کاربرد تکنولوژی پهپاد در عملیات کنترل توالی ایستگاه‌های برق

با پیشرفت تکنولوژی‌های شبکه هوشمند، کنترل توالی (مبنی بر کنترل خودکار SCADA) در زیرстанسیون‌ها به یک تکنیک اصلی برای تضمین عملکرد پایدار سیستم برق تبدیل شده است. اگرچه تکنولوژی‌های کنترل توالی موجود به طور گسترده‌ای نصب شده‌اند، چالش‌های مربوط به پایداری سیستم در شرایط عملیاتی پیچیده و همگرایی تجهیزات همچنان مهم می‌باشد. فناوری وسایل پروازی بدون سرنشین (UAV) با ویژگی‌های انعطاف‌پذیری، موبایل بودن و قابلیت‌های بازرسی بدون تماس، راه‌حل نوآورانه‌ای برای بهینه‌سازی عملیات کنترل توالی ارائه می‌دهد.

با یکپارچه‌سازی عمیق عملکرد مبتنی بر UAV مانند پاترول هوایی و نظارت بر وضعیت در زمان واقعی در سیستم‌های کنترل توالی سنتی، محدودیت‌های عملیات دستی می‌توانند مؤثرانه غلبه شوند، این امر موجب درک دقیق و در زمان واقعی وضعیت تجهیزات و به طور قابل توجهی افزایش قابلیت اطمینان و سطح هوشمندی کنترل توالی می‌گردد. تحقیقات درباره کاربردهای UAV در کنترل توالی زیرستانسیون‌ها دارای اهمیت عملی قابل توجهی برای پیشرفت توسعه شبکه‌های هوشمند می‌باشد.

1. مروری بر عملیات کنترل توالی در زیرستانسیون‌ها
1.1 تعریف
کنترل توالی در زیرستانسیون‌ها به معنای اجرای خودکار و مرحله به مرحله یک سری از عملیات تجهیزات برقی بر اساس رویه‌ها و قوانین منطقی پیش‌تعیین شده از طریق یک سیستم کنترل خودکار است. به عنوان مثال: در عملیات انتقال خط (سوئیچینگ)، به طور سنتی، اپراتوران باید دستی مداربرها، جداکننده‌ها و دیگر دستگاه‌ها را یکی پس از دیگری کنترل کنند. در مقابل، با کنترل توالی، اپراتوران فقط باید یک دستور کلی از ایستگاه نظارت ارسال کنند؛ سیستم سپس به طور خودکار و دقیق کل توالی را اجرا می‌کند—مانند قطع مداربر خط و باز کردن جداکننده‌های مرتبط—که به طور قابل توجهی عملیات را ساده‌سازی می‌کند.

1.2 اصول فنی
کنترل توالی زیرستانسیون‌ها بر اساس یک سیستم خودکار یکپارچه شامل اجزای کلیدی مانند میزبان نظارت، واحد‌های اندازه‌گیری و کنترل و ترمینال‌های هوشمند است. میزبان نظارت به عنوان رابط انسان-ماشین عمل می‌کند، دستورات اپراتوران را دریافت می‌کند و آن‌ها را به سیگنال‌های کنترلی قابل اجرا تبدیل می‌کند. واحد‌های اندازه‌گیری و کنترل به طور مداوم داده‌های عملیاتی در زمان واقعی مانند جریان، ولتاژ و موقعیت تجهیزات را جمع‌آوری می‌کنند—این امر همچنین درک وضعیت برای اپراتوران و ورودی‌های حیاتی برای تصمیمات منطقی توالی فراهم می‌کند. ترمینال‌های هوشمند مستقیماً با تجهیزات اصلی رابطه برقرار می‌کنند تا عملیات سوئیچینگ را انجام دهند و از طریق لیزر یا کابل‌ها با واحد‌های اندازه‌گیری/کنترل و دستگاه‌های دیگر ارتباط برقرار می‌کنند، این امر انتقال سریع و دقیق داده‌ها را برای اجرای ایمن و کارآمد کنترل توالی تضمین می‌کند.

1.3 مزایا
1.3.1 بهبود کارایی عملیاتی
در عملیات زیرستانسیون‌های سنتی، رویه‌های سوئیچینگ دارای ناکارآمدی‌های قابل توجهی هستند. به عنوان مثال، در عملیات انتقال خط 220 kV، پرسنل باید بارها بین بخش‌ها حرکت کنند تا شناسه‌های تجهیزات را تأیید کنند، وضعیت‌ها را بررسی کنند و دستی مداربرها و جداکننده‌ها را کنترل کنند. به دلیل محدودیت‌های انسانی، یک عملیات کامل معمولاً 2-3 ساعت طول می‌کشد، که مقدار قابل توجهی نیروی انسانی را مصرف می‌کند و خطرات خطا را که بر کارایی شبکه تأثیر می‌گذارد، ایجاد می‌کند.

با پیشرفت تکنولوژی‌های شبکه هوشمند، سیستم‌های کنترل توالی روشی تحول‌آور ارائه می‌دهند. پس از دریافت دستور از پشتیبان نظارت، سیستم به طور خودکار کل توالی را اجرا می‌کند—شامل تأیید وضعیت تجهیزات، اعتبارسنجی بلیط عملیاتی و دستورات سوئیچینگ—با سرعت میلی‌ثانیه‌ای بر اساس منطق پیش‌برنامه‌ریزی شده. داده‌های میدانی نشان می‌دهند که استفاده از کنترل توالی زمان انتقال خط 220 kV را به کمتر از 20 دقیقه کاهش می‌دهد—بهبود بیش از 80٪ نسبت به روش‌های سنتی. این پیشرفت کارایی عملیاتی شبکه را افزایش می‌دهد، امکان بازپیکربندی سریع در طول نوسانات بار را فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی مدت زمان قطعی برق را در طول خرابی‌ها کاهش می‌دهد، بنابراین قابلیت اطمینان و کیفیت تأمین برق را بهبود می‌بخشد.

1.3.2 افزایش ایمنی عملیاتی
عملیات دستی زیرستانسیون‌ها به عوامل انسانی ناپیش‌بینی‌پذیری آسیب‌پذیر هستند که خطرات پنهان ایمنی را ایجاد می‌کنند. توجه اپراتوران بسیار مهم است؛ خستگی از شیفت‌های شب می‌تواند منجر به خواندن اشتباه برچسب‌ها یا اجرا کردن مراحل خارج از ترتیب شود. علاوه بر این، مهارت‌های پرسنل متفاوت است—کارکنان جدید بسیار کمتر با رویه‌های پیچیده آشنا هستند نسبت به کارکنان با تجربه—که احتمال خطا را افزایش می‌دهد. آمار ناقص نشان می‌دهد که صدها خرابی تجهیزات زیرستانسیون و حوادث شبکه سالانه ناشی از خطای انسانی هستند.

کنترل توالی یک مانع ایمنی محکم ایجاد می‌کند. قبل از اجرا، اعتبارسنجی منطق داخلی به طور دقیق هر مرحله را بر اساس قوانین ایمنی و قفل‌های الکتریکی پیش‌تعیین شده بررسی می‌کند. تنها وقتی که تمام شرایط برآورده شده باشند، سیستم ادامه می‌یابد. به عنوان مثال، در عملیات تغذیه خط، سیستم به طور خودکار وضعیت مداربرها و جداکننده‌ها را تأیید می‌کند؛ اگر هرگونه ناهماهنگی شناسایی شود، عملیات فوراً متوقف می‌شود و هشدار تولید می‌شود. این امر از خطاهای جدی مانند باز کردن جداکننده تحت بار یا بستن مدار زمین‌ساز در حال تغذیه جلوگیری می‌کند و به طور اساسی خطر خرابی تجهیزات و حوادث شبکه را کاهش می‌دهد و عملیات ایمن‌تر و پایدارتر زیرستانسیون را تضمین می‌کند.

1.4 وضعیت کاربرد فعلی
با ادامه پیشرفت مبادرت شبکه هوشمند در چین، کنترل توالی به یکی از ارکان اصلی عملیات مدرن زیرستانسیون‌ها تبدیل شده است. در زیرستانسیون‌های ساخته شده جدید، اصول طراحی هوشمند اکنون استاندارد شده‌اند و کنترل توالی به عنوان یک ماژول عملکردی اصلی یکپارچه شده است. به عنوان مثال، در شرق چین، نرخ استفاده از کنترل توالی در زیرستانسیون‌های جدید در 5 سال گذشته به 95٪ رسیده است. در شهرهای اقتصادی پیشرفته مانند شنژن و شانگهای، پوشش بیش از 80٪ برای زیرستانسیون‌های 220 kV و بالاتر می‌باشد، که به طور قابل توجهی کارایی و ایمنی شبکه منطقه‌ای را افزایش می‌دهد.

همچنین، به‌روزرسانی زیرستانسیون‌های قدیمی با قابلیت‌های هوشمند نیز به طور مداوم پیش می‌رود. در شمال چین، یک زیرستانسیون 110 kV 20 ساله با موفقیت با قابلیت کنترل توالی به‌روزرسانی شد با جایگزینی واحدهای I/O هوشمند و مدرن‌سازی سیستم نظارت، که به طور قابل توجهی کارایی و قابلیت اطمینان عملیاتی را افزایش داد.

با این حال، با افزایش کنترل توالی، محدودیت‌های فنی در سناریوهای پیچیده روشن شده است. در شرایط آب و هوایی بسیار سخت، خرابی‌های چندخطی یا تغییرات ناگهانی بار، سیستم باید داده‌های زنده عظیم را پردازش کند و منطق پیچیده را اجرا کند که می‌تواند منجر به تأخیر در پاسخ، توقف منطق یا حتی اقدامات غیرصحیح شود. علاوه بر این، مشکلات همکاری بین تجهیزات مختلف سازندگان - به دلیل ناسازگاری در پروتکل‌های ارتباطی، فرمت‌های داده و استانداردهای رابط - اغلب باعث انتقال غیرطبیعی داده یا تأخیر در پاسخ دستورالعمل‌ها می‌شود که صافی و دقت عملیات توالی را زیر سؤال می‌برد.

برای مقابله با این چالش‌ها، صنعت برق راه‌حل‌های دوگانه را دنبال می‌کند: نوآوری فنی و استانداردسازی. از لحاظ فنی، الگوریتم‌ها به منظور بهبود پردازش داده و تصمیم‌گیری در شرایط پیچیده بهینه شده‌اند. در زمینه استانداردها، تمرکز بر یکپارچه‌سازی رابط‌های ارتباطی و پروتکل‌ها برای بهبود همکاری بین سازندگان متمرکز است.

در این زمینه، فناوری پرنده بدون سرنشین (UAV) - با انعطاف‌پذیری مانور، زاویه‌های دید متنوع و حس‌گری غیرتماسی - مسیر نوآورانه‌ای برای بهبود کنترل توالی ارائه می‌دهد. در طول عملیات توالی، UAV‌ها می‌توانند با استفاده از تصویربرداری چندطیفی، حرارت‌نگاری مادون قرمز و سایر تکنیک‌های پیشرفته، نظارت دینامیکی زنده از وضعیت تجهیزات انجام دهند، که به کسب دقیق پارامترها و تشخیص سریع ناهماهنگی‌ها کمک می‌کند. این بازخورد زنده به طور موثر تصمیم‌گیری هوشمندانه‌تر در سیستم‌های کنترل توالی را پشتیبانی می‌کند و هوشمندی و قابلیت اطمینان عملیات شبکه برق را بالا می‌برد.

2. کاربرد فناوری پرنده بدون سرنشین در کنترل توالی زیرگذر
2.1 ساخت مدل واقعی سه‌بعدی زیرگذر با استفاده از فناوری پرنده بدون سرنشین
یکپارچه‌سازی فناوری پرنده بدون سرنشین برای ساخت یک جفت دیجیتال سه‌بعدی با وضوح بالا از زیرگذر نمایانگر پیشرفت بسیار نوآورانه و عملی در کنترل توالی است. با دوربین‌های با دقت بالا، UAV‌ها می‌توانند بررسی‌های هوایی جامع از ارتفاعات و زاویه‌های مختلف انجام دهند و هم چیدمان کلی و هم جزئیات مهم تجهیزات را ثبت کنند. این مجموعه داده‌های غنی از تصاویر با وضوح بالا برای مدل‌سازی دقیق سه‌بعدی ضروری است. برای تضمین سازگاری داده و دقت هندسی، مأموریت‌های پرواز باید به شدت به پارامترهای عملیاتی مشخص شده UAV تبعیت کنند، همانطور که در جدول 1 توضیح داده شده است.

در این پارامترها، ارتفاع پرواز به ۱۲۰ متر تنظیم شده است - ارتفاعی که تضمین می‌کند بی‌پیلوت تصاویری را که تمام زیرстанسیون را پوشش می‌دهد و همزمان جزئیات کافی را حفظ می‌کند، ضبط کند. سرعت پرواز بین ۲-۵ متر در ثانیه کنترل می‌شود تا پایداری بی‌پیلوت در طول پرواز حفظ شود و از نرم شدن تصویر به دلیل سرعت زیاد جلوگیری شود. فاصله قراردادن عکس به ۲-۳ ثانیه تنظیم شده است که موجب یکسانی روشنایی تصویر و کیفیت قابل اعتماد تحت شرایط نوری مختلف می‌شود.

پوشش جلویی ۸۵٪ و پوشش جانبی ۷۵٪ تضمین می‌کند که مناطق کافی از تصاویر مجاور با یکدیگر همپوشانی داشته باشند، که این امر ضروری برای خیاطی تصاویر و مدل‌سازی سه‌بعدی بعدی است. فوکوس لنز دوربین بین ۳۵ تا ۵۰ میلی‌متر متغیر است و با حسگر با وضوح بالای ۶۰۴۸ × ۴۰۳۲ پیکسل ترکیب شده است که جزئیات دقیق تجهیزات مختلف زیرستانسیون را مؤثر ضبط می‌کند. علاوه بر این، فاصله نمونه‌برداری زمین (GSD) ۱.۵ سانتی‌متر/پیکسل تضمین می‌کند که هر پیکسل دقیقاً به یک بعد واقعی در زمین متناظر است، که دقت مکانی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

با رعایت دقیق این پارامترهای پرواز، بی‌پیلوت تصاویر با کیفیت بالا را کسب می‌کند که - پس از پردازش از طریق نرم‌افزارهای حرفه‌ای فتوگرامتری شامل خیاطی، ترکیب و بازسازی سه‌بعدی - یک دیجیتال توآم سه‌بعدی واقعی و دقیق از زیرستانسیون ایجاد می‌کند. این مدل اطلاعات مرجع مکانی مستقیم و دقیقی برای عملیات کنترل توالی ارائه می‌دهد، که اجازه می‌دهد اپراتورها ترتیب و وضعیت تجهیزات را به طور واضح درک کنند و بنابراین پایه‌ای محکم برای اجرای دقیق دنباله‌های کنترل خودکار فراهم می‌کند.

۲.۲ اجرای "تأیید دوگانه" موقعیت جداکننده در زیرستانسیون‌ها
دستگاه "تأیید دوگانه" برای جداکننده‌ها عنصر مهمی برای تأیید موقعیت شیر است. این دستگاه از حسگرهایی که مستقیماً به مکانیزم عملیاتی اصلی نصب شده‌اند، برای نظارت بر وضعیت واقعی جداکننده استفاده می‌کند. سیستم دارای دو میکروسویچ است: میکروسویچ دوم مستقیماً به حسگر متصل شده و مسئول ضبط موقعیت فیزیکی واقعی شیروانه جداکننده است. سیگنال جمع‌آوری شده از طریق حسگر به گیرنده سیگنال ارسال می‌شود که سپس داده‌ها را به سیستم اندازه‌گیری و کنترل زیرستانسیون ارسال می‌کند. این مکانیزم انتقال حلقه بسته امکان تشخیص زنده و با وضوح بالا از موقعیت‌های جداکننده را فراهم می‌کند که اعتباردهی مکانی قابل اعتماد برای عملیات کنترل توالی ارائه می‌دهد.

به عنوان مرکز اصلی، واحد اندازه‌گیری و کنترل زیرستانسیون سیگنال‌هایی را از هر دو میکروسویچ (بازخورد مکانیکی) و سیگنال پردازش شده از میکروسویچ دوم (بازخورد مبتنی بر حسگر) دریافت می‌کند. پس از یکپارچه‌سازی و اعتباردهی این ورودی‌های دوگانه، واحد داده‌های وضعیت یکپارچه را به میزبان کنترل توالی ارسال می‌کند. همزمان، میزبان ضد خطای عملیاتی تمام دستورالعمل‌های عملیاتی صادر شده توسط میزبان کنترل توالی را بررسی متقابل می‌کند. فقط پس از عبور از این اعتباردهی ضد خطای عملیاتی، عملیات توالی می‌تواند ادامه یابد.

این مکانیزم "تأیید دوگانه" از نظر فنی خطرات مرتبط با خرابی سیگنال تک نقطه‌ای یا خطای قضاوت را حذف می‌کند و قابلیت اطمینان تشخیص موقعیت جداکننده را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. در سناریوهای واقعی - چه در طول عملیات جابجایی معمولی یا پاسخ به حوادث - جداکننده تأیید دوگانه تضمین می‌کند که اپراتورها همیشه اطلاعات موقعیت دقیق دریافت می‌کنند، که این امر موثر در جلوگیری از خطاهای عملیاتی و تقویت امنیت و پایداری سیستم‌های کنترل توالی است.

۲.۳ کاربرد عملی
در یک پروژه گسترش زیرستانسیون ۱۱۰ کیلوولت، یکپارچه‌سازی تجهیزات جدید در سیستم کنترل توالی موجود چالش‌های قابل توجهی را به وجود آورد - چالش‌هایی که به طور موثر با استفاده از فناوری بی‌پیلوت حل شدند. اپراتورها بی‌پیلوت‌ها را با رعایت پارامترهای پرواز دقیق به کار گرفتند: ارتفاع پرواز ۱۲۰ متر تضمین کرد که پوشش کامل زیرستانسیون را در حال حفظ جزئیات سطح تجهیزات فراهم کند؛ سرعت پرواز ۲-۵ متر در ثانیه پایداری پلتفرم را برای تصاویر تیز حفظ کرد؛ و فاصله قراردادن عکس ۲-۳ ثانیه به تغییرات شرایط نوری تطبیق داده شد تا عکس‌های با کیفیت بالا تأمین شود. با پوشش جلویی ۸۵٪ و پوشش جانبی ۷۵٪، مجموعه داده‌ها امکان پردازش فتوگرامتری قوی را فراهم کرد.

با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته فتوگرامتری و مدل‌سازی سه‌بعدی، تصاویر با وضوح بالای بی‌پیلوت به یک دیجیتال توآم سه‌بعدی دقیق از زیرستانسیون تبدیل شد. این مدل فضایی غوطه‌ور اجازه داد تیم عملیاتی روابط مکانی بین تجهیزات قدیمی و نصب شده جدید را به طور دقیق تحلیل کنند. در طی شبیه‌سازی عملیات کنترل توالی، اپراتورها از مدل برای برنامه‌ریزی مسیرهای عملیاتی بهینه و شناسایی دقیق دستگاه‌های هدف با استفاده از مختصات جغرافیایی دقیق استفاده کردند - که به طور قابل توجهی زمان تحویل تجهیزات جدید را کاهش داد.

در عمل، این رویکرد به تیم پروژه امکان داد تا یکپارچه‌سازی و تحویل سیستم کنترل توالی را سه روز قبل از زمان پیش‌بینی شده به پایان برساند. این امر نه تنها مدت زمان کل پروژه را کوتاه کرد، بلکه گذار زیرستانسیون به عملیات هوشمند را تسریع کرد و پایه‌ای محکم برای عملکرد بلندمدت ایمن و قابل اعتماد آن فراهم کرد.

در سناریوهای عملیاتی و نگهداری روزانه کنترل توالی این زیرستانسیون ۱۱۰ کیلوولت، مکانیزم "تأیید دوگانه" جداکننده به عنوان محافظ اصلی برای ایمنی و کارایی عملیاتی عمل می‌کند، در حالی که فناوری بی‌پیلوت پشتیبانی کمکی قوی ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، در یک عملیات کنترل توالی اضطراری در شب: پس از صدور دستور باز کردن جداکننده از میزبان کنترل توالی، دستگاه "تأیید دوگانه" بلافاصله مکانیزم انتقال و اعتباردهی سیگنال دقیق خود را فعال می‌کند. دو میکروسویچ داخل دستگاه سیگنال‌های موقعیت شیروانه جداکننده را به طور زنده به واحد اندازه‌گیری و کنترل زیرستانسیون ارسال می‌کنند. این واحد سیگنال‌ها را یکپارچه می‌کند و پیش‌پردازش می‌کند و سپس آن‌ها را به میزبان کنترل توالی ارسال می‌کند. همزمان، میزبان ضد خطای عملیاتی بررسی منطقی دستور عملیاتی را انجام می‌دهد؛ فقط پس از تأیید دستور توسط میزبان ضد خطای عملیاتی، عملیات باز کردن می‌تواند اجرا شود.

در طی این فرآیند، بی‌پیلوت نقش مهمی ایفا می‌کند. با استفاده از توانایی‌های پرواز چابک خود، بی‌پیلوت نظارت زنده و کاملی بر تجهیزات زیرستانسیون - به ویژه منطقه جداکننده - انجام می‌دهد. در حالی که دستگاه "تأیید دوگانه" در حال عملیات است، بی‌پیلوت تصاویر زنده محل را به اتاق کنترل منتقل می‌کند و اپراتورها را با یک مرجع تصویری اضافی تأمین می‌کند تا دقت عملیاتی را بیشتر تضمین کند.

در مقایسه با تأیید دستی سنتی در محل، این رویکرد یکپارچه زمان عملیات را از ۱۰ دقیقه به تنها ۳ دقیقه کاهش می‌دهد و به طور قابل توجهی کارایی را افزایش می‌دهد. مهم‌تر از آن، این روش خطر اشتباه قضاوت ناشی از نور ضعیف و خستگی اپراتور در تأیید دستی شب را به طور موثری حذف می‌کند.

۳. نتیجه‌گیری
فناوری پرنده بدون سرنشین (UAV) پیشرفت‌های نوآورانه‌ای به عملیات کنترل توالی زیرстанسیون‌ها آورده است. با ساخت مدل‌های واقعی سه‌بعدی، این فناوری به طور موثر کارایی یکپارچه‌سازی تجهیزات جدید به سیستم‌های کنترل توالی را افزایش می‌دهد و اجرای پروژه را تسهیل می‌کند. هنگامی که با دستگاه‌های "تأیید دوگانه" جداکننده‌ها همکاری می‌کند، UAV‌ها به طور قابل توجهی ایمنی و دقت عملیات تجهیزات را افزایش می‌دهند. با ادامه تکامل فناوری UAV و یکپارچه‌سازی عمیق‌تر آن با سیستم‌های کنترل توالی، این فناوری امیدوار است تا چالش‌هایی مانند انطباق در شرایط عملیاتی پیچیده و همکاری تجهیزات را بیشتر برطرف کند و به طور مداوم عملیات زیرستانسیون‌ها را به سمت هوشمندی و قابلیت اطمینان بالاتر حرکت دهد و پشتیبانی فنی قوی برای عملکرد پایدار و کارآمد سیستم‌های برق ارائه دهد.