Anvendelse af UAV-teknologi i sekventielle styreoperationer på elektriske understationer

Med fremgang i smart grid-teknologier er sekventiel kontrol (SCADA-baseret automatiseret skift) i understationer blevet en kernekompetence for at sikre stabil drift af strømsystemet. Selvom eksisterende sekventielle kontrolteknologier er bredt udrullede, er udfordringer relateret til systemstabilitet under komplekse driftsforhold og udstyrskompatibilitet stadig betydelige. UAV-teknologi (Unmanned Aerial Vehicle) - karakteriseret ved sin agilitet, mobilitet og evne til kontaktløs inspektion - byder på en innovativ løsning for at optimere sekventielle kontroloperationer.

Ved at integrere UAV-baserede funktioner som luftbaseret patrulje og realtidsovervågning dybt ind i traditionelle sekventielle kontrolsystemer, kan begrænsningerne ved manuelle operationer effektivt overvindes, hvilket gør det muligt for præcis, realtidsbaseret perception af udstyrsstatus og betydeligt forbedrer både pålideligheden og intelligensniveauet af sekventiel kontrol. Forskning i UAV-anvendelser i understationssekventiel kontrol har betydelig praktisk betydning for fremme af udviklingen af smart grids.

1.Oversigt over sekventielle kontroloperationer i understationer
1.1 Definition
Sekventiel kontrol i understationer refererer til den automatiserede, trinvis udførelse af en række elektriske udstyrsoperationer i overensstemmelse med foruddefinerede procedurer og logiske regler via et automatiseret kontrolsystem. Ved at tage bus transfer (skift) operationer som eksempel: traditionelt skal operatører manuelt operere brydere, disjunktører og andre enheder én efter én. I modsætning hertil behøver operatører kun at give et enkelt komplet kommando fra overvågningsarbejdspladsen; systemet udfører derefter automatisk og præcist hele sekvensen - f.eks. åbning af en linjebryder fulgt af åbning af associerede disjunktører - hvilket betydeligt forenkler arbejdsgangen.

1.2 Tekniske principper
Sekventiel kontrol i understationer bygger på et integreret automationsystem, der består af nøglekomponenter, herunder en overvågningsvært, måling- og kontrolenheder og intelligente terminaler. Overvågningsværten fungerer som menneske-maskinegrænseflade, modtager operatørkommandoer og konverterer dem til eksekverbare kontrollsikninger. Måling- og kontrolenheder indsamler kontinuerligt reeltidsovervågningsdata - såsom strøm, spænding og udstyrsposition - hvilket giver både situational awareness for operatører og kritiske input til sekventielle logiske beslutninger. Intelligente terminaler grænser direkte op til primære enheder for at udføre skifteoperationer og kommunikere med målings-/kontrolenheder og andre enheder via fiberoptik eller kabler, hvilket sikrer hurtig og præcis datatransmission for at støtte sikkert og effektivt sekventielt kontroludførsel.

1.3 Fordele
1.3.1 Forbedret driftseffektivitet
I konventionelle understationsoperationer lider skifteprocedurer af bemærkelsesværdige ineffektiviteter. F.eks. under en 220 kV bus transfer operation, skal personale gentagne gange bevæge sig mellem bays for at verificere udstyrs-ID'er, bekræfte statusser og manuelt operere brydere og disjunktører. På grund af menneskelige begrænsninger tager en enkelt komplet operation typisk 2–3 timer, hvilket forbruger betydelig arbejdskraft og har inbyggede fejlrisici, der påvirker netvirkets effektivitet.

Med fremskridtene i smart grid-teknologier byder sekventielle kontrolsystemer på en transformatorisk tilgang. Når systemet modtager en kommando fra overvågningsbackend, udfører det automatisk hele sekvensen - inklusive verificering af enhedsstatus, validering af operationsbilletter og skiftekommandoer - med millisekundsnøjagtighed baseret på forprogrammeret logik. Feltdata viser, at brugen af sekventiel kontrol reducerer 220 kV bus transfer tid til under 20 minutter - en forbedring på mere end 80% i forhold til traditionelle metoder. Dette gennembrud forbedrer netvirkets driftsflexibilitet, gør det muligt for hurtig omkonfiguration under belastningsfluktuationer og forkorter betydeligt nedbrudstid under fejl, hvilket forbedrer den samlede strømforsyningspålidelighed og -kvalitet.

1.3.2 Forbedret driftssikkerhed
Manuelle understationsoperationer er sårbar over for mange uforudsigelige menneskelige faktorer, der indebærer skjulte sikkerhedsrisici. Operatørernes opmærksomhed er afgørende; træthed fra natteskifter kan f.eks. føre til fejllesning af etiketter eller udførelse af trin i forkert rækkefølge. Desuden varierer færdighedsniveauer blandt personale - nyansatte er langt mindre bekendte med komplekse procedurer end erfaren personale - hvilket øger risikoen for fejl. Ufuldstændige statistikker indikerer, at hundreder af understationsudstyrfejl og netvirkshændelser årligt skyldes menneskelig fejl.

Sekventiel kontrol etablerer en robust sikkerhedsskjold. Inden udførelse udfører indbygget logikvalidering en streng kontrol af hvert trin i overensstemmelse med foruddefinerede sikkerheds- og elektriske interlocks-regler. Kun når alle betingelser er opfyldt, vil systemet fortsætte. F.eks. under linjeopstrømning verificerer systemet automatisk statussen af brydere og disjunktører; hvis en anomalitet opdages, stopper operationen øjeblikkeligt og udløser en alarm. Dette forhindrer alvorlige fejl som åbning af en disjunktør under belastning eller lukning af en jordforbindelse mens den er opstrømmet, hvilket fundamentalt reducerer risikoen for udstyrsskader og netvirkshændelser og sikrer sikrere og mere stabile understationsoperationer.

1.4 Nuværende anvendelsesstatus
Da Kina fortsætter med at fremme sin smart grid-initiativ, er sekventiel kontrol blevet en hjørnesten i moderne understationsoperationer. I nyst byggede understationer er intelligente designprincipper nu standard, med sekventiel kontrol integreret som en kernefunktionsmodule. F.eks. i Øst-Kina har adoptionsgraden af sekventiel kontrol i nye understationer i de sidste fem år nået 95%. I økonomisk udviklede byer som Shenzhen og Shanghai overstiger dækningen 80% for 220 kV og højere spændingsunderstationer, hvilket betydeligt forbedrer regional netvirkseffektivitet og -sikkerhed.

Samtidig fremskynder moderniseringen af ældre understationer med intelligente kapaciteter også stødig. I Nord-Kina blev en 20-årig 110 kV understation succesfuldt opgraderet med sekventiel kontrolfunktionalitet gennem erstatning af intelligente I/O-enheder og modernisering af overvågningsystemet, hvilket markant forbedrede driftseffektivitet og -pålidelighed.

Når sekventiel kontrol skaleres op, bliver tekniske flaskehalse i komplekse scenarier stadig mere åbenlyse. Under ekstrem vejrsituationer, flertydige fejl eller pludselige belastningssvingninger, skal systemet behandle massive mængder realtid-data og udføre indviklet logik, hvilket kan føre til svarforsinkelser, logikstopp eller endda fejlagtige handlinger. Desuden forårsager interoperabilitetsproblemer mellem udstyr fra forskellige leverandører - på grund af uoverensstemmelser i kommunikationsprotokoller, dataformater og grænsefladestandarder - ofte anormale datatransmissioner eller forsinkede kommando-svar, hvilket underminerer glathed og præcision i sekventielle operationer.

For at tackle disse udfordringer forfølger elektricitetsindustrien løsninger på to spor: teknisk innovation og standardisering. På teknisk niveau optimeres algoritmer for at forbedre databehandling og beslutningstagning under komplekse forhold. På standardfronten fokuseres bestræbelserne på at forene kommunikationsgrænseflader og protokoller for at forbedre krydsleverandør-interoperabilitet.

I denne sammenhæng frembyder droneteknologi, der tilbyder fleksibel manøvrerbarhed, diverse synsvinkler og ikke-kontaktmåling, en innovativ vej til at forbedre sekventiel kontrol. Under sekventielle operationer kan droner udføre reel-tids dynamisk overvågning af udstyrsstatus ved hjælp af multispektral billedanalyse, infrarød termografi og andre avancerede teknikker, hvilket gør det muligt at hente præcise parametre og hurtigt registrere anomalier. Dette reel-tids feedback understøtter effektivt smartere beslutninger i sekventielle kontrollsystemer, og forhøjer intelligens og pålidelighed i drift af strømnet.

2. Anvendelse af droneteknologi i sekventiel kontrol af understationer
2.1 Oprettelse af et 3D-realmodel af understationen ved hjælp af droneteknologi
Integrering af droneteknologi til konstruktion af et højtpræcist 3D-digital twin af en understation repræsenterer en meget innovativ og praktisk fremskridt i sekventiel kontrol. Udstyret med højpræcise survey-grade kameraer, kan droner udføre omfattende luftfart undersøgelser fra flere højder og vinkler, som fanger både den samlede layout og de fine detaljer af kritisk udstyr. Dette genererer et rigt dataset af højopløselige billeder, der er nødvendige for præcis 3D-modellering. For at sikre datakonsekvens og geometrisk præcision, må flymissions strengt overholde specificerede drone-operativ parametre, som detaljeret i Tabel 1.

Af disse parametre er flyvehøjden indstillet til 120 m - en højde, der sikrer, at UAV'en optager billeder, der dækker hele understationen, mens den bibeholder tilstrækkelig detaljerede klare. Flyvehastigheden styres mellem 2-5 m/s for at holde UAV'en stabil under flyvning og forhindre bevægelsesblurring på grund af for stor hastighed. Udsætningsintervallet er sat til 2-3 sekunder, hvilket gør det muligt at opretholde konstant billedehellighed og pålidelig kvalitet under forskellige lysforhold.

En fremad overlap på 85% og en sideoverlap på 75% garanterer tilstrækkelige overlappende områder mellem nabo-billeder, hvilket giver den nødvendige redundans for efterfølgende billedsammenkobling og 3D-modellering. Kameralinsens brændvidde ligger mellem 35 og 50 mm, kombineret med et højopløst sensor på 6,048 × 4,032 pixels, hvilket effektivt optager fine detaljer af forskellige understationsudstyr. Desuden sikrer en ground sampling distance (GSD) på 1,5 cm/pixel, at hver pixel præcist svarer til en virkelig dimension i verden, hvilket betydeligt forbedrer rumlig præcision.

Ved at overholde disse flyveparametre strengt, optager UAV'en højkvalitetsbilleder, som - efter behandling gennem professionel fotogrammetri-software, der involverer sammenkobling, fusion og 3D-rekonstruktion - resulterer i en meget realistisk og detaljeret 3D-digital twin af understationen. Denne model giver intuitive og præcise rumlige referencer for sekventiel kontrolafvikling, hvilket gør det muligt for operatører at tydeligt forstå udstyrstillæg og status, hvilket lægger en solid grund for præcis udførelse af automatiske skiftsekvenser.

2.2 Implementering af "dobbelt bekræftelse" for afbryderposition i understationer
Enheden til "dobbelt bekræftelse" for afbrydere fungerer som en vigtig komponent for at verificere switch-position. Den anvender sensorer, der monteres direkte på det primære mekaniske driftssystem, for at overvåge den faktiske afbryderstatus. Systemet har to mikroswitcher: den anden mikroswitch er direkte forbundet til sensoren og ansvarlig for at registrere den sande fysiske position af afbryderblade. Det indsamlede signal sendes via sensoren til en signalsmodtager, der derefter sender dataene videre til understationens målings- og kontrolsystem. Dette lukkede transmissionsmekanisme gør det muligt at foretage realtidshøjtrofast detektion af afbryderpositioner, hvilket giver en pålidelig positionsvalidering for sekventiel kontrolafvikling.

Som det centrale knudepunkt modtager understationens målings- og kontrolenhed signaler fra både den første mikroswitch (mekanisk feedback) og det bearbejdede signal fra den anden mikroswitch (sensorbaseret feedback). Efter integration og validering af disse dobbelte input, sender enheden den konsoliderede statusdata til sekventielle kontrolhost. Samtidig kontrollerer en anti-misoperation host alle operationkommandoer, der udstedes af sekventielle kontrolhost. Kun efter at være godkendt ved denne anti-fejlverifikation kan den sekventielle operation fortsætte.

Denne "doble bekræftelse" mekanisme eliminerer teknisk risici forbundet med enkelt-punktsignal fejl eller misforståelse, hvilket drastisk forbedrer pålideligheden af afbryderpositiondetektion. I reelle situationer - enten under rutine-switch-operationer eller nødsituationer - sikrer den dobbelte bekræftelse afbryder, at operatørerne altid modtager præcis positionsinformation, hvilket effektivt forhindrer misoperations og styrker sikkerheden og stabiliteten af sekventielle kontrolsystemer.

2.3 Praktisk anvendelse
I et udvidelsesprojekt på en 110 kV-understation, hvor integration af nyt udstyr i det eksisterende sekventielle kontrolsystem var en betydelig udfordring - udfordringer, der blev effektivt håndteret gennem UAV-teknologi. Operatører udrullede UAV'er i overensstemmelse med strenge flyveparametre: en flyvehøjde på 120 m sikrede komplet dækning af understationen, mens den bevarede udstyrniveau detalje; en flyvehastighed på 2-5 m/s beholdt platformstabilitet for skarpe billeder; og et udsætningsinterval på 2-3 sekunder tilpassede sig ændrende lysforhold for at sikre højkvalitetsfotografier. Med 85% fremad overlap og 75% sideoverlap, gav datasættet tilstrækkelig redundans for robust fotogrammetrisk behandling.

Ved hjælp af avancerede fotogrammetriske og 3D-modelleringsteknikker blev de højopløste UAV-billeder omdannet til en præcis 3D-digital twin af understationen. Denne immersive rumlige model tillod operationsholdet at præcis analysere rumlige relationer mellem arvegods- og nyinstalleret udstyr. Under simulering af sekventielle kontrolprocedurer, benyttede operatørerne modellen til at forplanlægge optimale operationsbaner og præcis identificere måludstyr ved hjælp af præcise georumskoordinater - hvilket dramatisk reducerede kommissionsomkostninger for integration af nyt udstyr.

I praksis gjorde dette tilgangen, at projektteamet kunne fuldføre integration og kommissionering af det sekventielle kontrolsystem tre dage før tidsfristen. Dette forkortede ikke kun den samlede projekt-tidsramme, men accelererede også understationens overgang mod intelligent drift, hvilket lagde en solid grund for dens sikre og pålidelige langsigtede ydeevne.

I daglige sekventielle kontroloperationer og vedligeholdelsesscenarier for denne 110 kV-understation, fungerer mekanismen for "dobbelt bekræftelse" af afbrydere som den centrale sikkerhed for driftssikkerhed og effektivitet, mens UAV-teknologi giver stærk auxiliær support. Som eksempel på en natlig nødsekventiel kontroloperation: efter at operatører udsteder en afbryderåbningskommando fra sekventiel kontrolhost, aktiverer "dobbelt bekræftelse"-enheden straks sin præcise signaltransmissions- og bekræftelsesmekanisme. De to mikroswitcher i enheden transmitterer afbryderbladepositions-signaler i realtid til understationens målings- og kontrolenhed. Denne enhed integrerer og forbehandler signalerne, før de sendes videre til sekventiel kontrolhost. Samtidig udfører anti-misoperation host logikbaseret verifikation af operationkommandoen; kun når anti-misoperation host bekræfter kommandoen som gyldig, kan åbningsoperationen udføres.

Under denne proces spiller UAV'en også en betydelig rolle. Ved at udnytte dens agile flyvekapaciteter, udfører UAV'en realtidsovervågning af understationsudstyr - især med fokus på afbrydereområdet. Mens "dobbelt bekræftelse"-enheden opererer, transmitterer UAV'en live videofeeds tilbage til kontrolrummet, hvilket giver operatørerne en ekstra visuel reference for at yderligere sikre driftsnøjagtighed.

I forhold til den traditionelle manuelle på-sted-bekræftelse reducerer denne integrerede metode operations tiden fra de oprindelige 10 minutter til kun 3 minutter, hvilket betydeligt forbedrer effektiviteten. Det vigtigste er, at det effektivt eliminerer risikoen for fejlbedømmelse, som skyldes dårlig belysning og operatørtræthed under nattens manuelle kontroller.

3.Konklusion
Drone-teknologi har bragt innovative gennembrud til sekvenskontrollerede operationer i anlæg. Ved at opbygge 3D-realisme modeller øger den effektiviteten af integration af ny udstyr i sekvenskontrolsystemer og accelererer projektimplementering. Når der arbejdes i synergi med disconnector "dobbelt bekræftelse" enheder, forbedrer droner betydeligt sikkerheden og præcisionen af udstyrshandlinger. Da drone-teknologi fortsat udvikler sig og bliver mere dybt integreret i sekvenskontrolsystemer, har den potentiale til yderligere at tackle udfordringer som adaptabilitet under komplekse driftsforhold og udstyrskompatibilitet, ved at konstant fremme anlægsoperationer mod større intelligens og pålidelighed, og give stærk teknisk støtte til stabil og effektiv drift af kraftsystemer.