Застосування технології БПЛА у послідовних керуючих операціях підстанцій

З появою технологій розумної мережі послідовне керування (автоматизоване комутування на основі SCADA) на підстанціях стало ключовою технологією для забезпечення стабільної роботи енергетичної системи. Хоча існуючі технології послідовного керування широко впроваджуються, проблеми, пов'язані зі стабільністю системи у складних умовах роботи та взаємодією обладнання, залишаються значними. Технологія безпілотних літальних апаратів (БПЛА), яка характеризується гнучкістю, мобільністю та можливостями неруйнівного контролю, пропонує інноваційний підхід для оптимізації операцій послідовного керування.

Глибоке включення функцій на основі БПЛА, таких як авіаційний патруль та реального часу моніторинг стану, до традиційних систем послідовного керування дозволяє ефективно подолати обмеження ручних операцій, забезпечуючи точну, реального часу сприйняття стану обладнання та значно підвищуючи надійність та рівень інтелектуальності послідовного керування. Дослідження застосування БПЛА в послідовному керуванні на підстанціях має значну практичну важливість для розвитку розумних електромереж.

1.Огляд операцій послідовного керування на підстанціях
1.1 Визначення
Послідовне керування на підстанціях — це автоматичне, крок за кроком, виконання серії операцій електрообладнання згідно з попередньо визначеними процедурами та логічними правилами через систему автоматизованого керування. Наприклад, при переключенні шин: традиційно оператори повинні вручну керувати вимикачами, роз'єднуючими пристроями та іншими пристроями один за одним. Замість цього, зі послідовним керуванням, операторам потрібно лише видати одну загальну команду з робочого місця моніторингу; система автоматично та точно виконує весь процес — наприклад, відключення лінійного вимикача, за яким слідує відкриття пов'язаних роз'єднуючих пристроїв — що значно спрощує робочий процес.

1.2 Технічні принципи
Послідовне керування на підстанціях базується на інтегрованій системі автоматизації, яка складається з ключових компонентів, включаючи головний пристрій керування, модулі вимірювання та керування, та інтелектуальні термінали. Головний пристрій керування служить як інтерфейс людина-машина, отримуючи команди операторів та перетворюючи їх на виконувані сигнали керування. Модулі вимірювання та керування постійно збирають актуальні дані про роботу — такі як струм, напруга та положення обладнання — забезпечуючи ситуаційну свідомість для операторів та ключові входи для рішень щодо послідовної логіки. Інтелектуальні термінали безпосередньо взаємодіють з первинним обладнанням для виконання комутаційних операцій та зв'язуються з модулями вимірювання/керування та іншими пристроями через волоконно-оптичні кабелі або кабелі, забезпечуючи швидке та точне передачу даних для підтримки безпечного та ефективного виконання послідовного керування.

1.3 Переваги
1.3.1 Покращена ефективність роботи
У традиційних операціях на підстанціях, процедури комутації страждають від значних неефективностей. Наприклад, під час переключення шин на 220 кВ, персонал повинен багато разів переміщатися між секціями, щоб перевірити ідентифікатори обладнання, підтвердити стани та вручну керувати вимикачами та роз'єднуючими пристроями. Через обмеження людини, одне завершене операція типово займає 2–3 години, споживаючи значну кількість людських ресурсів і несучи внутрішні ризики помилок, що впливають на ефективність мережі.

З розвитком технологій розумної мережі, системи послідовного керування пропонують перетворювальний підхід. Отримуючи команду з панелі моніторингу, система автоматично виконує весь процес — включаючи перевірку стану пристроїв, валідацію операційних квитків та команди комутації — зі швидкістю на рівні мілісекунд на основі запрограмованої логіки. Полеві дані показують, що використання послідовного керування зменшує час переключення шин на 220 кВ до менше ніж 20 хвилин — більше ніж 80% покращення в порівнянні з традиційними методами. Цей прорив підвищує гнучкість операцій мережі, дозволяючи швидку переконфігурацію під час коливань навантаження та значно скорочуючи тривалість відключень під час аварій, що підвищує загальну надійність та якість поставок електроенергії.

1.3.2 Покращена безпека роботи
Ручні операції на підстанціях підвержені численним непередбачуваним людським факторам, що становлять приховані ризики безпеки. На чолі стоять бдительність операторів; втома від ночних змін, наприклад, може призвести до невірного прочитання міток або виконання кроків у неправильному порядку. Крім того, рівень навичок змінюється серед персоналу — новоприбулі набагато менше знайомі зі складними процедурами, ніж досвідчені працівники — що збільшує ймовірність помилок. Неповні статистичні дані показують, що сотні аварій обладнання на підстанціях та інцидентів в мережі щорічно виникають через людську помилку.

Послідовне керування створює надійний бар'єр безпеки. Перед виконанням, вбудована логічна валідація детально перевіряє кожен крок на відповідність попередньо визначеним правилам безпеки та електричних інтерлоків. Система продовжує роботу тільки після задоволення всіх умов. Наприклад, під час живлення лінії, система автоматично перевіряє стани вимикачів та роз'єднуючих пристроїв; якщо будь-які аномалії виявлені, операція немедля зупиняється та активується сигнал тривоги. Це запобігає важливим помилкам, таким як відкриття роз'єднуючого пристрою під навантаженням або закриття заземлюючого пристрою при живленні, фундаментально знижуючи ризик пошкодження обладнання та аварій в мережі, забезпечуючи безпечніші, більш стабільні операції на підстанціях.

1.4 Поточний стан застосування
З поступовим розвитком ініціативи розумної мережі в Китаї, послідовне керування стало кутовим каменем сучасних операцій на підстанціях. У новобудованих підстанціях, принципи інтелектуального проектування тепер є стандартом, з послідовним керуванням, встроєним як ключовий функціональний модуль. Наприклад, у Східному Китаї, темп прийняття послідовного керування в нових підстанціях за останні п'ять років досяг 95%. У економічно розвинених містах, таких як Шеньчжень та Шанхай, покриття перевищує 80% для підстанцій на 220 кВ та вище, значно підвищуючи ефективність та безпеку регіональної мережі.

Також стабільно прогресує модернізація старих підстанцій з інтелектуальними можливостями. У Північному Китаї, 20-річна підстанція на 110 кВ була успішно оновлена з функціональністю послідовного керування через заміну інтелектуальних I/O-модулів та модернізацію системи керування, значно підвищуючи ефективність та надійність операцій.

Однак, зі збільшенням масштабів послідовного керування, технічні узяти становляться очевидними в складних сценаріях. У крайніх погодних умовах, при багатолінійних аваріях або несподіваних коливаннях навантаження, система повинна обробляти величезні обсяги реального часу даних та виконувати складну логіку, що може призвести до затримок у відповіді, зупинки логіки або навіть помилкових дій. Крім того, проблеми взаємодії між обладнанням різних виробників — через несумісність комунікаційних протоколів, форматів даних та стандартів інтерфейсу — часто призводять до аномального передавання даних або затримки відповідей на команди, підриваючи гладкість та точність послідовних операцій.

Для вирішення цих проблем енергетична галузь шукає двосторонні рішення: технологічні інновації та стандартизація. З точки зору технологій, оптимізуються алгоритми для поліпшення обробки даних та прийняття рішень у складних умовах. На фронті стандартів зусилля спрямовані на єднання комунікаційних інтерфейсів та протоколів для покращення взаємодії між різними виробниками.

У цьому контексті технологія БПЛА, яка пропонує гнучку маневреність, різні кути перегляду та безконтактне зондування, представляє інноваційний шлях для підвищення ефективності послідовного керування. Під час послідовних операцій БПЛА можуть виконувати реальні часові динамічні моніторинг статусу обладнання за допомогою мультиспектрального зображення, інфрачервоного термографічного зображення та інших передових технологій, що дозволяє точне отримання параметрів та швидке виявлення аномалій. Ця реальна відгук ефективно підтримує розумніше прийняття рішень в системах послідовного керування, підвищуючи інтелектуальність та надійність операцій електромережі.

2. Застосування технології БПЛА в послідовному керуванні підстанціями
2.1 Створення 3D реалістичної моделі підстанції за допомогою технології БПЛА
Інтеграція технології БПЛА для створення високоточної 3D цифрової подвійної підстанції представляє собою дуже інноваційний та практичний прогрес у послідовному керуванні. Обладнані високоточними камерами геодезичного класу, БПЛА можуть проводити всебічні повітряні огляди з різних висот та кутів, фіксуючи як загальну планировку, так і деталі важливого обладнання. Це створює багатий набір високороздільних зображень, необхідних для точного 3D моделювання. Для забезпечення консистентності даних та геометричної точності, місії польотів повинні строго дотримуватися визначених параметрів операцій БПЛА, як детально описано в таблиці 1.

Серед цих параметрів, висота польоту встановлюється на 120 м — це висота, яка забезпечує захоплення зображення, що охоплює весь підстанцію, одночасно зберігаючи достатню деталізацію. Швидкість польоту контролюється в межах 2–5 м/с, щоб зберегти стабільність БПЛА під час польоту і запобігти розмиттю, спричиненому надмірною швидкістю. Інтервал експозиції встановлюється на 2–3 секунди, що дозволяє зберігати постійну яскравість зображення та надійне якість у різних світлових умовах.

Передній перекриття 85% і бічне перекриття 75% гарантує достатні зони перекриття між сусідніми зображеннями, забезпечуючи необхідну надлишковість для подальшого з’єднання зображень та 3D моделювання. Фокусна відстань об’єктиву камери становить від 35 до 50 мм, а високороздільний сенсор 6,048 × 4,032 пікселів ефективно захоплює дрібні деталі різного обладнання підстанції. Додатково, просторове розділення (GSD) 1,5 см/піксель забезпечує, що кожен піксель точно відповідає реальним розмірам на землі, значно покращуючи просторову точність.

Строго дотримуючись цих параметрів польоту, БПЛА отримує високоякісні зображення, які після обробки професійним програмним забезпеченням для фотограметрії, включаючи з’єднання, фузію та 3D реконструкцію, дають дуже реалістичну та деталізовану 3D цифрову модель підстанції. Ця модель надає інтуїтивну та точну просторову референтну інформацію для послідовного керування, дозволяючи операторам чітко розуміти розташування та стан обладнання, що створює міцну основу для точного виконання автоматизованих комутаційних послідовностей.

2.2 Реалізація «подвійного підтвердження» положення відокремлювача на підстанціях
«Подвійне підтвердження» пристрою для відокремлювачів є важливим компонентом для перевірки положення включника. Він використовує датчики, встановлені безпосередньо на основному механічному оперативному механізмі, для моніторингу фактичного стану відокремлювача. Система має два мікро-вимикачу: другий мікро-вимикач напряму пов'язаний з датчиком і відповідає за захоплення справжнього фізичного положення ламели відокремлювача. Зібрані сигнали передаються через датчик до приймача сигналів, який потім пересилає дані до системи вимірювання та керування підстанції. Цей замкнений механізм передачі дозволяє реального часу, високоякісне виявлення положення відокремлювачів, надаючи надійне підтвердження положення для послідовного керування.

Як центральний хаб, система вимірювання та керування підстанції отримує сигнали як від першого мікро-вимикачу (механічний зворотний зв’язок), так і оброблений сигнал від другого мікро-вимикачу (заснований на датчику). Після інтеграції та перевірки цих двох входів, одиниця надсилає сумарні дані про стан до головного пристрою послідовного керування. Одночасно, головний пристрій проти помилкових операцій перевіряє всі команди, видані головним пристроєм послідовного керування. Лише після проходження цієї перевірки на помилки може бути проведена послідовна операція.

Цей механізм «подвійного підтвердження» технічно усуває ризики, пов'язані з відмовою одного сигналу або невірним судженням, значно покращуючи надійність виявлення положення відокремлювача. У реальних умовах, незалежно від того, чи йдеться про звичайні комутаційні операції, чи відповідь на аварійні ситуації, подвійне підтвердження відокремлювача забезпечує операторів точними даними про положення, ефективно запобігаючи помилковим операціям та підсилюючи безпеку та стабільність систем послідовного керування.

2.3 Практичне застосування
У рамках проекту розширення 110 кВ підстанції, інтеграція нового обладнання в існуючу систему послідовного керування представляла значні виклики, які були ефективно вирішені за допомогою технології БПЛА. Оператори використовували БПЛА, строго дотримуючись параметрів польоту: висота польоту 120 м забезпечувала повне покриття підстанції, зберігаючи деталі обладнання; швидкість польоту 2–5 м/с зберігала стабільність платформи для чітких зображень; і інтервал експозиції 2–3 секунди адаптувався до змінних світлових умов, забезпечуючи високоякісні фотографії. З 85% переднім перекриттям та 75% бічним перекриттям, набір даних забезпечував достатню надлишковість для надійної фотограметричної обробки.

Використовуючи передові методи фотограметрії та 3D моделювання, високороздільне зображення БПЛА було перетворено на точну 3D цифрову модель підстанції. Ця іммерсивна просторова модель дозволила команді операційників точно аналізувати просторові взаємозв'язки між існуючим та новоустановленим обладнанням. Під час моделювання процедур послідовного керування, оператори використовували модель для попереднього планування оптимальних операційних шляхів та точного визначення цільових пристроїв, використовуючи точні геопросторові координати — значно скорочуючи час введення нового обладнання в експлуатацію.

На практиці цей підхід дозволив команді проекту завершити інтеграцію та введення в експлуатацію системи послідовного керування на три дні раніше запланованого. Це не лише скоротило загальний графік проекту, але й прискорило переход підстанції до інтелектуальної роботи, створивши міцну основу для її безпечного та надійного довгострокового функціонування.

У повсякденних операціях та сценаріях обслуговування послідовного керування цієї 110 кВ підстанції, механізм «подвійного підтвердження» відокремлювача є ключовим захистом для безпеки та ефективності операцій, в той час як технологія БПЛА надає сильну допомогу. Наприклад, під час ночного аварійного послідовного керування: після видання команди відкриття відокремлювача з головного пристрою послідовного керування, пристрій «подвійного підтвердження» негайно активує своїй точний механізм передачі та перевірки сигналів. Два мікро-вимикачу в пристрої передають сигнали про положення ламелі відокремлювача в реальному часі до системи вимірювання та керування підстанції. Ця система інтегрує та попередньо обробляє сигнали, передаючи їх до головного пристрою послідовного керування. Одночасно, головний пристрій проти помилкових операцій проводить логічну перевірку команди; лише після підтвердження команди як валідної головним пристроєм проти помилкових операцій може бути проведене відкриття.

Під час цього процесу, БПЛА також відіграє значну роль. Використовуючи свої гнучкі можливості польоту, БПЛА проводить реального часу, всесторонній моніторинг обладнання підстанції, особливо зосереджуючись на області відокремлювача. Коли пристрій «подвійного підтвердження» працює, БПЛА передає живе відео з місця подій назад до керувального пункту, надаючи операторам додатковий візуальний посилання, щоб ще більше забезпечити точність операцій.

Порівняно з традиційною ручною перевіркою на місці, цей інтегрований підхід скорочує час операції з початкових 10 хвилин до лише 3 хвилин, значно покращуючи ефективність. Більш важливо, він ефективно усуває ризик невірного судження, спричиненого поганим освітленням та втомою оператора під час нічних ручних перевірок.

3.Висновок
Технологія БПЛА принесла інноваційні прориви до послідовного керування підстанціями. Шляхом створення 3D реалістичних моделей вона ефективно підвищує ефективність інтеграції нового обладнання в системи послідовного керування та прискорює реалізацію проектів. Коли БПЛА працюють у синергії з пристроями "подвійного підтвердження" відключення, вони значно підвищують безпеку та точність операцій з обладнанням. З постійним розвитком технології БПЛА та її глибшою інтеграцією з системами послідовного керування, вона має потенціал для подальшого вирішення проблем, таких як адаптивність у складних умовах роботи та взаємодія обладнання, постійно підносячи операції підстанцій до більш інтелектуального та надійного рівня, та забезпечуючи міцну технічну підтримку для стабільної та ефективної роботи електроенергетичних систем.