谷月雁 司 剛 劉清瑞

（1.天津市電力公司，天津 300010；2.天津市電力公司城西供電分公司，天津 300020；3.上海申瑞電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，上海 201100）

我國的智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)進入全面建設(shè)階段并取得顯著成果，國家電網(wǎng)公司也正在加緊構(gòu)建覆蓋全部營業(yè)區(qū)的“三集五大”體系。“五大”體系的構(gòu)建，使電網(wǎng)建設(shè)和運營、電力設(shè)備運行管理等各項工作的內(nèi)容和工作量更加細化和規(guī)范化。加強變電站值班人員和現(xiàn)場作業(yè)人員的安全管理與防護，防止發(fā)生人員傷害事故、保證電力設(shè)備安全運行是電網(wǎng)安全穩(wěn)定高效運行的基礎(chǔ)和前提。在智能電網(wǎng)建設(shè)快速推進的情況下，亟需先進可靠的技術(shù)手段來對“五大”體系建設(shè)和電網(wǎng)設(shè)備安全人身安全運行安全提供強有力的支撐。

變電站作為電網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是電網(wǎng)生產(chǎn)運行的高危工作區(qū)域,其作業(yè)安全管理尤其重要。為了提高變電站的安全管理水平，管理部門除制訂了一系列規(guī)程、制度外，還為變電站配置了綜合自動化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、五防系統(tǒng)、電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)等等，以上技術(shù)設(shè)施大大提高了變電站的自動化水平，為變電站的作業(yè)安全管理提供了一定的技術(shù)支撐[1]。但是，上述系統(tǒng)的配置主要根據(jù)電氣量和化學量的變化和異常來判斷電網(wǎng)的狀態(tài)，既不能對變電站全覆蓋，也不能實時定位及時預警和報警，往往只能在事故進行中或者發(fā)生后為事故原因分析提供數(shù)據(jù)記錄分析的手段，無法對危險因素進行事先防范與預警，變電站現(xiàn)場的人身與設(shè)備安全因人員違章、現(xiàn)場作業(yè)混亂、現(xiàn)場管理不到位、不按規(guī)程巡視等人為因素的影響一直無法得到技術(shù)上的保障，致使某些基于人為因素的安全隱患無法避免[2]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，變電站現(xiàn)場的安全事故中大約有三分之一是因為值班人員或作業(yè)人員未認真執(zhí)行設(shè)備巡視規(guī)程、未認真執(zhí)行安全操作與管理規(guī)程、超區(qū)域作業(yè)、現(xiàn)場監(jiān)護查勘不到位等人為因素所造成的[3-5]。

基于人為因素的變電站安全隱患主要表現(xiàn)在：①變電站現(xiàn)場巡視不到位。變電站現(xiàn)場巡視及設(shè)備巡視是變電站運行管理工作的一個重要組成部分，它是檢查設(shè)備運行狀況、掌握設(shè)備運行參數(shù)、了解設(shè)備運行環(huán)境、確保電網(wǎng)安全運行必不可少的基礎(chǔ)工作。但少數(shù)人員認為現(xiàn)在的自動化程度非常高而過分地依賴于監(jiān)控系統(tǒng)，造成巡視不到位或正常巡視次數(shù)無法保證。由于變電站的一些異常情況無法用電氣量監(jiān)測和用電信號傳到監(jiān)控系統(tǒng)，如地基下陷、瓷瓶裂紋、螺絲松動、金具銹蝕、變壓器或開關(guān)漏油、全密封設(shè)備漏氣等，如果思想松懈、忽視巡視的重要性、或者巡視不到位等，便無法及時發(fā)現(xiàn)這些缺陷，為設(shè)備的安全正常運行埋下隱患。②對進入工作區(qū)域的人員監(jiān)護監(jiān)控不力。值班及作業(yè)人員進入變電站區(qū)域后，監(jiān)控中心無法實時跟蹤工作人員的當前狀態(tài)，特別是人員當前位置、移動路線、移動趨勢、停留時間等無法定量監(jiān)控，對巡視不到位的現(xiàn)象無法及時提醒和糾正，對作業(yè)人員靠近或誤入危險區(qū)域時也無法及時發(fā)現(xiàn)和提醒制止，對監(jiān)護缺位的現(xiàn)象無法監(jiān)督管理，極易發(fā)生安全事故。③誤入危險區(qū)域。變電站的檢修、試驗、操作、正常和特殊巡視等作業(yè)內(nèi)容要求作業(yè)人員時常進入變電站內(nèi)的劃定區(qū)域和既定目標并實施作業(yè)，受業(yè)務技能、精神狀態(tài)、外部環(huán)境等因素的影響，作業(yè)人員可能會靠近或誤入某些危險區(qū)域、誤碰某些帶電設(shè)備、或者操作本不該操作的設(shè)備，從而造成人身事故、設(shè)備事故、或生產(chǎn)運行事故。還有其他一些危險現(xiàn)象不再一一列舉。

1 基于無線定位技術(shù)的新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)構(gòu)成與特點

基于當前先進的通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、定位技術(shù)和軟件技術(shù)，通過對進入變電站區(qū)域的人員或移動物體進行實時定位，新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)能夠徹底解決上述問題，有效消除生產(chǎn)運行和檢修維護過程中的安全隱患。

新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)利用先進的技術(shù)平臺，能夠?qū)ψ冸娬粳F(xiàn)場工作人員和外來參觀人員做到事先劃定作業(yè)區(qū)域，實時監(jiān)控記錄活動情況，分析活動規(guī)律和趨勢，遇有危險活動及時預警，事后統(tǒng)計分析，在防范安全事故發(fā)生的同時，大幅度提高整個變電站及電力公司的工作效率和管理水平。

新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)精確定位，將定位信息在變電站平面圖上進行實時顯示，不同的工作組通過不同顏色的點進行標示，便于區(qū)分觀察。工作人員的工作路線都將記錄在數(shù)據(jù)庫中，并且實現(xiàn)路線動態(tài)回放，便于日后查詢工作人員的工作情況。系統(tǒng)后臺監(jiān)控軟件界面精美、專業(yè)，操作方便、快捷。變電站地理信息系統(tǒng)建模形象、逼真、直觀，界面美觀，方面使用。后臺系統(tǒng)實時展示移動目標當前位置，并在變電站地理位置圖上標示，跟蹤目標移動軌跡。

該系統(tǒng)由四部分組成：①基于寬帶無線射頻定位技術(shù)CSS的無線傳感網(wǎng)絡。以往基于場強信號和信號質(zhì)量技術(shù)來定位的RFID、WIFI、ZIGBEE等傳統(tǒng)定位技術(shù)的精度不能令人滿意，有的則價格太高不適合變電站現(xiàn)場應用。而應用CSS技術(shù)，通過信號到達時間測距和測角度，采用到達時間差（TDOA）進行定位，可以實現(xiàn)最優(yōu)性價比的高精度定位[6]。②基于波形探測感應技術(shù)的檢測報警設(shè)備。采用波形探測感應技術(shù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡對變電站高壓帶電區(qū)域進行移動物體的探測，當探測到危險區(qū)域或禁入?yún)^(qū)域內(nèi)有移動物體闖入時，發(fā)出聲光報警，并關(guān)聯(lián)視頻系統(tǒng)，自動切換攝像鏡頭畫面定位到報警區(qū)域并記錄存儲，使實時記錄圖像與實時監(jiān)控數(shù)據(jù)相匹配。這樣，就可以有效杜絕一般工作人員或外來人員誤闖危險帶電區(qū)域、造成停電或人員傷亡事故的現(xiàn)象。③與傳感網(wǎng)絡、檢測設(shè)備協(xié)同互動的高分辨率、可動態(tài)調(diào)節(jié)跟蹤的視頻設(shè)備。采用高分辨率、高靈敏度、可動態(tài)調(diào)節(jié)跟蹤人員活動的視頻設(shè)備，一旦人員進入劃定區(qū)域即啟動跟蹤、記錄、顯示等功能，如果檢測到未按規(guī)定時間或路線進行巡視、接近邊界或越界等危險行為均發(fā)出警告并記錄存儲，同時上傳至上級系統(tǒng)，直至人員活動結(jié)束。④后臺計算機管理系統(tǒng)。提供變電站區(qū)域劃分及設(shè)置、工作模式編輯及設(shè)置、電子標簽管理、動態(tài)數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)記錄、計算統(tǒng)計、行為分析、預警報警、聯(lián)動控制、畫面報表、顯示打印、數(shù)據(jù)通信等軟件功能和人機界面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于無線定位技術(shù)的變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

新型變電站安全作業(yè)管理系統(tǒng)結(jié)合了寬帶無線射頻定位、安全檢測與預警報警、視頻同步記錄監(jiān)視、及智能電網(wǎng)領(lǐng)域的最新科技成果，具有傳統(tǒng)安全作業(yè)管理無法比擬的優(yōu)勢。其主要特點如下：①人員及移動物體的實時定位與監(jiān)控。能夠?qū)崟r監(jiān)控指定區(qū)域的人員、移動物體的位置信息，對人員的位置、行進路線、目標距離、移動速度、停留時間、停留地點、到達次數(shù)等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控與記錄統(tǒng)計分析，獲取人員或移動物體的移動趨勢和活動規(guī)律，并及時通知監(jiān)控中心。②實時探測。能夠?qū)崟r對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)移動物體通過定位數(shù)據(jù)、視頻圖像進行探測，一旦檢測到移動物體靠近或闖入危險區(qū)域，立即發(fā)出聲光振動報警并主動上報，同時自動與視頻系統(tǒng)聯(lián)動。③高定位精度。采用TDOA技術(shù)定位、精度更精確更穩(wěn)定。④全程視頻圖像跟蹤監(jiān)視。自移動目標一進入預設(shè)區(qū)域起即自動啟動視頻圖像全程跟蹤、監(jiān)視、預警、報警、上傳、記錄存儲、統(tǒng)計分析，直至移動目標離開該區(qū)域。⑤定位穩(wěn)定。采用到達時間測距技術(shù)，不受無線信號強度值變化的影響。⑥良好的抗多路徑效應。采用寬帶脈沖定位，系統(tǒng)具有較好的抗多路徑和多普勒效應。⑦組網(wǎng)靈活。系統(tǒng)支持有線無線組網(wǎng)，具有靈活的部署方式。⑧節(jié)能設(shè)計。電子標簽內(nèi)置高靈敏度振動傳感器，可設(shè)置靜止狀態(tài)休眠，大大提高了標簽的電池壽命。⑨強大的作業(yè)安全管理功能。根據(jù)客戶的需求，生成并存儲各種數(shù)據(jù)、報表，分析動態(tài)目標的活動趨勢和活動規(guī)律，為變電站安全管理提供數(shù)字化的依據(jù)。

2 新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)的工作模式

基于無線定位技術(shù)的新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)具有現(xiàn)場需要的多種工作模式，如巡視模式、參觀模式、檢修模式、操作模式和探測模式等，不同模式下的監(jiān)控側(cè)重點有所不同。

巡視模式：主要對工作人員是否按規(guī)定時間、規(guī)定路線、規(guī)定位置巡視進行監(jiān)控。

參觀模式：主要對外來參觀考察人員的行進路線、參觀時間、參觀區(qū)域、停留時間等進行監(jiān)控，防止進入危險區(qū)域或出現(xiàn)意外。

檢修模式：按檢修內(nèi)容設(shè)定檢修人數(shù)、檢修工作區(qū)域、危險區(qū)域、檢修工作時間等，防止非檢修人員混入、誤入非工作區(qū)域、超出工作時間等。

操作模式：按操作內(nèi)容設(shè)定操作人數(shù)、操作工作區(qū)域、危險區(qū)域、操作工作時間等，防止監(jiān)護人員不到位、誤入非操作區(qū)域、超出操作時間等。

探測模式：對進入變電站區(qū)域內(nèi)的其他動態(tài)目標進行監(jiān)控，包括車輛、施工機械與設(shè)備等。由于車輛體積大、行進速度快，對其監(jiān)控的實時性要求更高。同時，車輛進入變電站后，也需要隨時監(jiān)控車輛的當前位置，確保其行駛、停放在安全區(qū)域。

同時，也可以根據(jù)新的運行管理模式需求，擴充新的工作模式。

3 主要工作流程與應用情況

通過基于無線定位技術(shù)的新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)在多個110kV、220kV、500kV變電站中兩年多的應用實踐，證明該系統(tǒng)能夠有效避免變電站設(shè)備巡視和操作中的人為安全隱患。

現(xiàn)以某500kV變電站為例，簡要說明新型變電站作業(yè)安全管控的工作流程與應用情況。

該變電站位于某直轄市東郊區(qū)，共建設(shè)有 4臺1500MVA變壓器；500kV出線10回；220kV出線14回；每臺主變低壓側(cè)配置4組60Mvar低壓并聯(lián)電容器，未配置并聯(lián)低壓電抗器和高壓電抗器。站址區(qū)總占地面積70700m2，圍墻內(nèi)占地面積45500m2。該變電站建于20世紀90年代初，部分設(shè)備存在老化、過載現(xiàn)象。

主要工作流程是：首先在后臺監(jiān)控計算機上對需要對變電站值班人員和進入變電站的其他工作人員進行身份注冊，驗證信息后設(shè)定他要領(lǐng)取的移動終端的編號，并根據(jù)工作人員需要執(zhí)行的操作設(shè)定對應的工作路線、工作時間、工作區(qū)域、危險區(qū)域等；然后工作人員領(lǐng)取編號正確的移動終端并正確佩戴；工作人員進入變電站后通過寬頻無線定位網(wǎng)絡，將定位數(shù)據(jù)傳遞給前置機，前置機按照定位算法通過計算確定工作人員的當前位置，一方面根據(jù)已設(shè)定的危險間隔判斷當前位置是否合法，不合法則向工作人員發(fā)送相應的報警信息；另一方面將工作人員的當前位置信息發(fā)送給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，在變電站平面圖上將工作人員的位置坐標顯示出來，便于后臺監(jiān)控人員的觀察。同時，變電站內(nèi)工作人員的行進路線等信息將保存在數(shù)據(jù)庫中，日后可以通過動態(tài)方式重新查看其工作路線，實現(xiàn)了對變電站工作人員的有效監(jiān)督。在進入預設(shè)區(qū)域的同時，自動啟動視頻圖像設(shè)備，并自動跟蹤監(jiān)視移動目標在區(qū)域內(nèi)活動的全過程，一旦發(fā)現(xiàn)偏離預設(shè)區(qū)域、接近危險區(qū)域、未到達預設(shè)位置、停留時間過短或超時等問題及時發(fā)出預警或報警信號，同時記錄存儲下來全部視頻圖像，上傳至上級部門，并生成一系列有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作在 2.4GHz ISM頻段，定位帶寬≥80MHz，定位精度為 60～120cm，定位區(qū)域為單區(qū)域覆蓋范圍 5～60m2，并可實現(xiàn)多區(qū)域無縫組網(wǎng)方式進行擴展，采用TDOA測量機制，在1200m2的區(qū)域內(nèi)可容納200個以上的標簽[7]。

由于以前在作業(yè)安全管控方面沒有完善的技術(shù)手段支撐，完全靠人工管理，致使安全事故時有發(fā)生。2000年初，安裝了新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)，包括1套后臺主機、兩臺前置處理機、4臺位置引擎服務器、16個定位基站、56個定位終端，監(jiān)控面積覆蓋全部站內(nèi)區(qū)域。之后，情況有了很大的改善，兩年多來從未發(fā)生過人為原因引起的安全事故。

選擇幾項主要內(nèi)容的對照見表1。

表1 對照表

從上表數(shù)據(jù)可以看出：配置新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)后，引起安全事故的各種人為安全隱患因素大幅度降低，明顯提升了變電站作業(yè)和設(shè)備的安全運行水平。

4 結(jié)論

電網(wǎng)在發(fā)展，需求在提高，技術(shù)在前進。將無線定位技術(shù)應用于變電站的作業(yè)安全管理，用技術(shù)手段替代人工管理，對于變電站的安全運行具有開創(chuàng)性的意義。應用實踐證明，基于無線定位技術(shù)的變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)能夠消除人為因素造成的安全隱患，為變電站安全提供了強有力的技術(shù)支撐。相信隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的加速，無線定位技術(shù)將在變電站作業(yè)安全管理中發(fā)揮更大的作用。

[1] 栗云江.變電站綜合自動化技術(shù)問答[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2009.

[2] 陳獻偉.變電站危險點分析[M].北京:中國電力出版社, 2009.

[3] 羅治強,董昱,胡超凡. 2008年國家電網(wǎng)安全運行情況分析[J].中國電力, 2009, 42(5): 8-12.

[4] 馬珂,王軼禹,董昱.2009年國家電網(wǎng)安全運行情況分析[J].中國電力, 2010, 43(11): 1-4.

[5] 孫建鋒,葛睿,鄭力,胡超凡. 2010年國家電網(wǎng)安全運行情況分析[J].中國電力, 2011, 44(5), 1-4.

[6] 李麗,周彥偉,吳振強.無線網(wǎng)絡定位技術(shù)研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展, 2011(10).

[7] 黃中林,鄧平,梁甲金,陳紅陽.無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù)研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng), 2009(11).