基于物联网的变电站安全作业管控主动防御系统开发

梁亚明，任明珠，谭 佳，邵长岭

(1.国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799 ；2.上海运邦信息科技有限公司，上海 201204)

电力物联网概念的提出顺应了科技发展的趋势潮流[1-3]，同时为安全管理科技创新提供了新的思路。当前，电力现场作业的监督管理创新应用仍集中于被动式的监督管控，其手段也侧重于视频监控[4-5]、作业组织实施的程式化管理，对于人员作业行为缺乏主动性的引导，而这也是当前安全管理的一大薄弱点。当前的现场作业科技创新，倾向于智能巡检[6-9]，而对于安全作业方面多倾向于装置的革新，对于直接使用的工器具则侧重工器具本身的管理而缺少对其使用的智能化控制[10-13]。基于电力物联网理念中万物互联思想，本本旨在通过UWB技术、RFID技术、视频采集等对工器具及人的行为进行综合判断，结合站内作业安规要求的逻辑内化，利用系统智能辅助、判断及报警，实现现场的主动防御安全作业管理。

1 网络架构及组成

本文选取一座典型设计变电站作为试点，通过对变电站站内相应感知、网络、平台和应用的建设及开发，实现变电站安保、巡视、操作、检修及抢修五种工作状态下的主动防御，并通过对传统工器具加装识别标签或开发新型工器具，结合安规中规定的操作逻辑，实现工器具规范操作的主动监督提醒、误入带电间隔等防误功能，主动式地开展现场安全管理。系统架构见图1。

图1 系统构架

1.1 感知层

(1)站内基站布置。按照每5 m2部署一个基站，基站主要用于采集人员的位置信息，通过位置判断与带电设备或布防设备的距离是否小于安全距离。

(2)视频采集摄像头。摄像头主要用于与其他感知层设备联动，抓拍报警时的现场画面，在一些关键部位安装带图像识别的摄像头，开展直接防护工器具(接地线、绝缘手套、安全帽等人员作业时直接操作使用的安全工器具)的识别、人脸识别等。

(3)智能化的非直接防护类工器具。开发新型的非直接防护类(在人员作业中起到隔离、提醒等功能的红白带、挡板等工器具)的智能型工器具，如具备感应检测及通信告警功能的检测装置、红白带、带声光报警功能的绝缘挡板等，可以感知人员靠近并进行通信、警报等。开发的此类工器具可通过磁铁基座吸附至开关柜顶，从而对人员靠近开关柜进行感知及限定；也可制作为立柱式，限定区域空间工作范围。

1.2 网络层

现场感知层设备之间通信以本地无线通信为主，现场与后台服务器以光纤通信为主。

非直接防护类工器具通过当地无线方式与本地网关通信，本体网关汇总数据后以光纤上传至后台服务器。定位数据与视频数据通过4G路由器上传至后台服务器。

1.3 平台层

平台层主要包含管理平台和数据平台两部分内容。数据平台以目前流行的开源数据库为主，对现场上传的数据进行存储、分发。管理平台负责对前端感知层设备进行远程管理，如参数设置，命令下发等。

1.4 应用层

应用层包含三套应用：基于三维的变电站主动防御系统；移动掌机App应用；工器具管理及操作逻辑计算软件。

1.5 体系建设技术方案

变电站内现场布置一台空间计算服务器，用于计算定位数据；一台应用服务器实现工器具管理及操作逻辑计算、一台WEB服务器实现B/S架构的三维实景展示和功能应用，以三维实景建模[14-15]，实现PC浏览器端集中监控中心、移动端作业监控和应用。系统以三维实景平台为基础，所有功能及展示页面，在三维立体模型的基础上实现了安管管控人员管理、电力作业业务模式管理、电力作业工器具管理、安全防护工序逻辑控制、数据可视化等业务功能，见图2及图3。

图2 系统设备及网络结构

图3 系统功能

2 站内全域作业防护的实现

2.1 工器具的识别及智能化

2.1.1 直接防护及操作类工器具的可识别化

直接防护及操作类工器具因可能承压、承重或接触高压，对其力学及绝缘性能等都有较高的要求。此类工器具可通过为其添加额外的电子识别标签，如安全帽、接地线接地端、导体端贴上UWB定位标签，通过感应或视频装置对工器具进行识别，辅以站内定位技术，可以对工器具的移动予以判断。

2.1.2 间接防护工器具的智能化

传统的间接防护工器具如红白带、绝缘挡板、硬隔离围栏等工器具，在现场主要起隔绝、警示、提醒的作用，但工器具自身不能起到自身报警的功能。可运用红外感应、NFC感应、人体感应等技术对作业现场常用的隔离、警示类的红白带、绝缘挡板、硬隔离围栏等传统工器具进行升级改造，辅以物联网通信功能，则可以实现此类工器具的联接，进而结合软件实现相应功能的完成。

(1)开关柜感应检测防御装置。可利用红外感应、NFC感应、人体感应等技术研制放置于开关柜柜面的反应检测装置，对接近的人员进行感知，如果为非法则提供声光报警，也可通过通信实现对此类防御装置的远程控制。此类防御装置不接触柜体的电磁及机械部件，设备的安装可采用磁吸式方式，装置本身使用具备通信告警功能的智能红白带提供临时性、可移动性隔离防护提醒的装置。可通过光对准等技术，提供对一定区域范围进行围栏保护的装置，可以对接近的人员进行预警和进一步的声光报警。

(2)具备通信告警功能的智能红白带。提供临时性、可移动性隔离防护提醒的装置。可通过光对准等技术，提供对一定区域范围进行围栏保护的装置，可以对接近的人员进行预警和进一步的声光报警。

(3)带声光报警功能的绝缘挡板。提供对开关柜的断路器抽出后的空仓进行保护的一种装置，可以对接近的人员进行预警。

2.2 三维立体模拟防护

通过UWB室内定位及高清摄像装置，对变电站站内物理空间实现全域、全要素设备空间信息监控防护，对操作、检修、抢修、参观或非法入侵的各类人员的行为动作态势感知，并根据其角色和作业权限判断，根据其角色区分许可区域和禁入区域、许可操作设备对象和禁止设备对象，预判其行为态势，对可能的非法进入、非法操作或操作逻辑违规等进行态势预警。

2.2.1 作业安全防御模式

系统提供安保模式、巡视模式、检修模式、操作模式、抢修模式等五种工作模式进行流程化、自动布防的主动安全防御监控。系统运行模式的切换，由具有操作权限的角色进行切换，在任一工作模式下，不同的角色可在流程中相应的节点具有不同的操作权限。通过对智能工器具的使用，从而对站内设备进行布防。

(1)安保模式，即在没有巡视、操作、检修、抢修等作业的情况下，系统处于一个全方位、全空域防御状态，变电站物理边界、站内设备幕帘式检测装置、虚拟电子围栏、视频监控等所有防御措施，均处于布防状态，对变电站范围内所有非法行为进行监控和预警的状态。

(2)巡视模式，即在开展变电站巡视作业时，系统所处的防御模式。此模式下，相关安全防御装置处于巡视状态，侦测并记录工作人员巡视路径及动作，监测巡视工作到位情况，并根据人员对设备的巡视覆盖情况、设备前逗留时间、工器具使用等情况对人员巡视质量进行评分。

(3)操作模式，是操作人员对电气设备进行停电、验电、接地、悬挂标示牌或装设遮栏等操作时，系统相关防御检测装置及虚拟电子围栏所处于的防御状态。操作人员可将系统由安保模式设置为操作模式，系统根据操作设备对象所在区域自动设定非防御区域和防御区域，并在后台系统形成记录。操作设备左右两侧幕帘式防御装置，处于邻近模式防御状态，工作人员接近时形成的提醒或报警，摄像头跟随，实时监控检修行为。分析操作人员行为动作，工器具识别及操作逻辑顺序，实现操作过程中工序内在逻辑安全控制。操作结束后，提供工器具核对功能，避免工器具遗忘。

(4)检修模式，由工作许可人进行安措布置，工作负责人对安全措施确认后，将系统切换进入检修状态。以开关检修为例，检修设备所在柜体幕帘式安全防御装置撤防，检修设备两侧、后侧的非检修设备柜体的幕帘式安全防御装置处于邻近模式布防状态，其他设备所在柜体幕帘式安全防御装置正常布防。

根据需要，布置立柱式安全防御装置(立柱式物联网红白带)或磁吸式安全防御装置(磁吸式物联网红白带)，对检修设备邻近的左右两侧、后侧等其他带电设备，形成物理防御空间，禁止靠近或侵入。根据需要，对拉出手车的开关仓，布置物联网安全防御绝缘挡板，并使其处于邻近模式防御状态，形成物理保护平面，禁止靠近或侵入。

(5) 抢修模式，可视为操作及检修模式的叠加，只是在人员权限流程上予以调整。

2.2.2 安全规程逻辑防误

依照站内作业安全规程，借助防御装置、标签、视频、室内定位交叉立体防护监控网，实现对停电、验电、放电、接地、作业、拆除接地线等过程的逻辑工序进行监控，防止误操作。系统设计在验电器、放电棒、接地线接地端、接地线导体端、站内接地端分别设置电子标签，通过标签定位检测各工具位移情况，结合视频图像识别各工器具，双重技术识别工器具及其使用先后顺序，达到检测挂接接地线的工作先后逻辑是否正确的目的，未使用或顺序不正确时系统会给予报警[16]。

以接地线挂接为例，其判断逻辑顺序如下。

(1)图像识别出验电器工具，同时验电器标签位置移动，动作上靠近停电设备，判定为已验电。

(2)图像识别出放电棒工具，同时放电棒标签位置移动，动作上靠近停电设备，此时系统检查是否已完成验电过程，若前期已完成了验电过程，则判定为放电，否则给予报警提示。

(3)图像识别出接地线工具，同时接地线接地端标签位置移动，接地线接地端标签与站内接地端靠近或重合，此时系统检查是否已完成验电、放电过程，若前期已完成了验电、放电，则判定为接、接地线接地端，否则给予报警提示。

(4)图像识别出接地线工具，同时接地线导体端标签位置移动，接地线导体端标签与接地端标签具有高度差，动作上靠近停电设备，此时系统检查是否已完成验电、放电、接、接地端过程，若前期已完成了验电、放电、接、接地端，则判定为挂接接接地线导体端，否则给予报警提示。

具体逻辑流程见图4。

图4 挂接地线的逻辑

2.2.3 安全带的佩戴

站内高处作业，则可以在人员的安全帽、安全带的双保险挂钩上张贴识别标签，通过站内UWB定位辅以视频识别判断人员工作位置离地面达到1.5 m后，则发出使用安全带的告警提醒。若人员使用安全带，则通过视频采集装置捕捉双保险挂钩是否至少有一个挂钩与其他支持物直接接触，在最终达到作业平台后，则通过UWB实现挂钩标签与安全帽标签实现空间位置的比较，如挂钩标签低于安全帽标签位置，则提示安全带低挂高用，存在安全风险，提醒作业人员纠正。

2.3 工器具遗忘检查

根据工作开展前工具检查内容，在工作结束后，检查工器具带出情况，避免遗忘，确保送电前所有的工器具均已离开主设备范围。

3 结语

在国家电网公司“建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业”战略目标下，电网安全运行、精益化管理要求更高。本文实现了变电站主动防御体系的建立，提高了现场作业的安全防御的智能化水平。该体系的成功实施，可以为其他变电站站内主动安全防御体系提供标杆和借鉴意义在推广应用后，可以极大地提高变电专业站内安全生产作业管控和智能化水平。