基于物聯網的變電站安全作業管控主動防御系統開發

梁亞明，任明珠，譚 佳，邵長嶺

(1.國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799 ；2.上海運邦信息科技有限公司，上海 201204)

電力物聯網概念的提出順應了科技發展的趨勢潮流[1-3]，同時為安全管理科技創新提供了新的思路。當前，電力現場作業的監督管理創新應用仍集中于被動式的監督管控，其手段也側重于視頻監控[4-5]、作業組織實施的程式化管理，對于人員作業行為缺乏主動性的引導，而這也是當前安全管理的一大薄弱點。當前的現場作業科技創新，傾向于智能巡檢[6-9]，而對于安全作業方面多傾向于裝置的革新，對于直接使用的工器具則側重工器具本身的管理而缺少對其使用的智能化控制[10-13]。基于電力物聯網理念中萬物互聯思想，本本旨在通過UWB技術、RFID技術、視頻采集等對工器具及人的行為進行綜合判斷，結合站內作業安規要求的邏輯內化，利用系統智能輔助、判斷及報警，實現現場的主動防御安全作業管理。

1 網絡架構及組成

本文選取一座典型設計變電站作為試點，通過對變電站站內相應感知、網絡、平臺和應用的建設及開發，實現變電站安保、巡視、操作、檢修及搶修五種工作狀態下的主動防御，并通過對傳統工器具加裝識別標簽或開發新型工器具，結合安規中規定的操作邏輯，實現工器具規范操作的主動監督提醒、誤入帶電間隔等防誤功能，主動式地開展現場安全管理。系統架構見圖1。

圖1 系統構架

1.1 感知層

(1)站內基站布置。按照每5 m2部署一個基站，基站主要用于采集人員的位置信息，通過位置判斷與帶電設備或布防設備的距離是否小于安全距離。

(2)視頻采集攝像頭。攝像頭主要用于與其他感知層設備聯動，抓拍報警時的現場畫面，在一些關鍵部位安裝帶圖像識別的攝像頭，開展直接防護工器具(接地線、絕緣手套、安全帽等人員作業時直接操作使用的安全工器具)的識別、人臉識別等。

(3)智能化的非直接防護類工器具。開發新型的非直接防護類(在人員作業中起到隔離、提醒等功能的紅白帶、擋板等工器具)的智能型工器具，如具備感應檢測及通信告警功能的檢測裝置、紅白帶、帶聲光報警功能的絕緣擋板等，可以感知人員靠近并進行通信、警報等。開發的此類工器具可通過磁鐵基座吸附至開關柜頂，從而對人員靠近開關柜進行感知及限定；也可制作為立柱式，限定區域空間工作范圍。

1.2 網絡層

現場感知層設備之間通信以本地無線通信為主，現場與后臺服務器以光纖通信為主。

非直接防護類工器具通過當地無線方式與本地網關通信，本體網關匯總數據后以光纖上傳至后臺服務器。定位數據與視頻數據通過4G路由器上傳至后臺服務器。

1.3 平臺層

平臺層主要包含管理平臺和數據平臺兩部分內容。數據平臺以目前流行的開源數據庫為主，對現場上傳的數據進行存儲、分發。管理平臺負責對前端感知層設備進行遠程管理，如參數設置，命令下發等。

1.4 應用層

應用層包含三套應用：基于三維的變電站主動防御系統；移動掌機App應用；工器具管理及操作邏輯計算軟件。

1.5 體系建設技術方案

變電站內現場布置一臺空間計算服務器，用于計算定位數據；一臺應用服務器實現工器具管理及操作邏輯計算、一臺WEB服務器實現B/S架構的三維實景展示和功能應用，以三維實景建模[14-15]，實現PC瀏覽器端集中監控中心、移動端作業監控和應用。系統以三維實景平臺為基礎，所有功能及展示頁面，在三維立體模型的基礎上實現了安管管控人員管理、電力作業業務模式管理、電力作業工器具管理、安全防護工序邏輯控制、數據可視化等業務功能，見圖2及圖3。

圖2 系統設備及網絡結構

圖3 系統功能

2 站內全域作業防護的實現

2.1 工器具的識別及智能化

2.1.1 直接防護及操作類工器具的可識別化

直接防護及操作類工器具因可能承壓、承重或接觸高壓，對其力學及絕緣性能等都有較高的要求。此類工器具可通過為其添加額外的電子識別標簽，如安全帽、接地線接地端、導體端貼上UWB定位標簽，通過感應或視頻裝置對工器具進行識別，輔以站內定位技術，可以對工器具的移動予以判斷。

2.1.2 間接防護工器具的智能化

傳統的間接防護工器具如紅白帶、絕緣擋板、硬隔離圍欄等工器具，在現場主要起隔絕、警示、提醒的作用，但工器具自身不能起到自身報警的功能。可運用紅外感應、NFC感應、人體感應等技術對作業現場常用的隔離、警示類的紅白帶、絕緣擋板、硬隔離圍欄等傳統工器具進行升級改造，輔以物聯網通信功能，則可以實現此類工器具的聯接，進而結合軟件實現相應功能的完成。

(1)開關柜感應檢測防御裝置。可利用紅外感應、NFC感應、人體感應等技術研制放置于開關柜柜面的反應檢測裝置，對接近的人員進行感知，如果為非法則提供聲光報警，也可通過通信實現對此類防御裝置的遠程控制。此類防御裝置不接觸柜體的電磁及機械部件，設備的安裝可采用磁吸式方式，裝置本身使用具備通信告警功能的智能紅白帶提供臨時性、可移動性隔離防護提醒的裝置。可通過光對準等技術，提供對一定區域范圍進行圍欄保護的裝置，可以對接近的人員進行預警和進一步的聲光報警。

(2)具備通信告警功能的智能紅白帶。提供臨時性、可移動性隔離防護提醒的裝置。可通過光對準等技術，提供對一定區域范圍進行圍欄保護的裝置，可以對接近的人員進行預警和進一步的聲光報警。

(3)帶聲光報警功能的絕緣擋板。提供對開關柜的斷路器抽出后的空倉進行保護的一種裝置，可以對接近的人員進行預警。

2.2 三維立體模擬防護

通過UWB室內定位及高清攝像裝置，對變電站站內物理空間實現全域、全要素設備空間信息監控防護，對操作、檢修、搶修、參觀或非法入侵的各類人員的行為動作態勢感知，并根據其角色和作業權限判斷，根據其角色區分許可區域和禁入區域、許可操作設備對象和禁止設備對象，預判其行為態勢，對可能的非法進入、非法操作或操作邏輯違規等進行態勢預警。

2.2.1 作業安全防御模式

系統提供安保模式、巡視模式、檢修模式、操作模式、搶修模式等五種工作模式進行流程化、自動布防的主動安全防御監控。系統運行模式的切換，由具有操作權限的角色進行切換，在任一工作模式下，不同的角色可在流程中相應的節點具有不同的操作權限。通過對智能工器具的使用，從而對站內設備進行布防。

(1)安保模式，即在沒有巡視、操作、檢修、搶修等作業的情況下，系統處于一個全方位、全空域防御狀態，變電站物理邊界、站內設備幕簾式檢測裝置、虛擬電子圍欄、視頻監控等所有防御措施，均處于布防狀態，對變電站范圍內所有非法行為進行監控和預警的狀態。

(2)巡視模式，即在開展變電站巡視作業時，系統所處的防御模式。此模式下，相關安全防御裝置處于巡視狀態，偵測并記錄工作人員巡視路徑及動作，監測巡視工作到位情況，并根據人員對設備的巡視覆蓋情況、設備前逗留時間、工器具使用等情況對人員巡視質量進行評分。

(3)操作模式，是操作人員對電氣設備進行停電、驗電、接地、懸掛標示牌或裝設遮欄等操作時，系統相關防御檢測裝置及虛擬電子圍欄所處于的防御狀態。操作人員可將系統由安保模式設置為操作模式，系統根據操作設備對象所在區域自動設定非防御區域和防御區域，并在后臺系統形成記錄。操作設備左右兩側幕簾式防御裝置，處于鄰近模式防御狀態，工作人員接近時形成的提醒或報警，攝像頭跟隨，實時監控檢修行為。分析操作人員行為動作，工器具識別及操作邏輯順序，實現操作過程中工序內在邏輯安全控制。操作結束后，提供工器具核對功能，避免工器具遺忘。

(4)檢修模式，由工作許可人進行安措布置，工作負責人對安全措施確認后，將系統切換進入檢修狀態。以開關檢修為例，檢修設備所在柜體幕簾式安全防御裝置撤防，檢修設備兩側、后側的非檢修設備柜體的幕簾式安全防御裝置處于鄰近模式布防狀態，其他設備所在柜體幕簾式安全防御裝置正常布防。

根據需要，布置立柱式安全防御裝置(立柱式物聯網紅白帶)或磁吸式安全防御裝置(磁吸式物聯網紅白帶)，對檢修設備鄰近的左右兩側、后側等其他帶電設備，形成物理防御空間，禁止靠近或侵入。根據需要，對拉出手車的開關倉，布置物聯網安全防御絕緣擋板，并使其處于鄰近模式防御狀態，形成物理保護平面，禁止靠近或侵入。

(5) 搶修模式，可視為操作及檢修模式的疊加，只是在人員權限流程上予以調整。

2.2.2 安全規程邏輯防誤

依照站內作業安全規程，借助防御裝置、標簽、視頻、室內定位交叉立體防護監控網，實現對停電、驗電、放電、接地、作業、拆除接地線等過程的邏輯工序進行監控，防止誤操作。系統設計在驗電器、放電棒、接地線接地端、接地線導體端、站內接地端分別設置電子標簽，通過標簽定位檢測各工具位移情況，結合視頻圖像識別各工器具，雙重技術識別工器具及其使用先后順序，達到檢測掛接接地線的工作先后邏輯是否正確的目的，未使用或順序不正確時系統會給予報警[16]。

以接地線掛接為例，其判斷邏輯順序如下。

(1)圖像識別出驗電器工具，同時驗電器標簽位置移動，動作上靠近停電設備，判定為已驗電。

(2)圖像識別出放電棒工具，同時放電棒標簽位置移動，動作上靠近停電設備，此時系統檢查是否已完成驗電過程，若前期已完成了驗電過程，則判定為放電，否則給予報警提示。

(3)圖像識別出接地線工具，同時接地線接地端標簽位置移動，接地線接地端標簽與站內接地端靠近或重合，此時系統檢查是否已完成驗電、放電過程，若前期已完成了驗電、放電，則判定為接、接地線接地端，否則給予報警提示。

(4)圖像識別出接地線工具，同時接地線導體端標簽位置移動，接地線導體端標簽與接地端標簽具有高度差，動作上靠近停電設備，此時系統檢查是否已完成驗電、放電、接、接地端過程，若前期已完成了驗電、放電、接、接地端，則判定為掛接接接地線導體端，否則給予報警提示。

具體邏輯流程見圖4。

圖4 掛接地線的邏輯

2.2.3 安全帶的佩戴

站內高處作業，則可以在人員的安全帽、安全帶的雙保險掛鉤上張貼識別標簽，通過站內UWB定位輔以視頻識別判斷人員工作位置離地面達到1.5 m后，則發出使用安全帶的告警提醒。若人員使用安全帶，則通過視頻采集裝置捕捉雙保險掛鉤是否至少有一個掛鉤與其他支持物直接接觸，在最終達到作業平臺后，則通過UWB實現掛鉤標簽與安全帽標簽實現空間位置的比較，如掛鉤標簽低于安全帽標簽位置，則提示安全帶低掛高用，存在安全風險，提醒作業人員糾正。

2.3 工器具遺忘檢查

根據工作開展前工具檢查內容，在工作結束后，檢查工器具帶出情況，避免遺忘，確保送電前所有的工器具均已離開主設備范圍。

3 結語

在國家電網公司“建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業”戰略目標下，電網安全運行、精益化管理要求更高。本文實現了變電站主動防御體系的建立，提高了現場作業的安全防御的智能化水平。該體系的成功實施，可以為其他變電站站內主動安全防御體系提供標桿和借鑒意義在推廣應用后，可以極大地提高變電專業站內安全生產作業管控和智能化水平。