基于UWB定位技术的变电站安全监控系统设计

赵俊蕾，李勇，刘海峰，王文轩

(国网沧州供电公司，河北 沧州 061000)

0 引 言

变电站是电力系统的中枢，对电能的传输与分配起到至关重要的作用[1-2]。提高变电站的安全管理水平，减少停电事故与人员伤亡，一直是电力公司追求的目标[3-4]。当前电力生产与检修过程中主要通过规章制度、安全围栏、五防闭锁与现场人工安全监护等方式对作业人员的安全进行保障[5-6]。其中，以设置安全围栏最为常见，通常在作业面周围设置非常醒目的安全围栏，从而防止作业人员走错间隔或误碰带电设备。上述几种措施均存在一定缺陷，一旦现场的监护人员缺位，工作人员可能误打开相关锁具而误入带电工作间隔，此时若缺乏及时的制止，则可能发生人员触电与设备运维事故等安全事件发生。

变电站施工或检修过程中，因现场作业人员种类繁多、作业人员素质参差不齐、工作面多、作业强度高、作业现场车辆和各种机械设备繁杂等原因，存在较高的安全风险。如果配备相当数量的安全监护人员，可以从很大程度上避免安全事故的发生，但是鉴于时间与人力成本的因素，不能仅靠提供严重过量的监护人员来保证作业检修现场的安全。对作业人员的位置进行实施定位与监控，利用系统采集作业面各作业人员及机具的位置，并利用终端对越位的作业人员及时发出警告，具有安全性好、效率高和方便数字化管理等多重优点。变电站的施工与检修等场合对人员与机具的定位提出了厘米级的精度要求，而GPS、手机基站、WiFi和ZigBee等多种技术尚无法满足定位精度要求[7-9]。超宽带(ultra wide band,UWB)是一种无载波通信技术。由于其频谱范围宽，发射与接收电路简单，功耗低，穿透力强，定位精度高，以及传输速率快等优势，尤其适用于变电站内的高速与近距离无线通信[10-12]。

基于上述背景，本文研究了基于UWB定位技术变电站安全监控方案，给出了基于UWB定位技术的硬件结构与软件系统设计方案，并将开发出的安全监控系统应用于实际变电站，取得了良好的应用效果。

1 UWB定位技术

1.1 基本原理

UWB定位的核心思想是测定距离与方向，并通过算法对目标位置进行定位。通常包含三种原始定位方法：基于到达角度估计、基于到达时间估计及基于接收信号强度估计。

基于到达角度的定位方法基本原理为：由2个固定位置参考点获取的动态目标信号到达角度计算动态目标的位置，示意图如图1所示。该种定位方式不需要与强制参考点天线同步。

图1 基于到达角度的定位方法原理图

基于到达时间的定位方法具体可分为基于到达时间与基于到达时间差两种方法。基于到达时间的定位方法采用3个位置信号发射器向动态目标发射信号，根据信号的接收时间与位置信号发射器信号发射时间计算出3个位置距离计算动态目标的绝对位置，其基本原理如图2所示。该种定位方法对信号同步与时间测量的精度有较高要求，否则将造成较大误差。基于到达时间差的定位方法则利用了双曲线的几何特征来定位，如图3所示。将参考点位1和2布置在双曲线1的两个焦点上，同时将点位2和3布置在双曲线2的两个焦点上。利用时间差获得参考点位距离动态目标的位置，并利用各自双曲线的约束关系，通过求解联立方程组的方法求解出动态目标的绝对位置。该种方法不再要求参考点位与动态目标之间的时间同步，只需要3个参考点之间的时间同步即可，其原理图如图3所示。

图2 基于到达时间的定位方法原理图

图3 基于到达时间差的定位方法原理图

基于接收信号强度的定位方法主要依靠信号强度与特定的通信信道衰减模型估算参考点与动态目标之间的距离，由多个距离信息便可利用与基于到达时间相似的定位原理计算动态目标的绝对位置。方法实施起来较为复杂且影响因素众多，因而定位误差较大。

1.2 基于UWB定位技术的变电站安全监控方案

本文采用基于到达时间的定位方法对变电站内的动态目标进行定位。但考虑到变电站安全监控的特殊性与监控区域的相对固定性，在信号发射器的点位布置上采用了固定+动态相结合的模式。固定+动态模式是指在变电站的常规监测区域，如某些经常作业的开关间隔、主变附近及输电线路进线等区域，根据需要在固定位置安装信号发射器，而在一些根据施工和检修需要进行动态调整的区域则安装动态设置信号发射器，工作一旦结束即撤离相关设备。在固定+动态模式的基础上，在后续的软件系统中置入固化的位置信息与方程算式，可以加快定位计算与预警响应的时间，提高安全监控的效率与可靠性。

2 安全监控系统设计

2.1 硬件架构及原理

2.1.1 系统结构

基于UWB定位技术的变电站安全监控系统结构分为3层，包括感知层、平台层与应用层，如图4所示。感知层是最底层的硬件层，在前述基于UWB定位技术的基础上，通过对变电站施工与检修现场人员与机具信息的采集与处理，实现对现场目标对象位置的智能感知。平台层将相应数据进行储存、治理与配置，以方便后期的调用与分析。应用层是实现目标定位的高级应用层，它能够对数据库中的目标对象信息进行调用与分析，并借用预置的多种智能算法对目标位置进行实时判断，从而对相关越位对象进行管控，并及时发出预警信号，从而助力实现变电站的安全管理，提升管理效率与水平。

图4 系统结构示意图

2.1.2 硬件系统设计

基于UWB定位技术的变电站安全监控系统的硬件模块主要包括定位标签、定位终端、信号发射与接收器、定位配置器、预警系统以及服务器，结构原理如图5所示。定位标签采用小型无线型号发射与接收器，用以产生与接收超宽频无线信号。定位终端则利用上述信号结合定位算法完成对定位标签的定位，从而获得移动目标的具体位置，定位装置的有效工作范围为100 m径向范围。信号发射与接收器将信号回送给定位终端，定位终端对位置信息相关的数据打包并发送给服务器。服务器可以调用各种预置算法，与内置的判据进行对比，如果满足预警判据，则发出预警系统的预警信号。

图5 硬件结构原理图

2.2 软件系统设计

本文采用扁平化设计方案，共设置3个等级的操作菜单，而所有的一级菜单均按照功能进行划分，并在其下设置分类明确与操作简洁的子菜单。所有的设计均基于Web技术，最大限度上方便变电站安全管理人员的使用。软件设计套用经典的分布式处理模式，实现任务分配与管理、通信管理、数据管理与可视化管控等多项功能，主要包括任务分配与管理、客户管理系统、监控系统服务器、通信服务终端及RTLS中间件等模块，如图6所示。各个软件模块可以根据需要内置于不同的硬件上，或者直接集成于同一个硬件模块上。

图6 软件系统架构图

3 现场应用与案例分析

3.1 定位精度验证

为了验证基于UWB定位技术的定位精度，在某220 kV变电站进行布点测试，对站内检修人员的位置进行实时定位。根据检修人员作业区域的特点，分别在无电磁干扰与无遮挡物、有遮挡物和有电磁干扰的区域选取典型位置进行布点，测试了目标的定位距离及其统计学特征，得到各种条件下的测试结果如表1所示。由表1可知，在无电磁干扰与无遮挡物的情况下，定位误差均在3 cm以内。在有遮挡物与有电磁干扰这两种情况下，虽然定位误差均大于3 cm且最大达到了25 cm左右，但上述测试结果是在最严苛的测试条件下得到的。考虑到现场选点布置时可以将点尽量选在无大面积遮挡的地方，且实际施工或检修作业时总有大范围停电区域，电磁干扰也不会有测试时强。因此，可以认为实际应用的误差范围不会对现场作业人员的安全监控产生影响。

表1 变电站定位实测数据 m

3.2 系统功能验证

为了验证系统的功能正常，对该220 kV变电站201开关间隔进行了模拟，201开关停电作业，但其相邻间隔带电。检修人员离开停电作业区域，以正常步行速度走向临近带电间隔的外围区域。当作业人员接近带电作业区域墙壁外围10 cm时，系统及时发出了预警信号。测试结果说明软件系统的功能正常，并且软件预置的危险距判据等能够有效判断作业人员的安全情况，并且留有一定的安全裕度，也为作业人员留有对预警信号的反应时间，同时进一步验证了基于UWB定位技术的定位准确性。

4 结束语

基于UWB定位技术与变电站安全监控需求的特点，提出了基于UWB定位技术的变电站安全监控方案，并在此基础上对监控系统的硬件系统与软件系统进行了设计，开发出基于UWB定位技术的变电站安全监控系统。监控系统能够对变电站现场作业人员与机具进行有效安全监控，有利于提高变电站设备运维与人员作业的安全水平，具有重要的工程实用价值与意义。