無人機技術在變電站順序控制操作中的應用

スマートグリッド技術の進歩に伴い、変電所における順次制御（SCADAに基づく自動スイッチング）は、安定した電力システム運転を確保するための中心的な技術となっています。既存の順次制御技術は広く導入されていますが、複雑な運転条件下でのシステムの安定性や機器間の相互運用性に関する課題は依然として重要な問題です。無人航空機（UAV）技術は、その機動性、移動性、非接触検査能力を特徴とし、順次制御操作の最適化に革新的な解決策を提供します。

空中パトロールやリアルタイム状態監視などのUAVベースの機能を従来の順次制御システムに深く統合することで、手動操作の限界を効果的に克服し、設備の状態を正確かつリアルタイムに感知し、順次制御の信頼性と知能レベルを大幅に向上させることができます。変電所の順次制御におけるUAVアプリケーションの研究は、スマートグリッド開発の推進に大きな実践的な意義を持っています。

1. 変電所における順次制御操作の概要
1.1 定義
変電所における順次制御とは、事前に定義された手順と論理ルールに基づいて、自動制御システムを通じて一連の電気設備操作を自動的かつ段階的に実行することを指します。母線転送（スイッチング）操作を例に取ると：従来は、オペレータが遮断器や分離器などの装置を一つずつ手動で操作する必要がありました。一方、順次制御では、オペレータはモニタリングワークステーションから単一の包括的なコマンドを発行するだけで、システムが自動的に且つ正確に全体のシーケンスを実行します。例えば、ライン遮断器のトリップ後に関連する分離器を開くなど、操作フローを大幅に簡素化します。

1.2 技術原理
変電所の順次制御は、監視ホスト、測定制御ユニット、およびインテリジェント端末などの主要コンポーネントで構成される統合自動化システムに依存しています。監視ホストは人間と機械のインターフェースとして機能し、オペレータからのコマンドを受け取り、それらを実行可能な制御信号に変換します。測定制御ユニットは、現在の電流、電圧、設備位置などのリアルタイム運転データを継続的に収集し、オペレータへの状況認識と順次論理決定のための重要な入力を提供します。インテリジェント端末は一次設備と直接インターフェースし、スイッチング操作を実行し、光ファイバーやケーブルを介して測定/制御ユニットや他のデバイスと通信し、安全かつ効率的な順次制御の実行をサポートする高速かつ正確なデータ伝送を確保します。

1.3 利点
1.3.1 運転効率の向上
従来の変電所運転では、スイッチング手順には顕著な非効率性があります。例えば、220 kVの母線転送作業では、人員は頻繁にベイ間を移動して設備IDを確認し、状態を確認し、遮断器や分離器を手動で操作する必要があります。人的制約により、単一の完全な操作には通常2〜3時間かかり、多くの人力を消費し、誤りのリスクが高まります。

スマートグリッド技術の進化に伴い、順次制御システムは変革的なアプローチを提供します。モニタリングバックエンドからのコマンドを受け取ると、システムは予めプログラムされた論理に基づいてミリ秒単位で全シーケンスを自動的に実行します。これは、設備の状態確認、操作票の検証、およびスイッチングコマンドを含みます。現場のデータによれば、順次制御を使用すると、220 kVの母線転送時間が20分未満に短縮され、従来の方法よりも80％以上改善されます。このブレイクスルーは、負荷の変動時に迅速な再構成を可能にし、障害時の停止時間を大幅に短縮し、全体的な電力供給の信頼性と品質を向上させます。

1.3.2 運転安全性の向上
手動の変電所運転は、多くの予測不可能な人的要素によって隠れた安全リスクにさらされます。オペレータの警戒心は重要であり、夜勤による疲労はラベルの読み間違いや手順の順序違いを引き起こす可能性があります。また、スキルレベルは個人によって異なり、新入社員は経験豊富なスタッフよりも複雑な手順に不慣れであるため、誤りの可能性が高まります。不完全な統計によれば、毎年数百件の変電所設備故障やグリッド事故が人的エラーによって引き起こされています。

順次制御は堅牢な安全バリアを確立します。実行前に組み込まれた論理検証により、各ステップが事前に定義された安全規則と電気的インタロック規則に対して厳格にチェックされます。すべての条件が満たされた場合のみ、システムは進行します。例えば、ラインの電源投入時には、システムは自動的に遮断器や分離器の状態を確認します。異常が検出された場合、操作は即座に停止し、アラームが発生します。これにより、負荷下での分離器の開閉や充電中の接地スイッチの閉鎖などの重大なエラーを防ぎ、設備損傷やグリッド事故のリスクを根本的に低減し、より安全で安定した変電所運転を確保します。

1.4 現在の適用状況
中国がスマートグリッドのイニシアチブを進めている中、順次制御は現代の変電所運転の基盤となっています。新設の変電所では、インテリジェントデザイン原則が標準となり、順次制御が核心的な機能モジュールとして統合されています。例えば、過去5年間に東部中国で新設された変電所の順次制御採用率は95%に達しています。深圳や上海のような経済発展都市では、220 kV以上の変電所のカバレッジは80%を超え、地域のグリッド効率と安全性を大幅に向上させています。

一方、古い変電所のインテリジェント機能への改造も着実に進んでいます。北部中国では、20年前の110 kV変電所が、インテリジェントI/Oユニットの交換と監視システムの近代化を通じて順次制御機能を追加し、運転効率と信頼性を大幅に向上させました。

しかし、順次制御が拡大するにつれて、複雑なシナリオにおける技術的なボトルネックが明らかになってきています。極端な天候、多線路障害、または突然の負荷変動の下で、システムは大量のリアルタイムデータを処理し、複雑な論理を実行する必要があります。これにより、応答遅延、論理停止、さらには誤動作が発生することがあります。さらに、異なるベンダーの機器間での相互運用性の問題—通信プロトコル、データ形式、インターフェース標準の一貫性の欠如によるもの—はしばしば異常なデータ伝送や遅延したコマンド応答を引き起こし、順次操作の滑らかさと正確性を損ないます。

これらの課題に対処するために、電力業界は技術革新と標準化という二つのアプローチを追求しています。技術的には、複雑な条件下でのデータ処理と意思決定を強化するためのアルゴリズムが最適化されています。標準化の面では、通信インターフェースとプロトコルの統一に焦点を当て、異なるベンダー間の相互運用性を向上させる努力が行われています。

この文脈において、UAV技術は柔軟な機動性、多様な視点、非接触センシングを提供し、順次制御を強化する革新的な方法を示しています。順次操作中に、UAVはマルチスペクトル画像、赤外線熱画像などの高度な技術を使用して設備の状態をリアルタイムで動的に監視し、正確なパラメータ取得と迅速な異常検出を可能にします。このリアルタイムフィードバックは、順次制御システムでのよりスマートな意思決定を効果的にサポートし、電力網運営の知能化と信頼性を高めます。

2. UAV技術の変電所順次制御への応用
2.1 UAV技術を用いた変電所の3Dリアリストックモデルの構築
UAV技術を統合して変電所の高精度3Dデジタルツインを構築することは、順次制御における非常に革新的かつ実用的な進歩です。高精度測量用カメラを搭載したUAVは、複数の高度と角度から包括的な空中調査を行い、設備全体のレイアウトと重要な設備の詳細を捉えます。これにより、正確な3Dモデリングに必要な高解像度画像の豊富なデータセットが生成されます。データの一貫性と幾何学的精度を確保するため、飛行ミッションは表1に詳細に記載されているUAV運営パラメータに厳密に従う必要があります。

これらのパラメータのうち、飛行高度は120 mに設定されています。これは、UAVが変電所全体をカバーしながら十分な詳細な明瞭度を維持できる高さです。飛行速度は2～5 m/sに制御され、UAVが飛行中に安定し、過度の速度によるモーションブラーを防ぎます。露出間隔は2～3秒に設定されており、さまざまな照明条件下でも一貫した画像の明るさと信頼性のある品質を確保します。

前方オーバーラップ85%と側方オーバーラップ75%は、隣接する画像間に十分な重複領域を確保し、後続の画像ステッチングおよび3Dモデリングに必要な冗長性を提供します。カメラレンズの焦点距離は35～50 mmで、6,048 × 4,032ピクセルの高解像度センサーと組み合わさることで、様々な変電所設備の細部を効果的にキャプチャします。また、地上サンプリング距離（GSD）が1.5 cm/ピクセルに設定されているため、各ピクセルが実際の地面上の寸法に対応しており、空間精度が大幅に向上します。

これらの飛行パラメータを厳密に遵守することで、UAVは高品質な画像を取得します。この画像は、専門的な写真測量ソフトウェアを通じてステッチング、フュージョン、3D再構築処理を行い、非常にリアルで詳細な変電所の3Dデジタルツインを生成します。このモデルは、順次制御操作のための直感的かつ正確な空間参照情報を提供し、オペレーターが設備の配置と状態を明確に理解し、自動スイッチングシーケンスの正確な実行のための堅固な基盤を築きます。

2.2 変電所での開閉器位置の「二重確認」の実装
開閉器の「二重確認」装置は、スイッチ位置を検証する重要なコンポーネントです。直接主機械操作機構に取り付けられたセンサーを使用して、実際の開閉器の状態を監視します。システムには2つのマイクロスイッチがあり、第2のマイクロスイッチはセンサーに直接リンクされ、開閉器の刃の真の物理的位置を捕捉します。収集された信号はセンサーを通じて信号受信機に送られ、そこからデータが変電所の計測制御システムに転送されます。この閉ループ伝送メカニズムにより、開閉器の位置をリアルタイムで高忠実度で検出でき、順次制御操作のための信頼性の高い位置検証が可能になります。

変電所の計測制御ユニットは中央ハブとして機能し、第1のマイクロスイッチ（機械フィードバック）と第2のマイクロスイッチ（センサーベースのフィードバック）からの信号を両方受け取ります。これらの二重入力を統合および検証した後、ユニットは統合された状態データを順次制御ホストに送信します。同時に、誤動作ホストが順次制御ホストによって発行されたすべての操作コマンドをクロスチェックします。この誤動作検証を通過した後のみ、順次操作が進行できます。

この「二重確認」メカニズムは、単一ポイントの信号障害や誤判断に関連するリスクを技術的に排除し、開閉器位置検出の信頼性を大幅に向上させます。実際のシナリオ—日常的な切り替え操作であれ緊急対応であれ—二重確認開閉器は、オペレーターが常に正確な位置情報を得られるようにし、誤動作を効果的に防止し、順次制御システムの安全性と安定性を強化します。

2.3 実用例
110 kV変電所の拡張プロジェクトでは、新規設備を既存の順次制御システムに統合する際の課題に対し、UAV技術が効果的に解決しました。オペレーターは、UAVを厳格な飛行パラメータに従って展開しました：120 mの飛行高度は変電所全体をカバーしながら設備レベルの詳細を維持し、2～5 m/sの飛行速度はプラットフォームの安定性を保ちシャープな画像を確保し、2～3秒の露出間隔は変動する照明条件に対応して高品質な写真を確保しました。85%の前方オーバーラップと75%の側方オーバーラップにより、データセットはロバストな写真測量処理に十分な冗長性を提供しました。

高度な写真測量と3Dモデリング技術を使用して、高解像度のUAV画像は変電所の正確な3Dデジタルツインに変換されました。この没入型の空間モデルにより、運用チームは既存設備と新設設備の間の空間関係を正確に分析することが可能になりました。順次制御手順のシミュレーション中、オペレーターはモデルを使用して最適な操作パスを事前に計画し、正確な地理空間座標を使用してターゲットデバイスを特定し、新規設備統合のためのコミッショニング時間を大幅に短縮しました。

実際、このアプローチにより、プロジェクトチームは予定より3日前に順次制御システムの統合とコミッショニングを完了しました。これにより、プロジェクト全体のタイムラインが短縮され、変電所のスマート運営への移行が加速され、安全かつ信頼性の高い長期的なパフォーマンスのための堅固な基盤が確立されました。

この110 kV変電所の日常的な順次制御操作とメンテナンスシナリオでは、開閉器の「二重確認」メカニズムは運用の安全性と効率性の核心的な保護役割を果たし、UAV技術は強力な補助サポートを提供します。夜間の緊急順次制御操作を例に取ると：オペレーターが順次制御ホストから開閉器の開放コマンドを発行すると、「二重確認」装置は即座にその精密な信号伝送と検証メカニズムを活性化します。装置内の2つのマイクロスイッチは、開閉器の刃の位置信号をリアルタイムで変電所の計測制御ユニットに送ります。このユニットは信号を統合および前処理し、それを順次制御ホストに転送します。同時に、誤動作ホストは操作コマンドの論理検証を行い、誤動作ホストがコマンドを有効と確認した後のみ、開放操作が実行されます。

この過程において、UAVも重要な役割を果たします。機敏な飛行能力を活用して、UAVは変電所設備のリアルタイム全周監視を行います—特に開閉器エリアに焦点を当てています。「二重確認」装置が動作している間、UAVは現場のライブビデオフィードを制御室に送り返し、オペレーターに追加の視覚的な参照を提供し、操作の正確性をさらに確保します。

従来の人手による現場確認と比較して、この統合アプローチは作業時間を元の10分からわずか3分に短縮し、効率を大幅に向上させています。さらに重要なのは、夜間の手動チェック中に発生する照明不良やオペレータの疲労による誤判定のリスクを効果的に排除することです。

3.結論
UAV技術は変電所の順次制御操作に革新的な突破をもたらしました。3Dリアリスティックモデルを構築することで、新設備の順次制御システムへの統合効率を大幅に向上させ、プロジェクトの実施を加速します。開閉器「二重確認」装置と協調して動作する際、UAVは機器操作の安全性と精度を大幅に向上させます。UAV技術が進化し、順次制御システムとの統合が深まるにつれて、複雑な運転条件下での適応性や機器間の相互運用性などの課題に対処し、変電所の運転をより高度な知能化と信頼性へと引き続き推進し、電力システムの安定かつ効率的な運転に強固な技術的支援を提供することが期待されます。