无线定位技术在变电站作业安全管理中的应用

谷月雁 司 刚 刘清瑞

（1.天津市电力公司，天津 300010；2.天津市电力公司城西供电分公司，天津 300020；3.上海申瑞电网控制系统有限公司，上海 201100）

我国的智能电网建设已经进入全面建设阶段并取得显著成果，国家电网公司也正在加紧构建覆盖全部营业区的“三集五大”体系。“五大”体系的构建，使电网建设和运营、电力设备运行管理等各项工作的内容和工作量更加细化和规范化。加强变电站值班人员和现场作业人员的安全管理与防护，防止发生人员伤害事故、保证电力设备安全运行是电网安全稳定高效运行的基础和前提。在智能电网建设快速推进的情况下，亟需先进可靠的技术手段来对“五大”体系建设和电网设备安全人身安全运行安全提供强有力的支撑。

变电站作为电网的基础，也是电网生产运行的高危工作区域,其作业安全管理尤其重要。为了提高变电站的安全管理水平，管理部门除制订了一系列规程、制度外，还为变电站配置了综合自动化系统、视频监控系统、五防系统、电气设备在线监测系统等等，以上技术设施大大提高了变电站的自动化水平，为变电站的作业安全管理提供了一定的技术支撑[1]。但是，上述系统的配置主要根据电气量和化学量的变化和异常来判断电网的状态，既不能对变电站全覆盖，也不能实时定位及时预警和报警，往往只能在事故进行中或者发生后为事故原因分析提供数据记录分析的手段，无法对危险因素进行事先防范与预警，变电站现场的人身与设备安全因人员违章、现场作业混乱、现场管理不到位、不按规程巡视等人为因素的影响一直无法得到技术上的保障，致使某些基于人为因素的安全隐患无法避免[2]。统计数据表明，变电站现场的安全事故中大约有三分之一是因为值班人员或作业人员未认真执行设备巡视规程、未认真执行安全操作与管理规程、超区域作业、现场监护查勘不到位等人为因素所造成的[3-5]。

基于人为因素的变电站安全隐患主要表现在：①变电站现场巡视不到位。变电站现场巡视及设备巡视是变电站运行管理工作的一个重要组成部分，它是检查设备运行状况、掌握设备运行参数、了解设备运行环境、确保电网安全运行必不可少的基础工作。但少数人员认为现在的自动化程度非常高而过分地依赖于监控系统，造成巡视不到位或正常巡视次数无法保证。由于变电站的一些异常情况无法用电气量监测和用电信号传到监控系统，如地基下陷、瓷瓶裂纹、螺丝松动、金具锈蚀、变压器或开关漏油、全密封设备漏气等，如果思想松懈、忽视巡视的重要性、或者巡视不到位等，便无法及时发现这些缺陷，为设备的安全正常运行埋下隐患。②对进入工作区域的人员监护监控不力。值班及作业人员进入变电站区域后，监控中心无法实时跟踪工作人员的当前状态，特别是人员当前位置、移动路线、移动趋势、停留时间等无法定量监控，对巡视不到位的现象无法及时提醒和纠正，对作业人员靠近或误入危险区域时也无法及时发现和提醒制止，对监护缺位的现象无法监督管理，极易发生安全事故。③误入危险区域。变电站的检修、试验、操作、正常和特殊巡视等作业内容要求作业人员时常进入变电站内的划定区域和既定目标并实施作业，受业务技能、精神状态、外部环境等因素的影响，作业人员可能会靠近或误入某些危险区域、误碰某些带电设备、或者操作本不该操作的设备，从而造成人身事故、设备事故、或生产运行事故。还有其他一些危险现象不再一一列举。

1 基于无线定位技术的新型变电站作业安全管理系统构成与特点

基于当前先进的通信技术、网络技术、定位技术和软件技术，通过对进入变电站区域的人员或移动物体进行实时定位，新型变电站作业安全管理系统能够彻底解决上述问题，有效消除生产运行和检修维护过程中的安全隐患。

新型变电站作业安全管理系统利用先进的技术平台，能够对变电站现场工作人员和外来参观人员做到事先划定作业区域，实时监控记录活动情况，分析活动规律和趋势，遇有危险活动及时预警，事后统计分析，在防范安全事故发生的同时，大幅度提高整个变电站及电力公司的工作效率和管理水平。

新型变电站作业安全管理系统通过无线传感器网络实现精确定位，将定位信息在变电站平面图上进行实时显示，不同的工作组通过不同颜色的点进行标示，便于区分观察。工作人员的工作路线都将记录在数据库中，并且实现路线动态回放，便于日后查询工作人员的工作情况。系统后台监控软件界面精美、专业，操作方便、快捷。变电站地理信息系统建模形象、逼真、直观，界面美观，方面使用。后台系统实时展示移动目标当前位置，并在变电站地理位置图上标示，跟踪目标移动轨迹。

该系统由四部分组成：①基于宽带无线射频定位技术CSS的无线传感网络。以往基于场强信号和信号质量技术来定位的RFID、WIFI、ZIGBEE等传统定位技术的精度不能令人满意，有的则价格太高不适合变电站现场应用。而应用CSS技术，通过信号到达时间测距和测角度，采用到达时间差（TDOA）进行定位，可以实现最优性价比的高精度定位[6]。②基于波形探测感应技术的检测报警设备。采用波形探测感应技术，通过无线传感器网络对变电站高压带电区域进行移动物体的探测，当探测到危险区域或禁入区域内有移动物体闯入时，发出声光报警，并关联视频系统，自动切换摄像镜头画面定位到报警区域并记录存储，使实时记录图像与实时监控数据相匹配。这样，就可以有效杜绝一般工作人员或外来人员误闯危险带电区域、造成停电或人员伤亡事故的现象。③与传感网络、检测设备协同互动的高分辨率、可动态调节跟踪的视频设备。采用高分辨率、高灵敏度、可动态调节跟踪人员活动的视频设备，一旦人员进入划定区域即启动跟踪、记录、显示等功能，如果检测到未按规定时间或路线进行巡视、接近边界或越界等危险行为均发出警告并记录存储，同时上传至上级系统，直至人员活动结束。④后台计算机管理系统。提供变电站区域划分及设置、工作模式编辑及设置、电子标签管理、动态数据采集及处理、数据记录、计算统计、行为分析、预警报警、联动控制、画面报表、显示打印、数据通信等软件功能和人机界面。系统结构如图1所示。

图1 基于无线定位技术的变电站作业安全管理系统结构示意图

新型变电站安全作业管理系统结合了宽带无线射频定位、安全检测与预警报警、视频同步记录监视、及智能电网领域的最新科技成果，具有传统安全作业管理无法比拟的优势。其主要特点如下：①人员及移动物体的实时定位与监控。能够实时监控指定区域的人员、移动物体的位置信息，对人员的位置、行进路线、目标距离、移动速度、停留时间、停留地点、到达次数等数据进行监控与记录统计分析，获取人员或移动物体的移动趋势和活动规律，并及时通知监控中心。②实时探测。能够实时对监控区域内移动物体通过定位数据、视频图像进行探测，一旦检测到移动物体靠近或闯入危险区域，立即发出声光振动报警并主动上报，同时自动与视频系统联动。③高定位精度。采用TDOA技术定位、精度更精确更稳定。④全程视频图像跟踪监视。自移动目标一进入预设区域起即自动启动视频图像全程跟踪、监视、预警、报警、上传、记录存储、统计分析，直至移动目标离开该区域。⑤定位稳定。采用到达时间测距技术，不受无线信号强度值变化的影响。⑥良好的抗多路径效应。采用宽带脉冲定位，系统具有较好的抗多路径和多普勒效应。⑦组网灵活。系统支持有线无线组网，具有灵活的部署方式。⑧节能设计。电子标签内置高灵敏度振动传感器，可设置静止状态休眠，大大提高了标签的电池寿命。⑨强大的作业安全管理功能。根据客户的需求，生成并存储各种数据、报表，分析动态目标的活动趋势和活动规律，为变电站安全管理提供数字化的依据。

2 新型变电站作业安全管理系统的工作模式

基于无线定位技术的新型变电站作业安全管理系统具有现场需要的多种工作模式，如巡视模式、参观模式、检修模式、操作模式和探测模式等，不同模式下的监控侧重点有所不同。

巡视模式：主要对工作人员是否按规定时间、规定路线、规定位置巡视进行监控。

参观模式：主要对外来参观考察人员的行进路线、参观时间、参观区域、停留时间等进行监控，防止进入危险区域或出现意外。

检修模式：按检修内容设定检修人数、检修工作区域、危险区域、检修工作时间等，防止非检修人员混入、误入非工作区域、超出工作时间等。

操作模式：按操作内容设定操作人数、操作工作区域、危险区域、操作工作时间等，防止监护人员不到位、误入非操作区域、超出操作时间等。

探测模式：对进入变电站区域内的其他动态目标进行监控，包括车辆、施工机械与设备等。由于车辆体积大、行进速度快，对其监控的实时性要求更高。同时，车辆进入变电站后，也需要随时监控车辆的当前位置，确保其行驶、停放在安全区域。

同时，也可以根据新的运行管理模式需求，扩充新的工作模式。

3 主要工作流程与应用情况

通过基于无线定位技术的新型变电站作业安全管理系统在多个110kV、220kV、500kV变电站中两年多的应用实践，证明该系统能够有效避免变电站设备巡视和操作中的人为安全隐患。

现以某500kV变电站为例，简要说明新型变电站作业安全管控的工作流程与应用情况。

该变电站位于某直辖市东郊区，共建设有 4台1500MVA变压器；500kV出线10回；220kV出线14回；每台主变低压侧配置4组60Mvar低压并联电容器，未配置并联低压电抗器和高压电抗器。站址区总占地面积70700m2，围墙内占地面积45500m2。该变电站建于20世纪90年代初，部分设备存在老化、过载现象。

主要工作流程是：首先在后台监控计算机上对需要对变电站值班人员和进入变电站的其他工作人员进行身份注册，验证信息后设定他要领取的移动终端的编号，并根据工作人员需要执行的操作设定对应的工作路线、工作时间、工作区域、危险区域等；然后工作人员领取编号正确的移动终端并正确佩戴；工作人员进入变电站后通过宽频无线定位网络，将定位数据传递给前置机，前置机按照定位算法通过计算确定工作人员的当前位置，一方面根据已设定的危险间隔判断当前位置是否合法，不合法则向工作人员发送相应的报警信息；另一方面将工作人员的当前位置信息发送给后台监控系统，在变电站平面图上将工作人员的位置坐标显示出来，便于后台监控人员的观察。同时，变电站内工作人员的行进路线等信息将保存在数据库中，日后可以通过动态方式重新查看其工作路线，实现了对变电站工作人员的有效监督。在进入预设区域的同时，自动启动视频图像设备，并自动跟踪监视移动目标在区域内活动的全过程，一旦发现偏离预设区域、接近危险区域、未到达预设位置、停留时间过短或超时等问题及时发出预警或报警信号，同时记录存储下来全部视频图像，上传至上级部门，并生成一系列有关统计数据。系统工作在 2.4GHz ISM频段，定位带宽≥80MHz，定位精度为 60～120cm，定位区域为单区域覆盖范围 5～60m2，并可实现多区域无缝组网方式进行扩展，采用TDOA测量机制，在1200m2的区域内可容纳200个以上的标签[7]。

由于以前在作业安全管控方面没有完善的技术手段支撑，完全靠人工管理，致使安全事故时有发生。2000年初，安装了新型变电站作业安全管理系统，包括1套后台主机、两台前置处理机、4台位置引擎服务器、16个定位基站、56个定位终端，监控面积覆盖全部站内区域。之后，情况有了很大的改善，两年多来从未发生过人为原因引起的安全事故。

选择几项主要内容的对照见表1。

表1 对照表

从上表数据可以看出：配置新型变电站作业安全管理系统后，引起安全事故的各种人为安全隐患因素大幅度降低，明显提升了变电站作业和设备的安全运行水平。

4 结论

电网在发展，需求在提高，技术在前进。将无线定位技术应用于变电站的作业安全管理，用技术手段替代人工管理，对于变电站的安全运行具有开创性的意义。应用实践证明，基于无线定位技术的变电站作业安全管理系统能够消除人为因素造成的安全隐患，为变电站安全提供了强有力的技术支撑。相信随着智能电网建设的加速，无线定位技术将在变电站作业安全管理中发挥更大的作用。

[1] 栗云江.变电站综合自动化技术问答[M].北京:化学工业出版社, 2009.

[2] 陈献伟.变电站危险点分析[M].北京:中国电力出版社, 2009.

[3] 罗治强,董昱,胡超凡. 2008年国家电网安全运行情况分析[J].中国电力, 2009, 42(5): 8-12.

[4] 马珂,王轶禹,董昱.2009年国家电网安全运行情况分析[J].中国电力, 2010, 43(11): 1-4.

[5] 孙建锋,葛睿,郑力,胡超凡. 2010年国家电网安全运行情况分析[J].中国电力, 2011, 44(5), 1-4.

[6] 李丽,周彦伟,吴振强.无线网络定位技术研究[J].计算机技术与发展, 2011(10).

[7] 黄中林,邓平,梁甲金,陈红阳.无线传感器网络定位技术研究进展[J].传感器与微系统, 2009(11).