کاربرد تکنولوژی پهپاد در عملیات کنترل توالی ایستگاه‌های برق
با پیشرفت تکنولوژی‌های شبکه هوشمند، کنترل دنباله‌ای (کنترل خودکار مبتنی بر SCADA) در زیرстанسیون‌ها به یکی از تکنیک‌های کلیدی برای تضمین عملکرد پایدار سیستم برق تبدیل شده است. اگرچه تکنولوژی‌های کنترل دنباله‌ای موجود به طور گسترده‌ای نصب شده‌اند، چالش‌های مربوط به پایداری سیستم در شرایط عملیاتی پیچیده و همکاری تجهیزات همچنان مهم می‌باشد. تکنولوژی هواپیماهای بدون سرنشین (UAV) با ویژگی‌های انعطاف‌پذیری، موبایل بودن و قابلیت‌های بازرسی غیرتماسی، راه‌حل نوآورانه‌ای برای بهینه‌سازی عملیات کنترل دنباله‌ای ارائه می‌دهد.
با یکپارچه سازی عمیق عملکردهای مبتنی بر UAV مانند پاتруل هوایی و نظارت بر وضعیت زنده در سیستم‌های کنترل دنباله‌ای سنتی، محدودیت‌های عملیات دستی می‌توانند مؤثرانه غلبه شوند، که این امر امکان درک دقیق و زنده وضعیت تجهیزات و به طور قابل توجهی افزایش قابلیت اطمینان و سطح هوشمندی کنترل دنباله‌ای را فراهم می‌کند. تحقیقات در زمینه کاربردهای UAV در کنترل دنباله‌ای زیرستانسیون‌ها دارای اهمیت عملی قابل توجهی برای پیشرفت توسعه شبکه‌های هوشمند است.
1. مروری بر عملیات کنترل دنباله‌ای در زیرستانسیون‌ها
1.1 تعریف
کنترل دنباله‌ای در زیرستانسیون‌ها به اجرای خودکار، مرحله به مرحله، مجموعه‌ای از عملیات تجهیزات الکتریکی بر اساس رویه‌ها و قوانین منطقی پیش‌تعیین شده از طریق یک سیستم کنترل خودکار اشاره دارد. به عنوان مثال: در عملیات تغییر بار (سوئیچینگ)، به طور سنتی، اپراتوران باید شکن‌ها و جداکننده‌ها و دیگر دستگاه‌ها را یک به یک به صورت دستی کنترل کنند. در مقابل، با کنترل دنباله‌ای، اپراتوران فقط باید دستور کلی را از کارگاه نظارت ارسال کنند؛ سیستم سپس به طور خودکار و دقیق کل دنباله را اجرا می‌کند—مانند قطع یک شکن خط و باز کردن جداکننده‌های مرتبط—که به طور قابل توجهی جریان کاری را ساده می‌کند.
1.2 اصول فنی
کنترل دنباله‌ای زیرستانسیون‌ها به سیستم خودکار یکپارچه‌ای شامل اجزای کلیدی مانند میزبان نظارت، واحدهای اندازه‌گیری و کنترل و انتهای هوشمند متکی است. میزبان نظارت به عنوان رابط انسان-ماشین عمل می‌کند، دستورات اپراتور را دریافت می‌کند و آنها را به سیگنال‌های کنترلی قابل اجرا تبدیل می‌کند. واحدهای اندازه‌گیری و کنترل به طور مداوم داده‌های عملیاتی زنده را—مانند جریان، ولتاژ و موقعیت تجهیزات—جمع‌آوری می‌کنند، که هم حس‌آگاهی وضعیتی برای اپراتوران و هم ورودی‌های مهم برای تصمیمات منطقی دنباله‌ای را فراهم می‌کند. انتهای هوشمند مستقیماً با تجهیزات اصلی رابطه دارد تا عملیات سوئیچینگ را انجام دهد و از طریق لیزر یا کابل‌ها با واحدهای اندازه‌گیری/کنترل و دیگر دستگاه‌ها ارتباط برقرار می‌کند، که انتقال سریع و دقیق داده‌ها را برای اجرای ایمن و کارآمد کنترل دنباله‌ای تضمین می‌کند.
1.3 مزایا
1.3.1 بهبود کارایی عملیاتی
در عملیات سنتی زیرستانسیون‌ها، رویه‌های سوئیچینگ از ناکارآمدی‌های قابل توجهی رنج می‌برند. به عنوان مثال، در عملیات تغییر بار 220 kV، کارکنان باید مکرراً بین بی‌ها حرکت کنند تا شناسه‌های تجهیزات را تأیید کنند، وضعیت‌ها را تأیید کنند و شکن‌ها و جداکننده‌ها را به صورت دستی 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 ریسک‌های ذاتی خطا را که بر کارایی شبکه تأثیر می‌گذارند، دارد.
با پیشرفت تکنولوژی‌های شبکه هوشمند، سیستم‌های کنترل دنباله‌ای رویکرد تحول‌آوری ارائه می‌دهند. پس از دریافت دستور از پشتیبانی نظارت، سیستم به طور خودکار کل دنباله را—شامل تأیید وضعیت تجهیزات، اعتبارسنجی بلیط عملیاتی و دستورات سوئیچینگ—با سرعت میلی‌ثانیه‌ای بر اساس منطق پیش‌برنامه‌ریزی شده اجرا می‌کند. داده‌های میدانی نشان می‌دهند که استفاده از کنترل دنباله‌ای زمان تغییر بار 220 kV را به کمتر از 20 دقیقه کاهش می‌دهد—که بهبود بیش از 80٪ نسبت به روش‌های سنتی است. 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 را در طول خرابی‌ها کاهش می‌دهد، که این امر به طور کلی قابلیت اطمینان و کیفیت تأمین برق را بهبود می‌بخشد.
1.3.2 افزایش ایمنی عملیاتی
عملیات دستی زیرستانسیون‌ها به عوامل انسانی غیرقابل پیش‌بینی متعددی آسیب‌پذیر هستند که ریسک‌های ایمنی پنهانی را ایجاد می‌کنند. هشیاری اپراتور بسیار مهم است؛ خستگی از شیفت‌های شبی می‌تواند منجر به خواندن اشتباه برچسب‌ها یا اجرای مراحل خارج از ترتیب شود. علاوه بر این، مهارت‌های کارکنان متفاوت است—کارکنان جدید بسیار کمتر با رویه‌های پیچیده آشنا هستند نسبت به کارکنان تجربه‌دار—که احتمال خطا را افزایش می‌دهد. آمار ناقص نشان می‌دهد که صدها خرابی تجهیزات زیرستانسیون و حوادث شبکه سالانه ناشی از خطا انسانی هستند.
کنترل دنباله‌ای یک مانع ایمنی محکم ایجاد می‌کند. قبل از اجرا، اعتبارسنجی منطق داخلی به طور دقیق هر مرحله را بر اساس قوانین ایمنی و قفل الکتریکی پیش‌تعیین شده بررسی می‌کند. تنها وقتی که تمام شرایط برآورده شده‌اند، سیستم ادامه می‌یابد. به عنوان مثال، در هنگام تغذیه خط، سیستم به طور خودکار وضعیت شکن‌ها و جداکننده‌ها را تأیید می‌کند؛ اگر هر نوع ناهماهنگی شناسایی شود، عملیات فوراً متوقف می‌شود و هشداری تولید می‌کند. این امر خطاها بسیار جدی مانند باز کردن جداکننده تحت بار یا بستن سوئیچ زمین‌گذاری در حالی که تغذیه شده است را جلوگیری می‌کند، که این امر به طور بنیادی ریسک 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 دنباله‌ای به یکی از اصول کاری عملیات مدرن زیرستانسیون‌ها تبدیل شده است. در زیرستانسیون‌های جدید ساخته شده، اصول طراحی هوشمند اکنون استاندارد هستند، با یکپارچه سازی کنترل دنباله‌ای به عنوان یک ماژول عملکردی کلیدی. به عنوان مثال، در شرق چین، نرخ استفاده از کنترل دنباله‌ای در زیرستانسیون‌های جدید در 5 سال گذشته به 95٪ رسیده است. در شهرهای اقتصادی توسعه یافته مانند شنژن و شانگهای، پوشش بیش از 80٪ برای زیرستانسیون‌های 220 kV و بالاتر، به طور قابل توجهی کارایی و ایمنی شبکه منطقه‌ای را افزایش می‌دهد.
در عین حال، به‌روزرسانی زیرستانسیون‌های قدیمی با قابلیت‌های هوشمند نیز به طور مداوم پیش می‌رود. در شمال چین، یک زیرستانسیون 110 kV 20 ساله با موفقیت با قابلیت‌های کنترل دنباله‌ای به‌روزرسانی شد با تعویض 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، مشکلات فنی در سناریوهای پیچیده روشن می‌شوند. در شرایط آب و هوای بسیار سخت، خرابی‌های چندخطی یا تغییرات ناگهانی بار، سیستم باید داده‌های زنده عظیمی را پردازش کند و منطق پیچیده‌ای را اجرا کند که می‌تواند منجر به تأخیر در پاسخ، متوقف شدن منطق یا حتی اعمال اشتباه شود. علاوه بر این، مشکلات همکاری بین تجهیزات مختلف سازندگان - به دلیل ناسازگاری در پروتکل‌های ارتباطی، قالب‌های داده و استانداردهای رابط - اغلب باعث انتقال غیرطبیعی داده یا تأخیر در پاسخ دستورها می‌شود که صحت و روانی عملیات توالی را زیر سؤال می‌برد.
برای حل این چالش‌ها، صنعت برق راه‌حل‌های دوگانه را دنبال می‌کند: نوآوری فنی و استانداردسازی. از نظر فنی، الگوریتم‌ها بهبود یافته‌اند تا پردازش داده و تصمیم‌گیری در شرایط پیچیده را ارتقا دهند. از سوی دیگر، تلاش‌ها بر روی یکپارچه سازی رابط‌های ارتباطی و پروتکل‌ها متمرکز شده تا همکاری بین سازندگان مختلف را بهبود بخشند.
در میان این پارامترها، ارتفاع پرواز به ۱۲۰ متر تنظیم شده است - ارتفاعی که تضمین می‌کند دستگاه هواپیما بدون سرنشین (UAV) تصاویری را ضبط کند که تمام زیرстанسیون را پوشش دهد و در عین حال جزئیات کافی را حفظ کند. سرعت پرواز بین ۲ تا ۵ متر بر ثانیه کنترل می‌شود تا UAV در طول پرواز پایدار بماند و از ابهام حرکت ناشی از سرعت بیش از حد جلوگیری شود. فاصله تحریک بین ۲ تا ۳ ثانیه تنظیم شده است که امکان دارد تصاویر با روشنایی یکسان و کیفیت قابل اعتماد در شرایط نوری متفاوت ضبط شوند.
پوشش جلویی ۸۵٪ و پوشش جانبی ۷۵٪ تضمین می‌کنند که مناطق پوششی بین تصاویر مجاور کافی باشد، که این موضوع ضروری برای خیاطی تصاویر و مدل‌سازی سه‌بعدی است. فوکوس لنز دوربین بین ۳۵ تا ۵۰ میلی‌متر متغیر است و با حسگر با وضوح بالا ۶,۰۴۸ × ۴,۰۳۲ پیکسل همراه است که به طور موثر جزئیات دقیق تجهیزات مختلف زیرستانسیون را 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 باشد، که دقت مکانی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.
با رعایت صریح این پارامترهای پرواز، UAV تصاویر با کیفیت بالا را ضبط می‌کند که - پس از پردازش از طریق نرم‌افزارهای فتوگرامتری حرفه‌ای شامل خیاطی، ترکیب و بازسازی سه‌بعدی - یک دیجیتال توأم سه‌بعدی بسیار واقعی و دقیق از زیرستانسیون را تولید می‌کند. این مدل اطلاعات مرجع فضایی شهودی و دقیقی را برای عملیات کنترل متوالی فراهم می‌کند، که به اپراتورها اجازه می‌دهد تا به طور واضح آرایش و وضعیت تجهیزات را درک کنند و بنابراین پایه‌ای محکم برای اجرای دقیق دنباله‌های کلیدزنی خودکار فراهم می‌کند.
۲.۲ اجرای "تایید دوگانه" برای موقعیت جداکننده در زیرستانسیون‌ها
دستگاه "تایید دوگانه" برای جداکننده‌ها عنصر مهمی برای تأیید موقعیت سوئیچ است. از حسگرهایی که مستقیماً به مکانیسم عملیاتی اصلی نصب شده‌اند برای نظارت بر وضعیت واقعی جداکننده استفاده می‌کند. سیستم دارای دو میکروسوئیچ است: میکروسوئیچ دوم مستقیماً به حسگر متصل شده و مسئول ضبط موقعیت فیزیکی واقعی لبه جداکننده است. سیگنال جمع‌آوری شده از طریق حسگر به گیرنده سیگنال ارسال می‌شود که سپس داده‌ها را به سیستم اندازه‌گیری و کنترل زیرستانسیون منتقل می‌کند. این مکانیسم انتقال حلقه بسته امکان تشخیص واقعی و با کیفیت بالا از موقعیت جداکننده‌ها را در زمان واقعی فراهم می‌کند، که اعتباردهی قابل اعتماد موقعیت برای عملیات کنترل متوالی را ارائه می‌دهد.
به عنوان مرکز اصلی، واحد اندازه‌گیری و کنترل زیرستانسیون سیگنال‌هایی را از هر دو میکروسوئیچ (پس‌خورد مکانیکی) و سیگنال پردازش شده از میکروسوئیچ دوم (پس‌خورد مبتنی بر حسگر) دریافت می‌کند. پس از یکپارچه‌سازی و اعتباردهی این ورودی‌های دوگانه، واحد داده‌های وضعیت تجمیع شده را به میزبان کنترل متوالی ارسال می‌کند. همزمان، میزبان ضدخطا تمام دستورالعمل‌های عملیاتی صادر شده توسط میزبان کنترل متوالی را بررسی متقابل می‌کند. فقط پس از گذر از این اعتباردهی ضدخطا، عملیات متوالی می‌تواند ادامه یابد.
این مکانیسم "تایید دوگانه" از نظر فنی مخاطرات مربوط به خرابی سیگنال تک نقطه‌ای یا خطای قضاوت را حذف می‌کند و قابلیت اطمینان تشخیص موقعیت جداکننده‌ها را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. در سناریوهای واقعی- چه در عملیات کلیدزنی معمولی یا واکنش‌های اضطراری- جداکننده با تایید دوگانه تضمین می‌کند که اپراتورها همیشه اطلاعات موقعیت دقیق دریافت می‌کنند، که به طور موثر از خطاهای عملیاتی جلوگیری می‌کند و امنیت و پایداری سیستم‌های کنترل متوالی را تقویت می‌کند.
۲.۳ کاربرد عملی
در یک پروژه گسترش در یک زیرستانسیون ۱۱۰ کیلوولت، یکپارچه‌سازی تجهیزات جدید در سیستم کنترل متوالی موجود چالش‌های قابل توجهی را به وجود آورد- چالش‌هایی که به طور مؤثر از طریق فناوری UAV حل شد. اپراتورها UAVها را با رعایت پارامترهای پروازی دقیق مشارکت دادند: ارتفاع پرواز ۱۲۰ متر تضمین کرد که پوشش کامل زیرستانسیون را در حال حفظ جزئیات سطح تجهیزات؛ سرعت پرواز ۲ تا ۵ متر بر ثانیه پایداری پلتفرم را برای تصاویر تیز حفظ کرد؛ و فاصله تحریک ۲ تا ۳ ثانیه به تغییرات شرایط نوری تطبیق یافت تا تصاویر با کیفیت بالا را تضمین کند. با پوشش جلویی ۸۵٪ و پوشش جانبی ۷۵٪، مجموعه داده‌ها تکرار کافی برای پردازش فتوگرامتری قوی فراهم کرد.
با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته فتوگرامتری و مدل‌سازی سه‌بعدی، تصاویر با وضوح بالای UAV به یک دیجیتال توأم سه‌بعدی دقیق از زیرستانسیون تبدیل شد. این مدل فضایی غوطه‌ور امکان تحلیل دقیق روابط فضایی بین تجهیزات قدیمی و نصب شده جدید را به تیم عملیاتی فراهم کرد. در شبیه‌سازی روال‌های کنترل متوالی، 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 کمیسیونینگ یکپارچه‌سازی تجهیزات جدید را کاهش داد.
در عمل، این رویکرد به تیم پروژه امکان داد تا یکپارچه‌سازی و کمیسیونینگ سیستم کنترل متوالی را سه روز زودتر از زمان مشخص شده به پایان برساند. این کار نه تنها مدت زمان کلی پروژه را کاهش داد 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 متوالی روزمره این زیرستانسیون ۱۱۰ کیلوولت، مکانیسم "تایید دوگانه" جداکننده به عنوان محافظ اصلی ایمنی و کارایی عملیاتی عمل می‌کند، در حالی که فناوری UAV حمایت کمکی قوی ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، در یک عملیات کنترل متوالی اضطراری در شب: پس از صدور دستور باز کردن جداکننده توسط میزبان کنترل متوالی، دستگاه "تایید دوگانه" فوراً مکانیسم انتقال و تأیید سیگنال دقیق خود را فعال می‌کند. دو میکروسوئیچ داخل دستگاه سیگنال‌های موقعیت لبه جداکننده را به طور واقعی به واحد اندازه‌گیری و کنترل زیرستانسیون ارسال می‌کنند. این واحد سیگنال‌ها را یکپارچه و پیش‌پردازش می‌کند و سپس آنها را به میزبان کنترل متوالی ارسال می‌کند. همزمان، میزبان ضدخطا بررسی منطقی دستور عملیاتی را انجام می‌دهد؛ فقط پس از تأیید معتبر بودن دستور توسط میزبان ضدخطا، عملیات باز کردن می‌تواند انجام شود.
در طول این فرآیند، UAV نقش مهمی ایفا می‌کند. با استفاده از توانایی‌های پرواز آگاهانه خود، UAV نظارت واقعی و کامل بر تجهیزات زیرستانسیون- به ویژه در منطقه جداکننده- انجام می‌دهد. در حالی که دستگاه "تایید دوگانه" در حال عمل است، UAV تصاویر ویدیویی زنده محل را به اتاق کنترل ارسال می‌کند و اپراتورها را با یک مرجع بصری اضافی فراهم می‌کند تا دقت عملیاتی را بیشتر تضمین کند.
در مقایسه با تأیید دستی سنتی در محل، این روش یکپارچه زمان عملیات را از ۱۰ دقیقه اولیه به تنها ۳ دقیقه کاهش می‌دهد و به طور قابل توجهی کارایی را افزایش می‌دهد. مهم‌تر از آن، این روش به طور موثری خطر خطای ارزیابی ناشی از نبود روشنایی مناسب و خستگی اپراتور در تحقیقات دستی شب را حذف می‌کند.
۳.نتیجه‌گیری
تکنولوژی هواپیمای بدون سرنشین (UAV) پیشرفت‌های نوآورانه‌ای در عملیات کنترل دنباله‌ای زیرمجموعه‌ها به ارمغان آورده است. با ساخت مدل‌های واقعی سه‌بعدی، این تکنولوژی به طور موثری کارایی یکپارچه‌سازی تجهیزات جدید در سیستم‌های کنترل دنباله‌ای را افزایش می‌دهد و پیاده‌سازی پروژه را تسریع می‌کند. هنگامی که UAV با دستگاه‌های "تأیید دوگانه" جداکننده هماهنگ کار می‌کند، به طور قابل توجهی ایمنی و دقت عملیات تجهیزات را افزایش می‌دهد. با ادامه تکامل تکنولوژی UAV و یکپارچه‌سازی عمیق‌تر آن با سیستم‌های کنترل دنباله‌ای، این تکنولوژی پتانسیل برای حل چالش‌هایی مانند انطباق در شرایط عملیاتی پیچیده و همکاری تجهیزات را دارد و به طور مداوم عملیات زیرمجموعه‌ها را به سمت هوشمندی و قابلیت اطمینان بیشتر می‌برد و پشتیبانی فنی محکمی برای عملکرد پایدار و کارآمد سیستم‌های برق ارائه می‌دهد.
