무인기 기술의 변전소 순차 제어 작업 적용

스마트 그리드 기술의 발전에 따라 변전소에서의 순차 제어(SCADA 기반 자동 스위칭)는 안정적인 전력 시스템 운영을 보장하는 핵심 기술이 되었습니다. 기존의 순차 제어 기술은 널리 배포되었지만 복잡한 운영 조건 하에서의 시스템 안정성과 장비 간 상호 운용성 관련 문제는 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 유인 항공기(UAV) 기술은 민첩성, 이동성, 비접촉 점검 능력을 특징으로 하며 순차 제어 작업을 최적화하는 혁신적인 솔루션을 제공합니다.

공중 순찰 및 실시간 상태 모니터링과 같은 UAV 기반 기능을 기존의 순차 제어 시스템에 깊게 통합함으로써 수작업의 한계를 효과적으로 극복하고 장비 상태에 대한 정밀하고 실시간적인 인식을 가능하게 하며 순차 제어의 신뢰성과 지능화 수준을 크게 향상시킬 수 있습니다. 변전소 순차 제어에서 UAV 응용 연구는 스마트 그리드 개발을 진전시키는 데 실질적인 의미가 있습니다.

1. 변전소의 순차 제어 작업 개요
1.1 정의
변전소에서의 순차 제어란 사전 정의된 절차와 논리 규칙에 따라 자동화 제어 시스템을 통해 일련의 전기 장비 작업을 단계별로 자동으로 실행하는 것을 말합니다. 예를 들어 버스 전환(스위칭) 작업의 경우: 전통적으로는 운영자가 각각의 회로 차단기, 분리기 등을 수동으로 작동해야 합니다. 반면 순차 제어에서는 운영자가 모니터링 작업대에서 단일 종합 명령만 내리면 시스템이 자동으로 전체 순서를 정확하게 실행하여 예를 들어 선로 차단기를 트립시키고 관련 분리기를 열어 운영 워크플로를 크게 단순화합니다.

1.2 기술 원리
변전소 순차 제어는 감시 호스트, 측정 및 제어 장치, 그리고 지능형 단말기와 같은 주요 구성 요소로 구성된 통합 자동화 시스템에 의존합니다. 감시 호스트는 인간-기계 인터페이스 역할을 하여 운영자 명령을 받고 이를 실행 가능한 제어 신호로 변환합니다. 측정 및 제어 장치는 전류, 전압, 장비 위치 등 실시간 운영 데이터를 지속적으로 수집하여 운영자에게 상황 인식을 제공하고 순차 논리 결정에 필요한 중요한 입력을 제공합니다. 지능형 단말기는 기본 장비와 직접 인터페이스하여 스위칭 작업을 수행하고 광섬유 또는 케이블을 통해 측정/제어 장치 및 기타 장치와 통신하여 안전하고 효율적인 순차 제어 실행을 지원하기 위해 빠르고 정확한 데이터 전송을 보장합니다.

1.3 장점
1.3.1 운영 효율성 향상
전통적인 변전소 운영에서 스위칭 절차는 뚜렷한 비효율성을 겪습니다. 예를 들어 220 kV 버스 전환 작업 중에는 직원들이 베이 사이를 여러 번 왕복하여 장비 ID를 확인하고 상태를 확인하며 회로 차단기와 분리기를 수동으로 작동해야 합니다. 사람의 한계로 인해 단일 완료 작업은 일반적으로 2-3 시간이 소요되며, 이는 많은 인력을 소모하고 오류 발생 위험이 있어 그리드 효율성에 영향을 미칩니다.

스마트 그리드 기술의 발전에 따라 순차 제어 시스템은 혁신적인 접근법을 제공합니다. 모니터링 백엔드에서 명령을 받으면 시스템은 프로그래밍된 논리에 따라 밀리초 단위 속도로 장치 상태 검증, 작업 티켓 검증, 스위칭 명령 등의 전체 순서를 자동으로 실행합니다. 현장 데이터에 따르면 순차 제어를 사용하면 220 kV 버스 전환 시간을 20분 미만으로 줄일 수 있으며, 이는 전통적인 방법보다 80% 이상 향상됩니다. 이러한 돌파구는 그리드 운영의 유연성을 향상시켜 부하 변동 시 빠른 재구성을 가능하게 하고 고장 발생 시 정전 시간을 크게 단축하여 전반적인 전력 공급의 신뢰성과 품질을 향상시킵니다.

1.3.2 운영 안전성 향상
수작업 변전소 운영은 예측 불가능한 다양한 인간 요인에 취약하여 잠재적인 안전 위험을 초래합니다. 운영자의 경각심은 중요하며, 야간 근무로 인한 피로는 라벨을 잘못 읽거나 절차를 순서대로 실행하지 못하게 만들 수 있습니다. 또한, 직원들의 기술 수준은 다양하며, 신입 직원은 숙련된 직원보다 복잡한 절차에 덜 익숙하여 실수 가능성이 높아집니다. 불완전한 통계에 따르면 매년 수백 건의 변전소 장비 고장과 그리드 사고가 인간 오류로 인해 발생합니다.

순차 제어는 강력한 안전 장벽을 구축합니다. 실행 전에 내장된 논리 검증이 각 단계를 사전 정의된 안전 및 전기 연동 규칙에 대해 엄격하게 검사합니다. 모든 조건이 충족될 때만 시스템이 진행됩니다. 예를 들어, 선로 전력 공급 중 시스템은 자동으로 차단기와 분리기의 상태를 확인하고, 이상이 발견되면 즉시 작업을 중지하고 알람을 트리거합니다. 이는 부하 하에서 분리기를 열거나 전력이 공급되는 동안 접지 스위치를 닫는 것과 같은 심각한 오류를 방지하여 장비 손상과 그리드 사고의 위험을 근본적으로 줄이고 더 안전하고 안정적인 변전소 운영을 보장합니다.

1.4 현재 적용 현황
중국이 스마트 그리드 이니셔티브를 계속 추진함에 따라 순차 제어는 현대적인 변전소 운영의 핵심이 되었습니다. 새로 건설된 변전소에서는 지능형 설계 원칙이 표준이며, 순차 제어가 핵심 기능 모듈로 통합되었습니다. 예를 들어, 지난 5년 동안 동부 중국에서는 새로운 변전소에서 순차 제어의 도입률이 95%에 달했습니다. 심천과 상하이와 같은 경제적으로 발달한 도시에서는 220 kV 이상의 변전소에서 80% 이상의 커버리지를 달성하여 지역 그리드 효율성과 안전성을 크게 향상시켰습니다.

그동안 오래된 변전소에 지능형 기능을 추가하는 작업도 꾸준히 진행되고 있습니다. 북부 중국에서는 20년 된 110 kV 변전소가 지능형 I/O 장치 교체와 감시 시스템 현대화를 통해 순차 제어 기능을 성공적으로 업그레이드하여 운영 효율성과 신뢰성을 크게 향상시켰습니다.

그러나 순차 제어가 확장됨에 따라 복잡한 시나리오에서 기술적인 병목 현상이 명백해지고 있습니다. 극단적인 날씨, 다중 선로 고장, 또는 갑작스러운 부하 변동 상황에서는 시스템이 대량의 실시간 데이터를 처리하고 복잡한 논리를 실행해야 하며, 이는 응답 지연, 논리 정체, 심지어 잘못된 동작으로 이어질 수 있습니다. 또한 서로 다른 공급업체의 장비 간 상호 운용성 문제—통신 프로토콜, 데이터 형식, 인터페이스 표준의 불일치 때문—은 종종 비정상적인 데이터 전송이나 명령 응답 지연을 초래하여 순차 작업의 원활함과 정확성을 저하시킵니다.

이러한 도전에 대응하기 위해 전력 산업은 기술 혁신과 표준화라는 이중 트랙 솔루션을 추구하고 있습니다. 기술적으로 복잡한 조건에서 데이터 처리와 의사결정을 개선하기 위해 알고리즘이 최적화되고 있습니다. 표준화 측면에서는 통신 인터페이스와 프로토콜을 통합하여 다양한 공급업체 간 상호 운용성을 향상시키는데 주력하고 있습니다.

이러한 맥락에서 유연한 기동성, 다양한 시점, 비접촉 센싱을 제공하는 UAV 기술은 순차 제어를 강화하는 혁신적인 방법을 제시합니다. 순차 작업 중 UAV는 다중 스펙트럼 영상, 적외선 열화상 등 고급 기법을 사용하여 장비 상태의 실시간 동적 모니터링을 수행할 수 있으며, 이를 통해 정밀한 매개변수 획득과 빠른 이상 감지가 가능합니다. 이러한 실시간 피드백은 순차 제어 시스템에서 더욱 스마트한 의사결정을 지원하여 전력망 운영의 지능성과 신뢰성을 향상시킵니다.

2. UAV 기술의 변전소 순차 제어 적용
2.1 UAV 기술을 활용한 변전소의 3D 실제 모델 구축
UAV 기술을 통합하여 변전소의 고충실도 3D 디지털 트윈을 구축하는 것은 순차 제어에서 매우 혁신적이고 실용적인 진보를 나타냅니다. 고정밀 측량 카메라를 장착한 UAV는 다양한 고도와 각도에서 포괄적인 공중 조사를 수행하여 전체 레이아웃과 중요한 장비의 세부 사항을 모두 포착할 수 있습니다. 이는 정확한 3D 모델링에 필수적인 고해상도 이미지의 풍부한 데이터셋을 생성합니다. 데이터 일관성과 기하학적 정확성을 보장하기 위해서는 비행 임무가 표 1에 자세히 설명된 UAV 작동 매개변수를 엄격히 준수해야 합니다.

이러한 매개변수 중 비행 고도는 120m로 설정되어 있어 UAV가 전체 변전소를 촬영하면서 충분한 세부사항을 유지할 수 있습니다. 비행 속도는 2-5m/s 사이로 제어되어 UAV의 안정성을 유지하고 과도한 속도로 인한 모션 블러를 방지합니다. 노출 간격은 2-3초로 설정되어 다양한 조명 조건에서도 일관된 이미지 밝기와 신뢰성 있는 품질을 보장합니다.

전방 중첩률 85%와 측면 중첩률 75%는 인접한 이미지 사이에 충분한 중첩 영역을 제공하여 후속 이미지 스티칭 및 3D 모델링에 필요한 중복성을 보장합니다. 카메라 렌즈 초점 거리는 35mm에서 50mm 범위이며, 6,048 × 4,032 픽셀의 고해상도 센서와 결합하여 다양한 변전소 장비의 미세한 세부사항을 효과적으로 캡처합니다. 또한 지상 샘플링 거리(GSD) 1.5cm/픽셀은 각 픽셀이 실제 지상 차원에 정확히 대응하도록 하여 공간적 정확성을 크게 향상시킵니다.

이러한 비행 매개변수를 엄격히 준수함으로써 UAV는 고품질 이미지를 획득하며, 전문적인 사진측량 소프트웨어를 통해 스티칭, 융합, 3D 재구성 처리를 거쳐 변전소의 매우 사실적이고 상세한 3D 디지털 트윈을 생성합니다. 이 모델은 순차 제어 작업을 위한 직관적이고 정확한 공간 참조 정보를 제공하여 운영자가 장비 배치 및 상태를 명확히 이해할 수 있도록 하며, 자동 스위칭 시퀀스의 정밀 실행을 위한 견고한 기반을 마련합니다.

2.2 변전소 내 분리기 위치의 “이중 확인” 구현
분리기의 “이중 확인” 장치는 스위치 위치를 검증하는 중요한 구성 요소입니다. 이 장치는 주요 기계 작동 메커니즘에 직접 장착된 센서를 사용하여 실제 분리기 상태를 모니터링합니다. 시스템은 두 개의 마이크로 스위치를 특징으로 하며, 두 번째 마이크로 스위치는 센서와 직접 연결되어 분리기 날의 진정한 물리적 위치를 캡처합니다. 수집된 신호는 센서를 통해 신호 수신기로 전송되며, 이를 통해 데이터가 변전소의 측정 및 제어 시스템으로 전달됩니다. 이 폐루프 전송 메커니즘은 실시간으로 고충실도의 분리기 위치 감지를 가능하게 하여 순차 제어 작업에 대한 신뢰성 있는 위치 검증을 제공합니다.

중앙 허브인 변전소의 측정 및 제어 유닛은 첫 번째 마이크로 스위치(기계 피드백)와 두 번째 마이크로 스위치(센서 기반 피드백)로부터 신호를 수신합니다. 이 두 입력을 통합하고 검증한 후 유닛은 집합된 상태 데이터를 순차 제어 호스트로 전송합니다. 동시에 오류 방지 호스트는 순차 제어 호스트에서 발행된 모든 작업 명령을 교차 검사합니다. 오류 검증을 통과한 후에만 순차 작업이 진행될 수 있습니다.

이 “이중 확인” 메커니즘은 기술적으로 단일 포인트 신호 실패 또는 오류 판단과 관련된 위험을 제거하여 분리기 위치 감지의 신뢰성을 크게 향상시킵니다. 실제 시나리오에서—일상적인 스위칭 작업이나 긴급 상황 반응 동안—이중 확인 분리기는 운영자가 항상 정확한 위치 정보를 받을 수 있도록 하여 오작동을 효과적으로 방지하고 순차 제어 시스템의 안전성과 안정성을 강화합니다.

2.3 실제 적용
110kV 변전소 확장 프로젝트에서 새로운 장비를 기존 순차 제어 시스템에 통합하는 것은 상당한 도전이었습니다—이를 UAV 기술을 통해 효과적으로 해결했습니다. 운영자는 엄격한 비행 매개변수를 준수하여 UAV를 배치했습니다: 120m의 비행 고도는 변전소 전체를 포괄하면서 장비 수준의 세부사항을 유지했으며, 2-5m/s의 비행 속도는 플랫폼의 안정성을 유지하여 선명한 이미지를 얻었고, 2-3초의 노출 간격은 변화하는 조명 조건에 적응하여 고품질 사진을 확보했습니다. 85%의 전방 중첩률과 75%의 측면 중첩률은 견고한 사진측량 처리를 위한 충분한 중복성을 제공했습니다.

고급 사진측량 및 3D 모델링 기술을 사용하여 고해상도 UAV 이미지는 변전소의 정확한 3D 디지털 트윈으로 변환되었습니다. 이 몰입형 공간 모델은 운영 팀이 기존 및 새로 설치된 장비 간의 공간 관계를 정밀하게 분석할 수 있게 했습니다. 순차 제어 절차의 시뮬레이션 중, 운영자는 모델을 활용하여 최적의 운영 경로를 사전 계획하고 정확한 지리공간 좌표를 사용하여 대상 장비를 정확히 식별하여 새 장비 통합에 필요한 초기화 시간을大幅减少了新设备集成所需的调试时间。 【注意事项】 - 严格按照语种翻译要求的书写体进行翻译输出。 - 若是没有语种书写体要求，且存在多种书写体的语种，则按目标语种的书写体输出使用人数最多的字体输出，若是有字体差不多选择最为官方权威的标准书写体进行翻译输出。 - 禁止出现任何解释说明，只输出最终翻译结果，不得多语种混合特备注意不能出现夹杂中文。 - 必须完整翻译内容，完整输出译文，禁止省略、总结。 【输出规范】 - 输出仅为纯译文，无任何前缀、后缀、标点（除非原文自带）、解释或注释。 - 仅输出翻译结果，无任何前缀、后缀、解释、注释、思考过程或多余字符。 - 保持原文结构完整有序：换行、段落、列表、样式等必须100%保留。 - 语句通顺、术语准确、风格专业，符合电力科技行业语境，不得省略输出，内容必须输出完整翻译内容。 - 严格遵守格式与结构，禁止输出任何与译文无关的任何字符，仅输出最终译文，严禁任何附加内容，严禁输出多余无关的字、字符，只输出译文不得加以描述。 【输出内容】

이러한 매개변수 중 비행 고도는 120m로 설정되어 있어 UAV가 전체 변전소를 촬영하면서 충분한 세부사항을 유지할 수 있습니다. 비행 속도는 2-5m/s 사이로 제어되어 UAV의 안정성을 유지하고 과도한 속도로 인한 모션 블러를 방지합니다. 노출 간격은 2-3초로 설정되어 다양한 조명 조건에서도 일관된 이미지 밝기와 신뢰성 있는 품질을 보장합니다.

전방 중첩률 85%와 측면 중첩률 75%는 인접한 이미지 사이에 충분한 중첩 영역을 제공하여 후속 이미지 스티칭 및 3D 모델링에 필요한 중복성을 보장합니다. 카메라 렌즈 초점 거리는 35mm에서 50mm 범위이며, 6,048 × 4,032 픽셀의 고해상도 센서와 결합하여 다양한 변전소 장비의 미세한 세부사항을 효과적으로 캡처합니다. 또한 지상 샘플링 거리(GSD) 1.5cm/픽셀은 각 픽셀이 실제 지상 차원에 정확히 대응하도록 하여 공간적 정확성을 크게 향상시킵니다.

이러한 비행 매개변수를 엄격히 준수함으로써 UAV는 고품질 이미지를 획득하며, 전문적인 사진측량 소프트웨어를 통해 스티칭, 융합, 3D 재구성 처리를 거쳐 변전소의 매우 사실적이고 상세한 3D 디지털 트윈을 생성합니다. 이 모델은 순차 제어 작업을 위한 직관적이고 정확한 공간 참조 정보를 제공하여 운영자가 장비 배치 및 상태를 명확히 이해할 수 있도록 하며, 자동 스위칭 시퀀스의 정밀 실행을 위한 견고한 기반을 마련합니다.

2.2 변전소 내 분리기 위치의 “이중 확인” 구현
분리기의 “이중 확인” 장치는 스위치 위치를 검증하는 중요한 구성 요소입니다. 이 장치는 주요 기계 작동 메커니즘에 직접 장착된 센서를 사용하여 실제 분리기 상태를 모니터링합니다. 시스템은 두 개의 마이크로 스위치를 특징으로 하며, 두 번째 마이크로 스위치는 센서와 직접 연결되어 분리기 날의 진정한 물리적 위치를 캡처합니다. 수집된 신호는 센서를 통해 신호 수신기로 전송되며, 이를 통해 데이터가 변전소의 측정 및 제어 시스템으로 전달됩니다. 이 폐루프 전송 메커니즘은 실시간으로 고충실도의 분리기 위치 감지를 가능하게 하여 순차 제어 작업에 대한 신뢰성 있는 위치 검증을 제공합니다.

중앙 허브인 변전소의 측정 및 제어 유닛은 첫 번째 마이크로 스위치(기계 피드백)와 두 번째 마이크로 스위치(센서 기반 피드백)로부터 신호를 수신합니다. 이 두 입력을 통합하고 검증한 후 유닛은 집합된 상태 데이터를 순차 제어 호스트로 전송합니다. 동시에 오류 방지 호스트는 순차 제어 호스트에서 발행된 모든 작업 명령을 교차 검사합니다. 오류 검증을 통과한 후에만 순차 작업이 진행될 수 있습니다.

이 “이중 확인” 메커니즘은 기술적으로 단일 포인트 신호 실패 또는 오류 판단과 관련된 위험을 제거하여 분리기 위치 감지의 신뢰성을 크게 향상시킵니다. 실제 시나리오에서—일상적인 스위칭 작업이나 긴급 상황 반응 동안—이중 확인 분리기는 운영자가 항상 정확한 위치 정보를 받을 수 있도록 하여 오작동을 효과적으로 방지하고 순차 제어 시스템의 안전성과 안정성을 강화합니다.

2.3 실제 적용
110kV 변전소 확장 프로젝트에서 새로운 장비를 기존 순차 제어 시스템에 통합하는 것은 상당한 도전이었습니다—이를 UAV 기술을 통해 효과적으로 해결했습니다. 운영자는 엄격한 비행 매개변수를 준수하여 UAV를 배치했습니다: 120m의 비행 고도는 변전소 전체를 포괄하면서 장비 수준의 세부사항을 유지했으며, 2-5m/s의 비행 속도는 플랫폼의 안정성을 유지하여 선명한 이미지를 얻었고, 2-3초의 노출 간격은 변화하는 조명 조건에 적응하여 고품질 사진을 확보했습니다. 85%의 전방 중첩률과 75%의 측면 중첩률은 견고한 사진측량 처리를 위한 충분한 중복성을 제공했습니다.

고급 사진측량 및 3D 모델링 기술을 사용하여 고해상도 UAV 이미지는 변전소의 정확한 3D 디지털 트윈으로 변환되었습니다. 이 몰입형 공간 모델은 운영 팀이 기존 및 새로 설치된 장비 간의 공간 관계를 정밀하게 분석할 수 있게 했습니다. 순차 제어 절차의 시뮬레이션 중, 운영자는 모델을 활용하여 최적의 운영 경로를 사전 계획하고 정확한 지리공간 좌표를 사용하여 대상 장비를 정확히 식별하여 새 장비 통합에 필요한 초기화 시간을 크게 줄였습니다.

실제로, 이러한 접근법은 프로젝트 팀이 순차 제어 시스템의 통합 및 초기화를 예정보다 3일 앞당겨 완료할 수 있게 했습니다. 이는 전체 프로젝트 일정을 단축시키고 변전소의 지능형 운영으로의 전환을 가속화하여 장기적인 안전하고 신뢰성 있는 성능을 위한 견고한 기반을 마련하였습니다.

이 110kV 변전소의 일상적인 순차 제어 운용 및 유지보수 시나리오에서 분리기 “이중 확인” 메커니즘은 운영의 안전성과 효율성을 보장하는 핵심 보호 장치이며, UAV 기술은 강력한 보조 지원을 제공합니다. 야간 긴급 순차 제어 작업을 예로 들어 설명하면: 운영자가 순차 제어 호스트에서 분리기 열기 명령을 발행한 후, “이중 확인” 장치는 즉시 정밀한 신호 전송 및 검증 메커니즘을 활성화합니다. 장치 내부의 두 개의 마이크로 스위치는 분리기 날 위치 신호를 실시간으로 변전소의 측정 및 제어 유닛으로 전송합니다. 이 유닛은 신호를 통합하고 전처리한 후 순차 제어 호스트로 전송합니다. 동시에 오류 방지 호스트는 작업 명령의 논리적 검증을 수행하며, 오류 방지 호스트가 명령을 유효하다고 확인한 후에야 열기 작업이 실행됩니다.

이 과정에서 UAV도 중요한 역할을 합니다. UAV는 민첩한 비행 능력을 활용하여 변전소 장비, 특히 분리기 영역을 실시간으로 전방위적으로 모니터링합니다. “이중 확인” 장치가 작동하는 동안, UAV는 현장의 실시간 비디오 피드를 제어실로 전송하여 운영자가 추가적인 시각적 참조를 통해 운영의 정확성을 더욱 확보할 수 있도록 합니다.

전통적인 수동 현장 검증과 비교하여 이 통합 접근 방식은 원래 10분이던 작업 시간을 단 3분으로 줄여 효율성을 크게 향상시킵니다. 더 중요한 것은 야간 수동 점검 중 불량한 조명 및 작업자의 피로로 인한 오심판단 위험을 효과적으로 제거한다는 것입니다.

3. 결론
드론 기술은 변전소 순차 제어 작업에 혁신적인 돌파구를 가져왔습니다. 3D 실감 모델을 구축함으로써 새로운 장비를 순차 제어 시스템에 통합하는 효율성을 크게 향상시키고 프로젝트 실행을 가속화합니다. 분리기 "이중 확인" 장치와의 상호 작용을 통해 드론은 장비 운영의 안전성과 정밀도를 크게 개선합니다. 드론 기술이 계속 발전하고 순차 제어 시스템과 더욱 깊게 통합됨에 따라 복잡한 운전 조건 하에서의 적응성과 장비 간 상호 운용성과 같은 도전 과제를 해결할 가능성이 있으며, 변전소 운영을 더욱 지능적이고 신뢰성 있게 발전시키며 전력 시스템의 안정적이고 효율적인 운영을 위한 강력한 기술 지원을 제공합니다.