Drony w branży elektroenergetycznej
Drony – bezzałogowe statki powietrzne (BSP) – są coraz powszechniejszym i ekonomicznym narzędziem stosowanym w wielu dziedzinach życia. Drony umożliwiają większą precyzję i lepszy dostęp do trudno dostępnej infrastruktury i realizację niebezpiecznych procedur kontrolnych, zwykle wykonywanych przez ludzi. W artykule przedstawiono kilka zastosowań dronów w sektorze energetycznym, które optymalizują prace projektowo-wykonawcze całego sztabu ludzi.
Na przestrzeni lat przemysł energetyczny stał się swego rodzaju poligonem doświadczalnych dla nowych technologii. Rozwój techniki pozyskiwania prądu z odnawialnych źródeł energii wymusił opracowanie nowych rozwiązań służących do monitorowania i zarządzania infrastrukturą krytyczną. Bezzałogowe statki powietrzne znajdują zastosowanie już w fazie projektowej, gdzie dzięki nalotom fotogrametrycznym można przeanalizować teren inwestycji i sporządzić plan zagospodarowania.
Elektroenergetyka pokochała drony i obecnie trudno sobie wyobrazić proces budowy linii elektroenergetycznych bez ich zastosowania. Drony zapewniają bezpieczne inspekcje infrastruktury elektroenergetycznej oraz szybkie i wydajne gromadzenie danych przestrzennych, które wykonywane technikami tradycyjnymi – obchody piesze, pomiary geodezyjne, oględziny stanu technicznego przy wsparciu alpinistów, podnośników czy prace przy użyciu helikopterów – są albo bardzo drogie i długotrwałe, albo potencjalnie niebezpieczne. Przy odpowiednim wsparciu doświadczonych pilotów dronów ta stosunkowo niedroga usługa może przynieść firmom bardzo wiele korzyści, wprowadzając elastyczność w dużym wachlarzu stosowalności oraz wykluczając ryzyko, które istnieje przy załogowej inspekcji.
Inspekcje infrastruktury energetycznej
Pozyskanie aktualnych danych jest nie do przecenienia, jeżeli chodzi o wybór optymalnej trasy przebiegu nowo budowanej linii elektroenergetycznej. I choć w praktyce dane w postaci ortofotomap, pochodzące z ogólnodostępnego Państwowego Zasobu Geodezyjnego i Kartograficznego, w większości przypadków są wystarczająco aktualne oraz odwzorowują rzeczywisty stan terenu, zdarzają się pojedyncze przypadki budynków lub konstrukcji, których nie można było na nich zaobserwować. Takie sytuacje powodują niepotrzebne problemy, które mogą pojawić się w trakcje realizacji inwestycji energetycznej, a których w łatwy sposób można było uniknąć.
W porze letniej, w ciągu jednego dnia doświadczony dron może przelecieć ok. 20 km linii, jeżeli celem jest wykonanie ortofotomapy lub filmu, oraz 10 km linii w celu inspekcji odgórnej w zapisie fotograficznym i termowizyjnym.
Drony usprawniają inspekcje linii energetycznych przy niższych kosztach i mniejszym ryzyku. Badanie za pomocą drona może z łatwością wskazać uszkodzenia spowodowane przez burzę lub powalone drzewa.
Inspekcje odgórne pozwalają na oględziny korozji, uszkodzonych łańcuchów izolatorowych, nieprawidłowo zamontowanych elementów infrastruktury energetycznej oraz detekcję ich podwyższonej temperatury, świadczącej o konieczności wymiany. Efektem prewencyjnej diagnostyki stanu sieci przesyłowej i dystrybucyjnej jest zwiększenie detekcji usterek, co może prowadzić do zmniejszenia liczby przerw w dostawie prądu i niższych kosztów napraw przez wzgląd na precyzyjniejsze delegowanie zadań zespołów utrzymania sieci. Brak potrzeby wyłączania linii energetycznych to zdecydowanie jedna z największych zalet inspekcji wykonywanych przez drony. Oprócz wspomnianych oględzin, podczas których można zauważyć usterkę bez konieczności wchodzenia na słupy elektroenergetyczne, można uniknąć wchodzenia na tereny prywatne lub z ograniczonym dostępem. Dotyczy to przede wszystkim zbiorników wodnych oraz terenów górskich.
Jednym z istotnych elementów wykonania modernizacji linii energetycznej jest konieczność inwentaryzacji jej stanu obecnego przed rozpoczęciem robót budowlanych na danym obszarze. Inwentaryzacja umożliwia zidentyfikowanie i udokumentowanie aktualnego stanu terenu w sąsiedztwie danej linii napowietrznej, m.in.: ukształtowanie terenu, sieć dróg i zabudowań, roślinność (obszar, wysokość, gęstość, jakość), różnice pomiędzy zapisami map i dokumentów a stanem faktycznym w terenie.
Skaning laserowy 3D
W procesie projektowym infrastruktury energetycznej stosowany jest także skaning laserowy. Można wyróżnić dwa rodzaje skaningu – naziemny i lotniczy. Oba typy skaningów mogą być wykonywane w ramach procesu projektowego oraz jako element dokumentacji powykonawczej. Skanowanie laserowe 3D w technologii LIDAR (ang. Light Detection and Ranging) jest metodą pomiarową wykorzystującą światło lasera do pozyskania geometrycznego modelu 3D skanowanego obiektu. W wyniku skanowania otrzymuje się chmurę punktów, która po procesie obróbki odzwierciedla m.in. plany, mapy, rysunki, modele terenu DTM oraz wizualizacje. Skanery mogą również pobierać informacje dotyczące kolorów obiektu. Skaner może być zintegrowany z aparatem fotograficznym, co umożliwia skanowanie laserowe z równoczesnym gromadzeniem dokumentacji fotograficznej, którą można później dodać do chmury punktów w postaci dodatkowego atrybutu, tj. koloru punktu. Dane uzyskane za pomocą skaningu laserowego 3D mogą być wykorzystywane do prac projektowych, analizy stanu sieci dystrybucyjnej i przesyłowej bądź archiwizacji danych o obiektach, które później można wykorzystać w programach typu CAD, GIS oraz w technologii BIM.
Metodą bardzo dokładną i dającą najwięcej informacji o obszarze, w którym został przeprowadzony jest skaning naziemny TLS (ang. Terrestrial Laser Scanning). TLS stosuje się, gdy informacje potrzebne są punktowo, np. przy projektowaniu stacji elektroenergetycznych, czy w przypadku ich przebudowy. Doskonale sprawdza się również w pozyskiwaniu danych o elementach kratowych oraz mniejszych elementach infrastruktury elektroenergetycznej. Skaning lotniczy jest szybką metodą zbierania danych z długich odcinków liniowych. Jest to doskonała metoda w inspekcji drzewostanu w pasie technicznym, pozyskiwania danych do obliczeń regulacji zwisów oraz – przy zaawansowanym sprzęcie – informacji o przebiegu trasy na terenach zalesionych.
Fotogrametria jest doskonałym narzędziem do archiwizacji stanu obecnego wykonywanych robót. Dron przelatujący nad wskazanym terenem wykonuje serię zdjęć, które tworzą chmurę punktów. Uzyskane dane mogą być wykorzystane do wspomagania projektowania, planowania, obliczania objętości mas ziemnych (hałd i pryzm), pomiarów odległości oraz szacowania strat na gruncie.
Drony nad infrastrukturą wodną
W fazie wykonawczej projektu elektroenergetycznego często zdarza się, że trasa linii przebiega przez trudno dostępny teren: rzeki, jeziora i inne tereny podmokłe. W takich sytuacjach rozciągnięcie przewodów w przęśle bywa zadaniem mocno utrudnionym, czasochłonnym i wykorzystującym często niekonwencjonalne techniki. Na szczęście od kilku lat na rynku istnieje usługa, która pozwala minimalnym kosztem czasu skutecznie zoptymalizować to przedsięwzięcie. Z pomocą znowu przychodzą drony, ale tym razem specjalnie zaprojektowane do podnoszenia rzeczy. Potężne maszyny o udźwigu ponad 20 kg rozciągają linkę wstępną, za pomocą której można ostatecznie przeciągnąć przewody na drugą stronę. Do skutecznego przeprowadzenia tego zadania wymagane jest doświadczenie operatora drona i dobra komunikacja z brygadą liniową. W zależności od potrzeb brygady liniowej można rozciągnąć od jednej do wszystkich linek wstępnych potrzebnych na danym etapie budowy elektroenergetycznej.
Rozciąganie linki wstępnej polega na przeciągnięciu między słupami lub w sekcji odciągowej cienkiej linki wstępnej, za pomocą której jest montowany przewód docelowy. Wykorzystanie bezzałogowego statku powietrznego do przeciągania linki wstępnej pozwala na skrócenie czasu i obniżenie kosztów montażu.
W wyniku kontaktu z infrastrukturą elektroenergetyczną szczególnie narażone jest ptactwo. Szacuje się, że rocznie na świecie liczba śmiertelnych ofiar kolizji z przewodami energetycznymi może sięgać 1 miliarda ptaków, przede wszystkim dużych rozmiarów (bociany, dropie) oraz drapieżnych. Najbardziej obrazowym przypadkiem jest linia elektroenergetyczna na szlaku migracji ptactwa po zmroku. Zmęczone wędrówką ptaki lecą z obniżoną czujnością i mogą nie zauważyć w porę przewodów, powodując śmiertelne zderzenie.
Wraz ze wzrostem świadomości na temat antropogenicznego wpływu na środowisko operatorzy sieci przesyłowych i dystrybucyjnych coraz częściej zabiegają o to, by zmniejszyć skalę takich sytuacji. W tym celu na przewodach instaluje się odblaskowe, fluorescencyjne płytki mające ostrzec ptaka o przeszkodzie i zmienić tor jego lotu.
Innym typem zagrożenia jest przejście linii elektroenergetycznych nad turystycznymi szlakami wodnymi, gdzie informacja o przewodach jest konieczna do zabezpieczenia sportów żeglarskich bądź kitesurfingowych. Wykorzystanie drona i odpowiednie doświadczenie operatora umożliwia sprawne oznakowanie linii pod napięciem nawet w tak trudno dostępnym terenie, jak jeziora, rzeki i skrzyżowania dróg wodnych.
Przykładem realizacji związanej z podwieszaniem elementów ostrzegawczych w trudno dostępnych miejscach może być montaż odstraszaczy ptaków na linii 110 kV Wizna – Jeżewo należącej do PGE Białystok. Na zlecenie Polskiego Towarzystwa Ochrony Ptaków firma Eltel Networks w miejscu przejścia nad rzeką Narew wykonała oznakowanie typu FireFly przewodów bez wyłączania linii. Praca polegała na zamontowaniu specjalistycznego oznakowania do odstraszania ptaków na przewodach odgromowych z wykorzystaniem drona i specjalnego uchwytu. Uchwyt ten umożliwia zawieszanie różnego typu markerów na przewodach pod napięciem. Zastosowane oznakowanie ma za zadanie polepszyć widoczność przeszkód na trasie przelotowej (migracji) ptaków. Dzięki niemu wiele stad ptaków uniknęło kolizji z przewodami wysokiego napięcia, wzrosły wysokości przelotów ptaków względem linii energetycznej, zmniejszyła się liczba nagłych reakcji ptaków tuż przed linią oraz wydłużyła się odległość reakcji ptaków względem linii energetyczne.
Instalowanie markerów polega na montażu markerów, np. odstraszaczy ptaków lub flag ostrzegawczych, na liniach napowietrznych nn, SN i WN za pomocą dronów w technologii bez wyłączania napięcia.
Podsumowanie
Dzięki wysokiej jakości obrazom z dronów operatorzy mogą ocenić stan linii energetycznych, aby zapobiec uszkodzeniom i potencjalnym przestojom. Dron wykonujący rutynowe i regularne kontrole z zaprogramowanymi punktami nawigacyjnymi może dostarczać wysokiej jakości obrazy z optymalnych perspektyw i zapewniać operatorom szczegółową analizę wszelkich usterek.
Przemysł energetyczny bardzo potrzebuje dronów ze względu na ich opłacalność, dokładność, niezawodność i elastyczność. Wraz z powszechną dostępnością dronów i spadkiem ich cen, rośnie zastosowanie tych urządzeń w energetyce. Drony są odpowiednie do trudnych warunków, wymagają mniej czasu na analizę i mogą być obsługiwane na dużych wysokościach.
Podmioty energetyczne są bardzo wymagającym klientem i potrzebują rozwiązań specjalistycznych, skalibrowanych pod ich potrzeby. Dlatego wdrożenia w energetyce nie mogą opierać się na zakupach powszechnie dostępnych dronów, lecz zintegrowanych, bezpiecznych pod każdym względem rozwiązaniach. Energetyka wymaga stosowania wysokiej klasy dronów służących do kontroli zarówno pionowej (platformy wiertnicze, słupy transmisyjne, wieże telefonii komórkowej), jak i poziomej (rurociągi i linie przesyłowe).
Istnieje bardzo duże zapotrzebowanie na niezawodne, wydajne systemy dronów przez firmy zajmujące się zarówno sektorem produkcji energii, jak i sektorem przesyłu lub dystrybucji, a także gospodarką wodną. W 2018 r. wartość polskiego rynku dronów wykorzystywanych w energetyce oszacowano na 4,95 mln zł. W ciągu dekady potencjał zastosowań BSP w energetyce wyniesie ponad 172 mln zł. Liczba zakupionych przez sektor energetyczny dronów w latach 2017–2026 szacuje się na 3500. Na rysunku 6 przedstawiono prognozę rozwoju polskiego rynku dronów komercyjnych w energetyce do 2026 r. [1].
Według analityków Frost & Sullivan [2], globalny wskaźnik zastosowania dronów w przemyśle energetycznym i użyteczności publicznej wynosi zaledwie 10%, ale stale rośnie, ponieważ firmy energetyczne uznają rolę dronów w zapewnianiu niezawodnych, bezpiecznych i wydajnych inspekcji zasobów związanych z wytwarzaniem, przesyłaniem i dystrybucją energii. Utrzymujące się trendy transformacji cyfrowej w sektorze energetycznym i użyteczności publicznej oraz wzrost współczynnika wykorzystania dronów w celu zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii w trudnych warunkach utrzymają na całym świecie wzrost zapotrzebowania na bezzałogowce.
Służby eksploatacyjne Polskich Sieci Energetycznych na co dzień wykorzystują drony do sprawdzania m.in.:
- stanu konstrukcji słupów i wykrywania korozji w miejscach niewidocznych z ziemi,
- jakości wykonanych prac antykorozyjnych,
- stanu technicznego konstrukcji wsporczych,
- stanu technicznego izolatorów i osprzętu,
- stanu technicznego przewodów fazowych i odgromowych, tłumików drgań i odstępników przewodów wiązkowych,
- jakości wykonanych prac wycinkowych zadrzewienia pod linią,
- jakości wykonania prac inwestycyjnych realizowanych na zlecenie PSE.
Drony są wykorzystywane przez wykonawców inwestycji PSE m.in. do przeciągania między słupami lin pilotujących, które umożliwiają podwieszenie docelowych przewodów roboczych. Używa się ich także do oblotów trasy planowanych linii, co pozwala zebrać szczegółowe informacje terenowe.
Źródło: PSE
Oprac. na materiałach firmy Eltel Networks
LITERATURA
[1] Biała Księga Rynku Bezzałogowych Statków Powietrznych. U-Space – Rynek – Wizja rozwoju. Ministerstwo Infrastruktury, Polski Instytut Ekonomiczny, Warszawa, luty 2019.
[2] Drones in the Global Power and Utilities Industry – Forecast to 2030, Frost & Sullivan, April 2020 r.
RYSUNKI
Rys. 1. Dron autonomiczny ze stacją dokującą do bezprzewodowego ładowania i odbierania danych (filmów, obrazów) w celu wysyłania zdalnie na serwer.
Rys. 2. Wykorzystanie drona do inwentaryzacji modernizowanej linii 110 kV relacji Maszewo – Nowogard umożliwiło wykonanie dokładnego oblotu ok. 20 km linii energetycznej i skrócenia czasu pracy w porównaniu do inwentaryzacji linii wykonywanej z ziemi.
Rys. 3. Rozciąganie linki wstępnej nad rzeką Nogat (Pelplin – Malbork) przy użyciu drona.
Rys. 4. Chmura punktów transformatora uzyskana za pomocą skanowania laserowego.
Rys. 5. Instalacja znaczników (odstraszaczy ptaków) typu FireFly na linii 110 kV pod napięciem.
Rys. 6. Zabezpieczenie szlaków żeglownych poprzez montaż flag ostrzegawczych na liniach SN i WN.
Rys. 7. Prognoza rozwoju polskiego rynku dronów komercyjnych – energetyka, 2017–2026. Źródło: [1]
