基于物聯感知的檢修作業全過程安全管控技術研究

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

變電站防誤系統是防止變電站檢修操作過程中電氣誤操作的必備技術手段。現有變電站防誤系統能有效防止變電站運行檢修作業人員的誤操作，避免事故與人身傷害的發生，但仍然存在以下問題：a）誤入帶電區域：變電站現有防誤系統缺乏監測帶電區域的有效手段，實際檢修運維操作過程中操作人員由于各種原因，誤入帶電區域引發的人身傷害事故時有發生；b）設備離線導致誤操作：離線設備的狀態沒有納入到變電站自動化系統的監視范圍內，當電腦鑰匙操作打開機械鎖具后無法根據自動化系統采集的一次設備位置信息確認一次設備是否已經到位，容易造成離線設備操作后因無法實時監視從而有可能造成誤操作導致人身傷害；c）檢修隔離缺乏技術關聯：通過“工作票+現場安全隔離”來確保檢修現場的作業安全，缺乏剛性技術措施制約，存在誤向檢修設備送電的風險；d）帶臨時接地線合開關：地線狀態未納入自動化系統監視，檢修作業完成后，由于檢修人員疏忽等原因接地線未拆除，直接進行送電操作，導致線路直接接地的惡性事故［1-4］。

本文針對現有變電站防誤系統存在的不足，結合UWB（Ultra Wideband）高精度定位、LoRa（Long Range Radio）無線通信等物聯感知技術，設計了一套在線式智能防誤系統，進一步提升了變電站系統防誤能力。實踐證明，通過自動規劃出安全工作區及操作隔離面，閉鎖檢修區域設備遠方操作權限，以操作過程中對操作人員及生產設備的高精度定位，以及操作過程信息的實時信息交互，可以有效增強變電站檢修作業操作全過程中的人員及生產安全性。

1 物聯感知技術介紹

1.1 UWB定位技術介紹

UWB是一種新型無載波無線通信技術，無需載波調制而是利用納秒至微秒級的脈沖傳輸數據，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實現數百Mbit/s 至數Gbit/s 的數據傳輸速率，在定位測距中能夠達到分米級的定位精度［5-11］。

UWB 定位技術常采用三邊定位算法，通過測量UWB脈沖信號到達參考節點的傳輸時間，根據圓周模型計算三者交叉點實現目標的定位。

如圖1 所示，A1、A2、A3 是3 個參考節點，R1、R2、R3 是移動節點到參考節點的距離，基于圓周的定位模型的原理是根據移動節點（如圖1中M）到達多個參考節點（基站，如圖1 中A1、A2、A3）的測量距離，可以形成多個圓周，通過計算圓周的交點即可以估計出移動節點M的位置。

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

UWB采用占空比極小（1%）的脈沖進行傳輸信息，脈沖持續時間0.2 ns～1.5 ns之間。無需載波調制、功率放大等信號處理，因此僅需要很小的發射功率就能實現通信，這大大延長系統電源工作時間，無載波窄脈沖通信的特點使得UWB具有極強的穿透能力和多徑分辨能力等特點，具有抗干擾能力強、定位精度高、多徑分辨能力強等特點，適合復雜環境下的高精度定位。

1.2 LoRa通信技術介紹

LoRa是一種低功耗廣域網通信技術，基于線性調頻擴頻調制，保持了像FSK（Frequency-shift keying，頻移鍵控）調制相同的低功耗特性，具有前向糾錯（FEC）能力，實現了低功耗和遠距離的統一，為用戶提供了一種簡單的能實現超遠距離的大容量無線傳輸方案，在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3～5倍。

LoRa 網絡主要由終端（LoRa 模塊）、網關（或稱LoRa基站）、站端（或云端）等部分組成，實現應用數據的雙向傳輸，具有遠距離、低功耗、多節點、低成本的特點。在有遮擋物的情況下，傳輸距離仍然可以達到上千米；傳輸速率從幾十到幾百kbps。

LoRa采用星狀拓撲（TMD組網方式），網關星狀連接終端節點，但終端節點并不綁定唯一網關，相反，終端節點的上行數據可發送給多個網關。理論上來說，可以通過Mesh、點對點或者星形的網絡協議和架構實現靈活組網，如圖2所示。

圖2 LoRa組網示例Fig.2 Example of LoRa networking

2 檢修作業安全管控系統設計

2.1 系統架構

針對現有變電站防誤系統存在的不足，結合UWB高精度定位、LoRa 無線通信等物聯感知技術，設計了一套在線式智能防誤系統，在現有變電站防誤系統基礎上，增加了人員及工器具實時定位、電腦鑰匙實時在線、智能地線頭實時在線以及檢修隔離等功能，進一步提升了系統防誤能力，實現了檢修作業全過程安全管控，增強了人員及生產安全性［12-13］。在線式智能防誤系統包括防誤主機、電腦鑰匙、通信適配器、無線網關、無線基站、定位標簽、地線管理控制器、地線檢測閉鎖機構、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、定位標簽基于無線通信，與防誤主機實時交互信息，具體架構圖3所示。

圖3 系統架構圖Fig.3 System architecture diagram

2.2 系統功能

2.2.1 人員管理

智能防誤系統根據操作票信息自動生成安全工作區，借助定位技術形成電子圍欄，采用主動式防誤技術，通過在管理系統設置虛擬電子圍欄，可實現“越界預警、滯留預警、長時間靜止預警”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、檢測檢修人員與監護人員安全距離等［14-18］，如圖4所示。

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

針對變電站運維的巡視管理，在巡視路線上設置虛擬邊界，巡視人員一旦離開巡視區域，便可通過各種報警方式提醒平臺和巡視人員，確保安全巡視。

針對倒閘操作、帶電檢測、消缺等業務，均可設置虛擬安全區、危險區等虛擬電子圍欄實時監控、提醒，確保人員安全。

2.2.2 工器具管理

針對變電站運維班的安全工器具等重要設備可以配置資產標簽、定時監測歸位情況以及使用情況。隨著國家電網有限公司逐步加強運維班作為最基層戰斗單位的作用，這些重要的設備和工具將會越來越多。

例如，臨時接地線與兩票操作的配合，在變電站檢修操作執行過程中，如果操作有誤，例如接地線出現在不應該出現的區域；在兩票操作完成情況下，接地線未歸位到工具室等，各種異常下均可報警提示操作人員。

2.2.3 緊急救援

當檢修作業過程中發生意外事故（火災、爆炸等）或者人身傷害等緊急情況時，時間就是生命，能否第一時間得到有效救援至關重要。檢修作業人員通過隨身佩戴的定位卡片上的“一鍵求助”可以進行及時求助，此時定位系統軟件進行聲光報警并第一時間通過短信或微信通知相關人員，并可結合定位系統快速鎖定報警人員位置，實現快速救援。

2.2.4 歷史追溯

基于UWB定位技術，可隨時查看被定位目標在某一時段的歷史軌跡，在防誤系統監控主機實現直觀的回放，比如查看不同巡視人員、在某區域的停留時間等數據，一旦發生突發情況，可通過歷史軌跡查詢來實現事件追溯。

2.2.5 實時在線

電腦鑰匙具備無線通信功能，在進行檢修作業時，電腦鑰匙離開通信適配器后，通過LoRa無線通訊網絡保持與防誤主機實時數據交互，實時回傳電腦鑰匙的操作信息至防誤主機，由防誤主機根據電腦鑰匙操作信息以及本次操作相關設備狀態變化情況判斷后續操作步驟條件是否滿足，并將判斷結果通過LoRa無線實時傳輸至電腦鑰匙。當出現相關設備狀態變化導致防誤系統判斷出電腦鑰匙操作條件不滿足時，也可借助無線通訊自動閉鎖電腦鑰匙的操作權限，防止出現誤操作［19-22］，實時操作校驗過程如圖5所示。

圖5 實時操作校驗過程示意Fig.5 Schematic diagram of real-time operation verification process

例如，間隔停電檢修過程中，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，防誤系統檢測到隔離刀閘狀態錯誤，閉鎖后續接地刀閘操作，并將判斷結果實時傳輸給電腦鑰匙，提示操作人員并閉鎖電腦鑰匙后續操作。傳統防誤系統電腦鑰匙傳票后，到現場操作，即使防誤系統主機檢測到隔離刀閘狀態錯誤，此時也不能閉鎖電腦鑰匙下一步操作，僅能展示操作步驟，存在安全風險。傳統防誤系統與智能防誤系統對比如圖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

依據變電站內一次主接線圖及檢修操作前設備實時狀態，構建異構拓撲網絡。根據檢修范圍通過深度學習技術自動識別關聯設備形成隔離面，由運行人員對隔離面設備閉鎖，防止誤向檢修面送電，為檢修隔離作業管控提供安全可靠的支撐。

防誤主機在形成對應設備操作票后，根據需要操作的對象，在防誤主機形成檢修工作區以及檢修隔離區。現場根據防誤主機形成的檢修隔離區，采用檢修鎖具及附件，在檢修工作區外圍形成一道檢修隔離面，如圖7圈定區域所示。

圖7 防誤主機檢修隔離面形成圖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發送的檢修任務后，自動將檢修任務與檢修授權鑰匙綁定，而該檢修任務所包含設備的操作權限就被自動“閉鎖”，僅當與該檢修任務綁定的授權鑰匙返回，確認檢修工作結束后，才會解除對該檢修任務包含設備的閉鎖，實現被檢修設備操作權由檢修人員掌握，保證檢修人員安全。

2.2.7 臨時地線管理

智能地線管理系統由智能地線管理控制器、地線檢測閉鎖機構、智能地線柜、智能地線頭、智能地線樁、智能網關、無線基站等組成，系統結構如圖8所示。

圖8 智能地線管理系統架構圖Fig.8 Architecture of smart ground wire management system

地線管理控制器通過網絡方式與防誤主機進行數據交互，上送當前地線狀態以及執行防誤主機解鎖/閉鎖命令，實現各個地線檢測閉鎖機構的統一管理。在進行掛接臨時地線的操作任務時，操作人員通過防誤主機解鎖所選擇的臨時接地線，其他未被選擇的地線則仍處于閉鎖狀態。

每根臨時接地線的智能地線頭上安裝有對應該地線的RFID識別碼片，作為該地線的唯一編碼。地線檢測閉鎖機構安裝在智能地線管理柜內，機構上安裝有RFID碼片識別回路和閉鎖機構，當智能地線頭掛到檢測閉鎖機構指定的卡位上時，檢測閉鎖機構上的RFID碼片識別回路即讀取到對應的RFID碼值，從而識別智能地線身份并能將正確的地線閉鎖。當防誤主機授權后，檢測閉鎖機構可以將已閉鎖的地線解鎖或將還回來的地線閉鎖。

當臨時接地線掛接到地線樁上或拆除離開地線樁時，智能地線頭上的RFID 碼片識別電路開始工作，把所掛接或者拆除的地線樁RFID碼值通過LoRa無線通信方式傳輸給防誤主機，防誤主機獲得當前所有接地狀態，并直觀展示在防誤主機的界面上。同時，防誤主機根據實時回傳的臨時接地線狀態判斷臨時接地線掛接或拆除的正確性，以及是否可以進行后續操作，并給出提示，當臨時接地線狀態不符合要求時，防誤主機將禁止下一步操作，從而從根本上解決了臨時接地線的錯誤掛接、漏拆除等難題，采用技術手段杜絕了帶臨時接地線送電等惡性誤操作事故的發生。

3 工程實例

本文提出的基于UWB 高精度定位、LoRa 無線通信等物聯感知技術的檢修作業全過程管控方案及產品已在多個變電站投入使用，下面以江蘇常州110 kV博瑞變電站智能防誤系統為例進行介紹。

江蘇常州110 kV 博瑞變電站智能防誤系統架構如圖9所示，左側虛框實現傳統五防系統功能，右側虛框實現實時高精度定位及電腦鑰匙無線通信功能。

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

大屏幕左側展示操作票信息及當前操作步驟情況、右側展示操作人員實時位置信息、下側小屏幕顯示實時視頻信息，全面展示操作過程及狀態信息，如圖10所示。

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

防誤系統生成操作票的同時根據操作內容自動規劃出安全工作區及操作隔離面，形成虛擬電子圍欄。現場檢修作業過程中，操作人一旦離開規劃區域，即會收到主動告警，防止誤入非工作區域。同時，操作隔離面以內，檢修任務所包含所有設備的遠方操作權限均被自動“閉鎖”，避免檢修作業過程中，誤向檢修設備送電。

臨時接地線加裝定位標簽，防誤系統實時監視臨時地線的位置信息，并根據臨時地線的位置信息，判斷接地線是否拆除，實現開關/刀閘操作閉鎖。

電腦鑰匙通過無線通信模塊與防誤主機實時通信，實時回傳操作信息并獲取各步驟操作結果，防誤主機根據相關設備狀態的變化確認是否可以繼續操作，并將判斷結果實時傳輸給電腦鑰匙，實現了設備操作全過程管控。

4 結語

傳統變電站防誤系統可有效預防誤操作，防止人身傷害，但是依然存在誤入帶電區域、設備離線導致誤操作、檢修隔離缺乏技術關聯、帶臨時接地線合斷路器（隔刀）的風險。

本文提出了基于UWB 高精度定位、LoRa 無線通信等物聯感知技術的檢修作業全過程安全管控方案，并設計了一套完整的變電站智能防誤系統。首先依據變電站一次主接線圖及變電站空間位置建模數據，構建異構拓撲網絡，根據檢修需要自動形成虛擬電子圍欄，指定作業范圍，閉鎖作業范圍內所有設備遠方操作權限；作業過程中，通過無線通信網絡實現高精度室內外定位，實現對操作人員實時定位管控；通過無線網絡實現電腦鑰匙及智能地線實時在線，保障操作過程實時管控，地線狀態實時感知，最終實現對檢修作業的全過程安全管控。

現場實踐證明，該系統可以有效解決誤入帶電區域、設備離線導致誤操作、檢修隔離缺乏技術關聯、帶臨時接地線合斷路器（隔刀）的問題，提高變電站檢修作業安全可靠性，將檢修作業現場安全管理由“被動發現”變為“主動預防”，有效提升變電站安全管理水平。