UAV-teknologian soveltaminen alusten järjestelmällisissä ohjaustoimissa

Intelligent verkkoteknologioiden kehittymisen myötä järjestelmällinen ohjaus (SCADA-pohjainen automaattinen kytkentä) sähköasemissa on tullut yksi keskeisistä tekniikoista vakauden varmistamiseksi sähköverkon toiminnassa. Vaikka olemassa olevat järjestelmälliset ohjaustekniikat ovat laajalti käytössä, monimutkaisten toimintatilanteiden ja laitteiden yhteentoimivuuden haasteet ovat edelleen merkittäviä. Ilmavoimakuvio (UAV)-tekniikka, joka on tunnistettavissa sen nopeudella, liikkuvuudella ja kosketuksettomilla tarkastuskyvyllä, tarjoaa innovatiivisen ratkaisun järjestelmällisten ohjaustoimintojen optimointiin.

Ilmavoimakuvioon perustuvien toimintojen, kuten ilmakuvan ottaminen ja reaaliaikainen tilanvalvonta, syvä integrointi perinteisiin järjestelmällisiin ohjausjärjestelmiin mahdollistaa tehokkaasti manuaalisten toimintojen rajoitusten ylittämisen, mikä mahdollistaa tarkan, reaaliaikaisen havainnon laitekohtaisesta tilasta ja parantaa huomattavasti sekä järjestelmällisen ohjausjärjestelmän luotettavuutta että älykkyyttä. UAV-sovellusten tutkimus sähköaseman järjestelmällisessä ohjauksessa on merkittävä käytännön merkitys älyverkon kehittymisen edistämisessä.

1.Järjestelmällisen ohjausjärjestelmän toiminta sähköasemissa yleiskatsaus
1.1 Määritelmä
Sähköaseman järjestelmällinen ohjaus tarkoittaa sähkölaitteiden operaatioita toteuttamista automaattisesti, askel askeleelta, ennakkoon määritellyillä menettelyillä ja loogisilla säännöillä automaattisessa ohjausjärjestelmässä. Bus-siirto- (kytkentä) operaation esimerkkinä: perinteisesti operaattorit pitävät manuaalisesti kytkentäkatkaisijoiden, erottimien ja muiden laitteiden toimintaa yksi kerrallaan. Järjestelmällisellä ohjauksella operaattorit tarvitsevat vain antamaan yhden kokonaisvaltaisen komennon valvontatyöasemalta; järjestelmä suorittaa sitten automaattisesti ja tarkasti koko sarjan, kuten linjan kytkentäkatkaisijan katkaisemisen seuraamalla yhdistettyjen erottimien avaamista, mikä yksinkertaistaa huomattavasti toimintaprosessia.

1.2 Tekniset periaatteet
Sähköaseman järjestelmällinen ohjaus perustuu integroituihin automaattijärjestelmiin, jotka koostuvat avaintekijöistä, kuten valvonnan päähostista, mitatusta ja ohjausyksiköistä sekä älykkäistä päätteistä. Valvonnan päähosti toimii ihmismääräisen rajapinnana, vastaanottaen operaattorien komentoja ja muuntaen ne suoritettaviksi ohjaussignaaleiksi. Mittaus- ja ohjausyksiköt keräävät jatkuvasti reaaliaikaisia toimintatietoja, kuten virtaa, jännitettä ja laitetila, tarjoten sekä tilannetiedon operaattoreille että olennaisia syötteitä järjestelmällisille loogisille päätöksille. Älykkäät päätteet liittyvät suoraan ensimmäisiin laitteisiin suorittaakseen kytkentäoperaatioita ja kommunikoivat mittaus/ohjausyksiköiden ja muiden laitteiden kanssa optisilla kaapeleilla tai kaapeleilla, varmistellen nopean ja tarkan tiedonsiirron turvallisen ja tehokkaan järjestelmällisen ohjausprosessin tueksi.

1.3 Edut
1.3.1 Parannettu toiminnallinen tehokkuus
Perinteisissä sähköaseman operaatioissa kytkentämenettelyt kärsivät huomattavista tehottomuudesta. Esimerkiksi 220 kV bus-siirrossa henkilöstön täytyy useasti siirtyä välillä paikkoja vahvistaakseen laite-id:t, vahvistaakseen tilat ja suorittamaan kytkentäkatkaisijoiden ja erottimien toiminnan manuaalisesti. Ihmisten rajoitusten vuoksi yksi täysi operaatio vie yleensä 2–3 tuntia, kuluttaen huomattavan määrän työvoimaa ja sisältäen sisäisiä virhevaaroja, jotka vaikuttavat verkko-ohjauksen tehokkuuteen.

Älyverkkojen teknologian kehittymisen myötä järjestelmälliset ohjausjärjestelmät tarjoavat muunnoksena. Kun se saa komennon valvontatyöasemalta, järjestelmä suorittaa automaattisesti koko sarjan – mukaan lukien laitteen tilan vahvistus, operaatio-tiketti validointi ja kytkentäkomennot – millisekuntitasolla ennakkoon ohjatuilla loogisilla säännöillä. Kenttätiedot osoittavat, että järjestelmällisen ohjauksen käyttö vähentää 220 kV bus-siirron aikaa alle 20 minuuttiin – yli 80 prosentin parannus perinteisiin menetelmiin nähden. Tämä läpimurto parantaa verkko-ohjauksen joustavuutta, mahdollistaa nopean uudelleenkäyttöaselman muodostamisen kuormituksen vaihteluissa ja lyhentää huomattavasti sähkökatkoksiin liittyviä kestoja, mikä parantaa kokonaissähköntarjonnan luotettavuutta ja laatua.

1.3.2 Parannettu toiminnallinen turvallisuus
Manuaaliset sähköaseman operaatiot altistuvat useille ennakoimattomille ihmisteille ominaisille tekijöille, jotka aiheuttavat piiloutuneita turvallisuusriskoja. Operaattorin herävyys on kriittistä; yötöistä vuoroista johtuva väsymys voi johtaa väärään lukemiseen tai vaiheiden suorittamiseen väärässä järjestyksessä. Lisäksi osaamistaso vaihtelee henkilökunnan välillä – uudet työntekijät eivät ole niin tuttuja monimutkaisten menettelyjen kanssa kuin kokeneet työntekijät – mikä lisää virheiden todennäköisyyttä. Puutteelliset tilastot osoittavat, että vuosittain satoja sähköaseman laiteruhoja ja verkkotapahtumia johtuu ihmisen virheistä.

Järjestelmällinen ohjaus luo vahvan turvaverkon. Ennen suoritusta sisäänrakennettu logiikan validointi tarkistaa tiukasti jokaisen askeleen ennakkoon määritellyillä turvallisuus- ja sähköisillä interlokki-säännöillä. Vain kun kaikki ehdot täyttyvät, järjestelmä jatkaa. Esimerkiksi linjan sähköistäminen aikana, järjestelmä vahvistaa automaattisesti kytkentäkatkaisijoiden ja erottimien tilan; jos poikkeama havaitaan, operaatio pysähtyy välittömästi ja hälytys aktivoituu. Tämä estää vakavia virheitä, kuten erottimen avaamisen sähköistäessä tai maanjohdin suljettaessa sähköistäessä, mikä vähentää perustavanlaatuisesti laiteruhojen ja verkkotapahtumien riskiä, ja varmistaa turvallisemman ja vakaimman sähköaseman toiminnan.

1.4 Nykyinen soveltamistila
Kun Kiina jatkaa älyverkon aloitetta, järjestelmällinen ohjaus on tullut modernin sähköaseman toiminnan kulmakivenä. Uusissa rakennetuissa sähköasemissa älykkäät suunnitteluperiaatteet ovat nyt standardi, jossa järjestelmällinen ohjaus on integroitu ytimenä olevaksi toimintomoduuliksi. Esimerkiksi Itä-Kiinassa viimeisen viiden vuoden aikana uusissa sähköasemissa järjestelmällisen ohjauksen käyttöaste on noussut 95 prosenttiin. Taloudellisesti kehittyneissä kaupungeissa, kuten Shenzhen ja Shanghai, 220 kV:n ja korkeampien jännitetasojen sähköasemissa kattavuus ylittää 80 prosenttia, mikä nostaa huomattavasti alueellisen verkon tehokkuutta ja turvallisuutta.

Samalla vanhojen sähköasemien päivitys älykkäillä ominaisuuksilla etenee myös tasaisesti. Pohjois-Kiinassa 20-vuotias 110 kV sähköasema onnistui päivittämään järjestelmällisellä ohjauksella älykkäiden I/O-yksiköiden korvaamisen ja valvonnan järjestelmän modernisoimisen kautta, mikä paransi huomattavasti toiminnallista tehokkuutta ja luotettavuutta.

Kuitenkin kun järjestelmällinen ohjaus skaalautuu, tekniset pullonkaulat monimutkaisissa skenaarioissa tulevat ilmeisiksi. Äärimmäisessä säätilassa, usean linjan vika-tilanteissa tai yhtäkkiä tapahtuvin taakan heilahteluin järjestelmän on käsiteltävä valtavia reaaliaikaisia tietoja ja suoritettava monimutkaista logiikkaa, mikä voi johtaa vastaamisen viivästyksiin, loogisiin pysähtymisiin tai jopa virheellisiin toimiin. Lisäksi eri valmistajien laitteiden väliset yhteentoimivuusongelmat – joita aiheuttavat epäyhtenäisyys kommunikaatioprotokolleissa, tiedostomuodoissa ja rajapinnan standardeissa – usein aiheuttavat poikkeavan tiedonsiirron tai viivästyneet komentovastaukset, mikä heikentää järjestelmällisten toimien sujuvuutta ja tarkkuutta.

Näihin haasteisiin vastaamiseksi sähköala pyrkii kaksiosaiseen ratkaisuun: teknologiseen innovaatioon ja standardointiin. Teknologisesti algoritmeja optimoidaan parantamaan datan käsittelyä ja päätöksentekoa monimutkaisten olosuhteissa. Standardointityössä painopiste on yhdenmukaistetun kommunikaatioliittymien ja protokollien kehittämisessä, jotta voidaan parantaa valmistajien välistä yhteentoimivuutta.

Tässä yhteydessä UAV-teknologia – tarjoten joustavan liikkuvuuden, monipuolisia näkökulmia ja kosketuksetonta mittausmenetelmää – esittelee innovatiivisen tiehen järjestelmällisen ohjauksen parantamiseksi. Järjestelmällisten toimien aikana UAV:t voivat suorittaa laitteiden tilan reaaliaikaisen dynaamisen valvonnaksi käyttäen monispektrikuvausta, infrapunasäätöä ja muita edistyneitä tekniikoita, mikä mahdollistaa tarkkojen parametrien saamisen ja nopean anomalioiden havaitsemisen. Tämä reaaliaikainen palautetta tukee tehokasta päätöksentekoa järjestelmällisissä ohjausjärjestelmissä, nostaa sähköverkon toiminnan älykkyyttä ja luotettavuutta.

2. UAV-tekniikan soveltaminen järjestelmälliseen substation ohjaan
2.1 Substationin kolmiulotteisen realistisen mallin rakentaminen UAV-tekniikalla
UAV-tekniikan integrointi korkeatasoisen kolmiulotteisen digitaalisen kaksoisversion rakentamiseksi substationille edustaa erittäin innovatiivista ja käytännöllistä etenemistä järjestelmällisessä ohjauksessa. Varustettuna korkeatarkkuuden mittauskameroiden kanssa UAV:t voivat toteuttaa kattavia ilmakuvauksia useilta korkeuksilta ja kulmista, kuvaten sekä kokonaissuunnittelua että kriittisen laitevarustuksen yksityiskohtia. Tämä luo rikkaan, korkean resoluution kuvadatan, joka on välttämätön tarkan 3D-mallinnuksen kannalta. Tietojen yhdenmukaisuuden ja geometrisen tarkkuuden varmistamiseksi lentomission on noudatettava tiukasti määritettyjä UAV:n toimintaparametreja, kuten taulukossa 1 kuvataan.

Näistä parametreista lentokorkeus on asetettu 120 metriin – korkeuteen, joka varmistaa, että UAV kuvaa koko alustan kattavasti samalla säilyttäen riittävän yksityiskohtien selkeyden. Lentonopeuden tulee olla välillä 2–5 m/s, mikä pitää UAV:n vakaina lennossa ja estää liian nopeasta liikkeestä aiheutuvan liikkeen sumennuksen. Valotusaika on asetettu 2–3 sekuntiin, mikä mahdollistaa säännöllisen kuvan valoisuuden ja luotettavan laadun vaihtelevissa valaistuskolmioissa.

85 prosentin eteenpäin suuntautuva yliaja ja 75 prosentin sivusuunnassa suuntautuva yliaja takaa riittävät yliajakat vierekkäisissä kuvissa, tarjoten tarvittavan päällekkäisyyden myöhemmässä kuvien yhdistämisessä ja 3D-mallinnuksessa. Kameran linssi on 35-50 mm, jota yhdistetään 6 048 × 4 032 pikselin korkeatasoiseen sensoriin, mikä tehostaa erilaisten alustan laitteiden yksityiskohtien kuvauksen. Lisäksi 1,5 cm/pikselin maapintaotteluvaraus (GSD) varmistaa, että jokainen pikseli vastaa tarkasti maailman todellista ulottuvuutta, mikä parantaa huomattavasti paikkatarkkuutta.

Näiden lentoparametrien tiukka noudattaminen mahdollistaa UAV:n kuvien saamisen korkealaatuisesti, jotka käsiteltynä ammattimaisella fotogrammetriasoftwarella, kuten yhdistämällä, fuusioimalla ja 3D-rekonstruoimalla, tuottavat hyvin realistisen ja yksityiskohtaisen 3D-digital twin -mallin alustasta. Tämä malli tarjoaa intuitiivista ja tarkkaa paikkatietoa järjestelmällisille ohjaustoimille, mikä mahdollistaa operaattoreille selkeän ymmärryksen laiterakenteesta ja tilanteesta, mikä luo vankkan perustan automaattisten kytkentäjärjestysten täsmälliselle toteuttamiselle.

2.2 Alustan erottimen sijainnin "kaksinkertainen vahvistus" toteutus
"Kaksinkertainen vahvistus" -laitteisto erottimille toimii olennaisena komponenttina erottimen sijainnin vahvistamiseksi. Se käyttää sensorit, jotka on asennettu suoraan päämekaaniseen toimintomekanismiin reaalisen erottimen tilan seurantaan. Järjestelmässä on kaksi mikrokytkintä: toinen mikrokytkin on yhdistetty suoraan sensoriin ja vastaa erottimen terän todellisen fysikaalisen sijainnin havainnoinnista. Kerätty signaali välitetään sensorin kautta signaalin vastaanottajalle, joka lähettää tiedot alustan mittaus- ja ohjausjärjestelmään. Tämä suljettu silmukka-välitysjärjestelmä mahdollistaa erottimen sijaintien reaaliaikaisen, korkealaatuisen havainnoinnin, tarjoten luotettavan sijaintivahvistuksen järjestelmällisille ohjaustoimille.

Alustan mittaus- ja ohjausyksikkönä keskuksenä oleva yksikkö vastaanottaa signaaleja sekä ensimmäiseltä mikrokytkimestä (mekaaninen palautetta) että toisen mikrokytkimen käsittelyn (sensoripohjainen palautte) kautta. Kun nämä kaksi syötettä on integroitu ja vahvistettu, yksikkö lähettää yhteenvetotiedot järjestelmällisen ohjaushostille. Samanaikaisesti virhetarkistushosti tarkistaa kaikki järjestelmällisen ohjaushostin antamat ohjauskomennot. Vain kun tämä virhetarkistus on hyväksytty, voidaan järjestelmällinen ohjaustoimi toteuttaa.

Tämä "kaksinkertainen vahvistus" -mekanismi poistaa teknisesti riskit, jotka liittyvät yksipisteen signaalivirheisiin tai väärään arvioon, mikä parantaa huomattavasti erottimen sijainnin havainnoinnin luotettavuutta. Reaalimaailmassa, olipa kyseessä säännölliset kytkentätoimet tai hätätilanteiden käsittely, kaksinkertainen vahvistus erottimelle varmistaa, että operaattorit saavat aina tarkat sijaintitiedot, mikä estää tehokkaasti vääräjäykset ja vahvistaa järjestelmällisten ohjausjärjestelmien turvallisuuden ja vakauden.

2.3 Käytännön soveltaminen
110 kV alustan laajennusprojektissa uuden laitteen integrointi olemassa olevaan järjestelmälliseen ohjausjärjestelmään aiheutti merkittäviä haasteita – haasteet, joita UAV-teknologia onnistui ratkaisemaan tehokkaasti. Operaattorit käyttivät UAV:a tiukoilla lentoparametreilla: 120 metrin lentokorkeus varmisti kattavan peittävyyden alustan koko osalta samalla säilyttäen laitekohtaisen yksityiskohtaisuuden; 2–5 m/s:n lentonopeus ylläpiteli alustan vakautta tarkoille kuville; ja 2–3 sekunnin valotusaika sopeutui muuttuviin valaistusehtoihin taatakseen korkealaatuiset kuvat. 85 prosentin eteenpäin suuntautuva yliaja ja 75 prosentin sivusuunnassa suuntautuva yliaja tarjosivat riittävän päällekkäisyyden robustin fotogrammetrisen käsittelyn kannalta.

Käyttäen edistyneitä fotogrammetrian ja 3D-mallinnuksen tekniikoita, korkeatasoiset UAV-kuvat muutettiin tarkaksi 3D-digital twin -malliksi alustasta. Tämä immersive paikkamalli mahdollisti operaatiotiimin tarkastella tarkasti vanhojen ja uusien laitteiden välisiä paikkasuhteita. Järjestelmällisten ohjaustoimien simulaation aikana operaattorit käyttivät mallia suunnittelemaan optimaalisia toimintareittejä ja tunnistamaan tavoitelaitteet tarkoilla geospatialle koordinaateilla – mikä vähensi huomattavasti uusien laitteiden integroinnin komissionointiaikaa.

Praktiikassa tämä lähestymistapa mahdollisti projektitiimin suorittaa järjestelmällisen ohjausjärjestelmän integroinnin ja komissionoinnin kolme päivää ennakoitua aikataulua aiemmin. Tämä ei ainoastaan lyhensi kokonaishankkeen aikataulua, mutta myös kiihdytti alustan siirtymistä älykkään toiminnan suuntaan, luoden vankan perustan sen turvalle ja luotettavalle pitkäaikaiselle toiminnalle.

Tässä 110 kV alustan päivittäisissä järjestelmällisissä ohjaustoimissa ja huollon tilanteissa erottimen "kaksinkertainen vahvistus" -mekanismi toimii operatiivisen turvallisuuden ja tehokkuuden ytimeksi, kun taas UAV-teknologia tarjoaa vahvan apukeinon. Ottakaamme esimerkkinä yöllinen hätätilanteessa suoritettava järjestelmällinen ohjaustoimi: kun operaattorit lähettävät erottimen avaamiskomennon järjestelmällisestä ohjaushostista, "kaksinkertainen vahvistus" -laitteisto aktivoi välittömästi tarkan signaalinvälitys- ja vahvistusmekanisminsa. Laitteiston sisällä olevat kaksi mikrokytkintä välittävät erottimen terän sijaintisignaalit reaaliaikaisesti alustan mittaus- ja ohjausyksikölle. Tämä yksikkö yhdistää ja esikäsittelee signaalit ennen kuin ne lähetetään järjestelmälliselle ohjaushostille. Samanaikaisesti virhetarkistushostin suorittaa loogisen vahvistuksen toimintakomennolle; vain kun virhetarkistushostin vahvistaa komennon kelvolliseksi, avausoperaatio voidaan suorittaa.

Tässä prosessissa UAV:n rooli on myös merkittävä. Hyödyntäen sen taitavia lentokykyjä, UAV suorittaa reaaliaikaisen, kaikkien suuntien valvonnan alustan laitteista – erityisesti keskittyen erottimen alueeseen. Kun "kaksinkertainen vahvistus" -laitteisto toimii, UAV välittää live-videoa konttoriin, tarjoten operaattoreille lisävisuaalista viittausta, mikä vahvistaa operatiivista tarkkuutta.

Verrannollisesti perinteiseen manuaaliseen paikan päähän vahvistamiseen verrattuna tämä yhdennetty lähestymistapa vähentää toiminta-aikaa alkuperäisestä 10 minuutista vain 3 minuuttiin, parantamalla merkittävästi tehokkuutta. Tärkeintä on, että se poistaa tehokkaasti virhetulkinnan riskin, joka aiheutuu huonosta valaistuksesta ja operaattorin väsymästä yöllisissä manuaalisissa tarkastuksissa.

3. Johtopäätös
Drone-teknologia on tuonut innovatiivisia läpimurtoja sähköaseman järjestelmällisten ohjaustoimintojen alalla. Kolmiulotteisten realististen mallien luomisen kautta se parantaa merkittävästi uusien laitteiden integroinnin tehokkuutta järjestelmällisiin ohjausjärjestelmiin ja nopeuttaa projektin toteuttamista. Kun dronet työskentelevät yhteistyössä eristimen "kaksinkertaiseen vahvistamiseen" suunnitelluilla laitteilla, ne parantavat huomattavasti laitteiden käytön turvallisuutta ja tarkkuutta. Kun drone-teknologia jatkaa kehitystään ja syvenee järjestelmällisten ohjausjärjestelmien kanssa, sillä on mahdollisuus edelleen ratkaista haasteita, kuten sopeutuvuus monimutkaisiin toimintaympäristöihin ja laitteiden yhteentoimivuus, edistää jatkuvasti sähköasemien toimintoja kohti suurempaa älykkyyttä ja luotettavuutta, ja tarjota vankka tekninen tuki sähköjärjestelmien vakaudelle ja tehokkuudelle.