基于双星多频技术的人员安全定位装置研发

冯俊杰，周 鑫，张晓玲

（国网山西省电力公司超高压变电分公司（国网山西省电力公司检修分公司）， 山西太原 030026）

0 引言

随着国家电网公司“三集五大”的持续推进，超高压变电站已实现了运维班管理模式。目前现场运维工作主要靠人员安全监护，由于远程定位精度不高，不能通过设备进行远程监控，无法实现设备检修作业精细化管控的要求。因此，寻求一种全天候、无死角的安全管控手段成为运维工作的重中之重。北斗系统和全球定位系统GPS（global position system）是目前最常用的精度较高、定位相对可靠的系统，如果将北斗和GPS 双星系统共同组成双模导航定位系统，能够实现亚米级的定位精度，可以在很大程度上增加接收机可观测卫星的数目以及有利于组成最佳几何分布的卫星，从而大幅地提高定位设备的功能可靠性，实现人员设备的精细化管控和安全异常状态的自动辨识分析[1]，满足远程检修作业要求。

1 现场概况

某电力检修公司目前所辖超特高压变电站，日常安全检修工作量巨大。以2017 年为例，全年管理人员累计到岗到位369 人次。目前主要存在如下问题：第一，单次作业人员多，每次作业现场人员少则20 人多则上百人，尤其基建现场持续时间长，少则1 个月多则1 a；第二，作业时间不协同，检修公司实行“1554”工作法对现场进行实时的现场跟踪监护，而现场采用运维班管理为主、分部管理不定期监护为辅的作业方式；第三，现场安全监管存在漏洞，国网公司对500 kV 变电运维班按照4.5 人/站配置。按1 个班管理3 个站为例，1 个班配置14 人，按照“三值一运转”的模式，每值配备仅4 人，无法做到单人长期驻守一个无人值守变电站。

2 研究方案

通过双卫星模拟导航定位解算技术、多频定位技术和虚拟电子围栏智能布设技术，研制基于多源数据的现场安全定位装置和配套管控系统[2]，满足作业现场人员立体高精度定位、行动轨迹跟踪、安全风险警告提醒等安全功能要求，实现超高压变电站多作业面、多人员的作业现场精细化智能管控。

2.1 双模导航系统定位解算技术

北斗与GPS 双模定位导航系统的定位原理与GPS 单系统定位的原理十分接近，其伪距测量以及用户位置解算的方法相似。北斗/GPS 双模定位导航系统需要同时接收北斗定位导航系统以及GPS系统的卫星信号，根据其单个系统的卫星星历，对所属系统进行区分后对卫星发射卫星信号时间的卫星位置进行解算，来获取卫星与用户位置的距离信息。但在解算过程中，北斗以及GPS 系统因为其具有各自的时间系统，会产生时间测量值的偏差，因此由北斗/GPS 双模定位导航系统会比GPS 系统多出一个时间偏差未知量，相比单系统解算时，需要多出一组伪距观测值才能对用户位置进行解算[3-4]。这种方法对数据的先验信息要求较低，适应性更好，其测量基准是参数估计后，测量数据与模型估计预测值的方差最小。

2.2 双频组合定位技术及误差分析

双频组合定位技术是利用电离层误差一阶项与频率的关系，将伪距观测方程进行组合，尽量消除电离层误差，从而达到提高定位精度的目的。电离层误差一般可达到数十米，甚至50 m，这对于定位解算来说是应尽量消除的误差项。目前北斗系统播发3 个频率的信号，分别是B1（1 561.098 MHz），B2（1 207.14 MHz）和B3（1 268.52 MHz），一般是选择B1 和B2 来进行双频组合定位的解算。GPS 系统播发的信号，选取L1（1 575.42 MHz）和L2（1 227.6 MHz）来进行双频组合定位。双频组合可以消除大约90%的电离层误差，对电离层误差修正具有良好的效果，是提高定位精度应用最广泛的一种双频组合方法[5]。双频的优势就在于可以提供更多的冗余信息，很好地消除电离层误差，为了使这个优势得到更好的应用，必须对北斗双频误差进行分析以及建模，提高双频定位的可用性。

2.3 虚拟围栏布设技术

在超高压变电站进行现场作业时，站内运维人员会根据现场作业情况进行工作区域围栏布设。首先确定工作现场，其次确定与工作区域相连的具有唯一出入口的通道，最后通过围栏将工作区域与通道包裹，形成只有唯一出入口的工作区域。现场工作区域围栏在保证作业人员及现场设备安全的前提下，能够最大限度地方便现场人员进入工作现场开展作业。在进行工作区域划设时，运维人员会以断路器及隔离开关为主要分区节点，将工作区域与非工作区域进行区分。工作区域及非工作区域的边界，以现场围栏进行区分。根据现场作业工作区域划设规律，作业人员最终通过道路通道进出工作现场，因此项目组同样将与最小工作块相连的道路划分为最小道路块。在确定工作块后，通过比较工作块与主控楼大门，选择不穿越非工作块的最短路径设为工作区域，从而实现工作区域自动布设。

以试点变电站500 kV 侯村变电站为例，项目组将站内500 kV 设备区、6 个主变设备区、12 个35 kV 设备区等，划设最小工作块共计135 块，其中500 kV 设备区32 块，35 kV 设备区21块。

在最小块划设过程中，项目组发现最小块的边界主要是以地面预留的围网立杆基础插孔连成。在进行工作区域划设中如果边界区域划设不精准，仅仅提升定位装置准确度，则非常容易产生误报。基于此，项目组针对站内全部围网立杆基础、固定围栏及变电站围墙进行精确测绘，为虚拟电子围栏智能布设提供精确的数据基础。

3 系统研制

研制基于多源数据的作业现场安全定位装置及配套管控系统，实现作业现场人员立体高精度定位、行动轨迹跟踪、安全风险警告提醒。

3.1 设计原理

北斗/GPS 定位终端作为便携设备，可随身携带，在室外空旷处利用北斗/GPS 卫星导航系统进行高精度实时动态RTK（real-time kinematic）定位，最高精度可达厘米级。北斗/GPS 定位终端可输出北斗/GPS 卫星伪距与载波数据，使用数据压缩技术实时数据流小于0.5 kB/s，通过2G/3G/4G 无线网络，传输至服务器接入到北斗/GPS 高精度解算平台与北斗/GPS 基准站进行实时RTK 解算。解算平台将北斗/GPS 定位终端的高精度定位数据发送至地图展示软件上进行标注，并与电子围栏进行判断，如超出预设值进行报警，北斗/GPS 定位终端可从服务器获取是否超出电子围栏范围，如果超出预定值启动蜂鸣器报警。

3.2 通信基站结构设计

通信基站结构设计如图1 所示，根据前期规划及设计，定位通信主基站是由无线通信系统、数据交换系统、高精度定位系统和220 V 供电系统组成。为实现便携性，整个基站部分的设计思路围绕将以上所有系统合为一体的架构合理地进行设备的选型和组合。根据上述设计思路，确定通信基站各个部分选型如下。

图1 移动部署一体化定位通信基站设计图

3.2.1 无线通信基站主板

通信基站主板射频部分基于多进多出MIMO（multiple input multiple output）技术，采用了2T2R的构架，无线频宽支持20/40/80 MHz，物理层带宽866 Mb/s，最大发射功率1 000 MW。CPU 主频高达720 MHz，128 MB 内存，内置1 个SFP 接口，1 个RJ45-1000M 及直流DC（direct current）接口，采用10～30 V 宽电压设计。该系统中无线主板的供电可以采用12 V DC 供电，但是为了对网口进行防雷和浪涌保护，在设计时选择了以太网供电POE（power of ethenet）交换机作为无线通信主板的上级供电系统，为的是对主板进行统一供电，也便于后期出现问题时的统一排查。该供电主板采用4 个供电以太网口和2 个级联端口的4+2 架构，留出了1 倍的冗余。

3.2.2 无线通信防雷主板

本次设计的无线主板的供电方式为网口供电方式，供电网线采用六类国标无氧纯铜网线，设计长度20 cm，采用568B 标准双绞线，其中1236 用于传输数据，4578 用于供电（45 为正极，78 为负极）；因为设备采用的是POE 供电模式，为防止感应电流对网口造成反向冲击导致网口烧坏，所以在主板和供电系统中间优先串联1 块用于保护无线主板网口的支持共模6 kV/差模2 kV 浪涌防护以及16 kV 静电放电ESD（electro-static discharge）防护的主板，以提高整个系统的稳定性。

3.2.3 工业交换机主板

基于本项目是在高电压高电磁干扰的变电站内部使用，因此对交换机的性能要求比较高，本次设计采用稳定性更高、抗干扰更优秀、高低温性能更强的工业级交换机，该交换机主板采用4 个网口+1 个汇聚网口+1 个汇聚光口的4+1+1 结构，配合单模双纤光模块，实现1 个端口用于汇聚传输，1个端口用于备份的1+1 传输备份模式，可轻松实现场景的自由切换。

3.2.4 交流开关电源

供电系统是本项目通信定位基站的核心，所有的元器件都需要供电，因此该电源的稳定性直接决定整套基站的稳定性。综合考虑，本项目中开关电源采用1 组220 V 电源输入、2 组12 V 电源输出的1 进2 出架构。

3.2.5 通信基站外壳

根据以上4 种需要整合的零部件的选型及尺寸，计算出外壳的选择尺寸长宽高不低于（400×300×80）mm，因此需要选择内部尺寸为（420×335×126）mm，同时带有便携式提手、质量约7.5 kg 的外壳。根据项目要求，经过4 轮设计修改，最终通信机壳采用两侧开孔设计，把手向右，上侧设计5 组天线开孔，分别用于外接GPS 天线和Wi-Fi 天线；下侧共设计6 组接口，采用3+2+1 模式，即3 个航空接口（220 V 交流电源接口，RJ45 网络接口和LC光纤接口）、2 个透气阀（用于平衡内网气压）、1 个等电位地线接口（采用穿孔式设计）。

3.3 安全定位装置结构设计

3.3.1 通信终端主板

本次项目设计通信终端选择的是工业级通信主板，不采用无线网卡形式，以保证并发量和延时，因此终端主板也采用基于5.8GHz802.11AC 协议的主板，并经过协议的深度优化，具备同基站主板一样的特性。

3.3.2 Wi-Fi 信号传输距离问题

由于该终端设备是需要作业人员随身携带，且不可以影响作业人员的正常工作，因此设计天线采用全向设计，保证人员的方位改变对信号的影响较小，同时尺寸小，增益高，能够满足Wi-Fi 信号的有效传输距离，提升系统可靠性。

根据以上原则选择胶棒天线，长度52 mm，增益3 dBi，频率范围5.15～5.85 GHz。详细参数为：中心频率5.8 天线带宽5.15～5.85 GHz，电压驻波比≤1.5，垂直极化方向，全向辐射输入阻抗50 Ω，功率容量20 W，产品尺寸50 mm，整体质量6 kg，天线外壳TPEE 材质，SMA-J（SMA 内螺纹内针）接口方式，工作温度-40～+85 ℃，储存温度-40～+85 ℃。

3.4 现场管控系统研发

管理系统平台是站内工作人员安全与告警的智能化、精细化管控平台，具备以下功能。

3.4.1 人员与定位装置配置

系统可根据每个一体化定位装置的MAC 地址，追踪个体定位信息以及移动轨迹，以便发生告警时可准确得知佩戴定位装置的人员信息。当工作人员领取一体化装置时，可在系统中录入领取人员的相关信息，并保存记录，以便系统操作人员与佩戴定位装置的单兵工作人员双向联络。

3.4.2 系统与装置对讲

系统操作人员可在客户端根据一体化定位装置的MAC 地址或者佩戴者名字进行查询，并对佩戴一体化定位装置的工作人员进行远程喊话。

3.4.3 地图升级管理

当站内环境或区域发生变化时，智能化系统支持加载、更新后的高精度地图；并保存原始地图的相关记录且不允许再人为进行改动，记录电子地图更新时间。

3.4.4 定位信息记录保存

支持记录站内工作人员的移动轨迹、时间，以便后期随时调取工作信息，并对一体化定位装置发出告警的记录进行特殊记录。此外，系统能够实时接收北斗/GPS 高精度解算模块传来的定位终端的数据。拟设计接收100 台终端的用户数据，可根据用户的要求进行扩容。

3.4.5 数据汇总操作

对汇集的数据进行常规处理，产出数据产品、操作数据产品（查询、电子围栏规划等结果）。具备多级并行分布式计算能力，可适应大量数据的同步计算。

3.4.6 高精度电子地图

地图精度就是地图的精确度，即地图的误差大小，是衡量地图质量的重要标志之一。本项目利于航拍和实地测量的方式，绘制变电站高精度电子地图，实测可达厘米级别。

3.4.7 虚拟电子围栏

本项目拟采用远程设定的方法对虚拟电子围栏进行设定。用户可在服务器客户端的高精度电子地图上进行厘米级别的虚拟电子围栏设定。当工作结束时，可在服务器客户端远程对电子围栏进行撤防操作。

3.4.8 越界告警

当佩戴一体化定位装置的工作人员误入非工作区域时，服务器客户端将发出告警，并将该工作人员显示在屏幕中；同时佩戴该一体化定位装置的工作人员也将收到声光告警，以提醒该工作人员迅速退离该区域。

4 现场测试

本项目于2020-12-08T11:00 在500 kV 侯村变电站进行了现场测试，结果显示系统能够实时反馈工作人员的所在位置，对人员动态位置进行实时更新，并在人员超出工作范围的情况下实时进行报警，及时弹出响应报警信息，响应时间不超过1 s，定位精度不超过0.1 m，满足现场检修要求。

5 结论

本项目主要通过研究超高压变电站作业现场立体高精度定位技术、智能无线通信技术、智能布撤防技术，研制适用于超高压变电站大作业面、多人员的一体化定位装置及智能管控系统，实现超高压变电站作业现场人员精细化管控。本项目研发的一体化单兵作业设备与配套的通信基站适用范围广，操作携带方便，具备区域划分、行动轨迹跟踪、安全风险警告提醒等功能，定位精度达到分米级，终端设备跨越虚拟电子围栏时，告警信息响应不超过1 s，大大提高了一线员工的人身安全水平，不仅可以解决运维工作中员工按照既定的路线进行运维工作，同时也为变电站内日常巡检提供了新的手段，保证了变电站内设备安全，具有较高的理论和实际意义。