抽水蓄能電站人員定位管理系統關鍵技術

馬娜，靳莉

（北京國電通網絡技術有限公司，北京 100070）

1 引言

隨著國家經濟的發展，電力負荷也隨之增長，電網的峰谷差不斷擴大，用戶對電力安全和質量預期越來越高。抽水蓄能電站作為電網系統的穩定器，其運行狀況直接影響著電網的安全穩定運行，在電網調峰、電網儲能、新能源消納和多能互補方面具有重要作用。由于抽水蓄能電站特殊的隧洞施工環境，一旦發生危險，救援人員很難掌握隧洞中的實際情況和發生事故時被困人員的確切位置。因此，抽水蓄能電站中應用的人員定位管理系統必須具備精準測距和定位技術，而傳統的無線定位系統使用Wi-Fi、藍牙及ZigBee等技術，基于接收信號強度指示（received signal strength indication，RSSI）對標簽位置進行粗略估計，定位精度低、容易受到干擾、定位穩定性差，難以適應高精度無線定位應用的要求。近年來，基于超寬帶（ultra wideband，UWB）無線通信的精確測距和定位技術備受關注，得到快速發展，其擁有傳統定位技術無法比擬的優勢。

2 超寬帶定位技術

超寬帶技術是一種無載波通信技術，通過納秒或微微秒接收和發送極窄脈沖傳輸數據，具有GHz量級的帶寬。通過在寬頻譜上傳輸功率非常低的無線信號，UWB可以在大約10 m的范圍內實現數百Mbit/s到數Gbit/s的數據傳輸速率。UWB技術具有抗干擾性好、功耗低、傳輸速率快、發送功率小等諸多優點。目前，美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）開放的頻段是3.1～10.6 GHz，任何?10 dB相對帶寬大于0.2或絕對帶寬大于500 MHz的信號都是超寬帶信號。

其中，fH、fL分別為功率較峰值功率下降 10 dB時所對應的高端頻率和低端頻率；fC為載波頻率或中心頻率，fC=(fH+fL)/2。

UWB超寬帶技術具備了許多正弦載波通信技術無法比擬的優勢，特別是 UWB脈沖的寬度為納秒級，具有較高的時間分辨率和較強的穿透材料的能力。利用超寬帶信號進行定位，采用到達時間（time of arrival，TOA）定位技術測距，理論上可以達到 cm 級的測距精度，完全能夠滿足精確定位的需求。這種良好的性能為抽水蓄能電站人員定位管理系統的設計提供了有力的支撐。

3 定位技術對比

目前存在的多種定位技術都有其自身的特點和應用場合，常見的無線定位技術的對比見表1。

經過表1中的分析，可以得出UWB定位精度為厘米級，相比于其他定位方式更加精準，更重要的是，由于 UWB信號的特點，決定了在變電站這種復雜的電磁環境中的精度不會降低，并且在計量、設備保護和通信系統上不會受到干擾。

4 系統架構

抽水蓄能電站中人員定位管理系統由定位硬件設備、中心數據處理硬件設備、中心網絡傳輸設備、系統軟件、后臺服務軟件、應用服務軟件組成。人員定位系統通過前端硬件設備采集信息，通過網絡傳輸設備上傳至服務器，監控中心根據數據信息準確判斷出人員的具體位置。人員定位管理系統架構如圖1所示。

圖1 人員定位管理系統架構

表1 無線定位技術對比

5 定位原理

由于抽水蓄能電站對人員定位的高精度要求，在實際應用中通常有兩種工作模式：一種是高精度測距的 TOA模式；另一種是大容量的TDOA（time difference of arrival，到達時間差）模式。

5.1 TOA工作原理

TOA是通過測量被測點發出的信號到達3個以上參考節點接收機所需的時間，得到發射點和接收點之間的距離，然后將接收機作為圓心，測量距離作為半徑畫圓，3個圓的交點是被測量點的位置。如要系統實現一維定位，在布設基站時至少需要保證每個標簽被兩個基站信號覆蓋；如果系統要二維定位，在布設基站時至少需要保證每個標簽被3個基站信號覆蓋。TOA定位原理如圖2所示。

圖2 TOA定位原理

5.2 TDOA工作原理

TDOA定位通過測量無線電信號到達不同基站天線單元的時間差，對發射無線電信號的發射源進行定位，從而得出信號源的準確位置。定位過程是從基站將同一時間測量同一信號得到的數據發送至主基站，主基站分別計算出無線電信號到達兩個基站天線的時間差，將兩站之間的時間差轉換為距離差，可以得到一條雙曲線，通過3個或多個無線電基站測得的時間差可得到兩條或多條雙曲線相交，實現對發射源的定位。如系統要實現一維定位，在布設基站時至少需要保證每個標簽被兩個基站信號覆蓋；如果系統要二維定位，在布設基站時至少需要保證每個標簽被3個基站信號覆蓋。

主基站A定時對從基站B和從基站C進行周期性的時間校準，并且將校準信息回傳給服務器。標簽T開啟后按照事先設定好的刷新率周期性的向外發送定位信息，基站收到標簽的定位信息后回傳服務器。TDOA定位原理如圖3所示。

圖3 TDOA定位原理

6 抽水蓄能電站中的應用

抽水蓄能電站系統采用超寬帶定位技術，通過人員定位管理系統對施工人員進行定位、跟蹤。人員定位系統通過基站接收到標識卡發出的信號，監控中心根據信號到不同基站間的傳輸時間準確判斷出人員的具體位置信息，系統可以在各種環境下獲得定位數據，基本不受洞室群環境的影響。可根據洞室內各施工區域實際情況繪制主要監控區域、特殊區域電子地圖，隨著各施工區域內人員的移動，系統軟件中各區域人數會隨時更新；通過二維定位對現場人員在洞室中的位置進行定位，并將其運行軌跡在電子地圖上進行形象直觀的動畫回放。事故發生時，可以迅速確定相關遇險人員的數量，準確定位事故地點。

抽水蓄能水電站雖然地形復雜、環境惡劣，但建筑結構分類卻十分清晰。目前可采用以下幾種方式進行定位。

6.1 一維定位

一維定位是單軸方向上的定位，也可稱為“直線定位”，能夠精確定位標簽在直線上的運動軌跡。

在定位區域內，標簽定時（通信頻率可設置）和基站進行測距，系統拿到標簽與基站的時間差后畫雙曲線，已知（X，Y）中的一個變量，通過解方程求另一個變量。如圖4所示，兩個圓的交點就是標簽的位置。

圖4 一維定位原理

一維定位方案的基站之間的距離為80～100 m，標簽至少被兩個基站覆蓋到。一維基站布置方案如圖5所示。

圖5 一維基站布置方案

一維定位一般適用于長隧洞類型，包括交通洞、通風洞、導流洞等隧洞。隧洞的特點是長度較長，寬度相對于數千米的長度而言，基本可以忽略；尾閘洞、排水廊道等洞室，因其寬度較窄，一般也被歸為長隧洞類型。定位精度可以達到1 m以內。

6.2 二維定位

二維定位能夠精確定位標簽在兩個坐標軸上的位置，也稱為“平面定位”，可反映標簽的平面運動軌跡。二位基站布置方案如圖6所示。

圖6 二位基站布置方案

二維定位基站的布置可根據現場情況間隔35～50 m部署基站，在定位區域任何地點至少有3個基站可以照顧到標簽。

二維定位一般適用于長寬比例差不多并且很大型的定位區域，如電廠廠房、廠區等，其特點是廠房的長度和寬度都比較大（長 100～400 m，寬40～80 m，高30 m左右），空間內部署的設備數量并不多，但需要精確定位。定位精度可以達到1 m以內。

7 結束語

“十三五”期間抽水蓄能電站建設的全面鋪開和智能技術的高速發展，對信息化的需求越來越高，人員定位系統作為抽水蓄能電站信息化建設中不可或缺的系統之一，發揮著十分重要的作用。超寬帶技術已經漸漸成為無線通信領域研究的熱點，必將成為下一代無線通信的關鍵技術，UWB的應用及相關產品的研究步伐也逐漸加快。UWB技術中的脈沖信號的傳輸功率非常低，只相當于一些背景噪聲，并且能夠與其他窄帶信號系統共存，為解決頻譜資源分配和容量問題提供了有效的途徑。未來，UWB技術將日臻成熟，得到產業界的大力推廣，也將在抽水蓄能電站中得到廣泛應用。

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