по стъпка на серия от операции с електрическо оборудване според предварително зададени процедури и логически правила чрез система за автоматизация. Като пример може да се вземе операцията по превключване на шината: традиционно операторите трябва ръчно да управляват едно след друго прекъсвачи, разединители и други устройства. Напротив, при последователното управление операторите просто издават един общ команден сигнал от работната станция за наблюдение; системата след това автоматично и точно изпълнява целия процес – например изключване на прекъсвач на линията, последвано от отваряне на съответните разединители – което значително опростява работния поток.

1.2 Технически принципи
Последователното управление в подстанциите разчита на интегрирана система за автоматизация, състояща се от ключови компоненти като надзорен хост, единици за измерване и контрол и интелигентни терминали. Надзорният хост служи като интерфейс човек-машина, получавайки команди от оператора и ги преобразувайки в изпълними управляващи сигнали. Единиците за измерване и контрол непрекъснато събират данни в реално време за работата – като ток, напрежение и положение на оборудването – осигурявайки както информация за текущото състояние за операторите, така и критични входни данни за вземане на решения в рамките на последователната логика. Интелигентните терминали са директно свързани с основното оборудване, за да извършват комутационни операции, и комуникират с единиците за измерване/контрол и други устройства чрез оптични влакна или кабели, осигурявайки бързо и точно предаване на данни за подпомагане на безопасно и ефективно изпълнение на последователното управление.

1.3 Предимства
1.3.1 Подобрена оперативна ефективност
При традиционните операции в подстанциите процедурите за превключване страдат от забележима неефективност. Например по време на операция по превключване на 220 kV шина персоналът трябва многократно да се придвижва между секциите, за да провери идентификационните номера на оборудването, да потвърди състоянието и да управлява ръчно прекъсвачите и разединителите. Поради човешките ограничения, една пълна операция обикновено отнема 2–3 часа, изразходвайки значително количество човешки ресурси и водейки до риск от грешки, които влияят на ефективността на мрежата.

С развитието на технологиите за умни мрежи системите за последователно управление предлагат трансформиращ подход. След получаване на команда от мониторинговия бекенд, системата автоматично изпълнява целия процес – включително проверка на състоянието на устройствата, валидиране на оперативния билет и комутационни команди – със скорост на милисекунди, базирана на предварително програмирана логика. Полеви данни показват, че използването на последователно управление намалява времето за превключване на 220 kV шина до под 20 минути – подобрение от повече от 80% спрямо традиционните методи. Този пробив подобрява гъвкавостта на мрежата, позволявайки бързо преустройство по време на колебания в натоварването и значително съкращава времето на прекъсвания при аварии, което подобрява общата надеждност и качество на електроосигуряването.

1.3.2 Подобрена оперативна безопасност
Ръчните операции в подстанциите са уязвими към множество непредвидими човешки фактори, които представляват скрити рискове за безопасността. Бдителността на оператора е от решаващо значение; например умората от нощни смени може да доведе до грешно четене на етикети или изпълнение на стъпки в неправилен ред. Освен това нивата на умения варира сред персонала – новопостъпилите са много по-малко запознати със сложни процедури в сравнение с опитен персонал – което увеличава вероятността от грешки. Непълни статистики показват, че всяка година стотици повреди на оборудване в подстанции и инциденти в мрежата се дължат на човешки грешки.

Последователното управление създава здрава бариера за безопасност. Преди изпълнение вградената логическа валидация строго проверява всяка стъпка спрямо предварително зададени правила за безопасност и електрически блокировки. Системата ще продължи напред само ако всички условия са изпълнени. Например по време на включване на линия системата автоматично проверява състоянието на прекъсвачите и разединителите; ако бъде открита каквато и да е аномалия, операцията немедленно се спира и се активира аларма. Това предотвратява сериозни грешки като отваряне на разединител под товар или затваряне на заземяващ превключвател при включена мрежа, което фундаментално намалява риска от повреди на оборудването и аварии в мрежата и осигурява по-безопасна и стабилна работа на подстанциите.

1.4 Текущо приложение
Докато Китай продължава да развива инициативата си за умни мрежи, последователното управление е станало основен стълб на модерните операции в подстанциите. В новопостроените подстанции интелигентните проекти вече са стандарт, като последователното управление е интегрирано като основен функционален модул. Например в Източен Китай процентът на прилагане на последователно управление в нови подстанции през последните пет години достигна 95%. В икономически развити градове като Шенжен и Шанхай покритието надвишава 80% за подстанции с 220 kV и по-високо напрежение, което значително повишава регионалната ефективност и безопасност на мрежата.

Междувременно напредва и модернизацията на по-стари подстанции с интелигентни възможности. В Северен Китай 20-годишна 110 kV подстанция беше успешно модернизирана с функционалност за последователно управление чрез замяна на интелигентни I/O единици и модернизация на надзорната система, като по този начин значително се подобри оперативната ефективност и надеждност.

Въпреки това, при увеличаване на мащаба на последователното управление, техническите бутилneck-ove в сложни сценарии стават все по-очевидни. При екстремни метеорологични условия, многолинейни повреди или внезапни колебания на нагрузката, системата трябва да обработва огромно количество реално време данни и да изпълнява сложна логика, което може да доведе до забавяне на отговора, спиране на логиката или дори грешки в действията. Освен това проблеми с взаимодействие между оборудване от различни производители - поради несъответствия в комуникационните протоколи, форматите на данните и стандарти за интерфейси - често причиняват аномална передача на данни или забавени отговори на команди, което подкопава плавността и точността на последователните операции.

За справяне с тези предизвикателства, електроенергийната индустрия търси решения по два пътя: технологично новаторство и стандартизация. Технически, алгоритмите се оптимизират, за да се подобри обработката на данни и вземането на решения в сложни условия. От гледна точка на стандартизацията, усилията се фокусират върху обединяването на комуникационните интерфейси и протоколи, за да се подобри взаимодействието между оборудване от различни производители.

В този контекст, технологията на БПЛА (Безпилотни летателни апарати) - предлагайки гъвкава маневреност, разнообразни ъгли на наблюдение и безконтактен датчики - представя иновативен път за подобряване на последователното управление. По време на последователните операции, БПЛА могат да извършват реално време динамично наблюдение на състоянието на оборудването, използвайки многоспектрално заснемане, инфрачервена термография и други напреднали техники, което позволява прецизно придобиване на параметри и бързо откриване на аномалии. Тази реално време обратна връзка ефективно подкрепя по-умно вземане на решения в системите за последователно управление, повишавайки интелигентността и надеждността на операциите в електроенергийната мрежа.

2. Приложение на технологията на БПЛА в последователното управление на подстанции
2.1 Създаване на 3D реалистична модел на подстанцията чрез използване на технологията на БПЛА
Интегрирането на технологията на БПЛА за създаване на високоточна 3D цифрова двойка на подстанцията представлява високо иновативен и практически напредък в последователното управление. Оборудвани с високопрецизни камери за геодезически проучвания, БПЛА могат да провеждат цялостни въздушни проучвания от множество височини и ъгли, заснемайки както общата композиция, така и детайлите на ключовото оборудване. Това генерира богат набор от данни от високоразмерни изображения, необходими за точна 3D моделиране. За осигуряване на консистентност на данните и геометрична точност, полетните мисии трябва строго да спазват специфицираните параметри за операции с БПЛА, както е детайлно описано в таблица 1.

Среди тези параметри, височината на полета е зададена на 120 м – височина, която осигурява дрона да заснеме изображения, покриващи цялата подстанция, като същевременно се запазва достатъчна детайлна яснота. Скоростта на полета се контролира между 2–5 м/с, за да се запази стабилността на дрона по време на полет и да се предотврати размитостта, причинена от прекалена скорост. Интервалът на експозицията е зададен на 2–3 секунди, което позволява последователна яркост на изображението и надеждно качество при различни светлинни условия.

Перпективното покритие от 85% и боково покритие от 75% гарантират достатъчно перпективни области между съседните изображения, предоставяйки необходимата резервна информация за последващо съединяване на изображенията и 3D моделиране. Фокусното разстояние на камерния обектив е между 35 и 50 мм, съчетано с високоразрешителен сензор от 6,048 × 4,032 пиксела, което ефективно заснема фини детайли на различното оборудване на подстанцията. Освен това, разстоянието между проби (GSD) от 1.5 см/пиксел осигурява, че всеки пиксел точно съответства реално измерение на земята, значително подобрявайки пространствената точност.

При строго спазване на тези параметри на полета, дронът придобива висококачествени изображения, които след обработване чрез професионално фотограметрично софтуер, включващо съединяване, фузион и 3D реконструкция, дават високо реалистично и детайлно 3D цифрово двойно на подстанцията. Тази модел предоставя интуитивна и точна пространствена референтна информация за последователните операции на контрол, позволявайки операторите да разберат ясно разположението и състоянието на оборудването, като с това се залага основа за прецизно изпълнение на автоматизирани операции на комутация.

2.2 Приложение на „Двойна потвърждение“ за позицията на изолаторите в подстанции
Устройството за „двойна потвърждение“ на изолаторите служи като ключов компонент за проверка на позицията на ключовете. То използва сензори, монтирани директно върху основната механична управляваща система, за наблюдение на действителното състояние на изолаторите. Системата разполага с два микропреклъчителя: вторият микропреклъчител е директно свързан със сензора и отговаря за заснемане на истинската физическа позиция на лезвията на изолаторите. Събраният сигнал се предава чрез сензора до приемник на сигнали, който след това препраща данните до системата за измерване и управление на подстанцията. Този затворен контур на предаване позволява реално-временна, висококачествена детекция на позициите на изолаторите, предлагайки надеждна проверка на позициите за последователните операции на управление.

Като централен хуб, единицата за измерване и управление на подстанцията приема сигнали както от първия микропреклъчител (механичен обратен контакт), така и от обработения сигнал от втория микропреклъчител (сензорен обратен контакт). След интеграция и проверка на тези двойни входящи сигнали, единицата изпраща консолидираните данни за състояние до главната машина за последователно управление. Едновременно с това, главната машина за предотвратяване на грешки проверява всички команди за управление, издадени от главната машина за последователно управление. Само след като премине тази проверка за предотвратяване на грешки, последователната операция може да продължи.

Този механизъм за „двойна потвърждение“ технически елиминира рисковете, свързани с неуспех на единичен сигнал или грешка в оценката, значително подобрявайки надеждността на детектирането на позицията на изолаторите. В реални ситуации – независимо дали при обикновени операции на комутация или при аварийни реакции – устройството за двойна потвърждение на изолаторите гарантира, че операторите винаги получават точна информация за позицията, ефективно предотвратявайки грешки в управлението и засилвайки безопасността и стабилността на системите за последователно управление.

2.3 Практическо приложение
В проект за разширение на 110 кV подстанция, интеграцията на ново оборудване в съществуващата система за последователно управление представляваше значителни предизвикателства – предизвикателства, които бяха успешно решени чрез технологията на дроните. Операторите разположиха дрони, спазвайки строги параметри на полета: височина на полета от 120 м осигурява цялостно покритие на подстанцията, като се запазва детайлна яснота на оборудването; скорост на полета от 2–5 м/с поддържа стабилността на платформата за остри изображения; и интервал на експозиция от 2–3 секунди се адаптира към променящите се светлинни условия, за да се осигурят висококачествени фотографии. С 85% перпективно покритие и 75% боково покритие, наборът от данни предоставя достатъчна резервна информация за робустна фотограметрична обработка.

Използвайки напреднали техники за фотограметрия и 3D моделиране, високоразрешителните изображения от дроните бяха трансформирани в точен 3D цифров двойник на подстанцията. Този иммерзивен пространствен модел позволи на операционния екип да анализира точно пространствените взаимодействия между старото и ново установено оборудване. По време на симулацията на процедури за последователно управление, операторите използваха модела, за да планират оптимални операционни пътища и да идентифицират точно целевите устройства с помощта на прецизни геопространствени координати – значително намалявайки времето за влизане в употреба на ново оборудване.

На практика, този подход позволи на проектния екип да завърши интеграцията и влизането в употреба на системата за последователно управление три дни по-рано от планираното. Това не само съкрати общата времева рамка на проекта, но и ускори прехода на подстанцията към интелигентна операция, установявайки здрава основа за нейната безопасна и надеждна дългосрочна работа.

В ежедневните сценарии за последователно управление и поддръжка на тази 110 кV подстанция, механизъмът за „двойна потвърждение“ на изолаторите служи като основен гарант за оперативна безопасност и ефективност, докато технологията на дроните предоставя силна допълнителна подкрепа. Като пример, при нощна аварийна операция за последователно управление: след като операторите издадат команда за отваряне на изолатора от главната машина за последователно управление, устройството за „двойна потвърждение“ незабавно активира своето прецизно предаване и проверка на сигнала. Двата микропреклъчителя в устройството предават сигнали за позицията на лезвията на изолаторите в реално време до единицата за измерване и управление на подстанцията. Тази единица интегрира и предварително обработва сигнали, преди да ги препрати до главната машина за последователно управление. Едновременно с това, главната машина за предотвратяване на грешки извършва логически проверка на операционната команда; само след като главната машина за предотвратяване на грешки потвърди валидността на командата, операцията за отваряне може да бъде изпълнена.

По време на този процес, дронът играе също важна роля. Използвайки своите бързи летателни способности, дронът провежда реално-временно, цялостно наблюдение на оборудването на подстанцията – особено фокусирайки се върху областта на изолаторите. Докато устройството за „двойна потвърждение“ работи, дронът предава живо видео от местоположението обратно до контролната зала, предоставяйки операторите допълнителна визуална референция, за да се гарантира допълнителна оперативна точност.

В сравнение с традиционната ръчна верификация на място, този интегриран подход намалява времето за операция от първоначалните 10 минути до само 3 минути, което значително подобрява ефективността. Още по-важно, той ефективно елиминира риска от грешки, причинени от лоша осветителност и умора на операторите при нощни ръчни проверки.

3.Заключение
Технологията на безпилотните летателни апарати (БПЛА) е довела до иновативни прорези в последователните контролни операции на трансформаторни станции. Чрез изграждане на 3D реалистични модели, тя ефективно повишава ефективността на интеграцията на ново оборудване в последователните контролни системи и ускорява реализацията на проекти. При синергийно действие с устройства за „двойно потвърждение“ на разединители, БПЛА значително подобряват безопасността и точността на операциите с оборудването. С продължаващото развитие на технологията на БПЛА и все по-дълбоката ѝ интеграция с последователните контролни системи, тя има потенциал да решава предизвикателства като адаптивност при сложни условия на работа и интероперабилност на оборудването, постоянно напредвайки към по-интелигентни и надеждни операции на трансформаторните станции и предоставяйки силна техническа подкрепа за стабилната и ефективна работа на електроенергийните системи.