Ứng dụng Công nghệ UAV trong Các hoạt động Điều khiển Tự động tại Trạm biến áp

Với sự phát triển của công nghệ lưới điện thông minh, điều khiển tuần tự (điều khiển tự động dựa trên SCADA) tại các trạm biến áp đã trở thành kỹ thuật cốt lõi để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống điện. Mặc dù các công nghệ điều khiển tuần tự hiện có đã được triển khai rộng rãi, nhưng thách thức liên quan đến sự ổn định của hệ thống trong các điều kiện vận hành phức tạp và khả năng tương tác giữa các thiết bị vẫn còn đáng kể. Công nghệ Máy bay không người lái (UAV) - với đặc điểm là linh hoạt, di động và khả năng kiểm tra không tiếp xúc - mang lại giải pháp sáng tạo để tối ưu hóa các hoạt động điều khiển tuần tự.

Bằng cách tích hợp sâu các chức năng dựa trên UAV như tuần tra hàng không và giám sát tình trạng theo thời gian thực vào các hệ thống điều khiển tuần tự truyền thống, những hạn chế của các hoạt động thủ công có thể được khắc phục hiệu quả, cho phép nhận biết chính xác và theo thời gian thực tình trạng của thiết bị, và tăng cường đáng kể cả độ tin cậy và mức độ thông minh của điều khiển tuần tự. Nghiên cứu về ứng dụng của UAV trong điều khiển tuần tự tại trạm biến áp có ý nghĩa thực tiễn đáng kể đối với việc phát triển lưới điện thông minh.

1. Tổng quan về hoạt động điều khiển tuần tự tại trạm biến áp
1.1 Định nghĩa
Điều khiển tuần tự tại trạm biến áp đề cập đến việc thực hiện tự động, từng bước một loạt các hoạt động của thiết bị điện theo các quy trình và quy tắc logic được định trước thông qua hệ thống điều khiển tự động. Lấy ví dụ về hoạt động chuyển đổi đường dây (switching): truyền thống, các nhà vận hành phải điều khiển thủ công các cầu chì, dao cách ly và các thiết bị khác từng cái một. Trái lại, với điều khiển tuần tự, các nhà vận hành chỉ cần đưa ra một lệnh tổng hợp từ trạm giám sát; hệ thống sau đó sẽ tự động và chính xác thực hiện toàn bộ chuỗi - chẳng hạn như cắt cầu chì đường dây, sau đó mở các dao cách ly liên quan - làm đơn giản hóa đáng kể quy trình vận hành.

1.2 Nguyên lý kỹ thuật
Điều khiển tuần tự tại trạm biến áp dựa trên hệ thống tự động hóa tích hợp bao gồm các thành phần chính như máy chủ giám sát, các đơn vị đo lường và điều khiển, và các thiết bị thông minh. Máy chủ giám sát đóng vai trò là giao diện người-máy, nhận lệnh từ nhà vận hành và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điều khiển có thể thực thi. Các đơn vị đo lường và điều khiển liên tục thu thập dữ liệu vận hành theo thời gian thực - như dòng điện, điện áp, và vị trí thiết bị - cung cấp nhận thức về tình huống cho nhà vận hành và đầu vào quan trọng cho quyết định logic tuần tự. Các thiết bị thông minh giao tiếp trực tiếp với thiết bị chính để thực hiện các hoạt động chuyển đổi và giao tiếp với các đơn vị đo lường/điều khiển và các thiết bị khác thông qua sợi quang hoặc cáp, đảm bảo truyền dữ liệu nhanh chóng và chính xác để hỗ trợ việc thực hiện điều khiển tuần tự an toàn và hiệu quả.

1.3 Ưu điểm
1.3.1 Cải thiện hiệu quả vận hành
Trong các hoạt động trạm biến áp truyền thống, các quy trình chuyển đổi gặp phải nhiều bất tiện đáng kể. Ví dụ, trong quá trình chuyển đổi đường dây 220 kV, nhân viên phải đi lại giữa các ngăn để xác minh ID thiết bị, xác nhận trạng thái, và điều khiển thủ công các cầu chì và dao cách ly. Do hạn chế của con người, một hoạt động hoàn chỉnh thường mất 2-3 giờ, tiêu tốn lượng lớn nhân lực và mang theo rủi ro lỗi ảnh hưởng đến hiệu quả của lưới điện.

Với sự phát triển của công nghệ lưới điện thông minh, các hệ thống điều khiển tuần tự mang lại cách tiếp cận chuyển đổi. Sau khi nhận lệnh từ hệ thống giám sát phía sau, hệ thống tự động thực hiện toàn bộ chuỗi - bao gồm xác minh trạng thái thiết bị, xác thực vé làm việc, và lệnh chuyển đổi - với tốc độ ở mức miligiây dựa trên logic được lập trình sẵn. Dữ liệu thực tế cho thấy việc sử dụng điều khiển tuần tự giảm thời gian chuyển đổi đường dây 220 kV xuống dưới 20 phút - cải thiện hơn 80% so với phương pháp truyền thống. Sự đột phá này tăng cường tính linh hoạt của lưới điện, cho phép cấu hình nhanh chóng trong trường hợp dao động tải và rút ngắn đáng kể thời gian ngừng điện trong trường hợp sự cố, do đó cải thiện đáng kể độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện.

1.3.2 Tăng cường an toàn vận hành
Các hoạt động trạm biến áp thủ công dễ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố con người không thể đoán trước, gây ra rủi ro an toàn tiềm ẩn. Sự tỉnh táo của nhà vận hành là rất quan trọng; mệt mỏi từ ca đêm, ví dụ, có thể dẫn đến đọc sai nhãn hoặc thực hiện các bước không theo thứ tự. Ngoài ra, trình độ kỹ năng giữa các nhân viên khác nhau - nhân viên mới ít quen thuộc với các quy trình phức tạp hơn so với nhân viên có kinh nghiệm - tăng khả năng mắc lỗi. Thống kê chưa đầy đủ cho thấy hàng trăm sự cố thiết bị trạm biến áp và sự cố lưới điện hàng năm bắt nguồn từ lỗi con người.

Điều khiển tuần tự thiết lập rào cản an toàn vững chắc. Trước khi thực hiện, kiểm tra logic được tích hợp kiểm tra nghiêm ngặt từng bước theo các quy tắc an toàn và khóa điện được định trước. Chỉ khi tất cả các điều kiện đều được đáp ứng, hệ thống mới tiếp tục. Ví dụ, trong quá trình cấp điện cho đường dây, hệ thống tự động xác minh trạng thái của cầu chì và dao cách ly; nếu phát hiện bất kỳ bất thường nào, hoạt động sẽ dừng ngay lập tức và kích hoạt báo động. Điều này ngăn chặn các lỗi nghiêm trọng như mở dao cách ly khi đang có tải hoặc đóng công tắc nối đất khi đang có điện, giảm thiểu rủi ro hỏng hóc thiết bị và tai nạn lưới điện, đảm bảo hoạt động trạm biến áp an toàn và ổn định hơn.

1.4 Tình hình ứng dụng hiện tại
Khi Trung Quốc tiếp tục thúc đẩy sáng kiến lưới điện thông minh, điều khiển tuần tự đã trở thành nền tảng của các hoạt động trạm biến áp hiện đại. Trong các trạm biến áp mới xây, các nguyên tắc thiết kế thông minh hiện là tiêu chuẩn, với điều khiển tuần tự được tích hợp như một mô-đun chức năng cốt lõi. Ví dụ, ở Đông Trung Quốc, tỷ lệ áp dụng điều khiển tuần tự trong các trạm biến áp mới trong năm năm qua đã đạt 95%. Trong các thành phố phát triển kinh tế như Thâm Quyến và Thượng Hải, tỷ lệ phủ sóng vượt quá 80% cho các trạm biến áp 220 kV và cao hơn, tăng đáng kể hiệu quả và an toàn của lưới điện khu vực.

Trong khi đó, việc nâng cấp các trạm biến áp cũ với các khả năng thông minh cũng đang tiến triển ổn định. Ở Bắc Trung Quốc, một trạm biến áp 110 kV đã tồn tại 20 năm đã được nâng cấp thành công với chức năng điều khiển tuần tự thông qua việc thay thế các đơn vị I/O thông minh và hiện đại hóa hệ thống giám sát, cải thiện đáng kể hiệu quả và độ tin cậy vận hành.

Tuy nhiên, khi điều khiển tuần tự mở rộng quy mô, các nút thắt kỹ thuật trong các tình huống phức tạp đang trở nên rõ rệt. Trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, sự cố nhiều tuyến đường dây hoặc biến động tải đột ngột, hệ thống phải xử lý khối lượng lớn dữ liệu thời gian thực và thực hiện các logic phức tạp, có thể dẫn đến trễ phản hồi, đình trệ logic hoặc thậm chí hành động sai lệch. Hơn nữa, các vấn đề tương thích giữa thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau – do sự không nhất quán về giao thức truyền thông, định dạng dữ liệu và tiêu chuẩn giao diện – thường gây ra truyền dữ liệu bất thường hoặc phản hồi lệnh bị trễ, làm ảnh hưởng đến tính liền mạch và độ chính xác của các thao tác tuần tự.

Để giải quyết những thách thức này, ngành điện đang theo đuổi giải pháp hai hướng: đổi mới công nghệ và chuẩn hóa. Về mặt kỹ thuật, các thuật toán đang được tối ưu hóa để nâng cao khả năng xử lý dữ liệu và ra quyết định trong điều kiện phức tạp. Về phía tiêu chuẩn, các nỗ lực tập trung vào việc thống nhất các giao diện và giao thức truyền thông nhằm cải thiện khả năng tương tác giữa các nhà cung cấp khác nhau.

Trong bối cảnh này, công nghệ UAV – với khả năng cơ động linh hoạt, góc nhìn đa dạng và cảm biến không tiếp xúc – mang lại một hướng đi sáng tạo nhằm nâng cao điều khiển tuần tự. Trong quá trình thao tác tuần tự, UAV có thể thực hiện giám sát động thời gian thực trạng thái thiết bị bằng cách sử dụng hình ảnh đa phổ, chụp nhiệt hồng ngoại và các kỹ thuật tiên tiến khác, cho phép thu thập thông số chính xác và phát hiện nhanh các bất thường. Phản hồi thời gian thực này hỗ trợ hiệu quả việc ra quyết định thông minh hơn trong các hệ thống điều khiển tuần tự, nâng cao mức độ thông minh và độ tin cậy trong vận hành lưới điện.

2. Ứng dụng công nghệ UAV trong điều khiển tuần tự trạm biến áp
2.1 Xây dựng mô hình 3D chân thực trạm biến áp bằng công nghệ UAV
Việc tích hợp công nghệ UAV để xây dựng bản sao số 3D độ trung thực cao cho trạm biến áp đại diện cho một bước tiến rất đổi mới và thiết thực trong điều khiển tuần tự. Được trang bị camera hạng khảo sát độ chính xác cao, UAV có thể thực hiện khảo sát trên không toàn diện từ nhiều độ cao và góc độ khác nhau, ghi lại cả bố cục tổng thể lẫn chi tiết nhỏ của các thiết bị quan trọng. Điều này tạo ra một tập dữ liệu phong phú gồm các hình ảnh độ phân giải cao, cần thiết cho việc lập mô hình 3D chính xác. Để đảm bảo tính nhất quán dữ liệu và độ chính xác hình học, các nhiệm vụ bay phải tuân thủ nghiêm ngặt các thông số vận hành UAV đã quy định, như được nêu chi tiết trong Bảng 1.

Trong số các tham số này, độ cao bay được đặt ở 120 m - một độ cao đảm bảo UAV chụp ảnh bao phủ toàn bộ trạm biến áp trong khi vẫn duy trì độ chi tiết rõ ràng. Tốc độ bay được kiểm soát giữa 2-5 m/s để giữ cho UAV ổn định trong quá trình bay và ngăn chặn hiện tượng mờ do tốc độ quá cao. Khoảng cách phơi sáng được đặt ở 2-3 giây, giúp duy trì độ sáng hình ảnh nhất quán và chất lượng đáng tin cậy dưới các điều kiện ánh sáng khác nhau.

Độ chồng chéo phía trước 85% và độ chồng chéo bên 75% đảm bảo diện tích chồng chéo đầy đủ giữa các hình ảnh liền kề, cung cấp sự dư thừa cần thiết cho quá trình ghép nối hình ảnh và mô hình hóa 3D sau đó. Độ dài tiêu cự của ống kính máy ảnh từ 35 đến 50 mm, kết hợp với cảm biến độ phân giải cao 6,048 × 4,032 pixel, hiệu quả trong việc chụp các chi tiết tinh tế của các thiết bị trạm biến áp. Ngoài ra, khoảng cách lấy mẫu trên mặt đất (GSD) là 1,5 cm/pixel đảm bảo mỗi điểm ảnh tương ứng chính xác với kích thước thực tế trên mặt đất, tăng cường đáng kể độ chính xác không gian.

Bằng cách tuân thủ nghiêm ngặt các tham số bay này, UAV thu được hình ảnh chất lượng cao - sau khi xử lý thông qua phần mềm photogrammetry chuyên nghiệp, bao gồm ghép nối, tổng hợp và tái tạo 3D - tạo ra mô hình số 3D rất thực tế và chi tiết của trạm biến áp. Mô hình này cung cấp thông tin tham chiếu không gian trực quan và chính xác cho các hoạt động điều khiển tuần tự, giúp người vận hành hiểu rõ bố trí và trạng thái của thiết bị, từ đó xây dựng nền tảng vững chắc cho việc thực hiện chính xác các chuỗi chuyển mạch tự động.

2.2 Thực hiện “Xác nhận kép” cho vị trí công tắc cách ly trong trạm biến áp
Thiết bị “xác nhận kép” cho công tắc cách ly đóng vai trò thành phần quan trọng để xác minh vị trí công tắc. Nó sử dụng các cảm biến gắn trực tiếp vào cơ chế vận hành cơ khí chính để theo dõi tình trạng thực tế của công tắc cách ly. Hệ thống có hai công tắc vi mô: công tắc vi mô thứ hai được liên kết trực tiếp với cảm biến và chịu trách nhiệm nắm bắt vị trí vật lý thực sự của lưỡi công tắc cách ly. Tín hiệu thu thập được truyền qua cảm biến đến bộ nhận tín hiệu, sau đó chuyển dữ liệu đến hệ thống đo lường và điều khiển của trạm biến áp. Cơ chế truyền tín hiệu vòng kín này cho phép phát hiện vị trí công tắc cách ly thời gian thực và độ chính xác cao, cung cấp xác thực vị trí đáng tin cậy cho các hoạt động điều khiển tuần tự.

Là trung tâm, đơn vị đo lường và điều khiển của trạm biến áp nhận tín hiệu từ cả công tắc vi mô đầu tiên (phản hồi cơ khí) và tín hiệu đã được xử lý từ công tắc vi mô thứ hai (phản hồi dựa trên cảm biến). Sau khi tích hợp và xác thực hai đầu vào này, đơn vị gửi dữ liệu trạng thái tổng hợp đến máy chủ điều khiển tuần tự. Đồng thời, máy chủ chống lỗi kiểm tra chéo tất cả các lệnh vận hành được phát hành bởi máy chủ điều khiển tuần tự. Chỉ sau khi vượt qua xác minh chống lỗi này, hoạt động tuần tự mới có thể tiếp tục.

Cơ chế “xác nhận kép” này kỹ thuật loại bỏ rủi ro liên quan đến sự cố tín hiệu điểm đơn hoặc sai lầm, cải thiện đáng kể độ tin cậy của việc phát hiện vị trí công tắc cách ly. Trong các kịch bản thực tế - dù là trong các hoạt động chuyển mạch thông thường hay phản ứng khẩn cấp - công tắc cách ly xác nhận kép đảm bảo người vận hành luôn nhận được thông tin vị trí chính xác, ngăn chặn hiệu quả các lỗi vận hành và củng cố an toàn và ổn định của hệ thống điều khiển tuần tự.

2.3 Ứng dụng thực tế
Trong một dự án mở rộng tại trạm biến áp 110 kV, việc tích hợp thiết bị mới vào hệ thống điều khiển tuần tự hiện có gặp nhiều thách thức - những thách thức được giải quyết hiệu quả thông qua công nghệ UAV. Người vận hành triển khai UAV theo các tham số bay nghiêm ngặt: độ cao bay 120 m đảm bảo bao phủ toàn bộ trạm biến áp trong khi vẫn duy trì chi tiết cấp thiết bị; tốc độ bay 2-5 m/s duy trì sự ổn định của nền tảng để có hình ảnh sắc nét; và khoảng cách phơi sáng 2-3 giây thích ứng với các điều kiện ánh sáng thay đổi để đảm bảo hình ảnh chất lượng cao. Với độ chồng chéo phía trước 85% và độ chồng chéo bên 75%, tập dữ liệu cung cấp dư thừa đầy đủ cho xử lý photogrammetric mạnh mẽ.

Sử dụng các kỹ thuật photogrammetry và mô hình hóa 3D tiên tiến, hình ảnh UAV độ phân giải cao được biến đổi thành mô hình số 3D chính xác của trạm biến áp. Mô hình không gian nhập vai này cho phép đội vận hành phân tích chính xác mối quan hệ không gian giữa thiết bị cũ và thiết bị mới lắp đặt. Trong quá trình mô phỏng các thủ tục điều khiển tuần tự, người vận hành sử dụng mô hình để lập kế hoạch trước các đường dẫn vận hành tối ưu và xác định chính xác các thiết bị mục tiêu bằng tọa độ địa lý chính xác - giảm đáng kể thời gian đưa vào sử dụng cho việc tích hợp thiết bị mới.

Trong thực tế, cách tiếp cận này đã giúp nhóm dự án hoàn thành việc tích hợp và đưa vào sử dụng hệ thống điều khiển tuần tự sớm hơn ba ngày so với lịch trình. Điều này không chỉ rút ngắn thời gian tổng thể của dự án mà còn đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang vận hành thông minh của trạm biến áp, xây dựng nền tảng vững chắc cho hiệu suất an toàn và đáng tin cậy lâu dài.

Trong các kịch bản vận hành và bảo dưỡng điều khiển tuần tự hàng ngày của trạm biến áp 110 kV này, cơ chế “xác nhận kép” cho công tắc cách ly đóng vai trò là rào cản an toàn và hiệu quả vận hành cốt lõi, trong khi công nghệ UAV cung cấp hỗ trợ phụ trợ mạnh mẽ. Lấy ví dụ về một hoạt động điều khiển tuần tự khẩn cấp vào ban đêm: sau khi người vận hành phát hành lệnh mở công tắc cách ly từ máy chủ điều khiển tuần tự, thiết bị “xác nhận kép” ngay lập tức kích hoạt cơ chế truyền tín hiệu và xác minh chính xác. Hai công tắc vi mô bên trong thiết bị truyền tín hiệu vị trí lưỡi công tắc cách ly theo thời gian thực đến đơn vị đo lường và điều khiển của trạm biến áp. Đơn vị này tích hợp và tiền xử lý các tín hiệu trước khi chuyển chúng đến máy chủ điều khiển tuần tự. Đồng thời, máy chủ chống lỗi thực hiện xác minh logic đối với lệnh vận hành; chỉ sau khi máy chủ chống lỗi xác nhận lệnh là hợp lệ, hoạt động mở mới được thực hiện.

Trong quá trình này, UAV cũng đóng vai trò quan trọng. Sử dụng khả năng bay linh hoạt, UAV thực hiện giám sát toàn diện theo thời gian thực đối với thiết bị trạm biến áp - đặc biệt tập trung vào khu vực công tắc cách ly. Trong khi thiết bị “xác nhận kép” đang hoạt động, UAV truyền video trực tiếp từ hiện trường về phòng điều khiển, cung cấp cho người vận hành một tham chiếu trực quan bổ sung để đảm bảo thêm độ chính xác của hoạt động.

So sánh với việc kiểm tra trực tiếp truyền thống, phương pháp tích hợp này giảm thời gian hoạt động từ 10 phút ban đầu xuống chỉ còn 3 phút, cải thiện đáng kể hiệu quả. Quan trọng hơn, nó loại bỏ hiệu quả rủi ro đánh giá sai do ánh sáng kém và mệt mỏi của người vận hành trong quá trình kiểm tra thủ công vào ban đêm.

3.Kết luận
Công nghệ UAV đã mang lại những đột phá sáng tạo cho các hoạt động điều khiển tuần tự tại trạm biến áp. Bằng cách xây dựng mô hình thực tế 3D, nó nâng cao hiệu quả việc tích hợp thiết bị mới vào hệ thống điều khiển tuần tự và tăng tốc quá trình triển khai dự án. Khi làm việc cùng với thiết bị “xác nhận kép” của cầu chì, UAV cải thiện đáng kể an toàn và độ chính xác của hoạt động thiết bị. Khi công nghệ UAV tiếp tục phát triển và được tích hợp sâu hơn với hệ thống điều khiển tuần tự, nó hứa hẹn giải quyết thêm các thách thức như khả năng thích ứng trong các điều kiện vận hành phức tạp và khả năng tương tác giữa các thiết bị, liên tục thúc đẩy hoạt động tại trạm biến áp hướng tới sự thông minh và tin cậy hơn, và cung cấp hỗ trợ kỹ thuật vững chắc cho hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống điện.