Aplicació de la tecnologia UAV en les operacions de control seqüencial de subestacions

Amb l'avanç de les tecnologies de xarxa intel·ligent, el control secuencial (comutació automatitzada basada en SCADA) a les subestacions s'ha convertit en una tècnica central per assegurar l'estabilitat de l'operació del sistema elèctric. Tot i que les tecnologies de control secuencial existents s'han implementat ampliament, els reptes relacionats amb l'estabilitat del sistema en condicions d'operació complexes i la interoperabilitat de l'equipament segueixen sent significatius. La tecnologia de vehicle aeri no tripulat (UAV), caracteritzada per la seva agilitat, mobilitat i capacitats d'inspecció sense contacte, ofereix una solució innovadora per optimitzar les operacions de control secuencial. 

Integrant profundament funcions basades en UAV com la patrulla aèria i la monitorització de l'estat en temps real en sistemes tradicionals de control secuencial, es poden superar eficàcement les limitacions de les operacions manuals, permetent una percepció precisa i en temps real de l'estat de l'equipament i millorant significativament tant la fiabilitat com el nivell d'intel·ligència del control secuencial. La recerca sobre les aplicacions d'UAV en el control secuencial de subestacions té un gran significat pràctic per avançar en el desenvolupament de la xarxa intel·ligent.

1.Resum de les operacions de control secuencial a les subestacions
1.1 Definició
El control secuencial a les subestacions es refereix a l'execució automàtica, pas a pas, d'una sèrie d'operacions d'equipament elèctric segons procediments i regles lògiques predefinides mitjançant un sistema de control d'automatització. Com a exemple, en les operacions de transferència de barres (comutació): tradicionalment, els operadors han de manipular manualment els interruptors, els disjuntors i altres dispositius un per un. En canvi, amb el control secuencial, els operadors només han de donar una ordre comprensiva des de l'estació de monitorització; el sistema llavors executa automàticament i amb precisió tota la seqüència, com ara trencar un interruptor de línia seguit de l'obertura dels disjuntors associats, simplificant considerablement el flux de treball operatiu.

1.2 Principis tècnics
El control secuencial de les subestacions es basa en un sistema d'automatització integrat compost per components clau, incloent-hi un host supervisor, unitats de mesura i control, i terminales intel·ligents. El host supervisor serveix com a interfície home-màquina, rebent les ordres dels operadors i convertint-les en senyals de control executables. Les unitats de mesura i control recullen continuament dades operatives en temps real, com ara la corrent, la tensió i la posició de l'equipament, proporcionant tant la situacional awareness per als operadors com entrades crítiques per a les decisions lògiques secuenciales. Les terminales intel·ligents s'interficien directament amb l'equipament primari per realitzar operacions de comutació i comunicar-se amb les unitats de mesura/control i altres dispositius a través de fibra òptica o cables, assegurant una transmissió ràpida i precisa de dades per suportar l'execució segura i eficient del control secuencial.

1.3 Avantatges
1.3.1 Millora de l'eficiència operativa
A les operacions convencionals de les subestacions, els procediments de comutació sofreixen d'ineficiències notables. Per exemple, durant una operació de transferència de barres de 220 kV, el personal ha de moure's repetidament entre baies per verificar els identificadors de l'equipament, confirmar estats i manipular manualment els interruptors i disjuntors. Degut a les limitacions humans, una operació completa típicament dura 2–3 hores, consumint una considerable quantitat de mà d'obra i portant riscos inerents d'error que afecten l'eficiència de la xarxa.

Amb l'evolució de les tecnologies de xarxa intel·ligent, els sistemes de control secuencial ofereixen un enfocament transformador. Rebut una ordre des de l'endarrere de monitorització, el sistema executa automàticament la sèrie completa, incloent-hi la verificació de l'estat de l'equipament, la validació de la targeta d'operació i les ordres de comutació, a velocitat de mil·lisegons basada en la lògica preprogramada. Les dades de camp mostren que l'ús del control secuencial redueix el temps de transferència de barres de 220 kV a menys de 20 minuts, una millora superior al 80% respecte als mètodes tradicionals. Aquesta ruptura augmenta la flexibilitat operativa de la xarxa, permetent una reconfiguració ràpida durant les fluctuacions de càrrega i acurtant significativament les durades d'interrupció durant els errors, millorant així la fiabilitat i la qualitat general de l'abastament d'energia.

1.3.2 Millora de la seguretat operativa
Les operacions manuals de les subestacions són vulnerables a diversos factors humans imprevisibles que representen riscos de seguretat ocults. L'alertesa de l'operador és crítica; la fatiga després de torns nocturns, per exemple, pot conduir a llegir malament etiquetes o a executar passos fora de seqüència. A més, els nivells de habilitat varien entre el personal—els nous arribats són molt menys familiars amb procediments complexos que el personal experimentat—incrementant la probabilitat d'errors. Les estadístiques incompletes indiquen que centenars de fallades d'equipament de subestació i incidents de xarxa anuals provenen d'errors humans.

El control secuencial estableix una barrera robusta de seguretat. Abans de l'execució, la validació de la lògica integrada verifica rigorosament cada pas contra regles de seguretat i interbloqueig elèctric predefinides. Només quan totes les condicions estan satisfetes, el sistema procedeix. Per exemple, durant l'energització de la línia, el sistema verifica automàticament l'estat dels interruptors i disjuntors; si es detecta alguna anomalia, l'operació s'atura immediatament i es desencadena una alarma. Això evita errors greus com l'obertura d'un disjuntor sota càrrega o el tancament d'un interruptor de terra mentre està energitzat, reduint fonamentalment el risc de daños a l'equipament i accidents de xarxa, i assegurant operacions de subestació més segures i estables.

1.4 Estat actual de l'aplicació
Com la Xina continua avançant en la iniciativa de xarxa intel·ligent, el control secuencial s'ha convertit en un element fonamental de les operacions modernes de subestació. En les subestacions noves, els principis de disseny intel·ligent són ara estàndard, amb el control secuencial integrat com a mòdul funcional central. Per exemple, a l'est de la Xina, la taxa d'adopció del control secuencial en subestacions noves en els últims cinc anys ha assolit el 95%. En ciutats econòmicament desenvolupades com Shenzen i Xangai, la cobertura supera el 80% per a subestacions de 220 kV i tensions superiors, augmentant significativament l'eficiència i la seguretat de la xarxa regional.

Alhora, la renovació de subestacions antigues amb capacitats intel·ligents també està progresant de manera regular. Al nord de la Xina, una subestació de 110 kV d'uns 20 anys va ser actualitzada amb funcionalitat de control secuencial a través de la substitució d'unitats I/O intel·ligents i la modernització del sistema supervisor, millorant notablement l'eficiència i la fiabilitat operativa.

No obstant això, a mesura que el control seqüencial es va ampliant, els colls d'ampolla tècnics en escenaris complexos estan esdevenint evidents. En condicions meteorològiques extrems, fallades múltiples de línies o oscil·lacions brusques de càrrega, el sistema ha de processar una quantitat massiva de dades en temps real i executar una lògica intricada, el que pot conduir a retards en la resposta, paralitzacions lògiques o fins i tot accions errònies. A més, els problemes d'interoperabilitat entre equips de diferents proveïdors—a causa de les inconsistències en els protocols de comunicació, formats de dades i estàndards d'interfície—sovint provoquen transmissió anormal de dades o respostes retardades a les ordres, minvant la fluïdesa i precisió de les operacions seqüencials.

Per abordar aquests reptes, la indústria elèctrica està seguint solucions duals: innovació tecnològica i estandarització. Tècnicament, s'estan optimitzant els algoritmes per millorar el processament de dades i la presa de decisions en condicions complexes. En el front de les normes, els esforços es centren en unificar les interfícies de comunicació i els protocols per millorar la interoperabilitat entre proveïdors.

En aquest context, la tecnologia de UAV—que ofereix maniobrabilitat flexible, angles de visió diversos i detecció sense contacte—presenta una via innovadora per millorar el control seqüencial. Durant les operacions seqüencials, els UAV poden realitzar monitoratge dinàmic en temps real de l'estat dels equips utilitzant imatges multiespectrals, termografia infraroja i altres tècniques avançades, permetent l'adquisició precisa de paràmetres i la detecció ràpida d'anomàlies. Aquesta retroalimentació en temps real suporta eficazment la presa de decisions més intel·ligent en els sistemes de control seqüencial, elevant la intel·ligència i fiabilitat de les operacions de la xarxa elèctrica.

2. Aplicació de la tecnologia UAV en el control seqüencial de subestacions
2.1 Construcció d'un model 3D realista de la subestació mitjançant la tecnologia UAV
Integrar la tecnologia UAV per construir un gemell digital 3D de alta fidelitat d'una subestació representa un avanç molt innovador i pràctic en el control seqüencial. Equipats amb càmeres de precisió geodèsica, els UAV poden realitzar reconeixements aèris comprehensius des de diverses altituds i angles, capturant tant la disposició general com els detalls finers dels equips crítics. Això genera un conjunt de dades ric en imatges d'alta resolució essencials per a la modelització 3D precisa. Per assegurar la consistència de les dades i la precisió geomètrica, les missions de vol han de seguir estrictament els paràmetres operatius especificats per als UAV, tal com es detalla a la Taula 1.

D'aquests paràmetres, l'altitud de vol s'estableix a 120 m—una alçada que assegura que el dron capturi imatges que cobreixin tota la subestació mentre manté una claredat de detall suficient. La velocitat de vol es controla entre 2–5 m/s per mantenir l'estabilitat del dron durant el vol i prevenir el desenfocament causat per una velocitat excessiva. L'interval d'exposició es estableix a 2–3 segons, permetent una lluminositat consistent de les imatges i una qualitat fiable en condicions variables d'il·luminació. 

Una superposició frontal del 85% i una superposició lateral del 75% garanteixen àrees de superposició amplies entre les imatges adjacents, proporcionant la redundància necessària per a la posterior costura d'imatges i modelització 3D. La distància focal de la llent de la càmera varia entre 35 i 50 mm, combinada amb un sensor d'alta resolució de 6,048 × 4,032 píxels, capturant eficàciamnet els detalls fins de diverses equips de la subestació. A més, una distància de mostreig al terra (GSD) de 1,5 cm/píxel assegura que cada píxel correspongui precisament a una dimensió real en el terreny, millorant significativament la precisió espacial.

Adherent estrictament a aquests paràmetres de vol, el dron adquireix imatges de alta qualitat que, després de processar-les mitjançant programari professional de fotogrametria que involucre la costura, fusió i reconstrucció 3D, produeixen un gemell digital 3D altament realista i detallat de la subestació. Aquest model proporciona informació de referència espacial intuïtiva i precisa per a les operacions de control secuencial, permetent als operadors entendre clarament la disposició i estat de les equips, posant així una base sólida per a l'execució precisa de les seqüències d'interruptors automàtics.

2.2 Implementació de la “doble confirmació” de la posició dels interruptors en les subestacions
El dispositiu de "doble confirmació" per a interruptors serveix com a component crític per verificar la posició del commutador. Utilitza sensors muntats directament en el mecanisme d'operació mecànica primària per monitoritzar l'estat real de l'interruptor. El sistema disposa de dos microinterruptors: el segon microinterruptor està directament connectat al sensor i és responsable de capturar la veritable posició física de la lama de l'interruptor. El senyal recollit es transmet a través del sensor a un receptor de senyals, que a continuació envia les dades al sistema de mesura i control de la subestació. Aquest mecanisme de transmissió tancada permet la detecció en temps real i de alta fidelitat de les posicions dels interruptors, oferint una validació posicional fiable per a les operacions de control secuencial.

Com a hub central, la unitat de mesura i control de la subestació rep senyals tant del primer microinterruptor (retroalimentació mecànica) com del senyal processat del segon microinterruptor (retroalimentació basada en sensor). Després d'integrar i validar aquests dos inputs, la unitat envia les dades d'estat consolidades al host de control secuencial. Simultàniament, un host anti-maneig erroni verifica totes les ordres d'operació emeses pel host de control secuencial. Només després de passar aquesta verificació anti-error pot procedir l'operació secuencial.

Aquest mecanisme de "doble confirmació" elimina tècnicament els riscos associats a la falla d'un sol punt de senyal o a la mala interpretació, millorant drasticament la fiabilitat de la detecció de la posició de l'interruptor. En escenaris reals—que siguin durant operacions de commutació rutinàries o en resposta a emergències—el interruptor de doble confirmació assegura que els operadors rebin sempre informació de posició precisa, prevenint efectivament els maneigs erronis i reforçant la seguretat i estabilitat dels sistemes de control secuencial.

2.3 Aplicació pràctica
En un projecte d'ampliació d'una subestació de 110 kV, la integració de nou equipament en el sistema de control secuencial existent va suposar reptes significatius—reptes efectivament abordats mitjançant la tecnologia de drons. Els operadors van implementar drons seguint paràmetres de vol estrictes: una altitud de vol de 120 m assegurava una cobertura completa de la subestació mentre preservava el detall a nivell d'equipament; una velocitat de vol de 2–5 m/s mantenía l'estabilitat de la plataforma per a imatges nítides; i un interval d'exposició de 2–3 segons s'adaptava a les condicions variables de llum per assegurar fotos de alta qualitat. Amb una superposició frontal del 85% i una superposició lateral del 75%, el conjunt de dades proporcionava una redundància ampla per a un processament fotogramètric robust.

Utilitzant tècniques avançades de fotogrametria i modelització 3D, les imatges de alta resolució del dron es transformaren en un gemell digital 3D precís de la subestació. Aquest model espacial immersiu permetia a l'equip d'operacions analitzar amb precisió les relacions espacials entre l'equipament heretat i el nou instal·lat. Durant la simulació de procediments de control secuencial, els operadors utilitzaven el model per planificar prèviament camins operatius òptims i identificar dispositius objectiu utilitzant coordenades geoespacionals precises—reduint dràsticament el temps de posta en marxa de la integració del nou equipament.

En la pràctica, aquest enfocament va permetre a l'equip del projecte completar la integració i la posta en marxa del sistema de control secuencial tres dies abans de la data prevista. Això no només va acurtar la línia de temps global del projecte, sinó que també va accelerar la transició de la subestació cap a l'operació intel·ligent, establint una base sólida per al seu rendiment segur i fiable a llarg termini.

En els escenaris diaris d'operació i manteniment de control secuencial d'aquesta subestació de 110 kV, el mecanisme de "doble confirmació" de l'interruptor serveix com a garantia central per a la seguretat i eficiència operativa, mentre que la tecnologia de drons proporciona un suport auxiliar fort. Prengui's com a exemple una operació nocturna de control secuencial d'emergència: després que els operadors emetin una ordre d'obertura de l'interruptor des del host de control secuencial, el dispositiu de "doble confirmació" activa immediatament el seu mecanisme de transmissió i verificació de senyals precisos. Els dos microinterruptors dins del dispositiu transmeten en temps real els senyals de posició de la lama de l'interruptor a la unitat de mesura i control de la subestació. Aquesta unitat integra i pre-processa els senyals abans d'enviar-los al host de control secuencial. Simultàniament, el host anti-maneig erroni realitza una verificació basada en lògica de l'ordre d'operació; només després que el host anti-maneig erroni confirma l'ordre com vàlid, es pot executar l'operació d'obertura.

Durant aquest procés, el dron també joca un paper significatiu. Utilitzant les seves capacitats de vol àgil, el dron duu a terme una monitorització en temps real i total de l'equipament de la subestació—centrant-se particularment en l'àrea de l'interruptor. Mentre opera el dispositiu de "doble confirmació", el dron transmet fluxos de vídeo en directe de l'escena de treball al sala de control, proporcionant als operadors una referència visual addicional per assegurar encara més la precisió de l'operació.

En comparació amb la verificació manual tradicional in situ, aquesta abordatge integrat redueix el temps d'operació de 10 minuts originals a només 3 minuts, millorant significativament l'eficiència. Més important encara, elimina efectivament el risc d'error de jutjament causat per una il·luminació deficient i la fatiga de l'operador durant les comprovacions manuals nocturnes.

3.Conclusió
La tecnologia de drons ha portat avanços innovadors a les operacions de control secuencial de subestacions. A través de la construcció de models realistes en 3D, augmenta eficàcement l'eficiència de la integració de nous equips als sistemes de control secuencial i accelera la implementació del projecte. Quan treballen en sinergia amb els dispositius de "doble confirmació" dels interruptors, els drons milloren significativament la seguretat i la precisió de les operacions d'equip. Com la tecnologia de drons continua evolucionant i s'integra més profundament amb els sistemes de control secuencial, té el potencial de resoldre més desafiaments com l'adaptabilitat en condicions d'operació complexes i la interoperabilitat dels equips, avançant continuament cap a una major intel·ligència i fiabilitat en les operacions de subestacions, i proporcionant un suport tècnic robust per a l'operació estable i eficient dels sistemes d'energia.