趙曉東，朱何榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

變電站防誤系統(tǒng)是防止變電站檢修操作過(guò)程中電氣誤操作的必備技術(shù)手段?，F(xiàn)有變電站防誤系統(tǒng)能有效防止變電站運(yùn)行檢修作業(yè)人員的誤操作，避免事故與人身傷害的發(fā)生，但仍然存在以下問(wèn)題：a）誤入帶電區(qū)域：變電站現(xiàn)有防誤系統(tǒng)缺乏監(jiān)測(cè)帶電區(qū)域的有效手段，實(shí)際檢修運(yùn)維操作過(guò)程中操作人員由于各種原因，誤入帶電區(qū)域引發(fā)的人身傷害事故時(shí)有發(fā)生；b）設(shè)備離線導(dǎo)致誤操作：離線設(shè)備的狀態(tài)沒(méi)有納入到變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)視范圍內(nèi)，當(dāng)電腦鑰匙操作打開(kāi)機(jī)械鎖具后無(wú)法根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)采集的一次設(shè)備位置信息確認(rèn)一次設(shè)備是否已經(jīng)到位，容易造成離線設(shè)備操作后因無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)視從而有可能造成誤操作導(dǎo)致人身傷害；c）檢修隔離缺乏技術(shù)關(guān)聯(lián)：通過(guò)“工作票+現(xiàn)場(chǎng)安全隔離”來(lái)確保檢修現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)安全，缺乏剛性技術(shù)措施制約，存在誤向檢修設(shè)備送電的風(fēng)險(xiǎn)；d）帶臨時(shí)接地線合開(kāi)關(guān)：地線狀態(tài)未納入自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)視，檢修作業(yè)完成后，由于檢修人員疏忽等原因接地線未拆除，直接進(jìn)行送電操作，導(dǎo)致線路直接接地的惡性事故［1-4］。

本文針對(duì)現(xiàn)有變電站防誤系統(tǒng)存在的不足，結(jié)合UWB（Ultra Wideband）高精度定位、LoRa（Long Range Radio）無(wú)線通信等物聯(lián)感知技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套在線式智能防誤系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了變電站系統(tǒng)防誤能力。實(shí)踐證明，通過(guò)自動(dòng)規(guī)劃出安全工作區(qū)及操作隔離面，閉鎖檢修區(qū)域設(shè)備遠(yuǎn)方操作權(quán)限，以操作過(guò)程中對(duì)操作人員及生產(chǎn)設(shè)備的高精度定位，以及操作過(guò)程信息的實(shí)時(shí)信息交互，可以有效增強(qiáng)變電站檢修作業(yè)操作全過(guò)程中的人員及生產(chǎn)安全性。

1 物聯(lián)感知技術(shù)介紹

1.1 UWB定位技術(shù)介紹

UWB是一種新型無(wú)載波無(wú)線通信技術(shù)，無(wú)需載波調(diào)制而是利用納秒至微秒級(jí)的脈沖傳輸數(shù)據(jù)，脈沖帶寬覆蓋3.1 GHz～10.6 GHz，極寬的帶寬使得UWB 能夠在短距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bit/s 至數(shù)Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，在定位測(cè)距中能夠達(dá)到分米級(jí)的定位精度［5-11］。

UWB 定位技術(shù)常采用三邊定位算法，通過(guò)測(cè)量UWB脈沖信號(hào)到達(dá)參考節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間，根據(jù)圓周模型計(jì)算三者交叉點(diǎn)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位。

如圖1 所示，A1、A2、A3 是3 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，R1、R2、R3 是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的距離，基于圓周的定位模型的原理是根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（如圖1中M）到達(dá)多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)（基站，如圖1 中A1、A2、A3）的測(cè)量距離，可以形成多個(gè)圓周，通過(guò)計(jì)算圓周的交點(diǎn)即可以估計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M的位置。

圖1 UWB定位方式示例Fig.1 Example of UWB positioning method

UWB采用占空比極?。?%）的脈沖進(jìn)行傳輸信息，脈沖持續(xù)時(shí)間0.2 ns～1.5 ns之間。無(wú)需載波調(diào)制、功率放大等信號(hào)處理，因此僅需要很小的發(fā)射功率就能實(shí)現(xiàn)通信，這大大延長(zhǎng)系統(tǒng)電源工作時(shí)間，無(wú)載波窄脈沖通信的特點(diǎn)使得UWB具有極強(qiáng)的穿透能力和多徑分辨能力等特點(diǎn)，具有抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高、多徑分辨能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合復(fù)雜環(huán)境下的高精度定位。

1.2 LoRa通信技術(shù)介紹

LoRa是一種低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)，基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，保持了像FSK（Frequency-shift keying，頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，為用戶(hù)提供了一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的大容量無(wú)線傳輸方案，在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。

LoRa 網(wǎng)絡(luò)主要由終端（LoRa 模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱(chēng)LoRa基站）、站端（或云端）等部分組成，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特點(diǎn)。在有遮擋物的情況下，傳輸距離仍然可以達(dá)到上千米；傳輸速率從幾十到幾百kbps。

LoRa采用星狀拓?fù)洌═MD組網(wǎng)方式），網(wǎng)關(guān)星狀連接終端節(jié)點(diǎn)，但終端節(jié)點(diǎn)并不綁定唯一網(wǎng)關(guān)，相反，終端節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)可發(fā)送給多個(gè)網(wǎng)關(guān)。理論上來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)Mesh、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者星形的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和架構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 LoRa組網(wǎng)示例Fig.2 Example of LoRa networking

2 檢修作業(yè)安全管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)現(xiàn)有變電站防誤系統(tǒng)存在的不足，結(jié)合UWB高精度定位、LoRa 無(wú)線通信等物聯(lián)感知技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套在線式智能防誤系統(tǒng)，在現(xiàn)有變電站防誤系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了人員及工器具實(shí)時(shí)定位、電腦鑰匙實(shí)時(shí)在線、智能地線頭實(shí)時(shí)在線以及檢修隔離等功能，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)防誤能力，實(shí)現(xiàn)了檢修作業(yè)全過(guò)程安全管控，增強(qiáng)了人員及生產(chǎn)安全性［12-13］。在線式智能防誤系統(tǒng)包括防誤主機(jī)、電腦鑰匙、通信適配器、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、無(wú)線基站、定位標(biāo)簽、地線管理控制器、地線檢測(cè)閉鎖機(jī)構(gòu)、智能地線頭、五防鎖具，以及檢修隔離適配器、檢修隔離鑰匙、檢修隔離鎖具等。電腦鑰匙、智能地線頭、定位標(biāo)簽基于無(wú)線通信，與防誤主機(jī)實(shí)時(shí)交互信息，具體架構(gòu)圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 System architecture diagram

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 人員管理

智能防誤系統(tǒng)根據(jù)操作票信息自動(dòng)生成安全工作區(qū)，借助定位技術(shù)形成電子圍欄，采用主動(dòng)式防誤技術(shù)，通過(guò)在管理系統(tǒng)設(shè)置虛擬電子圍欄，可實(shí)現(xiàn)“越界預(yù)警、滯留預(yù)警、長(zhǎng)時(shí)間靜止預(yù)警”等功能，防止人員誤入帶電間隔、防止檢修人員誤出安全邊界、檢測(cè)檢修人員與監(jiān)護(hù)人員安全距離等［14-18］，如圖4所示。

圖4 人員管理示例Fig.4 Example of personnel management

針對(duì)變電站運(yùn)維的巡視管理，在巡視路線上設(shè)置虛擬邊界，巡視人員一旦離開(kāi)巡視區(qū)域，便可通過(guò)各種報(bào)警方式提醒平臺(tái)和巡視人員，確保安全巡視。

針對(duì)倒閘操作、帶電檢測(cè)、消缺等業(yè)務(wù)，均可設(shè)置虛擬安全區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)等虛擬電子圍欄實(shí)時(shí)監(jiān)控、提醒，確保人員安全。

2.2.2 工器具管理

針對(duì)變電站運(yùn)維班的安全工器具等重要設(shè)備可以配置資產(chǎn)標(biāo)簽、定時(shí)監(jiān)測(cè)歸位情況以及使用情況。隨著國(guó)家電網(wǎng)有限公司逐步加強(qiáng)運(yùn)維班作為最基層戰(zhàn)斗單位的作用，這些重要的設(shè)備和工具將會(huì)越來(lái)越多。

例如，臨時(shí)接地線與兩票操作的配合，在變電站檢修操作執(zhí)行過(guò)程中，如果操作有誤，例如接地線出現(xiàn)在不應(yīng)該出現(xiàn)的區(qū)域；在兩票操作完成情況下，接地線未歸位到工具室等，各種異常下均可報(bào)警提示操作人員。

2.2.3 緊急救援

當(dāng)檢修作業(yè)過(guò)程中發(fā)生意外事故（火災(zāi)、爆炸等）或者人身傷害等緊急情況時(shí)，時(shí)間就是生命，能否第一時(shí)間得到有效救援至關(guān)重要。檢修作業(yè)人員通過(guò)隨身佩戴的定位卡片上的“一鍵求助”可以進(jìn)行及時(shí)求助，此時(shí)定位系統(tǒng)軟件進(jìn)行聲光報(bào)警并第一時(shí)間通過(guò)短信或微信通知相關(guān)人員，并可結(jié)合定位系統(tǒng)快速鎖定報(bào)警人員位置，實(shí)現(xiàn)快速救援。

2.2.4 歷史追溯

基于UWB定位技術(shù)，可隨時(shí)查看被定位目標(biāo)在某一時(shí)段的歷史軌跡，在防誤系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)直觀的回放，比如查看不同巡視人員、在某區(qū)域的停留時(shí)間等數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生突發(fā)情況，可通過(guò)歷史軌跡查詢(xún)來(lái)實(shí)現(xiàn)事件追溯。

2.2.5 實(shí)時(shí)在線

電腦鑰匙具備無(wú)線通信功能，在進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)，電腦鑰匙離開(kāi)通信適配器后，通過(guò)LoRa無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)保持與防誤主機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)回傳電腦鑰匙的操作信息至防誤主機(jī)，由防誤主機(jī)根據(jù)電腦鑰匙操作信息以及本次操作相關(guān)設(shè)備狀態(tài)變化情況判斷后續(xù)操作步驟條件是否滿足，并將判斷結(jié)果通過(guò)LoRa無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸至電腦鑰匙。當(dāng)出現(xiàn)相關(guān)設(shè)備狀態(tài)變化導(dǎo)致防誤系統(tǒng)判斷出電腦鑰匙操作條件不滿足時(shí)，也可借助無(wú)線通訊自動(dòng)閉鎖電腦鑰匙的操作權(quán)限，防止出現(xiàn)誤操作［19-22］，實(shí)時(shí)操作校驗(yàn)過(guò)程如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)操作校驗(yàn)過(guò)程示意Fig.5 Schematic diagram of real-time operation verification process

例如，間隔停電檢修過(guò)程中，操作人員完成隔離刀閘分閘操作后，隔離刀閘未能正確分開(kāi)，防誤系統(tǒng)檢測(cè)到隔離刀閘狀態(tài)錯(cuò)誤，閉鎖后續(xù)接地刀閘操作，并將判斷結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸給電腦鑰匙，提示操作人員并閉鎖電腦鑰匙后續(xù)操作。傳統(tǒng)防誤系統(tǒng)電腦鑰匙傳票后，到現(xiàn)場(chǎng)操作，即使防誤系統(tǒng)主機(jī)檢測(cè)到隔離刀閘狀態(tài)錯(cuò)誤，此時(shí)也不能閉鎖電腦鑰匙下一步操作，僅能展示操作步驟，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)防誤系統(tǒng)與智能防誤系統(tǒng)對(duì)比如圖6所示。

圖6 防止誤分合操作界面展示圖Fig.6 Presentation of anti-erroneous switching-on/off interface

2.2.6 檢修隔離

依據(jù)變電站內(nèi)一次主接線圖及檢修操作前設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，構(gòu)建異構(gòu)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。根據(jù)檢修范圍通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)自動(dòng)識(shí)別關(guān)聯(lián)設(shè)備形成隔離面，由運(yùn)行人員對(duì)隔離面設(shè)備閉鎖，防止誤向檢修面送電，為檢修隔離作業(yè)管控提供安全可靠的支撐。

防誤主機(jī)在形成對(duì)應(yīng)設(shè)備操作票后，根據(jù)需要操作的對(duì)象，在防誤主機(jī)形成檢修工作區(qū)以及檢修隔離區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)防誤主機(jī)形成的檢修隔離區(qū)，采用檢修鎖具及附件，在檢修工作區(qū)外圍形成一道檢修隔離面，如圖7圈定區(qū)域所示。

圖7 防誤主機(jī)檢修隔離面形成圖Fig.7 Diagram of maintenance & isolation scope of anti-maloperation host

檢修隔離適配器接收到防誤主機(jī)發(fā)送的檢修任務(wù)后，自動(dòng)將檢修任務(wù)與檢修授權(quán)鑰匙綁定，而該檢修任務(wù)所包含設(shè)備的操作權(quán)限就被自動(dòng)“閉鎖”，僅當(dāng)與該檢修任務(wù)綁定的授權(quán)鑰匙返回，確認(rèn)檢修工作結(jié)束后，才會(huì)解除對(duì)該檢修任務(wù)包含設(shè)備的閉鎖，實(shí)現(xiàn)被檢修設(shè)備操作權(quán)由檢修人員掌握，保證檢修人員安全。

2.2.7 臨時(shí)地線管理

智能地線管理系統(tǒng)由智能地線管理控制器、地線檢測(cè)閉鎖機(jī)構(gòu)、智能地線柜、智能地線頭、智能地線樁、智能網(wǎng)關(guān)、無(wú)線基站等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 智能地線管理系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.8 Architecture of smart ground wire management system

地線管理控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式與防誤主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，上送當(dāng)前地線狀態(tài)以及執(zhí)行防誤主機(jī)解鎖/閉鎖命令，實(shí)現(xiàn)各個(gè)地線檢測(cè)閉鎖機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一管理。在進(jìn)行掛接臨時(shí)地線的操作任務(wù)時(shí)，操作人員通過(guò)防誤主機(jī)解鎖所選擇的臨時(shí)接地線，其他未被選擇的地線則仍處于閉鎖狀態(tài)。

每根臨時(shí)接地線的智能地線頭上安裝有對(duì)應(yīng)該地線的RFID識(shí)別碼片，作為該地線的唯一編碼。地線檢測(cè)閉鎖機(jī)構(gòu)安裝在智能地線管理柜內(nèi)，機(jī)構(gòu)上安裝有RFID碼片識(shí)別回路和閉鎖機(jī)構(gòu)，當(dāng)智能地線頭掛到檢測(cè)閉鎖機(jī)構(gòu)指定的卡位上時(shí)，檢測(cè)閉鎖機(jī)構(gòu)上的RFID碼片識(shí)別回路即讀取到對(duì)應(yīng)的RFID碼值，從而識(shí)別智能地線身份并能將正確的地線閉鎖。當(dāng)防誤主機(jī)授權(quán)后，檢測(cè)閉鎖機(jī)構(gòu)可以將已閉鎖的地線解鎖或?qū)⑦€回來(lái)的地線閉鎖。

當(dāng)臨時(shí)接地線掛接到地線樁上或拆除離開(kāi)地線樁時(shí)，智能地線頭上的RFID 碼片識(shí)別電路開(kāi)始工作，把所掛接或者拆除的地線樁RFID碼值通過(guò)LoRa無(wú)線通信方式傳輸給防誤主機(jī)，防誤主機(jī)獲得當(dāng)前所有接地狀態(tài)，并直觀展示在防誤主機(jī)的界面上。同時(shí)，防誤主機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)回傳的臨時(shí)接地線狀態(tài)判斷臨時(shí)接地線掛接或拆除的正確性，以及是否可以進(jìn)行后續(xù)操作，并給出提示，當(dāng)臨時(shí)接地線狀態(tài)不符合要求時(shí)，防誤主機(jī)將禁止下一步操作，從而從根本上解決了臨時(shí)接地線的錯(cuò)誤掛接、漏拆除等難題，采用技術(shù)手段杜絕了帶臨時(shí)接地線送電等惡性誤操作事故的發(fā)生。

3 工程實(shí)例

本文提出的基于UWB 高精度定位、LoRa 無(wú)線通信等物聯(lián)感知技術(shù)的檢修作業(yè)全過(guò)程管控方案及產(chǎn)品已在多個(gè)變電站投入使用，下面以江蘇常州110 kV博瑞變電站智能防誤系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

江蘇常州110 kV 博瑞變電站智能防誤系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示，左側(cè)虛框?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)五防系統(tǒng)功能，右側(cè)虛框?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位及電腦鑰匙無(wú)線通信功能。

圖9 博瑞變電站智能防誤系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.9 Architecture of smart anti-maloperation system in Borui Substation

大屏幕左側(cè)展示操作票信息及當(dāng)前操作步驟情況、右側(cè)展示操作人員實(shí)時(shí)位置信息、下側(cè)小屏幕顯示實(shí)時(shí)視頻信息，全面展示操作過(guò)程及狀態(tài)信息，如圖10所示。

圖10 大屏顯示示意圖Fig.10 Demonstration of large screen display

防誤系統(tǒng)生成操作票的同時(shí)根據(jù)操作內(nèi)容自動(dòng)規(guī)劃出安全工作區(qū)及操作隔離面，形成虛擬電子圍欄?，F(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)過(guò)程中，操作人一旦離開(kāi)規(guī)劃區(qū)域，即會(huì)收到主動(dòng)告警，防止誤入非工作區(qū)域。同時(shí)，操作隔離面以?xún)?nèi)，檢修任務(wù)所包含所有設(shè)備的遠(yuǎn)方操作權(quán)限均被自動(dòng)“閉鎖”，避免檢修作業(yè)過(guò)程中，誤向檢修設(shè)備送電。

臨時(shí)接地線加裝定位標(biāo)簽，防誤系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視臨時(shí)地線的位置信息，并根據(jù)臨時(shí)地線的位置信息，判斷接地線是否拆除，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)/刀閘操作閉鎖。

電腦鑰匙通過(guò)無(wú)線通信模塊與防誤主機(jī)實(shí)時(shí)通信，實(shí)時(shí)回傳操作信息并獲取各步驟操作結(jié)果，防誤主機(jī)根據(jù)相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的變化確認(rèn)是否可以繼續(xù)操作，并將判斷結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸給電腦鑰匙，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備操作全過(guò)程管控。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)變電站防誤系統(tǒng)可有效預(yù)防誤操作，防止人身傷害，但是依然存在誤入帶電區(qū)域、設(shè)備離線導(dǎo)致誤操作、檢修隔離缺乏技術(shù)關(guān)聯(lián)、帶臨時(shí)接地線合斷路器（隔刀）的風(fēng)險(xiǎn)。

本文提出了基于UWB 高精度定位、LoRa 無(wú)線通信等物聯(lián)感知技術(shù)的檢修作業(yè)全過(guò)程安全管控方案，并設(shè)計(jì)了一套完整的變電站智能防誤系統(tǒng)。首先依據(jù)變電站一次主接線圖及變電站空間位置建模數(shù)據(jù)，構(gòu)建異構(gòu)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，根據(jù)檢修需要自動(dòng)形成虛擬電子圍欄，指定作業(yè)范圍，閉鎖作業(yè)范圍內(nèi)所有設(shè)備遠(yuǎn)方操作權(quán)限；作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)外定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員實(shí)時(shí)定位管控；通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電腦鑰匙及智能地線實(shí)時(shí)在線，保障操作過(guò)程實(shí)時(shí)管控，地線狀態(tài)實(shí)時(shí)感知，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修作業(yè)的全過(guò)程安全管控。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以有效解決誤入帶電區(qū)域、設(shè)備離線導(dǎo)致誤操作、檢修隔離缺乏技術(shù)關(guān)聯(lián)、帶臨時(shí)接地線合斷路器（隔刀）的問(wèn)題，提高變電站檢修作業(yè)安全可靠性，將檢修作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全管理由“被動(dòng)發(fā)現(xiàn)”變?yōu)椤爸鲃?dòng)預(yù)防”，有效提升變電站安全管理水平。