無線定位技術在變電站作業安全管理中的應用

谷月雁 司 剛 劉清瑞

（1.天津市電力公司，天津 300010；2.天津市電力公司城西供電分公司，天津 300020；3.上海申瑞電網控制系統有限公司，上海 201100）

我國的智能電網建設已經進入全面建設階段并取得顯著成果，國家電網公司也正在加緊構建覆蓋全部營業區的“三集五大”體系。“五大”體系的構建，使電網建設和運營、電力設備運行管理等各項工作的內容和工作量更加細化和規范化。加強變電站值班人員和現場作業人員的安全管理與防護，防止發生人員傷害事故、保證電力設備安全運行是電網安全穩定高效運行的基礎和前提。在智能電網建設快速推進的情況下，亟需先進可靠的技術手段來對“五大”體系建設和電網設備安全人身安全運行安全提供強有力的支撐。

變電站作為電網的基礎，也是電網生產運行的高危工作區域,其作業安全管理尤其重要。為了提高變電站的安全管理水平，管理部門除制訂了一系列規程、制度外，還為變電站配置了綜合自動化系統、視頻監控系統、五防系統、電氣設備在線監測系統等等，以上技術設施大大提高了變電站的自動化水平，為變電站的作業安全管理提供了一定的技術支撐[1]。但是，上述系統的配置主要根據電氣量和化學量的變化和異常來判斷電網的狀態，既不能對變電站全覆蓋，也不能實時定位及時預警和報警，往往只能在事故進行中或者發生后為事故原因分析提供數據記錄分析的手段，無法對危險因素進行事先防范與預警，變電站現場的人身與設備安全因人員違章、現場作業混亂、現場管理不到位、不按規程巡視等人為因素的影響一直無法得到技術上的保障，致使某些基于人為因素的安全隱患無法避免[2]。統計數據表明，變電站現場的安全事故中大約有三分之一是因為值班人員或作業人員未認真執行設備巡視規程、未認真執行安全操作與管理規程、超區域作業、現場監護查勘不到位等人為因素所造成的[3-5]。

基于人為因素的變電站安全隱患主要表現在：①變電站現場巡視不到位。變電站現場巡視及設備巡視是變電站運行管理工作的一個重要組成部分，它是檢查設備運行狀況、掌握設備運行參數、了解設備運行環境、確保電網安全運行必不可少的基礎工作。但少數人員認為現在的自動化程度非常高而過分地依賴于監控系統，造成巡視不到位或正常巡視次數無法保證。由于變電站的一些異常情況無法用電氣量監測和用電信號傳到監控系統，如地基下陷、瓷瓶裂紋、螺絲松動、金具銹蝕、變壓器或開關漏油、全密封設備漏氣等，如果思想松懈、忽視巡視的重要性、或者巡視不到位等，便無法及時發現這些缺陷，為設備的安全正常運行埋下隱患。②對進入工作區域的人員監護監控不力。值班及作業人員進入變電站區域后，監控中心無法實時跟蹤工作人員的當前狀態，特別是人員當前位置、移動路線、移動趨勢、停留時間等無法定量監控，對巡視不到位的現象無法及時提醒和糾正，對作業人員靠近或誤入危險區域時也無法及時發現和提醒制止，對監護缺位的現象無法監督管理，極易發生安全事故。③誤入危險區域。變電站的檢修、試驗、操作、正常和特殊巡視等作業內容要求作業人員時常進入變電站內的劃定區域和既定目標并實施作業，受業務技能、精神狀態、外部環境等因素的影響，作業人員可能會靠近或誤入某些危險區域、誤碰某些帶電設備、或者操作本不該操作的設備，從而造成人身事故、設備事故、或生產運行事故。還有其他一些危險現象不再一一列舉。

1 基于無線定位技術的新型變電站作業安全管理系統構成與特點

基于當前先進的通信技術、網絡技術、定位技術和軟件技術，通過對進入變電站區域的人員或移動物體進行實時定位，新型變電站作業安全管理系統能夠徹底解決上述問題，有效消除生產運行和檢修維護過程中的安全隱患。

新型變電站作業安全管理系統利用先進的技術平臺，能夠對變電站現場工作人員和外來參觀人員做到事先劃定作業區域，實時監控記錄活動情況，分析活動規律和趨勢，遇有危險活動及時預警，事后統計分析，在防范安全事故發生的同時，大幅度提高整個變電站及電力公司的工作效率和管理水平。

新型變電站作業安全管理系統通過無線傳感器網絡實現精確定位，將定位信息在變電站平面圖上進行實時顯示，不同的工作組通過不同顏色的點進行標示，便于區分觀察。工作人員的工作路線都將記錄在數據庫中，并且實現路線動態回放，便于日后查詢工作人員的工作情況。系統后臺監控軟件界面精美、專業，操作方便、快捷。變電站地理信息系統建模形象、逼真、直觀，界面美觀，方面使用。后臺系統實時展示移動目標當前位置，并在變電站地理位置圖上標示，跟蹤目標移動軌跡。

該系統由四部分組成：①基于寬帶無線射頻定位技術CSS的無線傳感網絡。以往基于場強信號和信號質量技術來定位的RFID、WIFI、ZIGBEE等傳統定位技術的精度不能令人滿意，有的則價格太高不適合變電站現場應用。而應用CSS技術，通過信號到達時間測距和測角度，采用到達時間差（TDOA）進行定位，可以實現最優性價比的高精度定位[6]。②基于波形探測感應技術的檢測報警設備。采用波形探測感應技術，通過無線傳感器網絡對變電站高壓帶電區域進行移動物體的探測，當探測到危險區域或禁入區域內有移動物體闖入時，發出聲光報警，并關聯視頻系統，自動切換攝像鏡頭畫面定位到報警區域并記錄存儲，使實時記錄圖像與實時監控數據相匹配。這樣，就可以有效杜絕一般工作人員或外來人員誤闖危險帶電區域、造成停電或人員傷亡事故的現象。③與傳感網絡、檢測設備協同互動的高分辨率、可動態調節跟蹤的視頻設備。采用高分辨率、高靈敏度、可動態調節跟蹤人員活動的視頻設備，一旦人員進入劃定區域即啟動跟蹤、記錄、顯示等功能，如果檢測到未按規定時間或路線進行巡視、接近邊界或越界等危險行為均發出警告并記錄存儲，同時上傳至上級系統，直至人員活動結束。④后臺計算機管理系統。提供變電站區域劃分及設置、工作模式編輯及設置、電子標簽管理、動態數據采集及處理、數據記錄、計算統計、行為分析、預警報警、聯動控制、畫面報表、顯示打印、數據通信等軟件功能和人機界面。系統結構如圖1所示。

圖1 基于無線定位技術的變電站作業安全管理系統結構示意圖

新型變電站安全作業管理系統結合了寬帶無線射頻定位、安全檢測與預警報警、視頻同步記錄監視、及智能電網領域的最新科技成果，具有傳統安全作業管理無法比擬的優勢。其主要特點如下：①人員及移動物體的實時定位與監控。能夠實時監控指定區域的人員、移動物體的位置信息，對人員的位置、行進路線、目標距離、移動速度、停留時間、停留地點、到達次數等數據進行監控與記錄統計分析，獲取人員或移動物體的移動趨勢和活動規律，并及時通知監控中心。②實時探測。能夠實時對監控區域內移動物體通過定位數據、視頻圖像進行探測，一旦檢測到移動物體靠近或闖入危險區域，立即發出聲光振動報警并主動上報，同時自動與視頻系統聯動。③高定位精度。采用TDOA技術定位、精度更精確更穩定。④全程視頻圖像跟蹤監視。自移動目標一進入預設區域起即自動啟動視頻圖像全程跟蹤、監視、預警、報警、上傳、記錄存儲、統計分析，直至移動目標離開該區域。⑤定位穩定。采用到達時間測距技術，不受無線信號強度值變化的影響。⑥良好的抗多路徑效應。采用寬帶脈沖定位，系統具有較好的抗多路徑和多普勒效應。⑦組網靈活。系統支持有線無線組網，具有靈活的部署方式。⑧節能設計。電子標簽內置高靈敏度振動傳感器，可設置靜止狀態休眠，大大提高了標簽的電池壽命。⑨強大的作業安全管理功能。根據客戶的需求，生成并存儲各種數據、報表，分析動態目標的活動趨勢和活動規律，為變電站安全管理提供數字化的依據。

2 新型變電站作業安全管理系統的工作模式

基于無線定位技術的新型變電站作業安全管理系統具有現場需要的多種工作模式，如巡視模式、參觀模式、檢修模式、操作模式和探測模式等，不同模式下的監控側重點有所不同。

巡視模式：主要對工作人員是否按規定時間、規定路線、規定位置巡視進行監控。

參觀模式：主要對外來參觀考察人員的行進路線、參觀時間、參觀區域、停留時間等進行監控，防止進入危險區域或出現意外。

檢修模式：按檢修內容設定檢修人數、檢修工作區域、危險區域、檢修工作時間等，防止非檢修人員混入、誤入非工作區域、超出工作時間等。

操作模式：按操作內容設定操作人數、操作工作區域、危險區域、操作工作時間等，防止監護人員不到位、誤入非操作區域、超出操作時間等。

探測模式：對進入變電站區域內的其他動態目標進行監控，包括車輛、施工機械與設備等。由于車輛體積大、行進速度快，對其監控的實時性要求更高。同時，車輛進入變電站后，也需要隨時監控車輛的當前位置，確保其行駛、停放在安全區域。

同時，也可以根據新的運行管理模式需求，擴充新的工作模式。

3 主要工作流程與應用情況

通過基于無線定位技術的新型變電站作業安全管理系統在多個110kV、220kV、500kV變電站中兩年多的應用實踐，證明該系統能夠有效避免變電站設備巡視和操作中的人為安全隱患。

現以某500kV變電站為例，簡要說明新型變電站作業安全管控的工作流程與應用情況。

該變電站位于某直轄市東郊區，共建設有 4臺1500MVA變壓器；500kV出線10回；220kV出線14回；每臺主變低壓側配置4組60Mvar低壓并聯電容器，未配置并聯低壓電抗器和高壓電抗器。站址區總占地面積70700m2，圍墻內占地面積45500m2。該變電站建于20世紀90年代初，部分設備存在老化、過載現象。

主要工作流程是：首先在后臺監控計算機上對需要對變電站值班人員和進入變電站的其他工作人員進行身份注冊，驗證信息后設定他要領取的移動終端的編號，并根據工作人員需要執行的操作設定對應的工作路線、工作時間、工作區域、危險區域等；然后工作人員領取編號正確的移動終端并正確佩戴；工作人員進入變電站后通過寬頻無線定位網絡，將定位數據傳遞給前置機，前置機按照定位算法通過計算確定工作人員的當前位置，一方面根據已設定的危險間隔判斷當前位置是否合法，不合法則向工作人員發送相應的報警信息；另一方面將工作人員的當前位置信息發送給后臺監控系統，在變電站平面圖上將工作人員的位置坐標顯示出來，便于后臺監控人員的觀察。同時，變電站內工作人員的行進路線等信息將保存在數據庫中，日后可以通過動態方式重新查看其工作路線，實現了對變電站工作人員的有效監督。在進入預設區域的同時，自動啟動視頻圖像設備，并自動跟蹤監視移動目標在區域內活動的全過程，一旦發現偏離預設區域、接近危險區域、未到達預設位置、停留時間過短或超時等問題及時發出預警或報警信號，同時記錄存儲下來全部視頻圖像，上傳至上級部門，并生成一系列有關統計數據。系統工作在 2.4GHz ISM頻段，定位帶寬≥80MHz，定位精度為 60～120cm，定位區域為單區域覆蓋范圍 5～60m2，并可實現多區域無縫組網方式進行擴展，采用TDOA測量機制，在1200m2的區域內可容納200個以上的標簽[7]。

由于以前在作業安全管控方面沒有完善的技術手段支撐，完全靠人工管理，致使安全事故時有發生。2000年初，安裝了新型變電站作業安全管理系統，包括1套后臺主機、兩臺前置處理機、4臺位置引擎服務器、16個定位基站、56個定位終端，監控面積覆蓋全部站內區域。之后，情況有了很大的改善，兩年多來從未發生過人為原因引起的安全事故。

選擇幾項主要內容的對照見表1。

表1 對照表

從上表數據可以看出：配置新型變電站作業安全管理系統后，引起安全事故的各種人為安全隱患因素大幅度降低，明顯提升了變電站作業和設備的安全運行水平。

4 結論

電網在發展，需求在提高，技術在前進。將無線定位技術應用于變電站的作業安全管理，用技術手段替代人工管理，對于變電站的安全運行具有開創性的意義。應用實踐證明，基于無線定位技術的變電站作業安全管理系統能夠消除人為因素造成的安全隱患，為變電站安全提供了強有力的技術支撐。相信隨著智能電網建設的加速，無線定位技術將在變電站作業安全管理中發揮更大的作用。

[1] 栗云江.變電站綜合自動化技術問答[M].北京:化學工業出版社, 2009.

[2] 陳獻偉.變電站危險點分析[M].北京:中國電力出版社, 2009.

[3] 羅治強,董昱,胡超凡. 2008年國家電網安全運行情況分析[J].中國電力, 2009, 42(5): 8-12.

[4] 馬珂,王軼禹,董昱.2009年國家電網安全運行情況分析[J].中國電力, 2010, 43(11): 1-4.

[5] 孫建鋒,葛睿,鄭力,胡超凡. 2010年國家電網安全運行情況分析[J].中國電力, 2011, 44(5), 1-4.

[6] 李麗,周彥偉,吳振強.無線網絡定位技術研究[J].計算機技術與發展, 2011(10).

[7] 黃中林,鄧平,梁甲金,陳紅陽.無線傳感器網絡定位技術研究進展[J].傳感器與微系統, 2009(11).