Aplicación de la tecnología de UAV en operaciones de control secuencial en subestaciones

Con el avance de las tecnologías de redes inteligentes, el control secuencial (conmutación automatizada basada en SCADA) en subestaciones se ha convertido en una técnica central para garantizar la operación estable del sistema eléctrico. Aunque las tecnologías de control secuencial existentes se han implementado ampliamente, los desafíos relacionados con la estabilidad del sistema bajo condiciones operativas complejas y la interoperabilidad del equipo siguen siendo significativos. La tecnología de Vehículos Aéreos No Tripulados (UAV), caracterizada por su agilidad, movilidad y capacidades de inspección sin contacto, ofrece una solución innovadora para optimizar las operaciones de control secuencial.

Al integrar profundamente funciones basadas en UAV, como patrullaje aéreo y monitoreo de estado en tiempo real, en los sistemas tradicionales de control secuencial, se pueden superar efectivamente las limitaciones de las operaciones manuales, permitiendo una percepción precisa y en tiempo real del estado del equipo y mejorando significativamente tanto la confiabilidad como el nivel de inteligencia del control secuencial. La investigación sobre las aplicaciones de UAV en el control secuencial de subestaciones tiene un significado práctico sustancial para el desarrollo de redes inteligentes.

1.Visión general de las operaciones de control secuencial en subestaciones
1.1 Definición
El control secuencial en subestaciones se refiere a la ejecución automática, paso a paso, de una serie de operaciones de equipos eléctricos según procedimientos y reglas lógicas predefinidos a través de un sistema de control de automatización. Tomando como ejemplo las operaciones de transferencia de barras (conmutación): tradicionalmente, los operadores deben manipular manualmente los interruptores, los seccionadores y otros dispositivos uno por uno. En contraste, con el control secuencial, los operadores solo necesitan emitir un comando integral desde la estación de monitoreo; el sistema luego ejecuta automáticamente y con precisión toda la secuencia, como abrir un interruptor de línea seguido de abrir los seccionadores asociados, simplificando enormemente el flujo de trabajo operativo.

1.2 Principios técnicos
El control secuencial en subestaciones depende de un sistema de automatización integrado compuesto por componentes clave, incluyendo un host de supervisión, unidades de medición y control, y terminales inteligentes. El host de supervisión actúa como interfaz hombre-máquina, recibiendo comandos de los operadores y convirtiéndolos en señales de control ejecutables. Las unidades de medición y control recopilan continuamente datos operativos en tiempo real, como corriente, voltaje y posición del equipo, proporcionando conciencia situacional para los operadores y entradas críticas para decisiones lógicas secuenciales. Los terminales inteligentes se interfazan directamente con el equipo primario para realizar operaciones de conmutación y comunicarse con las unidades de medición/control y otros dispositivos a través de fibras ópticas o cables, asegurando una transmisión rápida y precisa de datos para apoyar la ejecución segura y eficiente del control secuencial.

1.3 Ventajas
1.3.1 Mejora de la eficiencia operativa
En las operaciones convencionales de subestaciones, los procedimientos de conmutación sufren de notables ineficiencias. Por ejemplo, durante una operación de transferencia de barras de 220 kV, el personal debe moverse repetidamente entre bays para verificar identificaciones de equipos, confirmar estados y operar manualmente interruptores y seccionadores. Debido a las limitaciones humanas, una operación completa típicamente toma 2-3 horas, consumiendo considerable mano de obra y llevando consigo riesgos inherentes de error que afectan la eficiencia de la red.

Con la evolución de las tecnologías de redes inteligentes, los sistemas de control secuencial ofrecen un enfoque transformador. Al recibir un comando desde el backend de monitoreo, el sistema ejecuta automáticamente la secuencia completa, incluyendo la verificación del estado del dispositivo, la validación del ticket de operación y los comandos de conmutación, a velocidad de milisegundos basada en lógica preprogramada. Los datos de campo muestran que el uso del control secuencial reduce el tiempo de transferencia de barras de 220 kV a menos de 20 minutos, lo que representa una mejora superior al 80% en comparación con los métodos tradicionales. Este avance mejora la flexibilidad operativa de la red, permitiendo una reconfiguración rápida durante fluctuaciones de carga y acortando significativamente las duraciones de interrupciones durante fallas, mejorando así la confiabilidad y calidad general del suministro de energía.

1.3.2 Mejora de la seguridad operativa
Las operaciones manuales de subestaciones son vulnerables a numerosos factores humanos impredecibles que representan riesgos ocultos de seguridad. La alerta del operador es crítica; la fatiga por turnos nocturnos, por ejemplo, puede llevar a la mala lectura de etiquetas o a la ejecución de pasos fuera de secuencia. Además, los niveles de habilidad varían entre el personal; los nuevos empleados están mucho menos familiarizados con procedimientos complejos que el personal experimentado, aumentando la probabilidad de errores. Estadísticas incompletas indican que cientos de fallos de equipos de subestación e incidentes de red anualmente se derivan de errores humanos.

El control secuencial establece una sólida barrera de seguridad. Antes de la ejecución, la validación lógica incorporada verifica rigurosamente cada paso contra reglas predefinidas de seguridad e interbloqueo eléctrico. Solo cuando todas las condiciones se satisfacen, el sistema procederá. Por ejemplo, durante la energización de líneas, el sistema verifica automáticamente el estado de los interruptores y seccionadores; si se detecta alguna anomalía, la operación se detiene inmediatamente y se activa una alarma. Esto previene errores graves como abrir un seccionador bajo carga o cerrar un interruptor de tierra mientras está energizado, reduciendo fundamentalmente el riesgo de daños al equipo y accidentes en la red, y asegurando operaciones de subestación más seguras y estables.

1.4 Estado actual de aplicación
A medida que China continúa avanzando en su iniciativa de red inteligente, el control secuencial se ha convertido en un pilar de las operaciones modernas de subestaciones. En las subestaciones recién construidas, los principios de diseño inteligente ahora son estándar, con el control secuencial integrado como un módulo funcional central. Por ejemplo, en el este de China, la tasa de adopción del control secuencial en nuevas subestaciones en los últimos cinco años ha alcanzado el 95%. En ciudades económicamente desarrolladas como Shenzhen y Shanghai, la cobertura supera el 80% para subestaciones de 220 kV y mayor voltaje, mejorando significativamente la eficiencia y la seguridad de la red regional.

Mientras tanto, la modernización de subestaciones más antiguas con capacidades inteligentes también está progresando de manera constante. En el norte de China, una subestación de 110 kV con 20 años de antigüedad fue exitosamente actualizada con funcionalidad de control secuencial mediante la sustitución de unidades I/O inteligentes y la modernización del sistema de supervisión, mejorando notablemente la eficiencia y la confiabilidad operativas.

Sin embargo, a medida que el control secuencial se escala, los cuellos de botella técnicos en escenarios complejos están volviéndose evidentes. Bajo condiciones meteorológicas extremas, fallos en múltiples líneas o fluctuaciones súbitas de carga, el sistema debe procesar una gran cantidad de datos en tiempo real y ejecutar lógica intrincada, lo que puede llevar a retrasos en la respuesta, interrupciones lógicas o incluso acciones erróneas. Además, los problemas de interoperabilidad entre equipos de diferentes proveedores—debido a inconsistencias en los protocolos de comunicación, formatos de datos y estándares de interfaz—suelen causar transmisiones anormales de datos o respuestas de comandos demoradas, socavando la fluidez y precisión de las operaciones secuenciales.

Para abordar estos desafíos, la industria eléctrica está persiguiendo soluciones en dos vías: innovación tecnológica y estandarización. Técnicamente, se están optimizando algoritmos para mejorar el procesamiento de datos y la toma de decisiones en condiciones complejas. En el frente de los estándares, los esfuerzos se centran en unificar interfaces de comunicación y protocolos para mejorar la interoperabilidad entre proveedores.

En este contexto, la tecnología UAV—que ofrece maniobrabilidad flexible, ángulos de visión diversos y sensado sin contacto—presenta una vía innovadora para mejorar el control secuencial. Durante las operaciones secuenciales, los UAV pueden realizar monitoreo dinámico en tiempo real del estado del equipo utilizando imágenes multiespectrales, termografía infrarroja y otras técnicas avanzadas, permitiendo la adquisición precisa de parámetros y la detección rápida de anomalías. Esta retroalimentación en tiempo real apoya eficazmente la toma de decisiones más inteligente en sistemas de control secuencial, elevando la inteligencia y confiabilidad de las operaciones de la red eléctrica.

2. Aplicación de la Tecnología UAV en el Control Secuencial de Subestaciones
2.1 Construcción de un Modelo Realista 3D de la Subestación Utilizando Tecnología UAV
Integrar la tecnología UAV para construir un gemelo digital 3D de alta fidelidad de una subestación representa un avance altamente innovador y práctico en el control secuencial. Equipados con cámaras de alta precisión de nivel topográfico, los UAV pueden realizar levantamientos aéreos comprehensivos desde múltiples altitudes y ángulos, capturando tanto la disposición general como los detalles finos del equipo crítico. Esto genera un conjunto de datos rico en imágenes de alta resolución esenciales para la modelización 3D precisa. Para garantizar la consistencia de los datos y la precisión geométrica, las misiones de vuelo deben adherirse estrictamente a los parámetros operativos especificados para UAV, como se detalla en la Tabla 1.

Entre estos parámetros, la altitud de vuelo se establece en 120 m, una altura que garantiza que el UAV capte imágenes que cubran toda la subestación mientras mantiene suficiente claridad de detalle. La velocidad de vuelo se controla entre 2-5 m/s para mantener la estabilidad del UAV durante el vuelo y prevenir el desenfoque por movimiento causado por exceso de velocidad. El intervalo de exposición se establece en 2-3 segundos, permitiendo un brillo de imagen constante y una calidad confiable bajo diversas condiciones de iluminación.

Una superposición frontal del 85% y una superposición lateral del 75% garantizan áreas de superposición suficientes entre las imágenes adyacentes, proporcionando la redundancia necesaria para la posterior unión de imágenes y modelado 3D. La longitud focal de la lente de la cámara varía de 35 a 50 mm, emparejada con un sensor de alta resolución de 6,048 × 4,032 píxeles, capturando eficazmente los detalles finos de diversos equipos de subestación. Además, una distancia de muestreo en tierra (GSD) de 1,5 cm/píxel asegura que cada píxel corresponda precisamente a una dimensión real en el terreno, mejorando significativamente la precisión espacial.

Al adherirse estrictamente a estos parámetros de vuelo, el UAV adquiere imágenes de alta calidad que, después de ser procesadas a través de software de fotogrametría profesional que implica unión, fusión y reconstrucción 3D, producen un gemelo digital 3D altamente realista y detallado de la subestación. Este modelo proporciona información de referencia espacial intuitiva y precisa para operaciones de control secuencial, permitiendo a los operadores comprender claramente la disposición y estado del equipo, lo que establece una base sólida para la ejecución precisa de secuencias de conmutación automatizadas.

2.2 Implementación de la “doble confirmación” para la posición del interruptor en subestaciones
El dispositivo de “doble confirmación” para interruptores es un componente crítico para verificar la posición del interruptor. Utiliza sensores montados directamente en el mecanismo operativo mecánico principal para monitorear el estado real del interruptor. El sistema cuenta con dos microinterruptores: el segundo microinterruptor está directamente vinculado al sensor y es responsable de capturar la verdadera posición física de la hoja del interruptor. La señal recopilada se transmite a través del sensor a un receptor de señales, que luego envía los datos al sistema de medición y control de la subestación. Este mecanismo de transmisión en bucle cerrado permite la detección en tiempo real y de alta fidelidad de las posiciones de los interruptores, ofreciendo una validación posicional confiable para las operaciones de control secuencial.

Como el centro neurálgico, la unidad de medición y control de la subestación recibe señales tanto del primer microinterruptor (retroalimentación mecánica) como de la señal procesada del segundo microinterruptor (retroalimentación basada en sensores). Después de integrar y validar estas entradas duales, la unidad envía los datos consolidados de estado al host de control secuencial. Simultáneamente, un host anti-manejo erróneo realiza una verificación cruzada de todos los comandos de operación emitidos por el host de control secuencial. Solo después de pasar esta verificación anti-errores puede proceder la operación secuencial.

Este mecanismo de “doble confirmación” elimina técnicamente los riesgos asociados con fallos de señal de un solo punto o mal juicio, mejorando drásticamente la confiabilidad de la detección de la posición del interruptor. En escenarios reales, ya sea durante operaciones de conmutación rutinarias o respuestas de emergencia, el interruptor de doble confirmación asegura que los operadores siempre reciban información de posición precisa, previniendo efectivamente los errores de operación y reforzando la seguridad y estabilidad de los sistemas de control secuencial.

2.3 Aplicación práctica
En un proyecto de expansión en una subestación de 110 kV, la integración de nuevo equipo en el sistema de control secuencial existente planteó desafíos significativos, desafíos que se abordaron eficazmente a través de la tecnología de UAV. Los operadores desplegaron UAV siguiendo parámetros de vuelo estrictos: una altitud de vuelo de 120 m aseguró una cobertura completa de la subestación mientras preservaba el detalle a nivel de equipo; una velocidad de vuelo de 2-5 m/s mantuvo la estabilidad de la plataforma para imágenes nítidas; y un intervalo de exposición de 2-3 segundos se adaptó a las condiciones cambiantes de luz para asegurar fotografías de alta calidad. Con una superposición frontal del 85% y una superposición lateral del 75%, el conjunto de datos proporcionó redundancia suficiente para un procesamiento fotogramétrico robusto.

Utilizando técnicas avanzadas de fotogrametría y modelado 3D, la imagen de alta resolución del UAV se transformó en un gemelo digital 3D preciso de la subestación. Este modelo espacial inmersivo permitió al equipo de operaciones analizar con precisión las relaciones espaciales entre el equipo heredado y el recién instalado. Durante la simulación de procedimientos de control secuencial, los operadores utilizaron el modelo para planificar de antemano rutas operativas óptimas e identificar dispositivos objetivo utilizando coordenadas geoespaciales precisas, reduciendo dramáticamente el tiempo de puesta en marcha de la integración de nuevo equipo.

En la práctica, este enfoque permitió al equipo del proyecto completar la integración y puesta en marcha del sistema de control secuencial tres días antes de lo programado. Esto no solo acortó la línea de tiempo general del proyecto, sino que también aceleró la transición de la subestación hacia la operación inteligente, estableciendo una base sólida para su rendimiento seguro y confiable a largo plazo.

En los escenarios diarios de operación y mantenimiento de control secuencial de esta subestación de 110 kV, el mecanismo de “doble confirmación” del interruptor sirve como el núcleo de la seguridad y eficiencia operativa, mientras que la tecnología de UAV proporciona un fuerte apoyo auxiliar. Tomando como ejemplo una operación de control secuencial de emergencia nocturna: después de que los operadores emiten un comando de apertura del interruptor desde el host de control secuencial, el dispositivo de “doble confirmación” activa inmediatamente su mecanismo de transmisión y verificación de señales precisas. Los dos microinterruptores dentro del dispositivo transmiten en tiempo real las señales de posición de la hoja del interruptor a la unidad de medición y control de la subestación. Esta unidad integra y preprocesa las señales antes de enviarlas al host de control secuencial. Simultáneamente, el host anti-manejo erróneo realiza una verificación lógica del comando de operación; solo después de que el host anti-manejo erróneo confirma que el comando es válido, se puede ejecutar la operación de apertura.

Durante este proceso, el UAV también juega un papel significativo. Aprovechando sus capacidades de vuelo ágiles, el UAV realiza un monitoreo en tiempo real y en todas direcciones del equipo de la subestación, centrándose particularmente en el área del interruptor. Mientras el dispositivo de “doble confirmación” está en funcionamiento, el UAV transmite transmisiones de video en vivo de la escena de vuelta a la sala de control, proporcionando a los operadores una referencia visual adicional para asegurar aún más la precisión de la operación.

En comparación con la verificación manual tradicional en el sitio, este enfoque integrado reduce el tiempo de operación de los originales 10 minutos a solo 3 minutos, mejorando significativamente la eficiencia. Más importante aún, elimina eficazmente el riesgo de mal juicio causado por una mala iluminación y el cansancio del operador durante las comprobaciones manuales nocturnas.

3.Conclusión
La tecnología de UAV ha traído avances innovadores a las operaciones de control secuencial de subestaciones. Al construir modelos realistas en 3D, se mejora eficazmente la eficiencia de la integración de nuevo equipo en los sistemas de control secuencial y se acelera la implementación de proyectos. Al trabajar en sinergia con los dispositivos de "doble confirmación" del interruptor, los UAVs mejoran significativamente la seguridad y precisión de las operaciones de equipo. A medida que la tecnología de UAV continúa evolucionando y se integra más profundamente con los sistemas de control secuencial, promete abordar desafíos adicionales como la adaptabilidad bajo condiciones operativas complejas e interoperabilidad de equipos, avanzando continuamente hacia una mayor inteligencia y confiabilidad en las operaciones de subestaciones, y proporcionando un sólido soporte técnico para la operación estable y eficiente de los sistemas de energía.