Применение технологии беспилотных летательных аппаратов в последовательных операциях управления подстанциями

С развитием технологий интеллектуальных сетей последовательное управление (на основе автоматизированного переключения SCADA) в подстанциях стало ключевой технологией для обеспечения стабильной работы энергосистемы. Несмотря на широкое внедрение существующих технологий последовательного управления, проблемы, связанные со стабильностью системы в сложных условиях эксплуатации и взаимодействием оборудования, остаются значительными. Технология беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), характеризующаяся своей маневренностью, мобильностью и возможностями бесконтактного обследования, предлагает инновационное решение для оптимизации операций последовательного управления.

Глубокая интеграция функций, основанных на БПЛА, таких как воздушное патрулирование и мониторинг состояния в реальном времени, в традиционные системы последовательного управления позволяет эффективно преодолеть ограничения ручных операций, обеспечивая точное, реальное восприятие состояния оборудования и значительно повышая надежность и уровень интеллектуализации последовательного управления. Исследования применения БПЛА в последовательном управлении подстанциями имеют большое практическое значение для продвижения развития интеллектуальных сетей.

1. Обзор операций последовательного управления в подстанциях
1.1 Определение
Последовательное управление в подстанциях означает автоматическое, шаг за шагом выполнение серии операций с электрооборудованием в соответствии с предопределенными процедурами и логическими правилами через систему автоматического управления. В качестве примера можно привести операции по переключению шин: традиционно операторы должны вручную управлять выключателями, разъединителями и другими устройствами по одному. В отличие от этого, при последовательном управлении операторам достаточно отправить одну комплексную команду с рабочего места оператора; система затем автоматически и точно выполняет всю последовательность — например, отключение линейного выключателя, за которым следует открытие соответствующих разъединителей — что значительно упрощает рабочий процесс.

1.2 Технические принципы
Последовательное управление подстанцией основано на интегрированной автоматической системе, состоящей из ключевых компонентов, включая диспетчерский сервер, измерительные и контрольные блоки, а также интеллектуальные терминалы. Диспетчерский сервер служит интерфейсом между человеком и машиной, принимая команды операторов и преобразуя их в исполняемые сигналы управления. Измерительные и контрольные блоки непрерывно собирают оперативные данные в реальном времени, такие как ток, напряжение и положение оборудования, предоставляя как ситуационную осведомленность для операторов, так и важные входные данные для принятия решений по последовательной логике. Интеллектуальные терминалы непосредственно взаимодействуют с первичным оборудованием для выполнения операций переключения и обмениваются данными с измерительными/контрольными блоками и другими устройствами через оптоволоконные кабели или провода, обеспечивая быструю и точную передачу данных для поддержки безопасного и эффективного выполнения последовательного управления.

1.3 Преимущества
1.3.1 Повышение эффективности операций
В традиционных операциях подстанций процедуры переключения страдают от значительной неэффективности. Например, во время операции по переключению шин на 220 кВ персонал должен многократно перемещаться между ячейками, чтобы проверить идентификаторы оборудования, подтвердить состояния и вручную управлять выключателями и разъединителями. Из-за человеческих ограничений одна полная операция обычно занимает 2–3 часа, потребляя значительные трудовые ресурсы и неся в себе скрытые риски ошибок, которые влияют на эффективность сети.

С развитием технологий интеллектуальных сетей системы последовательного управления предлагают преобразующий подход. После получения команды от диспетчерского центра система автоматически выполняет всю последовательность, включая проверку состояния оборудования, проверку оперативного журнала и команды переключения, с миллисекундной скоростью на основе заранее запрограммированной логики. Полевые данные показывают, что использование последовательного управления сокращает время переключения шин на 220 кВ до менее чем 20 минут — это более чем 80% улучшение по сравнению с традиционными методами. Этот прорыв повышает гибкость операций сети, позволяя быстро перенастраивать сеть во время колебаний нагрузки и значительно сокращая продолжительность отключений при авариях, тем самым улучшая общую надежность и качество электроснабжения.

1.3.2 Усиление безопасности операций
Ручные операции на подстанциях подвержены многочисленным непредсказуемым человеческим факторам, которые создают скрытые риски безопасности. Критически важно бдительность оператора; усталость после ночных смен, например, может привести к неверному чтению маркировок или выполнению шагов в неправильном порядке. Кроме того, уровень квалификации персонала различается — новые сотрудники гораздо менее знакомы с сложными процедурами, чем опытные специалисты, что увеличивает вероятность ошибок. Неполные статистические данные указывают, что сотни отказов оборудования подстанций и инцидентов в сети ежегодно происходят из-за человеческой ошибки.

Последовательное управление устанавливает прочный барьер безопасности. Перед выполнением встроенная логическая проверка тщательно проверяет каждый шаг на соответствие предопределенным правилам безопасности и электрической блокировки. Система продолжит работу только тогда, когда будут удовлетворены все условия. Например, во время подачи напряжения на линию система автоматически проверяет состояние выключателей и разъединителей; если обнаруживается какая-либо аномалия, операция немедленно прекращается и активируется сигнал тревоги. Это предотвращает серьезные ошибки, такие как открытие разъединителя под нагрузкой или закрытие заземляющего выключателя при наличии напряжения, фундаментально снижая риск повреждения оборудования и аварий в сети, обеспечивая более безопасную и стабильную работу подстанций.

1.4 Текущее состояние применения
По мере того как Китай продолжает развивать свою инициативу по интеллектуальным сетям, последовательное управление стало основой современных операций подстанций. В новых подстанциях принципы интеллектуального проектирования теперь являются стандартом, с интеграцией последовательного управления в качестве ключевого функционального модуля. Например, в Восточном Китае за последние пять лет процент использования последовательного управления в новых подстанциях достиг 95%. В экономически развитых городах, таких как Шэньчжэнь и Шанхай, охват превышает 80% для подстанций 220 кВ и выше, значительно повышая региональную эффективность и безопасность сети.

В то же время, модернизация старых подстанций с интеллектуальными возможностями также прогрессирует стабильно. В Северном Китае 20-летняя подстанция 110 кВ была успешно модернизирована с функцией последовательного управления путем замены интеллектуальных блоков ввода-вывода и модернизации системы управления, что значительно повысило эффективность и надежность операций.

Однако по мере увеличения масштабов последовательного управления технические бутылочные горлышки в сложных сценариях становятся все более очевидными. В условиях экстремальной погоды, многочисленных аварий на линиях или внезапных колебаний нагрузки система должна обрабатывать огромные объемы данных в реальном времени и выполнять сложную логику, что может привести к задержкам в ответах, остановкам логики или даже ошибочным действиям. Кроме того, проблемы взаимодействия между оборудованием различных производителей — из-за несоответствий в протоколах связи, форматах данных и стандартах интерфейсов — часто вызывают аномалии в передаче данных или задержки в ответах на команды, подрывая гладкость и точность последовательных операций.

Для решения этих проблем энергетическая отрасль стремится к двойному решению: технологическому инновационному развитию и стандартизации. С технологической точки зрения оптимизируются алгоритмы для улучшения обработки данных и принятия решений в сложных условиях. В области стандартов усилия сосредоточены на унификации коммуникационных интерфейсов и протоколов для повышения взаимодействия между оборудованием различных производителей.

В этом контексте технологии беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), предлагающие гибкую маневренность, разнообразные углы обзора и бесконтактное датирование, представляют собой инновационный путь для улучшения последовательного управления. Во время последовательных операций БПЛА могут выполнять динамический мониторинг состояния оборудования в реальном времени, используя многозональное сканирование, инфракрасную термографию и другие передовые методы, обеспечивая точное получение параметров и быстрое обнаружение аномалий. Эта обратная связь в реальном времени эффективно поддерживает более умное принятие решений в системах последовательного управления, повышая интеллектуальность и надежность операций энергосистемы.

2. Применение технологий БПЛА в последовательном управлении подстанциями
2.1 Построение 3D реалистичной модели подстанции с использованием технологий БПЛА
Интеграция технологий БПЛА для создания высокоточной 3D цифровой копии подстанции представляет собой высокоинновационное и практичное развитие в области последовательного управления. Оснащенные высокоточными камерами геодезического класса, БПЛА могут проводить всесторонние аэрофотосъемки с различных высот и углов, захватывая как общую планировку, так и детали критически важного оборудования. Это создает богатый набор данных из высококачественных изображений, необходимых для точного 3D моделирования. Для обеспечения согласованности данных и геометрической точности полетные миссии должны строго соблюдать указанные параметры эксплуатации БПЛА, как подробно описано в таблице 1.

Среди этих параметров высота полета установлена на уровне 120 м — это высота, которая обеспечивает съемку всего подстанции беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) при сохранении достаточной четкости деталей. Скорость полета контролируется в пределах от 2 до 5 м/с для стабилизации БПЛА во время полета и предотвращения размытия изображения, вызванного чрезмерной скоростью. Интервал экспозиции установлен на 2-3 секунды, что позволяет поддерживать постоянную яркость изображения и надежное качество при различных условиях освещения.

Перекрытие впереди на 85% и боковое перекрытие на 75% обеспечивают достаточную область перекрытия между соседними изображениями, предоставляя необходимое резервирование для последующего сшивания изображений и создания 3D модели. Фокусное расстояние объектива камеры составляет от 35 до 50 мм, а датчик высокого разрешения 6,048 × 4,032 пикселей эффективно захватывает мелкие детали различных устройств подстанции. Кроме того, пространственное разрешение (GSD) 1,5 см/пиксель обеспечивает точное соответствие каждого пикселя реальным размерам на земле, значительно повышая пространственную точность.

Строгое соблюдение этих параметров полета позволяет БПЛА получать высококачественные изображения, которые после обработки через профессиональное программное обеспечение фотограмметрии, включающее сшивание, фьюжн и 3D реконструкцию, создают высоко детализированную 3D цифровую модель подстанции. Эта модель предоставляет интуитивно понятную и точную пространственную информацию для последовательных операций управления, позволяя операторам четко понимать расположение и состояние оборудования, тем самым создавая прочную основу для точного выполнения автоматизированных последовательностей коммутации.

2.2 Реализация «двойного подтверждения» положения выключателя на подстанциях
Устройство «двойного подтверждения» для выключателей является важным компонентом для проверки положения выключателя. Оно использует датчики, установленные непосредственно на основной механический механизм управления, для мониторинга фактического состояния выключателя. Система включает два микропереключателя: второй микропереключатель напрямую связан с датчиком и отвечает за захват истинного физического положения лезвия выключателя. Собранная информация передается через датчик приемнику сигнала, который затем отправляет данные в систему измерения и контроля подстанции. Этот замкнутый цикл передачи данных позволяет осуществлять реальное, высокоточное обнаружение положения выключателей, обеспечивая надежное подтверждение положения для последовательных операций управления.

В качестве центрального узла блок измерения и контроля подстанции получает сигналы как от первого микропереключателя (механическая обратная связь), так и от обработанного сигнала второго микропереключателя (обратная связь на основе датчика). После интеграции и проверки этих двух входов блок отправляет сводные данные о состоянии в хост последовательного управления. Одновременно хост противодействия ошибкам проверяет все команды, выпущенные хостом последовательного управления. Только после прохождения этой проверки на наличие ошибок может быть выполнена последовательная операция.

Этот механизм «двойного подтверждения» технически исключает риски, связанные с отказом одного сигнала или ошибкой в определении, значительно повышая надежность обнаружения положения выключателей. В реальных условиях, будь то при обычных операциях переключения или при экстренных ситуациях, двойное подтверждение выключателя обеспечивает операторам всегда точную информацию о положении, эффективно предотвращая ошибочные действия и укрепляя безопасность и стабильность систем последовательного управления.

2.3 Практическое применение
В рамках проекта расширения 110 кВ подстанции интеграция нового оборудования в существующую систему последовательного управления представляла значительные вызовы, которые были успешно решены с помощью технологии БПЛА. Операторы использовали БПЛА, следуя строгим параметрам полета: высота полета 120 м обеспечивала всестороннее покрытие подстанции, сохраняя детализацию уровня оборудования; скорость полета 2-5 м/с поддерживала стабильность платформы для четких изображений; интервал экспозиции 2-3 секунды адаптировался к изменяющимся условиям освещения, обеспечивая высококачественные фотографии. С перекрытием впереди 85% и боковым перекрытием 75% набор данных предоставлял достаточное резервирование для надежной фотограмметрической обработки.

Используя передовые методы фотограмметрии и 3D моделирования, высококачественные изображения, полученные с помощью БПЛА, были преобразованы в точную 3D цифровую модель подстанции. Эта иммерсивная пространственная модель позволила операционной команде точно анализировать пространственные отношения между старым и новым оборудованием. Во время симуляции последовательных операций управления операторы использовали модель для предварительного планирования оптимальных маршрутов и точного определения целевых устройств с использованием точных геопространственных координат, что значительно сократило время ввода нового оборудования в эксплуатацию.

На практике этот подход позволил проектной команде завершить интеграцию и ввод в эксплуатацию системы последовательного управления на три дня раньше запланированного срока. Это не только сократило общее время проекта, но и ускорило переход подстанции к интеллектуальной эксплуатации, создав прочную основу для ее безопасной и надежной долгосрочной работы.

В ежедневных операциях последовательного управления и обслуживания этой 110 кВ подстанции, механизм «двойного подтверждения» выключателей служит ключевым средством обеспечения безопасности и эффективности операций, тогда как технология БПЛА предоставляет мощную вспомогательную поддержку. Примером может служить ночная аварийная операция последовательного управления: после того, как операторы отправляют команду открытия выключателя с хоста последовательного управления, устройство «двойного подтверждения» немедленно активирует свой точный механизм передачи и проверки сигналов. Два микропереключателя внутри устройства передают сигналы о положении лезвия выключателя в реальном времени в блок измерения и контроля подстанции. Этот блок интегрирует и предварительно обрабатывает сигналы, прежде чем передать их хосту последовательного управления. Одновременно хост противодействия ошибкам выполняет логическую проверку команды; только после подтверждения хостом противодействия ошибкам команды как допустимой может быть выполнена операция открытия.

Во время этого процесса БПЛА также играет значительную роль. Используя свои маневренные возможности, БПЛА проводит реальное, всестороннее наблюдение за оборудованием подстанции, особенно сосредотачиваясь на области выключателей. В то время как устройство «двойного подтверждения» работает, БПЛА передает живые видеопотоки с места событий в диспетчерскую, предоставляя операторам дополнительное визуальное справочное средство для дальнейшего обеспечения точности операций.

По сравнению с традиционной ручной проверкой на месте интегрированный подход сокращает время операции с первоначальных 10 минут до всего 3 минут, что значительно повышает эффективность. Более того, он эффективно устраняет риск ошибочного суждения, вызванного плохим освещением и усталостью оператора при ночных ручных проверках.

3.Заключение
Технология беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) принесла инновационные прорывы в последовательное управление подстанциями. Создание трехмерных реалистичных моделей эффективно повышает эффективность интеграции нового оборудования в системы последовательного управления и ускоряет реализацию проектов. При работе в синергии с устройствами «двойного подтверждения» разъединителей, БПЛА значительно улучшают безопасность и точность операций с оборудованием. По мере дальнейшего развития технологии БПЛА и ее более глубокой интеграции с системами последовательного управления, она обещает решить такие проблемы, как адаптивность в сложных условиях эксплуатации и взаимодействие оборудования, постоянно продвигая операции на подстанциях к большей интеллектуальности и надежности, а также предоставляя мощную техническую поддержку для стабильной и эффективной работы энергетических систем.