劉志斌，趙桂軍，梁雪梅

（廊坊供電公司，廊坊 065000）

基于實(shí)時(shí)定位技術(shù)的變電站智能安全管理系統(tǒng)

劉志斌，趙桂軍，梁雪梅

（廊坊供電公司，廊坊 065000）

為了提高變電站安全管理水平、減少安全事故的發(fā)生，提出了運(yùn)用三維空間建模技術(shù)及實(shí)時(shí)定位技術(shù)建立變電站智能安全管理系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng)通過定位標(biāo)簽獲取現(xiàn)場(chǎng)工作人員的位置、行進(jìn)方向及速度，并將上述數(shù)據(jù)映射到變電站三維空間模型中，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)工作人員的行為，對(duì)工作人員誤入工作禁區(qū)或越限進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)的應(yīng)用能提高變電站安全管理的智能化水平，保證變電站現(xiàn)場(chǎng)操作的安全。

實(shí)時(shí)定位；三維建模；安全管理；行為監(jiān)控

目前電力生產(chǎn)過程中，保障操作和檢修人員的人身安全、防止誤入危險(xiǎn)間隔的措施主要有：嚴(yán)格的規(guī)章制度、微機(jī)五防閉鎖[1]系統(tǒng)、設(shè)置圍欄和人工監(jiān)護(hù)。大部分變電站用圍欄圍出醒目的檢修范圍來防止檢修人員走錯(cuò)間隔，誤入非工作區(qū)，以保證工作人員的人身安全。另外變電站通過在設(shè)備上加裝鎖具和邏輯閉鎖設(shè)計(jì)，將帶電間隔鎖住，這種措施在一定程度上起到了防止人員誤入帶電間隔的作用。但是它們有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是一旦現(xiàn)場(chǎng)工作人員失誤或誤將鎖具打開，進(jìn)入非工作間隔時(shí)，則不能對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)告警，避免人身傷亡事故的發(fā)生。

目前很多專家學(xué)者在研究實(shí)時(shí)定位技術(shù)在電網(wǎng)安全管理中的應(yīng)用。如文獻(xiàn)[2]提出結(jié)合運(yùn)用全球定位系統(tǒng)GPS（global positioning system）、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM（global system for mobile communications）、地理信息系統(tǒng)GIS（geographic information system）等技術(shù)，獲取巡檢員的巡檢軌跡以實(shí)現(xiàn)巡檢工作的自動(dòng)化、智能化管理；文獻(xiàn)[3]根據(jù)WSN定位技術(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了變電站安全作業(yè)管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，完成了變電站安全作業(yè)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。但至今，國內(nèi)外尚無將三維建模技術(shù)、高精度實(shí)時(shí)定位技術(shù)和實(shí)時(shí)預(yù)警技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在變電站安全管理中的研究報(bào)道。

本文以實(shí)時(shí)定位技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合三維建模及動(dòng)態(tài)安全域分析方法，建立了具有實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)護(hù)提醒及站內(nèi)工作全過程記錄功能的主動(dòng)式變電站安全防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)的推廣運(yùn)用，必將有效地預(yù)防變電站安全事故的發(fā)生，使安全事故率大幅下降，確保現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全。

1 基本原理

通過對(duì)變電站實(shí)際或計(jì)劃運(yùn)行方式進(jìn)行拓?fù)淠Ｐ头治觯?jì)算出變電站區(qū)內(nèi)帶電區(qū)域空間的分布，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作或工作性質(zhì)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出一個(gè)安全區(qū)域，同時(shí)構(gòu)建一個(gè)高精度的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)人員或關(guān)鍵設(shè)備的位置可視化跟蹤和帶電禁區(qū)監(jiān)管報(bào)警，防止現(xiàn)場(chǎng)操作或檢修人員誤操作或無意進(jìn)入帶電區(qū)域而引起人身安全事故。針對(duì)設(shè)備變電操作防誤、檢修工作現(xiàn)場(chǎng)可視化監(jiān)控、安全措施方案的可視化管理等變電站側(cè)工作內(nèi)容，本文提出了一種可靠的防誤解決方案，將防誤范圍由原來的操作防誤擴(kuò)大到變電站所有工作內(nèi)容，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)的主動(dòng)預(yù)警，有效地避免操作人員誤走危險(xiǎn)的帶電間隔、檢修人員誤入帶電區(qū)域等人為因素引起的電力人身安全事故的發(fā)生。

1.1 工作原理

本文介紹的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)主要由定位基站、操作人員攜帶的定位裝置、服務(wù)器及客戶端計(jì)算機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。該系統(tǒng)以定位設(shè)備硬件為底層平臺(tái)，通過（有線或無線）以太網(wǎng)，將操作現(xiàn)場(chǎng)劃分為多個(gè)監(jiān)控單元。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員攜帶定位裝置進(jìn)入定位信號(hào)覆蓋區(qū)域時(shí)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)操作人員的位置、行進(jìn)路線及速度等參數(shù)。根據(jù)變電站設(shè)備的3D位置及帶電狀態(tài)，建立設(shè)備及帶電區(qū)域的3D模型。當(dāng)工作人員誤入帶電禁區(qū)時(shí)定位裝置自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Network of the system

圖1中服務(wù)器存儲(chǔ)變電站3D空間模型，通過操作人員位置結(jié)合變電站3D模型判斷操作所在的間隔。另外，服務(wù)器提供主站側(cè)監(jiān)護(hù)、指揮需要的信息；校驗(yàn)安全操作，核實(shí)操作人員的操作正誤，并對(duì)操作人員提供周邊情況和巡檢人員的巡檢記錄等信息。定位基站、定位裝置用于定位操作人員的位置，定位基站和定位裝置的信息聯(lián)系如圖2所示。

圖2 定位基站、定位裝置間的信息連接Fig.2 Information connection between the positioning base station and positioning device

根據(jù)實(shí)際情況，定位基站可以安裝在場(chǎng)地周圍的立桿上，監(jiān)視范圍涵蓋變電站需要監(jiān)視的所有區(qū)域，接收工作人員所帶定位裝置發(fā)出的信號(hào)。系統(tǒng)采用有線或無線方式進(jìn)行位置數(shù)據(jù)信息的通訊。各定位基站采集的數(shù)據(jù)均傳到裝有定位引擎的后臺(tái)定位服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)軟件具有3D定位功能，用戶可以通過該軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)工作人員進(jìn)行管理，并設(shè)置帶電監(jiān)控區(qū)域。當(dāng)工作人員進(jìn)入帶電監(jiān)控區(qū)域時(shí)，立刻進(jìn)行提醒并作相應(yīng)記錄。

1.2 實(shí)時(shí)定位技術(shù)

精確的實(shí)時(shí)定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)人員位置實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)，只有定位精度達(dá)到要求才能準(zhǔn)確地確定人員的位置并確定其是否在安全區(qū)域邊界內(nèi)。如果定位精度不夠，就會(huì)面臨著邊界區(qū)域定位難以界定的難題。目前，常用的實(shí)時(shí)定位技術(shù)主要有：全球定位系統(tǒng)GPS（global position system）、Zigbee技術(shù)[4-5]、無線射頻識(shí)別RFID（radio frequency identification devices）技術(shù)[6]及超寬頻UWB（ultra wide band）技術(shù)[7]等。UWB技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功耗低、安全性高、定位精確等特點(diǎn)。

本文選用UWB技術(shù)來實(shí)現(xiàn)定位區(qū)域的完全覆蓋，并對(duì)工作人員進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)定位，定位精度可達(dá)厘米級(jí)。

1.3 定位算法

無線定位技術(shù)是指用來判定移動(dòng)用戶位置的測(cè)量和計(jì)算方法，即定位算法。目前最常用的定位算法主要有：時(shí)差定位算法、信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量算法、到達(dá)時(shí)間定位算法和到達(dá)時(shí)間差定位TDOA （time difference of arrival）算法等[8]。本系統(tǒng)采用TDOA算法來定位移動(dòng)用戶。

TDOA算法是通過測(cè)量無線電信號(hào)到達(dá)不同監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的天線單元時(shí)間差來對(duì)發(fā)射無線電信號(hào)的發(fā)射源進(jìn)行定位，即：距離差=時(shí)間差×電磁波速度。在一定條件下，無線電波的傳播速度是定值，所以時(shí)間差可以用距離差來表示。

在圖3所示三維坐標(biāo)中，MS為需要定位的位置，BSi為所選定位參考點(diǎn)i位置，Ri為MS與參考點(diǎn)i之間距離。根據(jù)定位的條件，要定位一個(gè)三維坐標(biāo)，至少需要對(duì)i=1，2，3，4的4個(gè)參考點(diǎn)，建立方程

式中：（x，y，z）和（xi，yi，zi）分別表示需要定位的位置MS和參考點(diǎn)位置BSi的三維空間坐標(biāo)；c為電波傳播速度；t0表示需要定位的位置發(fā)送信號(hào)的時(shí)間；ti表示到達(dá)參考點(diǎn)位置的時(shí)間。將由式（1）對(duì)應(yīng)的4個(gè)方程兩兩相減可得6個(gè)方程為

式中，i，j∈{1，2，3，4}，i≠j應(yīng)用差分時(shí)間到達(dá)（TDOA）算法[9]，可減小參考點(diǎn)和需定位坐標(biāo)之間由于不同步帶來的誤差，獲得式（2）的解。

在上述理論基礎(chǔ)上，求待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的問題就轉(zhuǎn)換成了解三元二次方程組問題。解這個(gè)方程組，目前常用的解析算法是Fang算法[10]，即完成上述代換后，可以先解出待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)z的值。通常，方程有2個(gè)解，而期望的解只有1個(gè)。若所得的解沒有物理意義或者超過了可測(cè)量的范圍，就視其為無效解。為了提高有解的概率，可以設(shè)定5個(gè)參考點(diǎn)，這樣就有5個(gè)不同的組合，產(chǎn)生5組方程組，得到5組解，去掉其中的無效解，將其余的有效解與已知坐標(biāo)空間進(jìn)行比較，選取位于坐標(biāo)空間內(nèi)的解為最優(yōu)解。

圖3TDOA定位模型示意Fig.3 Schematic diagram of TDOA location model

另一種求解方程組的算法基于最優(yōu)化的思想，即根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型，將定位坐標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)寫成

這樣就將解方程組轉(zhuǎn)換為求目標(biāo)函數(shù)的極值問題，即

式（4）是一個(gè)典型的無約束非線性規(guī)劃極值問題，可采用傳統(tǒng)的Guass-Newton或Quasi-Newton迭代算法求解。

2 實(shí)施步驟

本系統(tǒng)的主要實(shí)施步驟簡(jiǎn)述如下。

（1）建立電力設(shè)備虛擬的2D/3D模型。根據(jù)變電站實(shí)際設(shè)備的3D位置、帶電狀態(tài)、操作或工作目標(biāo)區(qū)域，設(shè)定操作人員安全工作區(qū)域的3D模型。

（2）采集人員位置信息。操作人員隨身攜帶一個(gè)或多個(gè)專用定位裝置，通過定位裝置定位操作人員的3D空間位置。

（3）自動(dòng)進(jìn)行安全預(yù)警提示。根據(jù)步驟（1）中設(shè)定的工作區(qū)域和安全區(qū)域，判斷操作人員是否走錯(cuò)了間隔，或其是否在安全區(qū)域內(nèi)工作，若結(jié)論是否定的，發(fā)出報(bào)警提示，防止人身傷害事故的發(fā)生。

（4）監(jiān)護(hù)操作。將操作人員的空間位置傳給主站側(cè)，主站人員（例如：集控中心、調(diào)度、指揮部門）據(jù)此進(jìn)行監(jiān)護(hù)操作，進(jìn)一步保證操作人員的安全。

3 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)以實(shí)時(shí)定位技術(shù)為基礎(chǔ)，通過建立變電站三維實(shí)景空間數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)變電站作業(yè)安全空間分析與管理。功能包括：作業(yè)安全空間分析、作業(yè)人員定位、危險(xiǎn)點(diǎn)與設(shè)備安全隱患管理、作業(yè)人員安全距離警示等。

1）工作禁區(qū)監(jiān)管及報(bào)警

根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行方式、檢修工作任務(wù)、安全措施安排，系統(tǒng)自動(dòng)生成工作禁區(qū)，通過實(shí)時(shí)定位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員位置進(jìn)行監(jiān)控，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員誤入工作禁區(qū)或越線情況進(jìn)行報(bào)警，保證檢修工作安全進(jìn)行。

監(jiān)護(hù)人員未經(jīng)允許，不得擅自離開工作區(qū)域。離開時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出警示，并且在主機(jī)側(cè)給出警告，避免擅離職守情況出現(xiàn)。

2）安全距離報(bào)警

系統(tǒng)可跟隨設(shè)備運(yùn)行方式變化，按照設(shè)備的電壓等級(jí)、絕緣情況等，自動(dòng)計(jì)算空間電場(chǎng)的分布，將不可見的電場(chǎng)以可視化的手段進(jìn)行展示，同時(shí)結(jié)合人員的實(shí)際空間位置，自動(dòng)判斷是否超越設(shè)備的安全距離范圍，對(duì)超越人員進(jìn)行實(shí)時(shí)告警，同時(shí)在主站監(jiān)控側(cè)進(jìn)行報(bào)警提示。

3）安全工作空間管理

系統(tǒng)可在建立的三維空間模型平臺(tái)上進(jìn)行任意兩點(diǎn)間的距離測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間距離測(cè)量、安全距離控制、引線弧垂距地高度測(cè)量、大型設(shè)備進(jìn)場(chǎng)前模擬、設(shè)備在帶電區(qū)域活動(dòng)空間管理、檢修人員現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)空間管理等。

4）智能巡視

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站巡檢過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和防誤閉鎖的同時(shí)，具備強(qiáng)大的智能提醒和信息查詢功能。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

該變電站安全防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)在河北廊坊大屯變電站進(jìn)行安裝測(cè)試，測(cè)試范圍為廊坊大屯220 kV變電站室外電氣區(qū)域、10 kV開關(guān)室（開關(guān)柜區(qū)域）。圖4為河北廊坊大屯變電站俯視圖。

圖4 河北廊坊大屯變電站俯視圖Fig.4 Vertical view of Hebei Langfang Datun substation

系統(tǒng)按實(shí)際比例仿真電氣設(shè)備、主控室、戶外設(shè)備等所有站區(qū)環(huán)境，并根據(jù)獲得的空間數(shù)據(jù)和設(shè)備實(shí)際影像得到真實(shí)環(huán)境的空間3D模型。

根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際設(shè)備3D位置、站區(qū)的三維模型、與綜自系統(tǒng)對(duì)接后獲取的設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作或工作目的，自動(dòng)計(jì)算站區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)空間分布，并以可視化方式展示，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)劃定工作人員的安全工作區(qū)域及危險(xiǎn)區(qū)域。

系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)工作人員攜帶的專用定位裝置，定位其在三維空間上的位置，此位置信息會(huì)實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)主站端（集控中心、調(diào)度中心、指揮部門、大屯站等），主站監(jiān)控人員可據(jù)此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行跟蹤監(jiān)護(hù)。主站顯示的現(xiàn)場(chǎng)人員位置與實(shí)際延時(shí)不超過1 s。圖5顯示了現(xiàn)場(chǎng)人員所在的工作區(qū)域，系統(tǒng)中用一個(gè)帶閃電的立方體表示；圖6分別在2D（左上角）和3D模型中顯示了現(xiàn)場(chǎng)工作人員在變電站中的位置及姓名。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)人員工作區(qū)域Fig.5 Work area of staff in the field

圖6 現(xiàn)場(chǎng)工作人員位置Fig.6 Location of staff in the field

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員臨近或者超出本次工作區(qū)域范圍后，系統(tǒng)能夠發(fā)出正確的預(yù)警提示，并將信號(hào)傳輸?shù)街骺厥?。預(yù)警提示準(zhǔn)確率為100%，達(dá)到了最初設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)從技術(shù)層面上為變電站現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全又加了一道防線，將三維實(shí)景空間建模和人員空間定位技術(shù)引入到變電站的安全工作空間管理工作中，通過實(shí)時(shí)定位技術(shù)解決了現(xiàn)場(chǎng)人員不能準(zhǔn)確掌握帶電區(qū)域的難題，有效地避免了操作人員誤走間隔、檢修人員誤入帶電區(qū)域而引發(fā)的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)能依據(jù)作業(yè)內(nèi)容，自動(dòng)分析變電站的危險(xiǎn)區(qū)域，確保現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全。上述定位技術(shù)的運(yùn)用和安全管理方法的推廣應(yīng)用，可使變電站生產(chǎn)安全事故率大幅下降，為工作人員的人身安全提供新的保證。

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Intelligent Safety Management System of Substations Based on Real-time Location Technology

LIU Zhi-bin，ZHAO Gui-jun，LIANG Xue-mei
（Langfang Power Supply Company，LangFang 065000，China）

In order to improve the level of safety management of substation and to reduce the occurrence of accidents，technologies of real-time location and three dimensional space modeling are used to establish an intelligent safety management system of substation．By using the system，parameters of field staff's route，direction and speed are recorded by the positioning label and reflected in a substation 3D space model to monitor behavior of workers in real time，and the safety and the dangerous areas are analyzed through the 3D model.It alarms when a worker comes into a forbidden or the out-of-limit zone.The system can insure the safety of operation of power stations and improve the intelligent level of safety management in substations．

real-time location；three dimensional modeling；safety management；behavior monitoring

TM734；TP319

A

1003-8930（2013）06-0138-05

劉志斌（1976—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楣╇娖髽I(yè)安全生產(chǎn)過程中的作業(yè)流程監(jiān)督、安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控、及對(duì)建設(shè)、改造項(xiàng)目的安全管理。Email：13833670577@163.com

2013-05-09；

2013-07-04

趙桂軍（1976—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楣╇娖髽I(yè)安全生產(chǎn)過程中的作業(yè)流程監(jiān)督、安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控、及對(duì)建設(shè)、改造項(xiàng)目的安全管理。Email：Zhaojungui2239@163.com

梁雪梅（1974—），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣╇娖髽I(yè)安全生產(chǎn)過程中的作業(yè)流程監(jiān)督、安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控、及對(duì)建設(shè)、改造項(xiàng)目的安全管理。Email：13722600336@139.com