基于UWB定位技術的變電站安全監控系統設計

趙俊蕾，李勇，劉海峰，王文軒

(國網滄州供電公司，河北 滄州 061000)

0 引 言

變電站是電力系統的中樞，對電能的傳輸與分配起到至關重要的作用[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[3-4]。當前電力生產與檢修過程中主要通過規章制度、安全圍欄、五防閉鎖與現場人工安全監護等方式對作業人員的安全進行保障[5-6]。其中，以設置安全圍欄最為常見，通常在作業面周圍設置非常醒目的安全圍欄，從而防止作業人員走錯間隔或誤碰帶電設備。上述幾種措施均存在一定缺陷，一旦現場的監護人員缺位，工作人員可能誤打開相關鎖具而誤入帶電工作間隔，此時若缺乏及時的制止，則可能發生人員觸電與設備運維事故等安全事件發生。

變電站施工或檢修過程中，因現場作業人員種類繁多、作業人員素質參差不齊、工作面多、作業強度高、作業現場車輛和各種機械設備繁雜等原因，存在較高的安全風險。如果配備相當數量的安全監護人員，可以從很大程度上避免安全事故的發生，但是鑒于時間與人力成本的因素，不能僅靠提供嚴重過量的監護人員來保證作業檢修現場的安全。對作業人員的位置進行實施定位與監控，利用系統采集作業面各作業人員及機具的位置，并利用終端對越位的作業人員及時發出警告，具有安全性好、效率高和方便數字化管理等多重優點。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。由于其頻譜范圍寬，發射與接收電路簡單，功耗低，穿透力強，定位精度高，以及傳輸速率快等優勢，尤其適用于變電站內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定位技術變電站安全監控方案，給出了基于UWB定位技術的硬件結構與軟件系統設計方案，并將開發出的安全監控系統應用于實際變電站，取得了良好的應用效果。

1 UWB定位技術

1.1 基本原理

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

基于到達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目標信號到達角度計算動態目標的位置，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 基于到達角度的定位方法原理圖

基于到達時間的定位方法具體可分為基于到達時間與基于到達時間差兩種方法。基于到達時間的定位方法采用3個位置信號發射器向動態目標發射信號，根據信號的接收時間與位置信號發射器信號發射時間計算出3個位置距離計算動態目標的絕對位置，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_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目標的位置，并利用各自雙曲線的約束關系，通過求解聯立方程組的方法求解出動態目標的絕對位置。該種方法不再要求參考點位與動態目標之間的時間同步，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 基于到達時間的定位方法原理圖

圖3 基于到達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目標之間的距離，由多個距離信息便可利用與基于到達時間相似的定位原理計算動態目標的絕對位置。方法實施起來較為復雜且影響因素眾多，因而定位誤差較大。

1.2 基于UWB定位技術的變電站安全監控方案

本文采用基于到達時間的定位方法對變電站內的動態目標進行定位。但考慮到變電站安全監控的特殊性與監控區域的相對固定性，在信號發射器的點位布置上采用了固定+動態相結合的模式。固定+動態模式是指在變電站的常規監測區域，如某些經常作業的開關間隔、主變附近及輸電線路進線等區域，根據需要在固定位置安裝信號發射器，而在一些根據施工和檢修需要進行動態調整的區域則安裝動態設置信號發射器，工作一旦結束即撤離相關設備。在固定+動態模式的基礎上，在后續的軟件系統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警響應的時間，提高安全監控的效率與可靠性。

2 安全監控系統設計

2.1 硬件架構及原理

2.1.1 系統結構

基于UWB定位技術的變電站安全監控系統結構分為3層，包括感知層、平臺層與應用層，如圖4所示。感知層是最底層的硬件層，在前述基于UWB定位技術的基礎上，通過對變電站施工與檢修現場人員與機具信息的采集與處理，實現對現場目標對象位置的智能感知。平臺層將相應數據進行儲存、治理與配置，以方便后期的調用與分析。應用層是實現目標定位的高級應用層，它能夠對數據庫中的目標對象信息進行調用與分析，并借用預置的多種智能算法對目標位置進行實時判斷，從而對相關越位對象進行管控，并及時發出預警信號，從而助力實現變電站的安全管理，提升管理效率與水平。

圖4 系統結構示意圖

2.1.2 硬件系統設計

基于UWB定位技術的變電站安全監控系統的硬件模塊主要包括定位標簽、定位終端、信號發射與接收器、定位配置器、預警系統以及服務器，結構原理如圖5所示。定位標簽采用小型無線型號發射與接收器，用以產生與接收超寬頻無線信號。定位終端則利用上述信號結合定位算法完成對定位標簽的定位，從而獲得移動目標的具體位置，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的數據打包并發送給服務器。服務器可以調用各種預置算法，與內置的判據進行對比，如果滿足預警判據，則發出預警系統的預警信號。

圖5 硬件結構原理圖

2.2 軟件系統設計

本文采用扁平化設計方案，共設置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，并在其下設置分類明確與操作簡潔的子菜單。所有的設計均基于Web技術，最大限度上方便變電站安全管理人員的使用。軟件設計套用經典的分布式處理模式，實現任務分配與管理、通信管理、數據管理與可視化管控等多項功能，主要包括任務分配與管理、客戶管理系統、監控系統服務器、通信服務終端及RTLS中間件等模塊，如圖6所示。各個軟件模塊可以根據需要內置于不同的硬件上，或者直接集成于同一個硬件模塊上。

圖6 軟件系統架構圖

3 現場應用與案例分析

3.1 定位精度驗證

為了驗證基于UWB定位技術的定位精度，在某220 kV變電站進行布點測試，對站內檢修人員的位置進行實時定位。根據檢修人員作業區域的特點，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域選取典型位置進行布點，測試了目標的定位距離及其統計學特征，得到各種條件下的測試結果如表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。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且最大達到了25 cm左右，但上述測試結果是在最嚴苛的測試條件下得到的?？紤]到現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時總有大范圍停電區域，電磁干擾也不會有測試時強。因此，可以認為實際應用的誤差范圍不會對現場作業人員的安全監控產生影響。

表1 變電站定位實測數據 m

3.2 系統功能驗證

為了驗證系統的功能正常，對該220 kV變電站201開關間隔進行了模擬，201開關停電作業，但其相鄰間隔帶電。檢修人員離開停電作業區域，以正常步行速度走向臨近帶電間隔的外圍區域。當作業人員接近帶電作業區域墻壁外圍10 cm時，系統及時發出了預警信號。測試結果說明軟件系統的功能正常，并且軟件預置的危險距判據等能夠有效判斷作業人員的安全情況，并且留有一定的安全裕度，也為作業人員留有對預警信號的反應時間，同時進一步驗證了基于UWB定位技術的定位準確性。

4 結束語

基于UWB定位技術與變電站安全監控需求的特點，提出了基于UWB定位技術的變電站安全監控方案，并在此基礎上對監控系統的硬件系統與軟件系統進行了設計，開發出基于UWB定位技術的變電站安全監控系統。監控系統能夠對變電站現場作業人員與機具進行有效安全監控，有利于提高變電站設備運維與人員作業的安全水平，具有重要的工程實用價值與意義。