Aplikace technologie UAV v sekvenčních řídicích operacích elektráren

S rozvojem technologií inteligentních sítí se sekvenční řízení (na bázi SCADA) v elektrárnách stalo klíčovou technikou pro zajištění stabilního provozu elektrického systému. I když existující technologie sekvenčního řízení jsou široce nasazovány, přetrvávají významné problémy týkající se stability systému za složitých provozních podmínek a vzájemné spolupráce zařízení. Technologie bezpilotních letounů (UAV) – charakterizovaná svou pohotovostí, pohyblivostí a schopnostmi kontroly bez kontaktu – nabízí inovativní řešení pro optimalizaci operací sekvenčního řízení.

Hluboké integrování funkcí založených na UAV, jako je vzdušná kontrola a reálně časové sledování stavu, do tradičních systémů sekvenčního řízení umožňuje efektivně překonat omezení ručních operací, umožňuje přesné, reálně časové vnímání stavu zařízení a významně zvyšuje jak spolehlivost, tak úroveň inteligence sekvenčního řízení. Výzkum aplikací UAV v sekvenčním řízení elektráren má významný praktický význam pro rozvoj inteligentních sítí.

1.Přehled operací sekvenčního řízení v elektrárnách
1.1 Definice
Sekvenční řízení v elektrárnách znamená automatizované, krok za krokem provedení série operací s elektrickými zařízeními podle předdefinovaných postupů a logických pravidel prostřednictvím systému automatického řízení. Na příkladu převodu sběrny (přepínání): tradičně musí operátoři ručně ovládat jednotlivé vypínače, odpojovače a další zařízení. Naopak, při sekvenčním řízení stačí operátorovi z monitorovací stanice vydát jednu komplexní příkaz; systém pak automaticky a přesně provede celou sekvenci – například vypnutí vypínače linky následované otevřením odpovídajících odpojovačů – což velmi zjednodušuje pracovní postup.

1.2 Technické principy
Sekvenční řízení v elektrárnách se opírá o integrovaný automatický systém složený z klíčových komponent, jako jsou supervizorní hostitel, měřicí a řídící jednotky a inteligentní terminály. Supervizorní hostitel slouží jako rozhraní mezi člověkem a strojem, přijímá příkazy operátora a převádí je na proveditelné signály pro řízení. Měřicí a řídící jednotky neustále shromažďují reálně časová operační data – jako jsou proud, napětí a poloha zařízení – poskytují situovanou informovanost pro operátory a klíčové vstupy pro rozhodování o sekvenční logice. Inteligentní terminály přímo komunikují s primárními zařízeními pro provedení přepínacích operací a komunikují s měřicími/řídícími jednotkami a dalšími zařízeními prostřednictvím optických vláken nebo kabelů, což zajistí rychlou a přesnou přenos dat pro podporu bezpečného a efektivního provedení sekvenčního řízení.

1.3 Výhody
1.3.1 Zlepšení operační efektivity
V tradičních operacích elektráren trpí přepínací postupy značnou neefektivitou. Například při převodu sběrny 220 kV musí personál opakovaně přecházet mezi oddíly, aby ověřil ID zařízení, potvrdil stavy a ručně ovládal vypínače a odpojovače. Kvůli lidským omezením trvá jedna kompletní operace obvykle 2–3 hodiny, což spotřebovává značné množství lidských zdrojů a nese v sobě vnitřní rizika chyb, které ovlivňují efektivitu sítě.

S evolucí technologií inteligentních sítí nabízí systémy sekvenčního řízení transformační přístup. Po přijetí příkazu z monitorovacího backendu systém automaticky provede celou sekvenci – včetně ověření stavu zařízení, validace operačního lístku a přepínacích příkazů – s rychlostí na milisekundové úrovni na základě předprogramované logiky. Poleová data ukazují, že použití sekvenčního řízení snižuje čas převodu sběrny 220 kV na méně než 20 minut – více než 80% zlepšení oproti tradičním metodám. Tento průlom zvyšuje flexibilitu provozu sítě, umožňuje rychlé překonfigurace během fluktuací zatížení a výrazně zkracuje dobu výpadků během poruch, což zlepšuje celkovou spolehlivost a kvalitu dodávky elektrické energie.

1.3.2 Zlepšení operační bezpečnosti
Ruční operace v elektrárnách jsou náchylné k mnoha nepředvídatelným lidským faktorům, které představují skrytá bezpečnostní rizika. Je kritické, aby byli operátoři bdělí; unavení po nočních směnách, například, může vést k nesprávnému čtení popisků nebo provedení kroků ve špatném pořadí. Kromě toho se dovednosti mezi personálem liší – noví zaměstnanci jsou mnohem méně obeznámeni s komplexními postupy než zkušení pracovníci – což zvyšuje pravděpodobnost chyb. Nedokončené statistiky naznačují, že stovky selhání zařízení v elektrárnách a incidentů v síti ročně vznikají z lidské chyby.

Sekvenční řízení vytváří robustní bezpečnostní bariéru. Před provedením vykonává vestavěná logická validace důkladnou kontrolu každého kroku proti předdefinovaným bezpečnostním a elektrickým interlock pravidlům. Pouze tehdy, pokud jsou splněny všechny podmínky, systém pokračuje. Například během zapojení linky systém automaticky ověřuje stav vypínačů a odpojovačů; pokud je detekována jakákoli anomálie, operace okamžitě zastaví a aktivuje se alarm. To zabrání závažným chybám, jako je otevření odpojovače za zatížení nebo zavření zemnícího vypínače při zapojení, což zásadně snižuje riziko poškození zařízení a incidentů v síti a zajišťuje bezpečnější a stabilnější operace v elektrárnách.

1.4 Současný stav aplikace
S tím, jak Čína dále rozvíjí iniciativu inteligentních sítí, se sekvenční řízení stalo pilířem moderních operací v elektrárnách. V nově budovaných elektrárnách jsou nyní standardem inteligentní designové principy, s sekvenčním řízením integrovaným jako jádrové funkční moduly. Například v východní Číně dosahovala adopce sekvenčního řízení v nových elektrárnách za posledních pět let 95%. V ekonomicky rozvinutých městech, jako jsou Šen-čen a Šanghaj, přesahuje pokrytí 80% pro elektrárny 220 kV a vyšší, což významně zvyšuje regionální efektivitu a bezpečnost sítě.

Zároveň pokračuje i modernizace starších elektráren o inteligentní schopnosti. V severní Číně byla úspěšně upgradována 20letá 110 kV elektrárna s funkcí sekvenčního řízení prostřednictvím výměny inteligentních I/O jednotek a modernizací supervizorního systému, což významně zlepšilo operační efektivitu a spolehlivost.

Nicméně s rozšiřováním sekvenčního řízení se stávají zřejmé technické problémy v komplexních scénářích. Při extrémním počasí, výskytu vícenásobných poruch na čárách nebo náhlých změnách zatížení musí systém zpracovávat obrovské množství dat v reálném čase a provádět složitou logiku, což může vést k prodlevám v odpovědi, zastavení logiky nebo dokonce k chybným akcím. Kromě toho problémy s vzájemnou spoluprací mezi zařízeními od různých výrobců – způsobené nesouladem komunikačních protokolů, formátů dat a standardů rozhraní – často vedou k nesprávnému přenosu dat nebo zpožděnému odezvě na příkazy, což narušuje plynulost a přesnost sekvenčních operací.

Pro řešení těchto výzev se elektroenergetický průmysl obrací k dvojitým řešením: inovacím v technologii a standardizaci. Z hlediska technologie jsou optimalizovány algoritmy pro zlepšení zpracování dat a rozhodování v komplexních podmínkách. Na frontě standardizace se zaměřují snahy o sjednocení komunikačních rozhraní a protokolů, aby byla zlepšena interoperabilita mezi různými výrobci.

V tomto kontextu nabízí technologie UAV (bezpečný letoun) flexibilní manévrovací schopnosti, různé úhly pohledu a bezkontaktní senzory, což představuje inovativní cestu k zlepšení sekvenčního řízení. Během sekvenčních operací mohou UAV provádět reálně časové dynamické monitorování stavu zařízení pomocí víkospektrálního zobrazování, infracervené termografie a dalších pokročilých technologií, což umožňuje přesné získávání parametrů a rychlé detekce anomálií. Tato reálně časová zpětná vazba efektivně podporuje inteligentnější rozhodování v systémech sekvenčního řízení, což zvyšuje inteligenci a spolehlivost provozu elektrické sítě.

2. Využití technologie UAV v sekvenčním řízení transformátorových stanic
2.1 Vytváření 3D realistického modelu transformátorové stanice pomocí technologie UAV
Integrace technologie UAV pro vytvoření vysokofidelního 3D digitálního dvojče transformátorové stanice představuje velmi inovativní a praktický pokrok v sekvenčním řízení. Vybavené vysokopřesnými geodetickými kamerami mohou UAV provádět komplexní letecké průzkumy z různých výšek a úhlů, zachycují jak celkové uspořádání, tak i detaily klíčového zařízení. To generuje bohatou sadu dat vysokorozlišených obrazů, které jsou nezbytné pro přesné 3D modelování. Pro zajištění konzistence dat a geometrické přesnosti musí letové mise striktně dodržovat specifikované operační parametry UAV, jak je uvedeno v tabulce 1.

Mezi těmito parametry je výška letu nastavena na 120 m – výška, která zajišťuje, že UAV zachytí obraz pokrývající celou elektrárnu, přičemž udržuje dostatečnou jasnost detailů. Rychlost letu se ovládá mezi 2–5 m/s, aby se zajistila stabilita UAV během letu a zabránilo rozmazání pohybem způsobenému příliš vysokou rychlostí. Interval expozice je nastaven na 2–3 sekundy, což umožňuje konzistentní jasnost obrazu a spolehlivou kvalitu za různých osvětlených podmínek.

Přední překryv 85 % a boční překryv 75 % zajišťují dostatečné překrývající oblasti mezi sousedními obrazy, poskytují nezbytnou redundantnost pro následné spojování obrazů a 3D modelování. Ohnisková vzdálenost objektivu fotoaparátu se pohybuje od 35 do 50 mm, kombinovaná s vysokorozlišeným senzorem o rozlišení 6 048 × 4 032 pixelů, efektivně zachycuje drobné detaily různého vybavení elektrárny. Kromě toho zajišťuje prostorová vzorkovací vzdálenost (GSD) 1,5 cm/pixel, že každý pixel přesně odpovídá skutečnému rozměru v reálném světě, což výrazně zvyšuje prostorovou přesnost.

Přísným dodržováním těchto letových parametrů UAV získává vysokokvalitní obrazy, které po zpracování pomocí profesionálního softwaru pro fotogrammetrii, včetně spojování, fúze a 3D rekonstrukce, vedou k velmi realistickému a detailnímu 3D digitálnímu dvojci elektrárny. Tento model poskytuje intuitivní a přesné prostorové referenční informace pro sekvenční řízení operací, umožňuje provozovatelům jasně pochopit rozvržení a stav vybavení, čímž vytváří pevnou základnu pro přesné provedení automatizovaných přepínacích sekvencí.

2.2 Implementace „dvojitého potvrzení“ pozice odpojiče v elektrárnách
„Dvojitý potvrzovací“ mechanismus pro odpojiče slouží jako klíčová komponenta pro ověřování polohy spínače. Používá snímače montované přímo na hlavní mechanický ovládací mechanismus k monitorování skutečné polohy odpojiče. Systém obsahuje dva mikrovypínače: druhý mikrovypínač je přímo propojen se snímačem a odpovídá za zachycení skutečné fyzické polohy lopatky odpojiče. Zaznamenaný signál se přenáší přes snímač na přijímač signálů, který pak data předává měřicímu a řídicímu systému elektrárny. Tento uzavřený přenosový mechanismus umožňuje reálně časové, vysokofidelní detekci polohy odpojičů, nabízí spolehlivé ověření polohy pro sekvenční řízení operací.

Jako centrální uzel měřicí a řídicí jednotka elektrárny přijímá signály jak od prvního mikrovypínače (mechanické zpětné vazby), tak od zpracovaného signálu od druhého mikrovypínače (založeného na snímači). Po integraci a validaci těchto dvojitých vstupů jednotka odesílá konsolidovaná data o stavu sekvenčnímu řídicímu hostiteli. Současně anti-chybový hostitel provádí křížovou kontrolu všech operačních příkazů vydaných sekvenčním řídicím hostitelem. Pouze po úspěšném projití této anti-chybové verifikace může být sekvenční operace provedena.

Tento „dvojitý potvrzovací“ mechanismus technicky eliminuje rizika spojená s poruchou signálu v jednom bodě nebo nesprávným posouzením, což dramaticky zlepšuje spolehlivost detekce polohy odpojiče. V reálných situacích – ať už během běžných přepínacích operací nebo v nouzových situacích – zajišťuje dvojitý potvrzovací odpojič, že provozovatelé vždy dostávají přesné informace o poloze, což efektivně brání chybným operacím a posiluje bezpečnost a stabilitu sekvenčních řídicích systémů.

2.3 Praktické použití
V rozšiřovacím projektu 110 kV elektrárny, integrace nového vybavení do existujícího sekvenčního řídicího systému představovala významné výzvy – výzvy, které byly efektivně řešeny pomocí UAV technologie. Operátoři nasadili UAV podle přísných letových parametrů: výška letu 120 m zajišťovala kompletní pokrytí elektrárny, přičemž zachovávala detail na úrovni vybavení; rychlost letu 2–5 m/s udržovala stabilitu platformy pro ostré obrazy; a interval expozice 2–3 sekundy se přizpůsobil měnícím se světelným podmínkám, aby zajistil vysokokvalitní fotografie. S 85% předním překryvem a 75% bočním překryvem poskytoval dataset dostatečnou redundantnost pro robustní fotogrammetrické zpracování.

Pomocí pokročilých fotogrammetrických a 3D modelovacích technik byl vysokorozlišený obraz UAV transformován na přesný 3D digitální dvojče elektrárny. Tento imersivní prostorový model umožnil operačnímu týmu přesně analyzovat prostorové vztahy mezi starým a nově instalovaným vybavením. Během simulace sekvenčních řídicích postupů využili operátoři model k předplánování optimálních operačních cest a přesné identifikaci cílových zařízení pomocí přesných geoprostorových souřadnic – dramaticky snižující dobu iniciačního procesu pro integraci nového vybavení.

Ve praxi tento přístup umožnil projektovému týmu dokončit integraci a iniciační proces sekvenčního řídicího systému o tři dny dříve, než bylo plánováno. To nejen zkrátilo celkový čas projektu, ale také urychlilo přechod elektrárny k inteligentnímu provozu, vytvářející pevnou základnu pro její bezpečné a spolehlivé dlouhodobé výkonové možnosti.

V běžných scénářích sekvenčního řízení a údržby této 110 kV elektrárny slouží „dvojitý potvrzovací“ mechanismus odpojiče jako klíčový zárukou pro bezpečnost a efektivitu operací, zatímco UAV technologie poskytuje silnou pomocnou podporu. Na příklad noční nouzové sekvenční řídicí operace: po vydání příkazu otevření odpojiče ze sekvenčního řídicího hostitele okamžitě aktivuje „dvojitý potvrzovací“ mechanismus přesný přenos a ověřování signálů. Dva mikrovypínače uvnitř zařízení přenášejí signály o poloze lopatky odpojiče v reálném čase do měřicího a řídicího systému elektrárny. Tento systém integruje a předzpracovává signály, než je předá sekvenčnímu řídicímu hostiteli. Současně anti-chybový hostitel provádí logickou kontrolu operačního příkazu; pouze po schválení příkazu anti-chybovým hostitelem může být provedena operace otevření.

Během tohoto procesu hraje UAV také významnou roli. Využíváním svých agilních letových schopností UAV provádí reálně časové, všeobecné monitorování vybavení elektrárny – zejména se zaměřením na oblast odpojiče. Zatímco funguje „dvojitý potvrzovací“ mechanismus, UAV přenáší živé videozáznamy z místa do ovládací místnosti, poskytující operátorům další vizuální referenci, která dále zajišťuje přesnost operace.

V porovnání s tradičním ručním ověřováním na místě toto integrované řešení snižuje dobu operace z původních 10 minut na pouhých 3 minuty, což výrazně zvyšuje efektivitu. Ještě důležitější je, že efektivně eliminuje riziko nesprávného posouzení způsobené špatným osvětlením a únava operátora během nočních ručních kontrol.

3.Závěr
Dronová technologie přinesla inovační průlom do operačních postupů v transformátorových stanicích. Tím, že vytváří 3D realistické modely, efektivně zvyšuje efektivitu integrace nového zařízení do systémů sekvencí ovládání a urychluje realizaci projektů. Při spolupráci s odpojovacími přepínači s "dvojitým potvrzením" drony významně zlepšují bezpečnost a přesnost provozu zařízení. S pokračujícím rozvojem a hlubším zapojením dronové technologie do systémů sekvencí ovládání nabízí naději na další řešení výzev, jako je adaptabilita za složitých pracovních podmínek a interoperabilita zařízení, což neustále přispívá k větší inteligenci a spolehlivosti operačních postupů v transformátorových stanicích a poskytuje robustní technickou podporu pro stabilní a efektivní provoz elektrických systémů.