利用电子围栏的特高压换流站人员运维安全管控

戴 迪，丁杰峰，向 权，佘明锐，施险峰

(1.国网湖北省电力有限公司直流公司，湖北 宜昌443000；2.湖北国网华中科技开发有限责任公司，湖北 武汉430074)

0 引言

特高压换流站是实现电能远距离输送的重要枢纽，涉及电力设备数量较多，运维人员工作较为复杂。在传统运维管控机制下，针对相关设备的状态以及运维人员的操作管控存在一定风险，与电能可靠供应的需求仍有差距，因此，需要对特高压换流站人员运维以及设备运行安全管控优化提升。

针对特高压换流站内的设备运维，主要研究集中在设备运行和状态维护方面。文献[1]针对特高压换流站阀厅防火封堵系统防火与抗爆性能进行了研究；文献[2]建立了特高压换流站气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)地震响应；文献[3]研究了特高压换流站设备检修二次隔离措施；文献[4]提出了特高压换流站智能运维系统的设计；文献[5]分析了特高压换流站工程质量管控体系；文献[6]提出了基于多旋翼无人机的特高压换流站设备巡检路径规划。上述文献大多针对换流站内设备的运行安全展开研究，并未针对换流站内运维人员的安全操作进行分析，也未建立运维人员安全操作系统。

针对特高压换流站运维管控，提出了基于UWB的电子围栏定位技术，分析了定位的具体方法以及求解过程。提出了基于UWB的电子围栏安全运维操作系统，介绍了系统架构以及系统功能。解决了实际运维中安全性、可靠性和实时性的问题。

1 特高压换流站主要设备

特高压换流站是直流输电系统中进行交流和直流电能转换的场所。换流站内的设备主要分为一次设备和二次设备，一次设备是指变压器、直流场设备和交流滤波器等直接参与电能转换的设备；二次设备是指对一次设备进行保护、测量、控制和监视的设备，包括相应的仪表和控制开关。其他设备包括水冷系统、消防系统等均为辅助设备。

换流站内的主要设备需要定期进行状态监测，主要利用SCADA系统对数据进行收集和分析，在经过一体化在线监测系统和运行人员工作站等系统实现对这类数据的全方位分析。在数据分析的具体内容方面，主要包括采集到的设备电量数据以及非电量数据等。数据的采集主要来源于在线监测系统以及运行人员定期维护。因此，针对设备管理、运行维护以及人员的操作环节需要重点关注操作的安全性以及数据获取的可靠性。

运行人员通过日比对、周分析的工作实现对换流变、站用变和高压并联电抗器等含油设备的油温、绕组温度和油中溶解气体进行巡视，另外，还需要对阀水冷系统的水位、压力和水温等进行巡视，包括阀庭各组件的温度。因此对运行维护人员的巡视工作需要进行相应的安全管理，实现运行维护人员在数据分析过程中的操作安全性以及可靠性。另一方面，运行维护人员所操作的设备过多，任务较为繁杂，所以为保证数据等重要信息的及时处理和收集，需要保证运行维护人员的安全操作，因此，通过设置相应的电子围栏以及相应的定位技术，可以实现对相关设备故障以及设备信息的实时采集和有效分析。

2 基于UWB的电子围栏定位技术

2.1 UWB定位技术

超宽带(ultra wide band，UWB)定位技术主要适用于室内复杂环境中移动物体的目标定位，具有较强的抗干扰能力和较高的测量精度，因此在室内定位方案中应用较为广泛。UWB定位技术的基本原理是利用在室内环境中安装的能够接收相应UWB脉冲信号的定位基站实现对定位对象以及定位脉冲实现的定位标签进行时间差定位。通常选用基于到达时间TOA或到达时间差TDOA的方法实现定位。UWB的定位技术能够实现厘米级的定位精度，可以满足换流站运维检修的管控需求。UWB定位系统包括定位基站(base station,BS)、位置标签、同步控制器和求解器。

基于TDOA定位首先需要量测目标信号与已知基站的到达时间差，然后乘以电磁波传播速度得到距离差。

假设到达时间为ti，与参考时钟的时间差为Δti，基站与目标之间的伪距为di。假设基站i与物体实际坐标为(xi,yi)和(x,y)，则到达时间方程为

(1)

以基站1为参考基站，基于TDOA的方程为：

(2)

(3)

由此可见，每个TDOA等式确定1条双曲线，当所有基站的时间同步之后，即

Δti-Δtj≠0

(4)

可以得到一簇双曲线。如图1所示，双曲线的交点即为标记点位置。

图1 TDOA定位原理

2.2 定位求解算法

本文利用泰勒算法对位置进行求解，泰勒算法是一种迭代算法，需要在初始位置时确定较为准确的位置信息。之后再根据测量误差逐渐迭代进行位置收敛，最终得到较为精确的结果。对于每组量测值，首先将位置目标的公式进行泰勒展开，忽略二阶以及更高项，经过迭代之后逐渐判断位置结果与实际网络环境之间的数量关系。计算过程如下。

a.确定含有误差的初始坐标为

(5)

b.将式(6)进行泰勒展开，忽略二次及高阶项，得到：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

令：

(11)

(12)

(13)

有

φ=ht-Gtδ

(14)

c.令φ=0，由加权最小二乘得到

(15)

Q为量测误差的协方差矩阵。

d.判断式(16)是否满足给定阈值，即

(16)

满足则最终定位为(x,y)，否则继续返回上述步骤计算。

3 基于电子围栏的换流站运维管控系统

3.1 系统架构

系统架构分为感知层、网络层和应用层，如图2所示。

图2 系统架构

感知层主要通过部署相应的摄像头以及定位基站实现对终端数据的采集。定位终端能够通过定位基站以及人员携带的定位标签实现最终位置的确定。通过交换机将采集的信息上传至网络层，同时主站保证信号在采集区间始终同步。通过网络层的数据则经过相应的加工和处理之后向后台服务器传输，应用层则通过后台服务器确定感知层发来的数据，根据相应的计算规则得到定位标签的坐标，通过对外接口设备进行展示。

3.2 智能运维功能

系统智能运维结构如图3所示。

图3 功能结构

针对特高压换流站的智能运维主要分为设备方面和人员安全运行方面。在数据来源层，可以通过SCADA系统、一体化监测系统、运行人员工作站和阀厅智能巡检系统等实现对人员运行操作以及设备运行状况的数据采集。通过这类数据,在数据处理层得到数据的集成，主要经过数据清洗、数据降维、数据分类以及数据变换等将数据进行批量处理，形成流数据。经过处理，将数据送至特征分析层，可以根据相关的特征组合、关联规则实现对设备运维以及人员安全运行要求的特征提取，从而进一步判断人员与设备安全运行的基本要求。最终通过相应的计算模型将数据进行进一步存储，形成知识库。在运维应用层，可以实现针对历史数据的全面可视化，进一步提升辅助决策的内容和能力，将故障诊断、运维安全、状态评估融为一体，实现特高压换流站的智能运维。

4 案例分析验证

4.1 案例情况

本文针对某特高压换流站进行具体分析。传感器的布置位置以及连接形式如图4所示。

图4 UWB布置位置

4.2 结果分析

特高压换流站的工作人员对电子围栏范围内的区域进行测试，结果如表1所示。由表1可以看出，在有干扰情况、无干扰情况以及电子围栏工作区以外的情景进行分析，位置信息偏差较小。

表1 结果分析

在不含有干扰的情况下，位置误差较小，坐标的误差小于3.0 cm。在外围区具有较强的干扰情况下，Y轴坐标的误差较大，为29.6 cm。在具有较强的电磁干扰情况下，X轴和Y轴的标准偏差则相对较大，为0.207 4%和0.363 4%。为更好地应用本文所提出的有UWB定位方法，需要进一步考虑设备覆盖区域的范围以及可能引起设备采集信号干扰的因素，同时将UWB传感器单元的覆盖范围进一步扩大，从而进一步提升采集数据的准确率。

另外，以5个位置为测试点，通过实际位置坐标与测量位置坐标进行对比分析，得到误差结果，如表2所示。通过表2中数据可以看出，系统定位偏差均小于0.200%，所以能够满足特高压换流站现场运维人员的精准定位要求。

表2 定位结果分析

通过定位系统采集的数据，分析得知在实验过程中，未发现运行维护人员有违规操作的情况，可清晰判断出运维人员位置均在布置的电子围栏区域内，同时设备状态良好，充分说明了在这种情况下能够有效促进人员安全运维以及设备稳定运行。

5 结束语

本文针对特高压换流站运行和维护安全管控提出了相应的电子围栏策略，基于UWB技术实现对设备以及运维人员的精准定位。利用TDOA方法进行坐标计算。通过仿真分析可以看出，本文的定位方法能够有效提升设备运行状态以及人员运维操作的实时管控，并且利用本文提出的系统能够有效降低定位偏差，提升操作运维可靠性。