趙俊蕾，李勇，劉海峰，王文軒

(國網(wǎng)滄州供電公司，河北 滄州 061000)

0 引 言

變電站是電力系統(tǒng)的中樞，對電能的傳輸與分配起到至關(guān)重要的作用[1-2]。提高變電站的安全管理水平，減少停電事故與人員傷亡，一直是電力公司追求的目標(biāo)[3-4]。當(dāng)前電力生產(chǎn)與檢修過程中主要通過規(guī)章制度、安全圍欄、五防閉鎖與現(xiàn)場人工安全監(jiān)護(hù)等方式對作業(yè)人員的安全進(jìn)行保障[5-6]。其中，以設(shè)置安全圍欄最為常見，通常在作業(yè)面周圍設(shè)置非常醒目的安全圍欄，從而防止作業(yè)人員走錯間隔或誤碰帶電設(shè)備。上述幾種措施均存在一定缺陷，一旦現(xiàn)場的監(jiān)護(hù)人員缺位，工作人員可能誤打開相關(guān)鎖具而誤入帶電工作間隔，此時若缺乏及時的制止，則可能發(fā)生人員觸電與設(shè)備運維事故等安全事件發(fā)生。

變電站施工或檢修過程中，因現(xiàn)場作業(yè)人員種類繁多、作業(yè)人員素質(zhì)參差不齊、工作面多、作業(yè)強(qiáng)度高、作業(yè)現(xiàn)場車輛和各種機(jī)械設(shè)備繁雜等原因，存在較高的安全風(fēng)險。如果配備相當(dāng)數(shù)量的安全監(jiān)護(hù)人員，可以從很大程度上避免安全事故的發(fā)生，但是鑒于時間與人力成本的因素，不能僅靠提供嚴(yán)重過量的監(jiān)護(hù)人員來保證作業(yè)檢修現(xiàn)場的安全。對作業(yè)人員的位置進(jìn)行實施定位與監(jiān)控，利用系統(tǒng)采集作業(yè)面各作業(yè)人員及機(jī)具的位置，并利用終端對越位的作業(yè)人員及時發(fā)出警告，具有安全性好、效率高和方便數(shù)字化管理等多重優(yōu)點。變電站的施工與檢修等場合對人員與機(jī)具的定位提出了厘米級的精度要求，而GPS、手機(jī)基站、WiFi和ZigBee等多種技術(shù)尚無法滿足定位精度要求[7-9]。超寬帶(ultra wide band,UWB)是一種無載波通信技術(shù)。由于其頻譜范圍寬，發(fā)射與接收電路簡單，功耗低，穿透力強(qiáng)，定位精度高，以及傳輸速率快等優(yōu)勢，尤其適用于變電站內(nèi)的高速與近距離無線通信[10-12]。

基于上述背景，本文研究了基于UWB定位技術(shù)變電站安全監(jiān)控方案，給出了基于UWB定位技術(shù)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件系統(tǒng)設(shè)計方案，并將開發(fā)出的安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于實際變電站，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 UWB定位技術(shù)

1.1 基本原理

UWB定位的核心思想是測定距離與方向，并通過算法對目標(biāo)位置進(jìn)行定位。通常包含三種原始定位方法：基于到達(dá)角度估計、基于到達(dá)時間估計及基于接收信號強(qiáng)度估計。

基于到達(dá)角度的定位方法基本原理為：由2個固定位置參考點獲取的動態(tài)目標(biāo)信號到達(dá)角度計算動態(tài)目標(biāo)的位置，示意圖如圖1所示。該種定位方式不需要與強(qiáng)制參考點天線同步。

圖1 基于到達(dá)角度的定位方法原理圖

基于到達(dá)時間的定位方法具體可分為基于到達(dá)時間與基于到達(dá)時間差兩種方法?；诘竭_(dá)時間的定位方法采用3個位置信號發(fā)射器向動態(tài)目標(biāo)發(fā)射信號，根據(jù)信號的接收時間與位置信號發(fā)射器信號發(fā)射時間計算出3個位置距離計算動態(tài)目標(biāo)的絕對位置，其基本原理如圖2所示。該種定位方法對信號同步與時間測量的精度有較高要求，否則將造成較大誤差。基于到達(dá)時間差的定位方法則利用了雙曲線的幾何特征來定位，如圖3所示。將參考點位1和2布置在雙曲線1的兩個焦點上，同時將點位2和3布置在雙曲線2的兩個焦點上。利用時間差獲得參考點位距離動態(tài)目標(biāo)的位置，并利用各自雙曲線的約束關(guān)系，通過求解聯(lián)立方程組的方法求解出動態(tài)目標(biāo)的絕對位置。該種方法不再要求參考點位與動態(tài)目標(biāo)之間的時間同步，只需要3個參考點之間的時間同步即可，其原理圖如圖3所示。

圖2 基于到達(dá)時間的定位方法原理圖

圖3 基于到達(dá)時間差的定位方法原理圖

基于接收信號強(qiáng)度的定位方法主要依靠信號強(qiáng)度與特定的通信信道衰減模型估算參考點與動態(tài)目標(biāo)之間的距離，由多個距離信息便可利用與基于到達(dá)時間相似的定位原理計算動態(tài)目標(biāo)的絕對位置。方法實施起來較為復(fù)雜且影響因素眾多，因而定位誤差較大。

1.2 基于UWB定位技術(shù)的變電站安全監(jiān)控方案

本文采用基于到達(dá)時間的定位方法對變電站內(nèi)的動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行定位。但考慮到變電站安全監(jiān)控的特殊性與監(jiān)控區(qū)域的相對固定性，在信號發(fā)射器的點位布置上采用了固定+動態(tài)相結(jié)合的模式。固定+動態(tài)模式是指在變電站的常規(guī)監(jiān)測區(qū)域，如某些經(jīng)常作業(yè)的開關(guān)間隔、主變附近及輸電線路進(jìn)線等區(qū)域，根據(jù)需要在固定位置安裝信號發(fā)射器，而在一些根據(jù)施工和檢修需要進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的區(qū)域則安裝動態(tài)設(shè)置信號發(fā)射器，工作一旦結(jié)束即撤離相關(guān)設(shè)備。在固定+動態(tài)模式的基礎(chǔ)上，在后續(xù)的軟件系統(tǒng)中置入固化的位置信息與方程算式，可以加快定位計算與預(yù)警響應(yīng)的時間，提高安全監(jiān)控的效率與可靠性。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件架構(gòu)及原理

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于UWB定位技術(shù)的變電站安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層，包括感知層、平臺層與應(yīng)用層，如圖4所示。感知層是最底層的硬件層，在前述基于UWB定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對變電站施工與檢修現(xiàn)場人員與機(jī)具信息的采集與處理，實現(xiàn)對現(xiàn)場目標(biāo)對象位置的智能感知。平臺層將相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存、治理與配置，以方便后期的調(diào)用與分析。應(yīng)用層是實現(xiàn)目標(biāo)定位的高級應(yīng)用層，它能夠?qū)?shù)據(jù)庫中的目標(biāo)對象信息進(jìn)行調(diào)用與分析，并借用預(yù)置的多種智能算法對目標(biāo)位置進(jìn)行實時判斷，從而對相關(guān)越位對象進(jìn)行管控，并及時發(fā)出預(yù)警信號，從而助力實現(xiàn)變電站的安全管理，提升管理效率與水平。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

基于UWB定位技術(shù)的變電站安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件模塊主要包括定位標(biāo)簽、定位終端、信號發(fā)射與接收器、定位配置器、預(yù)警系統(tǒng)以及服務(wù)器，結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。定位標(biāo)簽采用小型無線型號發(fā)射與接收器，用以產(chǎn)生與接收超寬頻無線信號。定位終端則利用上述信號結(jié)合定位算法完成對定位標(biāo)簽的定位，從而獲得移動目標(biāo)的具體位置，定位裝置的有效工作范圍為100 m徑向范圍。信號發(fā)射與接收器將信號回送給定位終端，定位終端對位置信息相關(guān)的數(shù)據(jù)打包并發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器可以調(diào)用各種預(yù)置算法，與內(nèi)置的判據(jù)進(jìn)行對比，如果滿足預(yù)警判據(jù)，則發(fā)出預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警信號。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本文采用扁平化設(shè)計方案，共設(shè)置3個等級的操作菜單，而所有的一級菜單均按照功能進(jìn)行劃分，并在其下設(shè)置分類明確與操作簡潔的子菜單。所有的設(shè)計均基于Web技術(shù)，最大限度上方便變電站安全管理人員的使用。軟件設(shè)計套用經(jīng)典的分布式處理模式，實現(xiàn)任務(wù)分配與管理、通信管理、數(shù)據(jù)管理與可視化管控等多項功能，主要包括任務(wù)分配與管理、客戶管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器、通信服務(wù)終端及RTLS中間件等模塊，如圖6所示。各個軟件模塊可以根據(jù)需要內(nèi)置于不同的硬件上，或者直接集成于同一個硬件模塊上。

圖6 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用與案例分析

3.1 定位精度驗證

為了驗證基于UWB定位技術(shù)的定位精度，在某220 kV變電站進(jìn)行布點測試，對站內(nèi)檢修人員的位置進(jìn)行實時定位。根據(jù)檢修人員作業(yè)區(qū)域的特點，分別在無電磁干擾與無遮擋物、有遮擋物和有電磁干擾的區(qū)域選取典型位置進(jìn)行布點，測試了目標(biāo)的定位距離及其統(tǒng)計學(xué)特征，得到各種條件下的測試結(jié)果如表1所示。由表1可知，在無電磁干擾與無遮擋物的情況下，定位誤差均在3 cm以內(nèi)。在有遮擋物與有電磁干擾這兩種情況下，雖然定位誤差均大于3 cm且最大達(dá)到了25 cm左右，但上述測試結(jié)果是在最嚴(yán)苛的測試條件下得到的。考慮到現(xiàn)場選點布置時可以將點盡量選在無大面積遮擋的地方，且實際施工或檢修作業(yè)時總有大范圍停電區(qū)域，電磁干擾也不會有測試時強(qiáng)。因此，可以認(rèn)為實際應(yīng)用的誤差范圍不會對現(xiàn)場作業(yè)人員的安全監(jiān)控產(chǎn)生影響。

表1 變電站定位實測數(shù)據(jù) m

3.2 系統(tǒng)功能驗證

為了驗證系統(tǒng)的功能正常，對該220 kV變電站201開關(guān)間隔進(jìn)行了模擬，201開關(guān)停電作業(yè)，但其相鄰間隔帶電。檢修人員離開停電作業(yè)區(qū)域，以正常步行速度走向臨近帶電間隔的外圍區(qū)域。當(dāng)作業(yè)人員接近帶電作業(yè)區(qū)域墻壁外圍10 cm時，系統(tǒng)及時發(fā)出了預(yù)警信號。測試結(jié)果說明軟件系統(tǒng)的功能正常，并且軟件預(yù)置的危險距判據(jù)等能夠有效判斷作業(yè)人員的安全情況，并且留有一定的安全裕度，也為作業(yè)人員留有對預(yù)警信號的反應(yīng)時間，同時進(jìn)一步驗證了基于UWB定位技術(shù)的定位準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

基于UWB定位技術(shù)與變電站安全監(jiān)控需求的特點，提出了基于UWB定位技術(shù)的變電站安全監(jiān)控方案，并在此基礎(chǔ)上對監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，開發(fā)出基于UWB定位技術(shù)的變電站安全監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ψ冸娬粳F(xiàn)場作業(yè)人員與機(jī)具進(jìn)行有效安全監(jiān)控，有利于提高變電站設(shè)備運維與人員作業(yè)的安全水平，具有重要的工程實用價值與意義。