Uporaba tehnologije UAV v zaporednih krmilnih operacijah preobrazovalnic

S pomočjo napredka tehnologij pametnih omrežij je zaporedna kontrola (SCADA-bazirana avtomatska preklopljanja) v preobrazovalnicah postala ključna tehnika za zagotavljanje stabilnega delovanja sistemov oskrbe s struje. Čeprav so obstoječe tehnologije zaporedne kontrole široko uporabljene, ostajajo veliki izzivi, povezani z stabilnostjo sistema pri kompleksnih pogojih delovanja in združljivostjo opreme. Tehnologija neomščenih letal (UAV) - znana po svoji hitrosti, mobilnosti in sposobnosti neposrednega pregleda - ponuja inovativno rešitev za optimizacijo operacij zaporedne kontrole. 

Z globoko integracijo UAV-baziranih funkcij, kot so zračni patroliranje in časovno-ustrezen nadzor stanja, v tradicionalne sisteme zaporedne kontrole, se lahko učinkovito premagajo omejitve ročnih operacij, kar omogoča točno, real-time spoznavanje stanja opreme in bistveno izboljša zanesljivost in inteligentnost zaporedne kontrole. Raziskave uporabe UAV-jev v zaporedni kontroli preobrazovalnic imajo velik praktični pomen za napredek razvoja pametnih omrežij.

1.Pregled operacij zaporedne kontrole v preobrazovalnicah
1.1 Definicija
Zaporedna kontrola v preobrazovalnicah se nanaša na avtomatsko, korak za korakom, izvajanje serije električnih operacij glede na preddefinirane postopke in logične pravile preko sistema avtomatske kontrole. Kot primer lahko vzamemo prenos moči (preklopljanje): tradicionalno morajo operatorji ročno operirati preklopnike, ločevalke in druge naprave eno za drugo. V nasprotju s tem, pri zaporedni kontroli, operatorji potrebujejo le izdajo enega celostnega ukaza s nadzorne postaje; sistem potem samodejno in točno izvede celoten zaporedni postopek - na primer, odpiranje preklopnika linije, sledi odpiranje pripadajočih ločeval - kar bistveno poenostavi operacijski tok.

1.2 Tehnični principi
Zaporedna kontrola preobrazovalnic temelji na integriranem avtomatskem sistemu, sestavljenem iz ključnih komponent, kot so nadzorna postaja, merilna in kontrolna enota ter pametni terminali. Nadzorna postaja služi kot ljudsko-strojno vmesnik, sprejemajoč ukaze operatorjev in jih pretvarjajo v izvedljive kontrolne signale. Merilne in kontrolne enote zbirajo real-time operacijske podatke - kot so tok, napetost in položaj opreme - pružajo situacijsko svestnost za operatorje in ključne vnose za odločitve zaporedne logike. Pametni terminali se neposredno povezujejo z primarno opremo za izvajanje preklopljanskih operacij in komunicirajo z merilnimi/kontrolnimi enotami in drugimi napravami preko vlaken ali kabelov, kar zagotavlja hitro in točno prenoso podatkov za podporo varnemu in učinkovitemu izvajanju zaporedne kontrole.

1.3 Prednosti
1.3.1 Izboljšana operacijska učinkovitost
V konvencionalnih operacijah preobrazovalnice so postopki preklopljanja obremenjeni z opaznimi neučinkovitostmi. Na primer, med prenosom moči 220 kV morajo osebje večkrat prehajati med bokovi, da bi preverili ID-jepremi, potrdili stanja in ročno operirali preklopnike in ločevalke. Zaradi ljudskih omejitev tipično traja ena popolna operacija 2-3 ure, kar povzroča veliko porabo človeških virov in nosi znotraj sebe tveganje za napake, ki vplivajo na učinkovitost omrežja.

Z napredkom tehnologij pametnih omrežij, sistemi zaporedne kontrole ponujajo transformacijski pristop. Po prejemu ukaza s nadzorne postaje, sistem samodejno izvede celoten zaporedni postopek - vključno z preverjanjem stanja naprav, validacijo operacijskega listka in ukaze za preklopljanje - na hitrosti v milisekundah, temelječi na predprogramirani logiki. Poljski podatki kažejo, da uporaba zaporedne kontrole zmanjša čas prenosa moči 220 kV na manj kot 20 minut - to je več kot 80% izboljšanje glede na tradicionalne metode. Ta skok naprej izboljša fleksibilnost operacij omrežja, omogoča hitro rekonfiguracijo med fluktuacijami obremenitve in bistveno skračuje trajanje odrezov med odpornostmi, kar izboljša celotno zanesljivost in kakovost oskrbe s struje.

1.3.2 Izboljšana operacijska varnost
Ročne operacije v preobrazovalnicah so ranljive na mnogo nepredvidljivih ljudskih dejavnikov, ki predstavljajo skrite tveganja za varnost. Ostra pozornost operatorjev je ključna; utrujenost zaradi nočnih zmajev, na primer, lahko vodi do napačnega branja oznak ali izvajanja korakov izven zaporedja. Poleg tega se stopnje znanja med osebjem razlikujejo - novonastali zaposleni so daleč manj seznanjeni s kompleksnimi postopki kot izkušeni delavci - kar povečuje verjetnost napak. Nezačasni statistiki kažejo, da vsako leto stotine odpornosti opreme in incidentov v omrežju izvirajo iz ljudskih napak.

Zaporedna kontrola vzpostavlja trdno varnostno oviro. Pred izvajanjem jo vgrajena logična validacija strogo preverja vsak korak glede na preddefinirane varnostne in električne zaklepe. Sistem se premakne naprej le, ko so izpolnjeni vsi pogoji. Na primer, med energiziranjem linije, sistem samodejno preverja stanje preklopnikov in ločeval; če je zaznana kakšna nenormalnost, operacija takoj ustavi in sproži alarm. To prepreči hude napake, kot je odpiranje ločeval pod obremenitvijo ali zapiranje zemljenja, ko je napeta, kar temeljito zmanjša tveganje za poškodbo opreme in incidentov v omrežju, ter zagotavlja varnejše in stabilnejše operacije v preobrazovalnicah.

1.4 Trenutno stanje uporabe
S tem, ko Kitajska nadaljuje svojo pobudo pametnih omrežij, je zaporedna kontrola postala temelj sodobnih operacij v preobrazovalnicah. V novogradnjih preobrazovalnic je zdaj standardna inteligentna načela dizajna, z zaporedno kontrolom integrirano kot ključno funkcionalno modulom. Na primer, v Vzhodni Kitajski je stopnja uporabe zaporedne kontrole v novih preobrazovalnicah v zadnjih petih letih doseglj 95%. V gospodarsko razvitih mestih, kot sta Šenzen in Šanghaj, je pokritost presegla 80% za preobrazovalnice 220 kV in višje napetosti, kar bistveno poveča regionalno učinkovitost in varnost omrežja.

Medtem napreduje tudi posodabljanje starejših preobrazovalnic s inteligentnimi sposobnostmi. V Severni Kitajski je 20-letna 110 kV preobrazovalnica uspešno posodobljena z funkcionalnostjo zaporedne kontrole z zamenjavo inteligentnih vhodno/izhodnih enot in modernizacijo nadzornega sistema, kar bistveno izboljša operacijsko učinkovitost in zanesljivost.

Vendar se s povečevanjem sekvenčnega nadzora postajajo tehnične ovire v kompleksnih situacijah očitnejše. V ekstremnih vremenskih razmerah, pri večlinijskih napakah ali nenadnih spremembah obremenitve mora sistem obdelovati ogromne količine realnega časa podatkov in izvajati zapleteno logiko, kar lahko vodi v zakasnitev odziva, ustavitev logike ali celo napačne akcije. Poleg tega so težave združljivosti med opremo različnih proizvajalcev zaradi neustreznosti v komunikacijskih protokolih, formatih podatkov in standardih vmesnikov pogosto vzrok za nepravilno prenos podatkov ali zakasnitev odgovorov na ukaze, s tem pa zmanjšujejo gladkost in točnost sekvenčnih operacij.

Za reševanje teh izzivov se električna industrija usmerja v dvostranska rešitve: tehnološke inovacije in standardizacijo. Tehnično gledano se optimizirajo algoritmi za izboljšanje obdelave podatkov in odločanja v kompleksnih pogojih. Na strani standardov se poskusi usmerjajo v enotnost komunikacijskih vmesnikov in protokolov za izboljšanje združljivosti med proizvajalci.

V tem kontekstu ponuja tehnologija UAV, ki omogoča prilagodljivo manevrabilnost, raznolike vidne kote in nekontaktno senziranje, inovativno pot za izboljšanje sekvenčnega nadzora. Med sekvenčnimi operacijami lahko UAV-ji izvajajo realnovečno dinamično spremljanje stanja opreme z uporabo večspektralne slikarice, infrardečih termografskih tehnik in drugih naprednih metod, s tem omogočajo točno zajemanje parametrov in hitro zaznavanje anomalij. Ta realnovečna povratna informacija učinkovito podpira pametnejše odločanje v sistemih sekvenčnega nadzora, kar povečuje inteligentnost in zanesljivost delovanja električnih omrežij.

2. Uporaba tehnologije UAV v sekvenčnem nadzoru podstani
2.1 Izgradnja 3D realističnega modela podstani z uporabo tehnologije UAV
Vključevanje tehnologije UAV za izgradnjo visoko točnega 3D digitalnega dvoinca podstani predstavlja zelo inovativen in praktičen napredek v sekvenčnem nadzoru. Oprena s kameralami visoke točnosti, lahko UAV-ji izvajajo popolne zračne pregledovanja z več različnih višin in kotov, zajemajoče celotno razpostavljanje in finere podrobnosti ključne opreme. To ustvari bogat nabor podatkov visoke ločljivosti, ki je bistven za točno 3D modeliranje. Za zagotovitev konzistentnosti in geometrijske točnosti podatkov morajo letne misije strogo slediti določenim operativnim parametrom UAV, kot je podrobno opisano v Tabeli 1.

Med temi parametri je letalna višina nastavljena na 120 m — višina, ki zagotavlja, da UAV zajame sliko, ki pokriva celo podstavbo, hkrati pa ohranja dovolj podrobnosti. Hitrost letenja se kontrolira med 2–5 m/s, da se UAV ob letu ohranja stabilen in prepreči zamegljenost zaradi prevelike hitrosti. Interval izpostavljenosti je nastavljen na 2–3 sekunde, kar omogoča konzistentno svetlost slike in zanesljivo kakovost pri različnih svetlobnih pogoji.

Napredek 85 % in stranski prekriv 75 % zagotavljata dovolj prekrivnih območij med sosednjimi slikami, kar prinaša potrebno redundantnost za nadaljnje združevanje slik in 3D modeliranje. Gorična dolžina objektiva kamere sega od 35 do 50 mm, kombinirana z visokorazreznim senzorjem 6,048 × 4,032 pikslov, učinkovito zajema podrobne podatke različnega opremarja podstavbe. Dodatno zagotavlja gostota vzorčenja (GSD) 1,5 cm/pikslov, da vsak pikslov točno ustrezno realni dimenziji na tleh, kar znatno poveča prostorsko natančnost.

S strogo upoštevanjem teh letalnih parametrov UAV zajame visokokakovostne slike, ki po obdelavi z profesionalnim programskim opremo za fotogrametrijo, vključno z združevanjem, združitvijo in 3D rekonstrukcijo, prinaša zelo realističen in podroben 3D digitalni dvojnik podstavbe. Ta model prinaša intuitivne in natančne prostorske referenčne informacije za zaporedne operativne postopke, omogoča operatorjem jasno razumevanje razporeditve opreme in stanja, tako da postavlja trdno osnovo za natančno izvajanje avtomatskih preklopov.

2.2 Uvod "dvojnega potrditve" položaja preklopnika v podstavbah
"Dvojno potrditev" naprave za preklopnike predstavlja ključni sestavni del za preverjanje položaja preklopnika. Uporablja senzorje, nameščene neposredno na glavni mehanski delovalni mehanizem, za spremljanje dejanskega stanja preklopnika. Sistem vključuje dva mikroventila: drugi mikroventil je neposredno povezan z senzorjem in je odgovoren za zajemanje resničnega fizičnega položaja ležišča preklopnika. Zbrani signal se prenese preko senzorja do sprejemnika signala, ki ga nato prenese do merilnega in nadzornega sistema podstavbe. Ta zaprti zanke prenosni mehanizem omogoča časovno in visoko vernostno zaznavanje položaja preklopnikov, kar prinaša zanesljivo poziciono preverjanje za zaporedne operativne postopke.

Kot centralni hub merilni in nadzorni enotni sistem podstavbe prejme signale od prvih mikroventilov (mehanska povratna informacija) in obdelanega signala od drugega mikroventila (senzorska povratna informacija). Po integraciji in preverjanju teh dveh vhodov enota pošlje združene statusne podatke na glavno postajo zaporednega nadzora. Hkrati anti-nesporazumna postaja preverja vse operacijske ukaze, ki jih izda glavna postaja zaporednega nadzora. Le po preverjanju proti nesporazumu lahko zaporedna operacija nadaljuje.

Ta "dvojno potrditveni" mehanizem tehnično eliminira tveganja, povezana z neuspehom ali nesporazumom enega signala, kar znatno izboljša zanesljivost zaznavanja položaja preklopnika. V realnih situacijah, ali gre za redne preklope ali hitre odzive, dvojno potrden preklopnik zagotavlja operatorjem vedno točne informacije o položaju, učinkovito preprečuje nesporazume in krepi varnost in stabilnost zaporednih nadzornih sistemov.

2.3 Praktična uporaba
V razširitvenem projektu 110 kV podstavbe je integracija nove opreme v obstoječi zaporedni nadzorni sistem predstavljala veliko izzive, ki so bili učinkovito rešeni z uporabo tehnologije UAV. Operatorji so uporabili UAV-e, ki so sledili strogim letalnim parametrom: letalna višina 120 m je zagotovila popolno pokritost podstavbe, hkrati pa ohranila podrobne podatke o opremi; hitrost letenja 2–5 m/s je ohranjala stabilnost platforme za ostre slike; interval izpostavljenosti 2–3 sekundi se je prilagodil spremenjenim svetlobnim pogoji, da bi zagotovil visokokakovostne fotografije. Z 85% napredujočim prekrivom in 75% stranskim prekrivom je podatkovni set prinesel dovolj redundantnosti za močno fotogrametrično obdelavo.

Z uporabo naprednih fotogramtričnih in 3D modelirnih tehnik so visokorazreznice UAV-ja pretvorile v natančen 3D digitalni dvojnik podstavbe. Ta učinkovito prostorski model je omogočil operativni ekipi, da točno analizira prostorske odnose med naslednjo in novo nameščeno opremo. Med simulacijo zaporednih nadzornih postopkov so operatorji uporabili model za predhodno načrtovanje optimalnih operativnih poti in točno identifikacijo ciljnih naprav z natančnimi geoprostorskimi koordinatami, kar je znatno zmanjšalo čas za komisije nove opreme.

Na praktični ravni je ta pristop omogočil projektni ekipi, da je dokončala integracijo in komisijo zaporednega nadzornega sistema tri dni pred rokom. To ni le skrajšalo celotni projekt, ampak pospešilo prehod podstavbe k pametnemu delovanju, gradijo trdno osnovo za njeno varno in zanesljivo dolgoročno delovanje.

V vsakdanjih zaporednih nadzornih operativnih in vzdrževalnih situacijah te 110 kV podstavbe, "dvojno potrditveni" mehanizem preklopnika služi kot ključni varnostni element za operativno varnost in učinkovitost, medtem ko tehnologija UAV-ja prinaša močno pomoč. Kot primer vzamimo nočno hitro zaporedno nadzorno operacijo: po izdaji ukaza za odpiranje preklopnika z glavne postaje zaporednega nadzora, "dvojno potrditvena" naprava takoj aktivira svoj točen mehanizem prenosa in preverjanja signala. Dva mikroventila znotraj naprave prenesejo signale o položaju ležišča preklopnika v realnem času do merilnega in nadzornega sistema podstavbe. Ta enota integrira in predobdeluje signale, preden jih pošlje na glavno postajo zaporednega nadzora. Hkrati anti-nesporazumska postaja izvaja logično preverjanje operacijskega ukaza; le po potrditvi ukaza kot veljavnega anti-nesporazumska postaja lahko izvede odpiranje.

Med tem procesom igra UAV pomembno vlogo. S svojimi hitrinskimi letalskimi sposobnostmi UAV izvaja realnočasno, vsestransko spremljanje opreme podstavbe, z posebnim poudarkom na območju preklopnika. Med delovanjem "dvojno potrditvene" naprave UAV prenaša žive video prenose nazaj v kontrolo, ki prinaša operatorjem dodatno vizualno referenco, da še bolj zagotovi operativno točnost.

V primerjavi z tradicionalno ročno preverjanjem na mestu ta integrirani pristop zmanjša čas operacije z izvirnih 10 minut na le 3 minute, kar znatno poveča učinkovitost. Še pomembneje, učinkovito odpravlja tveganje napačnega sodovanja, ki je povzročeno slabo razsvetljenostjo in utrujenostjo operatorja med nočnim ročnim preverjanjem.

3.Zaključek
Tehnologija UAV-jev je prinesla inovativne skoki v zaporedno kontrolo delovanja podstacionih naprav. Z gradnjo 3D realističnih modelov učinkovito poveča učinkovitost vključevanja nove opreme v sisteme zaporedne kontrole in pospešuje izvajanje projektov. V sodelovanju z odskočnimi napravami za »dvojno potrditev« UAV-ji znatno izboljšajo varnost in natančnost operacij z opremo. S tem, ko se tehnologija UAV-jev nadalje razvija in se globlje integrira z sistemi zaporedne kontrole, ima veliko obljub za reševanje izzivov, kot so prilagodljivost pri kompleksnih pogojih delovanja in združljivost opreme, z nadaljnjo napredovanjem operacij podstacionih naprav k večji inteligentnosti in zanesljivosti, ter zagotavljanjem močne tehnične podpore za stabilno in učinkovito delovanje sistemov oskrbe z električno energijo.