基于UWB定位技術(shù)的變電站安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

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)護等方式對作業(yè)人員的安全進行保障[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)強度高、作業(yè)現(xiàn)場車輛和各種機械設(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具的定位提出了厘米級的精度要求，而GPS、手機基站、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，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?；诘竭_(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

基于接收信號強度的定位方法主要依靠信號強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)位置進行實時判斷，從而對相關(guān)越位對象進行管控，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變電站進行布點測試，對站內(nèi)檢修人員的位置進行實時定位。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。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)人員與機具進行有效安全監(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。