一种用于变电站工作现场的主动式多作业方式的危险预警系统

冉一丁 陈秀红 吴电宁 陈德坤 周金桥

（1.国家电网山东送变电工程有限公司 2.武汉映瑞电力科技有限公司）

0 引言

随着现代工业的迅猛发展，对电力系统安全稳定运行的要求日益增高。党的十九大把安全生产摆在更加突出位置，对安全生产管理提出了更高标准、更严要求。

近年来国家电网公司全面推动安全生产管理工作的标准化和规范化，始终把安全生产作为第一责任、第一工作。电力行业的发展和整个社会息息相关，变电站作为电力运输过程中的重要枢纽，在变电站现场工作中，经常会涉及多家施工单位、监理单位等，人员复杂，环境复杂，管理难度大，为了预防现场安全意外的发生，加强电力施工现场的作业安全管控十分必要。

变电站的工作现场，特别是在新站建设时期，危险区域较多，常规的危险预警方式有指示牌、电子屏、循环播放警示语音等被动方式，这些方式由于位置固定、方式单一、内容重复等原因，很容易被现场的工作人员忽略，仍然存在造成较大人员伤害风险的可能［1］。

本文基于越宽带（Ultra Wide Band，UWB）物联网通信协议进行研究，使用双向测距 （Two-Way Ranging，TWR）技术实现变电站内施工现场的高精度测距功能，开发出一种主动式危险预警系统。当作业人员进入或离开危险区域时主动播放相应的危险预警提示语音，提示该工作人员进入或者离开何种危险工作区域；同时对于已经进入危险区域内的工作人员，将按照一定时间间隔进行周期性预警语音播报，使作业人员能够及时了解自己当前是否处于危险作业区内，实现变电站作业现场人员的危险主动预警，本系统的研发提高了变电站危险区域作业人员的安全保障［2］。

1 变电站施工作业现场面临的问题

1.1 针对变电站建设阶段的危险预警解决方案少

针对建成投产后变电站的危险管控问题，有不少成熟的解决方案，但是针对处于建设中的变电站作业危险管控问题，目前关注比较少，使用方便且成熟的解决方案不多，但在变电站建设阶段作业种类多、现场工作人员多，管理难度大，需要一种支持变电站建设阶段的危险预警解决方案。

1.2 缺乏主动式的预警提示方式

目前在危险预警方面，通过警示牌、循环播放警示语音提示的方式较为常见，由于方式单一等原因，虽然能起一定的预警作用，但仍然存在较大的安全风险［3］。非主动式危险预警的缺点在于现场作业人员无法准确、及时知道自己是否处于危险作业区内以及该危险作业区是何种危险作业区。

1.3 缺乏不同危险区域的危险预警手段

在变电站建设时期，存在动火作业、受限空间作业、临时用电作业、高处作业、破土作业、吊装作业等作业风险，不同的作业方式导致危险区域的半径不一样，需要根据作业性质确定危险区域半径大小，而目前缺乏支持根据不同作业风险划定危险区域的解决方案。

2 系统工作原理

2.1 危险预警原理

在本文中使用超宽带 （UWB）和双向测距（TWR）技术实现危险预警器与危险点基站间的测距功能，因UWB功耗限制（FCC规定UWB的功率谱密度小于－41.3dBm／MHz，按照单个信道500MHz计算，其信道功率为－14.3dBm），实测UWB信号范围为10～20m，在本文中将预警阈值限制为10m之内，即可指定10m内任一距离为触发播报预警音频的阈值。具体表现为：当危险预警器进入危险点基站的阈值半径范围时，将播报一次进入危险区对应的预警音频；当危险预警器离开危险点基站的阈值半径范围时，将播放一次离开危险区对应的预警音频；在危险区内长期驻留的危险预警器也将间隔一定时间（如10min）周期性播报预警音频。如图1所示，危险预警器A、C、E在危险范围外，不进行语音播报，危险预警器D已经处于危险范围内，将进行间隔一定时间（如10min）的周期性预警播报，危险预警器B正从边界外跨越边界进入或跨越边界离开，将进行一次语音播报。

图1 危险预警地理示意图

2.2 UWB测距原理

超宽带技术UWB是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射／接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。UWB在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。UWB可以在10m范围内支持高达110MB／s的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济的完成数据处理。因为具有一定相容性和高速、低成本、低功耗等优点，使得UWB较符合变电站施工作业现场作业管理的需求［4-6］。

UWB测距方式有多种，如双向测距、到达时间差、到达相位差，而最为常见且简单的是双向测距方法，其又分为单边和双边两种，本系统中由于只需要危险预警器获取距离，而危险点基站不需要获取距离，所以在本系统中使用单边双向测距算法（Single-Side Two-Way Ranging，SS-TWR）。

单边双向测距的原理如图2所示，其测距流程为：设备A主动发送（TX）数据，同时记录发送时间戳，设备B接收数据之后记录接收时间戳；延时Treply之后，设备B发送数据，同时记录发送时间戳，设备A接收数据，同时记录接收时间戳。

图2 单边双向测距原理

所以可以拿到两个时间差数据，设备A的时间差Tround和设备B的时间差Treply，最终得到无线信号的飞行时间Tprop如下：

两个差值时间都是基于本地的时钟计算得到的，本地时钟误差可以抵消，但是不同设备之间会存在微小的时钟偏移，假设设备A和B的时钟偏移分别为eA和eB，因此得到的飞行时间会随着Treply的增加而增加，测距误差方程如下：

由式（2）可知，Treply越小，测距越准确。另外Treply不仅仅是设备B接收到发送的时间，也包括装载数据和发送数据耗费的时间（UWB除了支持定位之外，也可以传输数据，标准可以装载128B，扩展模式可以装载1024B数据）。典型的误差关系（1ns约等于30cm距离误差）见下表。

表典型的误差关系

可以看出，随着Treply和时钟偏移的增加，会增加飞行时间的误差，从而使得测距不准确，根据现场实际情况分析测距精度达到0.5m即可满足危险预警目的，使用单边双向测距可达到此要求。

2.3 定制化主动式危险预警语音播放原理

首先，将每个危险预警器硬件和危险点基站硬件按类别分别进行编码，赋予唯一硬件ID；接下来，将变电站多个存在作业风险的区域设为危险工作区，每个危险工作区均可以设置工作区半径，并且每个危险工作区均与危险点基站的硬件ID进行关联；最后，将变电站内危险工作区的工作半径、危险类别信息及关联的危险点基站硬件ID信息存放于每个危险预警器的TF卡内。

这样一来，当工作人员靠近危险工作区后，其佩戴的危险预警器将与该危险工作区内的危险点基站进行通信。危险预警器发送的数据包中包含有危险预警器的硬件ID和危险预警器中的系统时间，危险点基站收到危险预警器发送的数据包后将会进行响应，危险点基站发送的数据包中包含有危险点基站的硬件ID和危险点基站收到数据包的时间和危险点基站发送数据包的开始时间。危险预警器解析收到的危险点基站发送的数据包，从中解析出危险点基站ID及用于测距的参数，接着根据测距算法计算与危险点基站的距离，通过基站ID在本地TF卡内查找该危险工作区的半径，然后再将测距距离与危险区工作半径比对，即可知道自己是否处在危险工作区边界。通过多次连续通信即可判断当前的运动状态（如离开、进入或驻留），并根据危险工作区和运动状态播放TF卡中存放的相应预警语音。定制化主动式危险预警语音播放流程如图3所示。

图3 定制化主动式危险预警语音播放流程

3 系统实现

本系统由危险点基站、危险预警器、提示语音生成器及管理平台组成。

3.1 危险点基站

危险点基站是一个提供危险预警器测距服务的设备，该设备通常固定放置于危险点中心，当有危险预警器进入到其无线信号范围内时，可提供给危险预警器测距服务。每个危险点基站都会在内部定义一个系统内唯一的ID作为其硬件ID，用于在通信中进行身份识别。

危险点基站支持室内外不同复杂环境、不同场景精度要求的部署安装，用于标识危险区域。

危险点基站的主要部件为CPU、UWB模块、拨码开关、锂电池、电池充电／电源管理、LED指示灯。主要操作逻辑由CPU进行，主要提供给预警器测距服务，其长时间处于监听无线信号的状态，当收到预警器的测距请求时，进行回复；锂电池和电池充电／电源管理电路，用于给其他部分供电；拨码开关用于给该基站设置编号；LED指示灯用于指示设备充电和运行状态。危险点基站原理框图如图4所示。

图4 危险点基站原理框图

3.2 危险预警器

当佩戴了安装危险预警器安全帽的作业人员靠近施工作业危险区域时，危险预警器就会自动播放自定义的危险提示语音。每个危险点基站都会在内部定义一个系统内唯一的ID作为其硬件ID，用于在通信中进行身份识别。

危险预警器主要部件为CPU、UWB模块、音频功放、喇叭、TF卡／Flash存储器、锂电池、电池充电／电源管理、LED指示灯危险预警器主要部件，如图5所示。主要操作逻辑由CPU进行，其负责操作UWB模块进行TWR测距，并根据距离阈值条件播放语音文件；锂电池和电池充电／电源管理电路，用于给其他部分供电；TF卡／Flash存储器，用于存放危险区域信息及与危险点基站唯一ID相对应的预警音频文件，音频名与危险点基站编号一致，如I1.wav对应进入1号基站危险区时播放的音频，O3.wav对应离开3号基站危险区时播放的音频，实现进出危险区域时的主动式定制化提示语音；LED指示灯用于指示设备充电和运行状态。

图5 危险预警器主要部件

3.3 提示语音生成器

提示语音生成器则提供自定义危险提示语音生成功能（界面如图6所示），它可以实现将文字转换成危险预警器系统能播放的语音格式。

图6 提示语音生成器界面

4 结束语

在本研究中通过对UWB相关技术的研究，实现基于UWB协议通信和高精度测距，从而达到在变电站建设阶段对施工作业人员进行高精度定位和智能化主动语音风险提示。系统现场部署方便，续航时间满足现场使用需求。佩戴危险预警器的工作人员能够及时自己进入、离开何种各种危险工作区域，对于在危险工作区域作业的工作人员也能按照一定时间间隔获取到自己的所在危险工作区域信息，保证了工作人员能够及时了解当前作业区域是否存在某种作业风险，能够提高人员安全指数，为变电站施工作业人员的人身安全添加了一重保障。本系统的的应用既可以解决变电站建设阶段的作业人员风险预警问题，还可以解决变电站投运阶段的运维检修作业风险问题。