Zastosowanie technologii dronów w sekwencyjnych operacjach sterowania stacjami elektroenergetycznymi

Wraz z rozwojem technologii inteligentnych sieci elektroenergetycznych, sekwencyjne sterowanie (oparte na SCADA automatyczne przełączanie) w stacjach przekształcających stało się kluczową techniką zapewniającą stabilne działanie systemu energetycznego. Mimo że istniejące technologie sekwencyjnego sterowania zostały szeroko wdrożone, wyzwania związane ze stabilnością systemu w skomplikowanych warunkach operacyjnych oraz wzajemną współpracą sprzętu pozostają istotne. Technologia bezzałogowych statków powietrznych (UAV) – charakteryzująca się zwinnością, mobilnością i możliwościami kontroli bez kontaktu – oferuje innowacyjne rozwiązanie optymalizacji operacji sekwencyjnego sterowania.

Poprzez głęboką integrację funkcji opartych na UAV, takich jak patrol powietrzny i monitorowanie stanu w czasie rzeczywistym, do tradycyjnych systemów sekwencyjnego sterowania, można efektywnie przezwyciężyć ograniczenia ręcznych operacji, umożliwiając precyzyjne, w czasie rzeczywistym postrzeganie stanu sprzętu i znacząco zwiększając niezawodność oraz poziom inteligencji sekwencyjnego sterowania. Badania nad zastosowaniami UAV w sekwencyjnym sterowaniu stacjami przekształcającymi mają duże praktyczne znaczenie dla postępu w rozwoju inteligentnej sieci elektroenergetycznej.

1. Przegląd operacji sekwencyjnego sterowania w stacjach przekształcających
1.1 Definicja
Sekwencyjne sterowanie w stacjach przekształcających odnosi się do zautomatyzowanego, krok po kroku wykonywania serii operacji sprzętu elektrycznego zgodnie z uprzednio zdefiniowanymi procedurami i logicznymi regułami za pomocą systemu sterowania automatycznego. Na przykład, w przypadku operacji transferu linii (przełączania): tradycyjnie, operatorzy muszą ręcznie obsługiwać przełączniki, rozłączniki i inne urządzenia jedno po drugim. W przeciwieństwie do tego, przy sekwencyjnym sterowaniu, operatorzy muszą tylko wydać jedno kompleksowe polecenie z pulpitu monitorowania; system następnie automatycznie i precyzyjnie wykonuje całą sekwencję – taką jak wyłączanie przełącznika liniowego, a następnie otwieranie związanych z nim rozłączników – znacznie upraszczając proces operacyjny.

1.2 Zasady techniczne
Sekwencyjne sterowanie stacji przekształcającej opiera się na zintegrowanym systemie automatycznym składającym się z kluczowych komponentów, takich jak nadzorcze urządzenie główne, jednostki pomiarowo-sterujące i inteligentne terminale. Urządzenie główne służy jako interfejs człowiek-maszyna, odbierające polecenia operatora i konwertujące je na sygnały sterujące. Jednostki pomiarowo-sterujące ciągle zbierają dane operacyjne w czasie rzeczywistym – takie jak prąd, napięcie i pozycja sprzętu – dostarczając zarówno świadomość sytuacyjną dla operatorów, jak i kluczowe wejścia dla decyzji sekwencyjnej logiki. Inteligentne terminale bezpośrednio łączą się z podstawowym sprzętem do wykonywania operacji przełączania i komunikują się z jednostkami pomiarowo-sterującymi i innymi urządzeniami poprzez światłowody lub kable, zapewniając szybkie i dokładne transmisje danych, wspierając bezpieczne i efektywne wykonanie sekwencyjnego sterowania.

1.3 Zalety
1.3.1 Poprawa efektywności operacyjnej
W tradycyjnych operacjach stacji przekształcających, procedury przełączania są obarczone znacznymi nieefektywnościami. Na przykład, podczas operacji transferu linii 220 kV, personel musi wielokrotnie przechodzić między bocznicami, aby zweryfikować identyfikatory sprzętu, potwierdzić statusy i ręcznie obsługiwać przełączniki i rozłączniki. Ze względu na ograniczenia ludzkie, jedna pełna operacja zwykle trwa 2–3 godziny, zużywając znaczne zasoby personelu i niosąc w sobie ryzyko błędów wpływających na efektywność sieci.

Z rozwojem technologii inteligentnej sieci, systemy sekwencyjnego sterowania oferują transformacyjne podejście. Po otrzymaniu polecenia z pulpitu monitorowania, system automatycznie wykonuje całą sekwencję – w tym weryfikację stanu urządzenia, walidację biletu operacyjnego i polecenia przełączania – z prędkością na poziomie milisekund, opierając się na uprzednio zaprogramowanej logice. Dane polowe pokazują, że użycie sekwencyjnego sterowania redukuje czas transferu linii 220 kV do mniej niż 20 minut – co stanowi ponad 80% poprawy w porównaniu do tradycyjnych metod. Ten przełom zwiększa elastyczność operacyjną sieci, umożliwiając szybką rekonfigurację podczas fluktuacji obciążeń i znacznie skracając czas awarii, co z kolei poprawia ogólną niezawodność i jakość dostawy energii.

1.3.2 Wzmocnienie bezpieczeństwa operacyjnego
Ręczne operacje w stacjach przekształcających są podatne na wiele nieprzewidywalnych czynników ludzkich, które stanowią ukryte zagrożenia bezpieczeństwa. Alert operatora jest kluczowy; zmęczenie po nocnych zmianach, na przykład, może prowadzić do błędnej interpretacji etykiet lub wykonania kroków w złej kolejności. Ponadto, umiejętności personelu różnią się – nowo zatrudnieni są znacznie mniej obeznani z złożonymi procedurami niż doświadczeni pracownicy – co zwiększa prawdopodobieństwo błędów. Niekompletne statystyki wskazują, że setki awarii sprzętu stacji przekształcających i incydentów sieciowych rocznie wynikają z błędów ludzkich.

Sekwencyjne sterowanie ustanawia solidną barierę bezpieczeństwa. Przed wykonaniem, wbudowana walidacja logiki rygorystycznie sprawdza każdy krok wobec uprzednio zdefiniowanych reguł bezpieczeństwa i elektrycznych zabezpieczeń. Tylko gdy wszystkie warunki są spełnione, system kontynuuje. Na przykład, podczas energizacji linii, system automatycznie weryfikuje status przełączników i rozłączników; jeśli wykryta zostanie jakakolwiek anomalia, operacja natychmiast zatrzymuje się i wyzwala alarm. To zapobiega poważnym błędom, takim jak otwieranie rozłącznika pod obciążeniem lub zamykanie przepustnika ziemnego pod napięciem, fundamentalnie zmniejszając ryzyko uszkodzenia sprzętu i awarii sieci, zapewniając bezpieczniejsze i stabilniejsze operacje stacji przekształcającej.

1.4 Obecny stan zastosowań
W miarę jak Chiny kontynuują swój projekt inteligentnej sieci, sekwencyjne sterowanie stało się kamieniem węgielnym nowoczesnych operacji stacji przekształcających. W nowo budowanych stacjach, zasady inteligentnego projektowania są teraz standardem, z sekwencyjnym sterowaniem zintegrowanym jako kluczowy moduł funkcjonalny. Na przykład, w Chinach Wschodnich, wskaźnik adopcji sekwencyjnego sterowania w nowych stacjach w ciągu ostatnich pięciu lat osiągnął 95%. W ekonomicznie rozwiniętych miastach, takich jak Shenzhen i Szanghaj, zakres pokrycia przekracza 80% dla stacji 220 kV i wyższych napięć, znacznie zwiększając regionalną efektywność i bezpieczeństwo sieci.

Równocześnie, modernizacja starszych stacji poprzez dodanie inteligentnych możliwości również postępuje z regularnością. W Północnych Chinach, dwudziestoletnia stacja 110 kV została pomyślnie zmodernizowana o funkcjonalność sekwencyjnego sterowania poprzez wymianę inteligentnych jednostek wejścia/wyjścia i zmodernizowanie systemu nadzorczego, znacznie poprawiając efektywność i niezawodność operacyjną.

Jednakże, wraz ze skalowaniem sekwencyjnego sterowania, techniczne ograniczenia stają się widoczne w skomplikowanych scenariuszach. W ekstremalnych warunkach pogodowych, przy wieloliniowych awariach lub nagłych wahaniach obciążenia, system musi przetwarzać ogromne ilości danych w czasie rzeczywistym i wykonywać złożoną logikę, co może prowadzić do opóźnień w reakcji, zatrzymań logiki lub nawet błędnych działań. Ponadto problemy z wzajemną współpracą sprzętu różnych producentów - wynikające z niezgodności protokołów komunikacji, formatów danych i standardów interfejsów - często powodują anormalną transmisję danych lub opóźnione odpowiedzi na polecenia, podważając płynność i dokładność sekwencyjnych operacji.

Aby rozwiązać te problemy, branża energetyczna poszukuje rozwiązań dwutorowych: innowacji technologicznej i standaryzacji. Technicznie algorytmy są optymalizowane, aby poprawić przetwarzanie danych i podejmowanie decyzji w skomplikowanych warunkach. Na froncie standardów skupia się na unifikacji interfejsów komunikacyjnych i protokołów, aby poprawić wzajemną współpracę między różnymi producentami.

W tym kontekście technologia drona - oferując elastyczność manewrowania, różnorodne kąty widzenia i bezkontaktowe czujniki - prezentuje innowacyjną ścieżkę do wzmocnienia sekwencyjnego sterowania. Podczas sekwencyjnych operacji drony mogą przeprowadzać dynamiczny monitorowanie w czasie rzeczywistym stanu sprzętu za pomocą wielospektralnego obrazowania, termografii infraczerwonej i innych zaawansowanych technik, umożliwiając precyzyjne pobieranie parametrów i szybkie wykrywanie anomalii. Ta实时终止，看来我之前的翻译被意外中断了。让我继续完成剩余部分的翻译。

Ta实时终止，看来我之前的翻译被意外中断了。让我继续完成剩余部分的翻译。

Ta zwrotna informacja w czasie rzeczywistym efektywnie wspiera inteligentne podejmowanie decyzji w systemach sekwencyjnego sterowania, podnosząc inteligencję i niezawodność operacji sieci energetycznej.

2. Zastosowanie technologii dronów w sekwencyjnym sterowaniu elektrownią
2.1 Budowa realistycznego modelu 3D elektrowni za pomocą technologii dronów
Integracja technologii dronów w celu budowy wiernego cyfrowego bliźniaka 3D elektrowni reprezentuje bardzo innowacyjny i praktyczny postęp w sekwencyjnym sterowaniu. Wyposażone w kamery wysokiej precyzji, drony mogą przeprowadzać kompleksowe lotnicze pomiary z wielu wysokości i kątów, uchwyt zarówno ogólnego układu, jak i szczegółów kluczowego sprzętu. To generuje bogaty zestaw danych obrazowych niezbędnych do dokładnego modelowania 3D. Aby zapewnić spójność danych i geometryczną dokładność, misje lotnicze muszą ścisłe przestrzegać określonych parametrów operacyjnych dronów, takich jak przedstawione w Tabeli 1.

Spośród tych parametrów wysokość lotu została ustawiona na 120 m – wysokość ta zapewnia, że UAV przechwytuje obrazy obejmujące całą stację elektroenergetyczną, zachowując jednocześnie wystarczającą szczegółowość. Prędkość lotu jest kontrolowana w zakresie 2–5 m/s, aby utrzymać stabilność UAV podczas lotu i zapobiec rozmyciu ruchu spowodowanemu nadmierną prędkością. Interwał ekspozycji ustawiono na 2–3 sekundy, co umożliwia uzyskanie stałej jasności obrazu i niezawodnej jakości przy różnych warunkach oświetlenia. 

Nakładanie się przód-z tył na poziomie 85% oraz nakładanie się boczne na poziomie 75% gwarantują odpowiednio dużą powierzchnię pokrycia pomiędzy sąsiednimi zdjęciami, zapewniając niezbędną redundancję do kolejnego zszywania obrazów i modelowania 3D. Ogniskowa obiektywu kamery mieści się w zakresie od 35 do 50 mm, w parze z czujnikiem o wysokiej rozdzielczości 6048 × 4032 piksele, skutecznie przechwytując subtelne szczegóły różnorodnych urządzeń stacji elektroenergetycznej. Dodatkowo, dystans próbkowania naziemnego (GSD) wynoszący 1,5 cm/piksel zapewnia, że każdy piksel odpowiada dokładnie rzeczywistym wymiarom na powierzchni ziemi, znacząco poprawiając dokładność przestrzenną.

Ścisłe przestrzeganie tych parametrów lotu pozwala na pozyskanie przez UAV obrazów o wysokiej jakości, które – po przetworzeniu za pomocą profesjonalnego oprogramowania fotogrametrycznego obejmującego zszywanie, fuzję i rekonstrukcję 3D – generują wysoce realistyczny i szczegółowy cyfrowy model dwuwykładnikowy (digital twin) stacji. Ten model dostarcza intuicyjnych i dokładnych informacji przestrzennych dla operacji sterowania sekwencyjnego, umożliwiając operatorom jasne zrozumienie układu i stanu urządzeń, tworząc tym samym solidne podstawy dla precyzyjnego wykonania automatycznych sekwencji przełączania.

2.2 Wdrożenie „podwójnego potwierdzenia” pozycji rozłącznika na stacjach elektroenergetycznych
Urządzenie „podwójnego potwierdzenia” dla rozłączników pełni kluczową rolę w weryfikacji pozycji wyłącznika. Wykorzystuje czujniki zamontowane bezpośrednio na głównym mechanizmie napędu mechanicznego w celu monitorowania rzeczywistego stanu rozłącznika. System wyposażony jest w dwa mikrowyłączniki: drugi mikrowyłącznik jest bezpośrednio połączony z czujnikiem i odpowiada za przechwycenie rzeczywistej fizycznej pozycji ostrza rozłącznika. Zebrany sygnał jest przesyłany przez czujnik do odbiorcy sygnału, który następnie przekazuje dane do systemu pomiarowego i sterowania stacji. Ten mechanizm transmisji zamkniętej pętli umożliwia detekcję pozycji rozłącznika w czasie rzeczywistym i o wysokiej wierności, oferując niezawodne potwierdzenie pozycji dla operacji sterowania sekwencyjnego.

Jako centralny węzeł, jednostka pomiarowa i sterowania stacji otrzymuje sygnały zarówno od pierwszego mikrowyłącznika (informacja mechaniczna), jak i przetworzonego sygnału z drugiego mikrowyłącznika (informacja oparta na czujniku). Po integracji i walidacji tych dwóch źródeł danych jednostka przesyła zebrane informacje o stanie do hosta sterowania sekwencyjnego. Jednocześnie host zapobiegający błędom sprawdza krzyżowo wszystkie polecenia operacyjne wysyłane przez hosta sterowania sekwencyjnego. Dopiero po przejściu tej weryfikacji antybłędowej może zostać wykonana operacja sekwencyjna.

Mechanizm „podwójnego potwierdzenia” technicznie eliminuje ryzyko związane z pojedynczym punktem awarii sygnału lub błędnej oceny, znacznie poprawiając niezawodność wykrywania pozycji rozłącznika. W rzeczywistych scenariuszach – zarówno podczas rutynowych operacji przełączania, jak i reakcji awaryjnych – rozłącznik z funkcją podwójnego potwierdzenia zapewnia operatorom zawsze dokładne informacje o pozycji, skutecznie zapobiegając błędnym działaniom i wzmacniając bezpieczeństwo oraz stabilność systemów sterowania sekwencyjnego.

2.3 Zastosowanie praktyczne
W ramach projektu rozbudowy stacji 110 kV integracja nowego sprzętu z istniejącym systemem sterowania sekwencyjnego stawiała przed zespołem znaczne wyzwania – wyzwania te zostały skutecznie rozwiązane dzięki zastosowaniu technologii UAV. Operatorzy uruchomili UAV zgodnie z surowymi parametrami lotu: wysokość lotu 120 m zapewniła kompleksowe objęcie terenu stacji przy jednoczesnym zachowaniu szczegółowości na poziomie urządzeń; prędkość lotu 2–5 m/s utrzymywała stabilność platformy, zapewniając ostre obrazy; interwał ekspozycji 2–3 sekundy umożliwiał dostosowanie się do zmieniających się warunków oświetlenia, by zagwarantować zdjęcia wysokiej jakości. Dzięki 85% nakładaniu się przód-tył i 75% nakładaniu się bocznemu zestaw danych zapewnił wystarczającą redundancję dla niezawodnego przetwarzania fotogrametrycznego.

Za pomocą zaawansowanych technik fotogrametrii i modelowania 3D obrazy o wysokiej rozdzielczości pozyskane przez UAV zostały przekształcone w dokładny trójwymiarowy model cyfrowy stacji. Ten immersyjny model przestrzenny umożliwił zespołowi operacyjnemu dokładną analizę relacji przestrzennych między istniejącym a nowo zainstalowanym sprzętem. Podczas symulacji procedur sterowania sekwencyjnego operatorzy korzystali z modelu do zaplanowania optymalnych ścieżek operacyjnych i precyzyjnego identyfikowania docelowych urządzeń przy użyciu dokładnych współrzędnych geoprzestrzennych – co znacznie skróciło czas uruchamiania nowego sprzętu.

W praktyce podejście to pozwoliło zespołowi projektowemu na zakończenie integracji i uruchomienia systemu sterowania sekwencyjnego trzy dni wcześniej niż planowano. Nie tylko skróciło to całkowity harmonogram projektu, ale również przyspieszyło transformację stacji ku inteligentnej eksploatacji, zakładając solidne podstawy dla jej bezpiecznego i niezawodnego działania na dłuższą metę.

W codziennych scenariuszach eksploatacji i konserwacji sterowania sekwencyjnego w tej stacji 110 kV mechanizm „podwójnego potwierdzenia” rozłącznika pełni kluczową rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa i efektywności operacji, podczas gdy technologia UAV świadczy istotne wsparcie pomocnicze. Weźmy jako przykład nocną awaryjną operację sterowania sekwencyjnego: po wydaniu przez operatora polecenia otwarcia rozłącznika z hosta sterowania sekwencyjnego, urządzenie „podwójnego potwierdzenia” natychmiast aktywuje swój precyzyjny mechanizm transmisji i weryfikacji sygnałów. Dwa mikrowyłączniki wewnątrz urządzenia przesyłają w czasie rzeczywistym sygnały dotyczące pozycji ostrza rozłącznika do jednostki pomiarowej i sterowania stacji. Jednostka ta integruje i przetwarza wstępnie sygnały, zanim przekaże je do hosta sterowania sekwencyjnego. Jednocześnie host zapobiegający błędom wykonuje weryfikację logiczną polecenia operacyjnego; dopiero po potwierdzeniu ważności polecenia przez hosta zapobiegającego błędom operacja otwarcia może zostać wykonana.

Podczas tego procesu UAV również odgrywa istotną rolę. Korzystając ze swojej zdolności szybkiego manewrowania, UAV prowadzi rzeczywisty, kompleksowy monitoring sprzętu stacji – z szczególnym uwzględnieniem obszaru rozłącznika. Gdy urządzenie „podwójnego potwierdzenia” działa, UAV przesyła na żywo obraz wideo z miejsca zdarzenia do pokoju sterowania, zapewniając operatorom dodatkowy wizualny punkt odniesienia, który jeszcze bardziej zwiększa dokładność operacji.

W porównaniu z tradycyjną ręczną weryfikacją na miejscu, ta zintegrowana metoda zmniejsza czas operacji z pierwotnych 10 minut do zaledwie 3 minut, znacznie zwiększając efektywność. Co ważniejsze, skutecznie eliminuje ryzyko błędnej oceny spowodowanej złym oświetleniem i zmęczeniem operatora podczas nocnych ręcznych kontroli.

3.Podsumowanie
Technologia dronów przyniosła innowacyjne przełomy w operacjach sekwencyjnego sterowania stacjami transformatorowymi. Poprzez tworzenie realistycznych modeli 3D, efektywnie zwiększa wydajność integracji nowego sprzętu do systemów sekwencyjnego sterowania i przyspiesza implementację projektów. Pracując w sinergii z urządzeniami „podwójnej weryfikacji” odłączników, drony znacznie poprawiają bezpieczeństwo i precyzję operacji sprzętu. W miarę jak technologia dronów nadal się rozwija i coraz głębiej integruje z systemami sekwencyjnego sterowania, ma potencjał do dalszego rozwiązywania wyzwań takich jak adaptacja do złożonych warunków eksploatacyjnych i wzajemna kompatybilność sprzętu, ciągle posuwając operacje stacji transformatorowych w kierunku większej inteligencji i niezawodności, a także zapewniając solidne wsparcie techniczne dla stabilnej i efektywnej pracy systemów energetycznych.