Användning av UAV-teknik i sekvensstyrd operation av elkraftverk

Med framsteg i smarta nätteknologier har sekventiell styrning (SCADA-baserad automatiserad växling) i ombordningsstationer blivit en kärnteknik för att säkerställa stabil drift av elkraftsystem. Trots att existerande sekventiella styrtillämpningar har ett brett utbud, återstår utmaningar relaterade till systemstabilitet under komplexa driftsätt och utrustningsinteroperabilitet som betydande. UAV-teknik (odrönare) - karakteriserad av sin smidighet, rörlighet och kontaktfria inspektionsförmåga - erbjuder en innovativ lösning för att optimera sekventiella styrningsoperationer.

Genom att djupt integrera UAV-baserade funktioner som flygpatrullering och realtidsövervakning av tillstånd i traditionella sekventiella styrsystem kan begränsningarna hos manuella operationer effektivt övervinnas, vilket möjliggör precis, realtidsbaserad uppfattning om utrustningstillstånd och signifikant ökar både tillförlitligheten och intelligensnivån av sekventiell styrning. Forskning om UAV-tillämpningar i sekventiell styrning i ombordningsstationer har betydande praktisk betydelse för att främja utvecklingen av smarta nät.

1.Översikt av sekventiella styrningsoperationer i ombordningsstationer
1.1 Definition
Sekventiell styrning i ombordningsstationer hänvisar till den automatiserade, steg-för-steg genomförandet av en serie elektriska utrustningsoperationer enligt fördefinierade procedurer och logiska regler via ett automatiserat styrsystem. Som exempel på busstransfer (växling): traditionellt måste operatörer manuellt bedriva strömbrytare, kopplare och andra enheter en efter en. I kontrast med detta, med sekventiell styrning, behöver operatörer endast ge ett enda sammanfattande kommando från övervakningsarbetsstationen; systemet utför sedan automatiskt och korrekt hela sekvensen - som att släcka en linjeströmbrytare följt av att öppna associerade kopplare - vilket drastiskt förenklar arbetsflödet.

1.2 Tekniska principer
Ombordningsstationens sekventiella styrning bygger på ett integrerat automatiserat system bestående av viktiga komponenter inklusive övervakningsvärd, mät- och styrenheter samt intelligenta terminaler. Övervakningsvärdet fungerar som gränssnitt mellan människa och maskin, tar emot operatörens kommandon och omvandlar dem till exekverbart styrsignal. Mät- och styrenheter samlar kontinuerligt in realtidsdriftsdata - som ström, spänning och utrustningsposition - vilket ger både situationell medvetenhet för operatörerna och kritiska ingångar för sekventiella logiska beslut. Intelligenta terminaler kommunicerar direkt med primärutrustningen för att utföra växlingsoperationer och kommunicerar med mät- och styrenheter samt andra enheter via fiberoptik eller kablar, vilket säkerställer snabb och korrekt dataöverföring för att stödja säker och effektiv sekventiell styrning.

1.3 Fördelar
1.3.1 Förbättrad driftseffektivitet
I traditionella ombordningsstationer lider växlingsprocedurer av märkbara ineffektiviteter. Till exempel, under en 220 kV busstransfer måste personalen upprepade gånger röra sig mellan celler för att verifiera utrustnings-ID:n, bekräfta statusar och manuellt bedriva strömbrytare och kopplare. På grund av mänskliga begränsningar tar en fullständig operation vanligtvis 2–3 timmar, vilket kräver betydande mänskliga resurser och innebär inbyggda risker för fel som påverkar nätets effektivitet.

Med utvecklingen av smarta nätteknologier erbjuder sekventiella styrsystem en transformatorisk metod. När systemet får ett kommando från övervakningsbackenden, utför det automatiskt hela sekvensen - inklusive verifiering av utrustningsstatus, validering av arbetsticket och växlingskommandon - med millisekundsnivå hastighet baserat på förprogrammerad logik. Fältdata visar att användning av sekventiell styrning reducerar tiden för 220 kV busstransfer till under 20 minuter - en mer än 80% förbättring jämfört med traditionella metoder. Denna genombrott förbättrar nätets driftsmöjligheter, möjliggör snabb rekonfiguration vid belastningsfluktuationer och förkortar betydligt avbrottsduretioner vid fel, vilket leder till en förbättrad allmän eldistributionstillförlitlighet och kvalitet.

1.3.2 Förbättrad driftsäkerhet
Manuella ombordningsstationer är utsatta för många oförutsägbara mänskliga faktorer som utgör dolda säkerhetsrisker. Operatörens uppmärksamhet är avgörande; trötthet efter nattskift, till exempel, kan leda till felaktig läsning av etiketter eller utförande av steg i fel ordning. Dessutom varierar kunskapsnivåer bland personalen - nya anställda är långt mindre bekanta med komplexa procedurer än erfarna personal - vilket ökar sannolikheten för misstag. Inkompletta statistik indikerar att hundratals ombordningsstationer och nätincidenter årligen orsakas av mänskligt fel.

Sekventiell styrning etablerar en robust säkerhetsbarriär. Innan exekvering, utför inbyggd logikvalidering noggrant kontrollerar varje steg mot fördefinierade säkerhets- och elektriska låsregler. Endast när alla villkor är uppfyllda kommer systemet att fortsätta. Till exempel, under linjeenergifiering, verifierar systemet automatiskt statusen för strömbrytare och kopplare; om någon anomal identifieras, stoppas operationen omedelbart och en larm utlöses. Detta förhindrar allvarliga fel som att öppna en kopplare under belastning eller stänga en jordningskoppling medan den är energifierad, vilket i grunden minskar risken för utrustningsskador och nätolyckor, och garanterar säkrare, mer stabila ombordningsstationer.

1.4 Aktuell tillämpningsstatus
Medan Kina fortsätter att främja sitt initiativ för smarta nät har sekventiell styrning blivit en hörnsten i modern ombordningsstationer. I nybyggda ombordningsstationer är intelligenta designprinciper nu standard, med sekventiell styrning integrerad som en kärnfunktional modul. Till exempel, i östra Kina, har antagningsgraden av sekventiell styrning i nya ombordningsstationer de senaste fem åren nått 95%. I ekonomiskt utvecklade städer som Shenzhen och Shanghai, täcker täckningen över 80% för 220 kV och högre spänningsombordningsstationer, vilket betydligt ökar regional nätseffektivitet och säkerhet.

Samtidigt går moderniseringen av äldre ombordningsstationer med intelligenta funktioner också framåt. I norra Kina, har en 20 år gammal 110 kV ombordningsstation framgångsrikt uppgraderats med sekventiell styrning genom ersättning av intelligenta I/O-enheter och modernisering av övervakningssystemet, vilket markant förbättrar driftseffektivitet och tillförlitlighet.

När sekventiell kontroll skalar upp blir tekniska flaskhalsar i komplexa scenarier alltmer uppenbara. Under extrema väderförhållanden, flera linjefel eller plötsliga lastsvängningar måste systemet bearbeta stora mängder realtidsdata och utföra komplicerad logik, vilket kan leda till svarstider, logisk stagnering eller till och med felaktiga åtgärder. Dessutom orsakar samverkansproblem mellan utrustning från olika leverantörer—på grund av oenigheter i kommunikationsprotokoll, dataformat och gränssnittsstandarder—ofta oregelbunden dataöverföring eller försenade svarsreaktioner, vilket undergräver slätheten och noggrannheten i sekventiella operationer.

För att möta dessa utmaningar söker energisektorn lösningar på två spår: teknisk innovation och standardisering. Tekniskt sett optimeras algoritmer för att förbättra databeläggning och beslutsfattande under komplexa förhållanden. På standardsidan fokuserar ansträngningarna på att ena kommunikationsgränssnitt och protokoll för att förbättra korsleverantörs-samverkan.

I detta sammanhang erbjuder UAV-teknik—med flexibel manövrerbarhet, mångsidiga vinklar och icke-kontaktmässig sensorik—en innovativ väg för att förbättra sekventiell kontroll. Under sekventiella operationer kan UAV:er utföra realtid dynamisk övervakning av utrustningsstatus med hjälp av multispektral bildning, infraröd termografi och andra avancerade tekniker, vilket möjliggör exakt parametervinster och snabb anomalidetektering. Denna realtidsfeedback stödjer effektivt smartare beslutsfattande i sekventiella kontrollsystem, vilket höjer intelligens och tillförlitlighet i elnätsoperationer.

2. Användning av UAV-teknik i sekventiell kontroll av anläggningar
2.1 Byggandet av en 3D-realistisk modell av anläggningen med hjälp av UAV-teknik
Integration av UAV-teknik för att bygga en högprecision 3D-digital tvilling av en anläggning representerar en mycket innovativ och praktisk framsteg inom sekventiell kontroll. Utrustade med högprecision kameror av kartografisk klass kan UAV:er genomföra omfattande flygbaserade inspektioner från flera höjder och vinklar, som fångar både det totala layouten och de fina detaljerna av kritisk utrustning. Detta genererar en rik uppsättning av högupplösta bilder som är nödvändiga för korrekt 3D-modellering. För att säkerställa datatrogenhet och geometrisk precision måste flygmisioner strikt följa angivna UAV-operativa parametrar, som specificeras i Tabell 1.

Bland dessa parametrar är flyghöjden satt till 120 m—en höjd som säkerställer att drönaren fångar bilder som täcker hela understationen samtidigt som den bibehåller tillräcklig detaljklarhet. Flyghastigheten styrs mellan 2–5 m/s för att hålla drönaren stabil under flygning och förhindra rörelseoskärpa orsakad av för hög hastighet. Exponeringstiden är satt till 2–3 sekunder, vilket möjliggör konsekvent bildljusstyrka och pålitlig kvalitet under varierande belysningsförhållanden.

En framåtöverlappning på 85% och en sidöverlappning på 75% garanterar tillräckligt med överlappande områden mellan intilliggande bilder, vilket ger nödvändig redundans för efterföljande bildsammansättning och 3D-modellering. Kameralinsens brännvidd ligger mellan 35 och 50 mm, kombinerat med en högupplöst sensor på 6 048 × 4 032 pixlar, vilket effektivt fångar fina detaljer av olika understationsutrustning. Dessutom säkerställer en markmätpunktdistans (GSD) på 1,5 cm/pixel att varje pixel exakt motsvarar en verklig dimension på marken, vilket betydligt ökar rumslig precision.

Genom att strikt följa dessa flygparametrar får drönaren in högkvalitativa bilder som—efter bearbetning i professionell fotogrammetrisk programvara som involverar sammansättning, fusion och 3D-rekonstruktion—ger ett mycket realistiskt och detaljerat 3D-digitalt tvillingpar av understationen. Detta modell ger intuitiv och exakt rumslig referensinformation för sekventiella styrningsoperationer, vilket möjliggör för operatörer att tydligt förstå utrustningslayout och status, därigenom lägger en solid grund för noggrann genomförandet av automatiserade växlingssekvenser.

2.2 Implementering av "Dubbel bekräftelse" för isolatorposition i understationer
Enheter för "dubbel bekräftelse" av isolatorer fungerar som en viktig komponent för att verifiera spakposition. De använder sensorer monterade direkt på den primära mekaniska drivmekanismen för att övervaka den faktiska isolatorstatusen. Systemet har två mikrokontakter: den andra mikrokontakten är direkt kopplad till sensorn och ansvarar för att registrera den sanna fysiska positionen av isolatorbladet. Det insamlade signalen skickas via sensorn till en signalsignal, som sedan vidarebefordrar datan till understationens mät- och styrsystem. Denna slutna transmissionssystem möjliggör realtidsbaserad, högfidelitetsdetektering av isolatorpositioner, vilket erbjuder pålitlig positionsvalidering för sekventiella styrningsoperationer.

Som central nod tar understationens mät- och styrenhets emot signaler från både den första mikrokontakten (mekanisk återkoppling) och den bearbetade signalen från den andra mikrokontakten (sensorbaserad återkoppling). Efter integrering och validering av dessa dubbla ingångar skickar enheten det samlade statusdatat till sekventiell styrhuvud. Samtidigt utför en anti-misshandelshuvud logisk granskning av alla styrkommandon utfärdade av sekventiell styrhuvud. Endast efter att ha passerat denna anti-felgranskning kan sekventiell operation fortsätta.

Detta "dubbla bekräftelsesystem" eliminerar tekniskt risker associerade med ensidig signalfel eller felbedömning, vilket dramatiskt förbättrar pålitligheten av isolatorpositionsidentifiering. I praktiska scenarion—antingen under rutinmässiga växlingsoperationer eller nödsituationer—säkerställer den dubbla bekräftelseisolatorn att operatörer alltid får korrekt positionsinformation, vilket effektivt förhindrar misshändelser och stärker säkerheten och stabiliteten i sekventiella styrsystem.

2.3 Praktisk tillämpning
I ett utbyggande projekt på en 110 kV-understation, innebar integration av ny utrustning i det befintliga sekventiella styrsystemet betydande utmaningar—utmaningar som effektivt hanterades genom drönarteknik. Operatörer satte in drönarer enligt strikta flygparametrar: en flyghöjd på 120 m säkerställde fullständig täckning av understationen samtidigt som den bevarade utrustningsnivådetaljer; en flyghastighet på 2–5 m/s bibehöll plattformsstabilitet för skarpa bilder; och en exponeringstid på 2–3 sekunder anpassade sig till föränderliga ljusförhållanden för att säkerställa högkvalitativa fotografier. Med 85% framåtöverlappning och 75% sidöverlappning gav datasettet tillräcklig redundans för robust fotogrammetrisk bearbetning.

Med hjälp av avancerad fotogrammetri och 3D-modelleringsteknik transformerades de högupplösta drönarbilderna till en exakt 3D-digital tvilling av understationen. Detta immersiva rumsliga modell tillät operationsgruppen att precist analysera rumsliga relationer mellan äldre och nyligen installerad utrustning. Under simulering av sekventiella styrprocedurer använde operatörerna modellen för att förplanera optimala driftsbana och identifiera målutrustning med exakta geografiska koordinater—vilket drastiskt förkortade inkörsprocessen för integration av ny utrustning.

I praktiken gjorde detta tillvägagångssätt att projektgruppen kunde slutföra integration och inkörsprocess av sekventiellt styrsystem tre dagar före tidsplan. Detta förkortade inte bara det totala projektet men också accelererade understationens övergång mot intelligenta drift, vilket etablerade en solid grund för dess säkra och pålitliga långsiktiga prestanda.

I dagliga sekventiella styr- och underhållsscenarioer för denna 110 kV-understation, tjänar isolatorns "dubbla bekräftelse" mekanism som den centrala säkerhetsgaranten för driftsäkerhet och effektivitet, medan drönartekniken ger starkt stöd. Som ett exempel på en nattlig nödsituation vid sekventiell styrning: efter att operatörer utfärdar ett isolatoröppningskommando från sekventiell styrhuvud, aktiverar "dubbla bekräftelsen" omedelbart sin exakta signaltransmission och verifieringsmekanism. De två mikrokontakterna i enheten skickar isolatorbladets positions signaler i realtid till understationens mät- och styrunit. Den här enheten integrerar och förbehandlar signalerna innan de vidarebefordras till sekventiell styrhuvud. Samtidigt utför anti-misshandelshuvud logisk verifiering av driftskommandot; endast efter att anti-misshandelshuvud bekräftar kommandot som giltigt kan öppningsoperationen utföras.

Under denna process spelar drönaren också en viktig roll. Genom att utnyttja sin smidiga flygkapacitet genomför drönaren realtidsövervakning av understationsutrustning—särskilt fokuserad på isolatorområdet. Medan "dubbla bekräftelsen" enheten är i drift, skickar drönaren live videoströmmar tillbaka till kontrollrummet, vilket ger operatörer en ytterligare visuell referens för att ytterligare säkerställa driftsprecision.

Jämfört med traditionell manuell på plats-verifikation minskar denna integrerade metod operationstiden från de ursprungliga 10 minuterna till bara 3 minuter, vilket betydligt förbättrar effektiviteten. Det viktigaste är dock att den effektivt eliminerar risken för felbedömning orsakad av dålig belysning och operatörsuttröttning under nattliga manuella kontroller.

3.Slutord
UAV-teknik har gett innovativa genombrott inom sekvenskontroll av stationer. Genom att skapa 3D-realitetsmodeller, ökar det effektiviteten i integrationen av ny utrustning i sekvenskontrollsystem och accelererar projektgenomförandet. När UAV-ar fungerar i samverkan med kopplingsdispositiv för "dubbel bekräftelse", förbättras säkerheten och precisionen i utrustningsoperationer betydligt. Medan UAV-tekniken fortsätter att utvecklas och blir mer djupt integrerad i sekvenskontrollsystem, lovar det att ytterligare hantera utmaningar som anpassbarhet under komplexa driftsätt och utrustningsinteroperabilitet, och ständigt främja substationers drift mot större intelligens och tillförlitlighet, samt ge stark teknisk support för stabila och effektiva kraftsystemoperationer.