Anwendung der UAV-Technologie in sequenziellen Steuerungsvorgängen von Umspannwerken

Mit dem Fortschritt der Smart-Grid-Technologien ist die sequenzielle Steuerung (SCADA-basiertes automatisches Schalten) in Umspannwerken zu einer Kerntechnologie für den sicheren Betrieb von Stromsystemen geworden. Obwohl bestehende Technologien zur sequenziellen Steuerung weit verbreitet sind, bleiben Herausforderungen bezüglich der Systemstabilität unter komplexen Betriebsbedingungen und der Interoperabilität von Geräten erheblich. Die Drohnen-Technologie (UAV) – gekennzeichnet durch ihre Beweglichkeit, Mobilität und Fähigkeit zur kontaktlosen Inspektion – bietet eine innovative Lösung zur Optimierung von sequenziellen Steuerungsvorgängen.

Durch die tiefgreifende Integration von UAV-gestützten Funktionen wie Luftpatrouillen und Echtzeit-Zustandsüberwachung in traditionelle sequenzielle Steuerungssysteme können die Einschränkungen manueller Vorgänge effektiv überwunden werden, was eine präzise, zeitnahe Wahrnehmung des Gerätestatus ermöglicht und die Zuverlässigkeit und Intelligenz der sequenziellen Steuerung erheblich verbessert. Forschungen zu UAV-Anwendungen in der sequenziellen Steuerung von Umspannwerken haben einen bedeutenden praktischen Nutzen für die Entwicklung von Smart Grids.

1.Überblick über sequenzielle Steuerungsvorgänge in Umspannwerken
1.1 Definition
Sequenzielle Steuerung in Umspannwerken bezieht sich auf die automatische, schrittweise Ausführung einer Reihe von elektrischen Gerätevorgängen gemäß vordefinierten Verfahren und logischen Regeln über ein Automatisierungssystem. Am Beispiel der Busübertragung (Schaltvorgänge): Traditionell müssen Bediener Schaltgeräte, Trennschalter und andere Geräte einzeln manuell bedienen. Im Gegensatz dazu kann bei der sequenziellen Steuerung der Bediener nur einen einzigen umfassenden Befehl vom Überwachungsarbeitsplatz ausgeben; das System führt dann automatisch und genau die gesamte Sequenz aus, z.B. das Abschalten eines Leitungsschalters gefolgt vom Öffnen der zugehörigen Trennschalter, was den Arbeitsablauf erheblich vereinfacht.

1.2 Technische Prinzipien
Die sequenzielle Steuerung in Umspannwerken basiert auf einem integrierten Automatisierungssystem, das aus Schlüsselkomponenten wie einem Überwachungsrechner, Mess- und Steuerungseinheiten sowie intelligenten Endgeräten besteht. Der Überwachungsrechner dient als Mensch-Maschine-Schnittstelle, empfängt Befehle des Bedieners und wandelt sie in ausführbare Steuersignale um. Mess- und Steuerungseinheiten sammeln kontinuierlich Echtzeit-Betriebsdaten wie Strom, Spannung und Geräteposition, was sowohl Situationsbewusstsein für Bediener als auch kritische Eingaben für sequenzielle Logikentscheidungen bereitstellt. Intelligente Endgeräte schließen direkt an primäre Geräte an, um Schaltvorgänge auszuführen, und kommunizieren mit Mess- und Steuerungseinheiten sowie anderen Geräten über Glasfaser oder Kabel, um schnelle und genaue Datenübertragung zu gewährleisten, die einen sicheren und effizienten Ablauf der sequenziellen Steuerung unterstützt.

1.3 Vorteile
1.3.1 Verbesserte Betriebs-effizienz
Bei konventionellen Umspannwerk-Vorgängen leiden die Schaltprozeduren unter erheblichen Ineffizienzen. So müssen bei einem 220 kV-Bus-Transfer beispielsweise Mitarbeiter wiederholt zwischen den Feldern wechseln, um Gerätekennungen zu überprüfen, Status zu bestätigen und Schaltgeräte und Trennschalter manuell zu bedienen. Aufgrund menschlicher Grenzen dauert ein vollständiger Vorgang typischerweise 2–3 Stunden, was beträchtliche Arbeitskräfte verbraucht und inhärente Fehler-Risiken birgt, die die Netz-Effizienz beeinträchtigen.

Mit der Entwicklung von Smart-Grid-Technologien bieten sequenzielle Steuerungssysteme einen umwälzenden Ansatz. Nach Erhalt eines Befehls vom Überwachungsbackend führt das System die gesamte Sequenz automatisch aus – einschließlich der Überprüfung des Gerätestatus, der Validierung des Arbeitsauftrags und der Schaltbefehle – mit millisekundengenauer Geschwindigkeit basierend auf vorprogrammierter Logik. Felderfahrungen zeigen, dass die Nutzung der sequenziellen Steuerung die Zeit für einen 220 kV-Bus-Transfer auf weniger als 20 Minuten reduziert – eine Verbesserung von mehr als 80% im Vergleich zu traditionellen Methoden. Dieser Durchbruch erhöht die Flexibilität des Netzbetriebs, ermöglicht eine schnelle Neukonfiguration bei Lastfluktuationen und verkürzt erheblich die Ausfallzeiten bei Störungen, wodurch die Gesamtzuverlässigkeit und -qualität der Stromversorgung verbessert wird.

1.3.2 Verbesserte Betriebssicherheit
Manuelle Umspannwerk-Vorgänge sind anfällig für zahlreiche unberechenbare menschliche Faktoren, die versteckte Sicherheitsrisiken darstellen. Die Wachsamkeit des Bedieners ist entscheidend; so kann Müdigkeit nach nächtlichen Schichten zu Fehlleseungen oder der falschen Abfolge von Schritten führen. Zudem variieren die Fähigkeiten der Mitarbeiter – Neueinstellungen sind weit weniger vertraut mit komplexen Prozeduren als erfahrene Mitarbeiter –, was die Wahrscheinlichkeit von Fehlern erhöht. Unvollständige Statistiken deuten darauf hin, dass jährlich Hunderte von Umspannwerk-Geräteausfällen und Netzzwischenfällen auf menschliches Versagen zurückzuführen sind.

Die sequenzielle Steuerung errichtet eine robuste Sicherheitsbarriere. Vor der Ausführung überprüft die eingebaute Logikvalidierung jeden Schritt sorgfältig hinsichtlich vordefinierter Sicherheits- und elektrischer Verriegelungsregeln. Das System fährt erst fort, wenn alle Bedingungen erfüllt sind. So überprüft das System beispielsweise beim Energiern einer Leitung automatisch den Status der Schaltgeräte und Trennschalter; bei jeder Anomalie stoppt der Vorgang sofort und löst eine Alarmmeldung aus. Dies verhindert schwerwiegende Fehler wie das Öffnen eines Trennschalters unter Last oder das Schließen eines Erdungsschalters während der Energieversorgung, reduziert grundsätzlich das Risiko von Geräteschäden und Netzzwischenfällen und gewährleistet sicherere, stabilere Umspannwerksoperationen.

1.4 Aktueller Anwendungszustand
Mit der Weiterentwicklung der Smart-Grid-Initiative in China ist die sequenzielle Steuerung zu einem Grundpfeiler moderner Umspannwerksoperationen geworden. In neu gebauten Umspannwerken sind intelligente Designprinzipien inzwischen Standard, wobei die sequenzielle Steuerung als Kernfunktionsmodul integriert ist. So erreicht in Ostchina die Adoptionsrate der sequenziellen Steuerung in neuen Umspannwerken in den letzten fünf Jahren 95%. In wirtschaftlich entwickelten Städten wie Shenzhen und Shanghai beträgt die Abdeckung für 220 kV- und höhere Spannungsumspannwerke über 80%, was die regionale Netz-Effizienz und -Sicherheit erheblich steigert.

Gleichzeitig fortschreitet auch die Modernisierung älterer Umspannwerke mit intelligenten Fähigkeiten stetig. In Nordchina wurde ein 20 Jahre altes 110 kV-Umspannwerk erfolgreich mit der Funktionalität der sequenziellen Steuerung ausgestattet, indem intelligente E/A-Einheiten ersetzt und das Überwachungssystem modernisiert wurden, was die Betriebseffizienz und -zuverlässigkeit erheblich verbesserte.

Allerdings werden bei zunehmender Skalierung der sequenziellen Steuerung technische Engpässe in komplexen Szenarien offensichtlich. Bei extremem Wetter, Mehrfachstörungen oder plötzlichen Lastschwankungen muss das System riesige Mengen an Echtzeitdaten verarbeiten und komplexe Logik ausführen, was zu Reaktionsverzögerungen, Logikstaus oder sogar fehlerhaften Aktionen führen kann. Darüber hinaus verursachen Interoperabilitätsprobleme zwischen Geräten verschiedener Hersteller aufgrund von Unstimmigkeiten in Kommunikationsprotokollen, Datenformaten und Schnittstellenstandards oft unregelmäßige Datenübertragungen oder verzögerte Befehlsantworten, die den reibungslosen und genauen Ablauf sequenzieller Operationen beeinträchtigen.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, setzt die Energiewirtschaft auf eine Doppellösung: technologische Innovation und Standardisierung. Auf technischer Ebene werden Algorithmen optimiert, um die Datenverarbeitung und Entscheidungsfindung unter komplexen Bedingungen zu verbessern. Was die Standards angeht, konzentrieren sich die Bemühungen darauf, Kommunikationsschnittstellen und -protokolle zu vereinheitlichen, um die Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern zu verbessern.

In diesem Kontext bietet die UAV-Technologie mit ihrer flexiblen Manövrierfähigkeit, diversen Blickwinkeln und kontaktlosen Sensortechniken einen innovativen Weg zur Verbesserung der sequenziellen Steuerung. Während sequentieller Operationen können UAVs mit Hilfe von Multispektralbildgebung, Infrarotthermografie und anderen fortschrittlichen Techniken eine Echtzeitdynamiküberwachung des Gerätestandards durchführen, was eine präzise Parametererfassung und schnelle Anomaliedetektion ermöglicht. Dieses Echtzeit-Feedback unterstützt effektiv intelligente Entscheidungsfindung in sequenziellen Steuerungssystemen und hebt die Intelligenz und Zuverlässigkeit der Netzbetriebsvorgänge.

2. Anwendung der UAV-Technologie in der sequenziellen Steuerung von Umspannwerken
2.1 Erstellung eines 3D-Realmodells des Umspannwerks mithilfe der UAV-Technologie
Die Integration der UAV-Technologie zur Erstellung eines hochgenauen 3D-Digitaltwins eines Umspannwerks stellt einen sehr innovativen und praktischen Fortschritt in der sequenziellen Steuerung dar. Ausgestattet mit hochpräzisen Vermessungskameras können UAVs umfassende Luftbilduntersuchungen aus mehreren Höhen und Winkeln durchführen, wodurch sowohl die Gesamtanordnung als auch die Feinheiten kritischer Geräte erfasst werden. Dies erzeugt eine reiche Datensammlung hoher Auflösung, die für genaues 3D-Modelling notwendig ist. Um die Datenkonsistenz und geometrische Genauigkeit sicherzustellen, müssen Flugmissionen streng den spezifizierten UAV-Betriebsparametern entsprechen, wie in Tabelle 1 detailliert beschrieben.

Unter diesen Parametern ist die Flughöhe auf 120 m eingestellt – eine Höhe, die sicherstellt, dass das UAV Bilder der gesamten Umspannstation erfasst, während ausreichend Detailgenauigkeit gewährleistet wird. Die Fluggeschwindigkeit wird zwischen 2–5 m/s gesteuert, um die Stabilität des UAV während des Fluges zu gewährleisten und Bewegungsunschärfe durch zu hohe Geschwindigkeit zu vermeiden. Das Belichtungsintervall ist auf 2–3 Sekunden eingestellt, was eine konsistente Bildhelligkeit und eine verlässliche Qualität unter wechselnden Lichtverhältnissen ermöglicht.

Eine Vorderüberlappung von 85 % und eine Seitenüberlappung von 75 % stellen ausreichende Überlappungsbereiche zwischen benachbarten Bildern sicher, was die notwendige Redundanz für die nachfolgende Bildzusammenführung und 3D-Modellierung bereitstellt. Der Brennweite des Kameraobjektivs liegt zwischen 35 und 50 mm, kombiniert mit einem Hochauflösungssensor von 6.048 × 4.032 Pixeln, wodurch Feinheiten verschiedener Umspannstationseinrichtungen effektiv erfasst werden können. Darüber hinaus sorgt ein Bodenabtastabstand (GSD) von 1,5 cm/Pixel dafür, dass jedem Pixel präzise eine reale Dimension am Boden entspricht, was die räumliche Genauigkeit erheblich verbessert.

Durch strikte Einhaltung dieser Flugparameter erfasst das UAV hochwertige Bilder, die – nach der Verarbeitung durch professionelle Photogrammetriesoftware, einschließlich Zusammenführung, Fusion und 3D-Rekonstruktion – ein sehr realistisches und detailliertes 3D-Digitaltwin der Umspannstation ergeben. Dieses Modell bietet intuitive und genaue räumliche Referenzinformationen für sequentielle Steuerungsvorgänge, ermöglicht den Betreibern ein klares Verständnis der Anlagenanordnung und -status und legt damit den Grundstein für die präzise Durchführung automatisierter Schaltsequenzen.

2.2 Implementierung der „Doppelbestätigung“ für Trennschalterpositionen in Umspannstationen
Das „Doppelbestätigung“-Gerät für Trennschalter dient als wesentlicher Bestandteil zur Überprüfung der Schalterposition. Es verwendet Sensoren, die direkt an dem primären mechanischen Betriebsmechanismus montiert sind, um den tatsächlichen Status des Trennschalters zu überwachen. Das System verfügt über zwei Mikroschalter: Der zweite Mikroschalter ist direkt mit dem Sensor verbunden und verantwortlich für die Erfassung der tatsächlichen physischen Position der Trennschalterklinge. Das gesammelte Signal wird über den Sensor an einen Signalempfänger übertragen, der die Daten dann an das Mess- und Steuersystem der Umspannstation weiterleitet. Dieses geschlossene Übertragungsmechanismus ermöglicht die Echtzeit-Erfassung der Trennschalterpositionen mit hoher Treffergenauigkeit und bietet eine verlässliche Positionsvalidierung für sequentielle Steuerungsvorgänge.

Als zentrales Element empfängt das Mess- und Steuerelement der Umspannstation Signale sowohl vom ersten Mikroschalter (mechanisches Feedback) als auch vom verarbeiteten Signal des zweiten Mikroschalters (sensorbasiertes Feedback). Nach der Integration und Validierung dieser beiden Eingaben sendet das Gerät die konsolidierten Statusdaten an den sequentiellen Steuerungshost. Gleichzeitig überprüft ein Anti-Fehlsteuerungshost alle Befehle, die vom sequentiellen Steuerungshost ausgegeben werden. Nur nach erfolgreicher Fehlerschutz-Überprüfung kann der sequentielle Vorgang fortgesetzt werden.

Dieses „Doppelbestätigung“-Mechanismus eliminiert technisch Risiken, die mit einem Ausfall oder einer Fehlbeurteilung eines einzelnen Signals verbunden sind, und verbessert erheblich die Zuverlässigkeit der Trennschalterpositionsbestimmung. In der Praxis – ob bei Routine-Schaltvorgängen oder im Notfall – stellt die Doppelbestätigung sicher, dass die Betreiber stets genaue Positionsangaben erhalten, was Fehlsteuerungen wirksam verhindert und die Sicherheit und Stabilität sequentieller Steuerungssysteme verstärkt.

2.3 Praktische Anwendung
In einem Erweiterungsprojekt einer 110-kV-Umspannstation stellte die Integration neuer Geräte in das bestehende sequentielle Steuerungssystem erhebliche Herausforderungen dar – Herausforderungen, die durch UAV-Technologie effektiv bewältigt wurden. Die Betreiber setzten UAVs gemäß strengen Flugparametern ein: Eine Flughöhe von 120 m sicherte eine umfassende Abdeckung der Umspannstation, während gleichzeitig die Ausrüstungsdetailgenauigkeit gewahrt blieb; eine Fluggeschwindigkeit von 2–5 m/s gewährleistete die Plattformstabilität für scharfe Bilder; und ein Belichtungsintervall von 2–3 Sekunden passte sich den wechselnden Lichtverhältnissen an, um hochwertige Fotos zu sichern. Mit 85 % Vorderüberlappung und 75 % Seitenüberlappung bot der Datensatz ausreichende Redundanz für robuste photogrammetrische Verarbeitung.

Mit fortschrittlichen photogrammetrischen und 3D-Modellierungstechniken wurde das hochauflösende UAV-Bildmaterial in ein genaues 3D-Digitaltwin der Umspannstation transformiert. Dieses immersive räumliche Modell ermöglichte es dem Betriebspersonal, die räumlichen Beziehungen zwischen bestehender und neu installierter Ausrüstung präzise zu analysieren. Während der Simulation sequentieller Steuerungsvorgänge nutzten die Betreiber das Modell, um optimale Betriebspfade vorzuplanen und Zielgeräte mit präzisen georäumlichen Koordinaten genau zu identifizieren – was die Inbetriebnahmezeit für die Integration neuer Geräte erheblich reduzierte.

In der Praxis ermöglichte dieser Ansatz dem Projektteam, die Integration und Inbetriebnahme des sequentiellen Steuerungssystems drei Tage vor dem geplanten Termin abzuschließen. Dies verkürzte nicht nur den Gesamtprojektablauf, sondern beschleunigte auch den Übergang der Umspannstation zu intelligentem Betrieb und legte den Grundstein für ihre sichere und zuverlässige langfristige Leistung.

In den täglichen sequentiellen Steuerungsbetriebs- und Wartungsszenarien dieser 110-kV-Umspannstation dient der Trennschalter „Doppelbestätigung“-Mechanismus als zentrales Sicherheits- und Effizienzmerkmal, während die UAV-Technologie stark unterstützend wirkt. Als Beispiel diene hier eine nächtliche Notfall-sequentielle Steuerung: Nachdem die Betreiber einen Öffnungsbefehl für den Trennschalter vom sequentiellen Steuerungshost ausgeben, aktiviert das „Doppelbestätigung“-Gerät sofort seinen präzisen Signalübertragungs- und -validierungsmechanismus. Die beiden Mikroschalter im Gerät übertragen die Trennschalterklingenpositionssignale in Echtzeit an das Mess- und Steuerelement der Umspannstation. Dieses Element integriert und vorverarbeitet die Signale, bevor es sie an den sequentiellen Steuerungshost weiterleitet. Gleichzeitig führt der Anti-Fehlsteuerungshost eine logikbasierte Überprüfung des Befehls durch; erst nach Bestätigung durch den Anti-Fehlsteuerungshost kann der Öffnungsvorgang ausgeführt werden.

Während dieses Prozesses spielt das UAV ebenfalls eine wichtige Rolle. Dank seiner agilen Flugeigenschaften führt das UAV eine Echtzeit- und allseitige Überwachung der Umspannstationseinrichtungen durch – insbesondere fokussiert auf den Trennschalterbereich. Während das „Doppelbestätigung“-Gerät in Betrieb ist, überträgt das UAV Live-Videostreams zurück in den Kontrollraum, was den Betreibern eine zusätzliche visuelle Referenz bietet, um die Betriebsgenauigkeit weiter zu gewährleisten.

Im Vergleich zur traditionellen manuellen Vor-Ort-Prüfung reduziert dieser integrierte Ansatz die Bearbeitungszeit von ursprünglich 10 Minuten auf nur 3 Minuten und verbessert somit die Effizienz erheblich. Noch wichtiger ist, dass er das Risiko von Fehleinschätzungen infolge schlechter Beleuchtung und Ermüdung des Bedienpersonals bei nächtlichen manuellen Prüfungen effektiv beseitigt.

3. Schlussfolgerung
Die UAV-Technologie hat innovative Durchbrüche in der sequenziellen Steuerung von Umspannwerken gebracht. Durch den Aufbau von 3D-realitätsnahen Modellen wird die Effizienz der Integration neuer Geräte in sequenzielle Steuerungssysteme erheblich gesteigert und die Projektumsetzung beschleunigt. In Synergie mit den „Doppelbestätigung“-Geräten für Abschalthebel verbessern UAVs die Sicherheit und Präzision der Geräteoperationen signifikant. Mit der weiteren Entwicklung und tiefgreifenderen Integration der UAV-Technologie in sequenzielle Steuerungssysteme besteht das Potenzial, weitere Herausforderungen wie Anpassungsfähigkeit unter komplexen Betriebsbedingungen und Geräteinteroperabilität anzugehen, um die Umspannwerkoperationen kontinuierlich in Richtung größerer Intelligenz und Zuverlässigkeit voranzubringen und robuste technische Unterstützung für den stabilen und effizienten Betrieb von Stromsystemen bereitzustellen.