基于實時定位技術的變電站智能安全管理系統

劉志斌，趙桂軍，梁雪梅

（廊坊供電公司，廊坊 065000）

基于實時定位技術的變電站智能安全管理系統

劉志斌，趙桂軍，梁雪梅

（廊坊供電公司，廊坊 065000）

為了提高變電站安全管理水平、減少安全事故的發生，提出了運用三維空間建模技術及實時定位技術建立變電站智能安全管理系統的方法。該系統通過定位標簽獲取現場工作人員的位置、行進方向及速度，并將上述數據映射到變電站三維空間模型中，實時監控現場工作人員的行為，對工作人員誤入工作禁區或越限進入危險區域進行報警。該系統的應用能提高變電站安全管理的智能化水平，保證變電站現場操作的安全。

實時定位；三維建模；安全管理；行為監控

目前電力生產過程中，保障操作和檢修人員的人身安全、防止誤入危險間隔的措施主要有：嚴格的規章制度、微機五防閉鎖[1]系統、設置圍欄和人工監護。大部分變電站用圍欄圍出醒目的檢修范圍來防止檢修人員走錯間隔，誤入非工作區，以保證工作人員的人身安全。另外變電站通過在設備上加裝鎖具和邏輯閉鎖設計，將帶電間隔鎖住，這種措施在一定程度上起到了防止人員誤入帶電間隔的作用。但是它們有一個共同的缺點，就是一旦現場工作人員失誤或誤將鎖具打開，進入非工作間隔時，則不能對其進行實時告警，避免人身傷亡事故的發生。

目前很多專家學者在研究實時定位技術在電網安全管理中的應用。如文獻[2]提出結合運用全球定位系統GPS（global positioning system）、全球移動通信系統GSM（global system for mobile communications）、地理信息系統GIS（geographic information system）等技術，獲取巡檢員的巡檢軌跡以實現巡檢工作的自動化、智能化管理；文獻[3]根據WSN定位技術的特點設計了變電站安全作業管理系統的總體結構，完成了變電站安全作業管理系統的數據庫設計。但至今，國內外尚無將三維建模技術、高精度實時定位技術和實時預警技術結合應用在變電站安全管理中的研究報道。

本文以實時定位技術為基礎，結合三維建模及動態安全域分析方法，建立了具有實時預警監護提醒及站內工作全過程記錄功能的主動式變電站安全防護預警系統。該系統的推廣運用，必將有效地預防變電站安全事故的發生，使安全事故率大幅下降，確?，F場工作人員的人身安全。

1 基本原理

通過對變電站實際或計劃運行方式進行拓撲模型分析，計算出變電站區內帶電區域空間的分布，結合現場操作或工作性質，系統自動計算出一個安全區域，同時構建一個高精度的實時位置監控系統，通過對人員或關鍵設備的位置可視化跟蹤和帶電禁區監管報警，防止現場操作或檢修人員誤操作或無意進入帶電區域而引起人身安全事故。針對設備變電操作防誤、檢修工作現場可視化監控、安全措施方案的可視化管理等變電站側工作內容，本文提出了一種可靠的防誤解決方案，將防誤范圍由原來的操作防誤擴大到變電站所有工作內容，并實現監護的主動預警，有效地避免操作人員誤走危險的帶電間隔、檢修人員誤入帶電區域等人為因素引起的電力人身安全事故的發生。

1.1 工作原理

本文介紹的實時定位系統主要由定位基站、操作人員攜帶的定位裝置、服務器及客戶端計算機等設備構成。該系統以定位設備硬件為底層平臺，通過（有線或無線）以太網，將操作現場劃分為多個監控單元。系統網絡如圖1所示?，F場操作人員攜帶定位裝置進入定位信號覆蓋區域時，該系統能實時獲取現場操作人員的位置、行進路線及速度等參數。根據變電站設備的3D位置及帶電狀態，建立設備及帶電區域的3D模型。當工作人員誤入帶電禁區時定位裝置自動進行報警。

圖1系統網絡Fig.1 Network of the system

圖1中服務器存儲變電站3D空間模型，通過操作人員位置結合變電站3D模型判斷操作所在的間隔。另外，服務器提供主站側監護、指揮需要的信息；校驗安全操作，核實操作人員的操作正誤，并對操作人員提供周邊情況和巡檢人員的巡檢記錄等信息。定位基站、定位裝置用于定位操作人員的位置，定位基站和定位裝置的信息聯系如圖2所示。

圖2 定位基站、定位裝置間的信息連接Fig.2 Information connection between the positioning base station and positioning device

根據實際情況，定位基站可以安裝在場地周圍的立桿上，監視范圍涵蓋變電站需要監視的所有區域，接收工作人員所帶定位裝置發出的信號。系統采用有線或無線方式進行位置數據信息的通訊。各定位基站采集的數據均傳到裝有定位引擎的后臺定位服務器。后臺服務軟件具有3D定位功能，用戶可以通過該軟件對現場的移動工作人員進行管理，并設置帶電監控區域。當工作人員進入帶電監控區域時，立刻進行提醒并作相應記錄。

1.2 實時定位技術

精確的實時定位技術是實現對站內人員位置實時監控的基礎，只有定位精度達到要求才能準確地確定人員的位置并確定其是否在安全區域邊界內。如果定位精度不夠，就會面臨著邊界區域定位難以界定的難題。目前，常用的實時定位技術主要有：全球定位系統GPS（global position system）、Zigbee技術[4-5]、無線射頻識別RFID（radio frequency identification devices）技術[6]及超寬頻UWB（ultra wide band）技術[7]等。UWB技術是一種無載波通信技術，具有系統結構實現簡單、功耗低、安全性高、定位精確等特點。

本文選用UWB技術來實現定位區域的完全覆蓋，并對工作人員進行高精度的實時定位，定位精度可達厘米級。

1.3 定位算法

無線定位技術是指用來判定移動用戶位置的測量和計算方法，即定位算法。目前最常用的定位算法主要有：時差定位算法、信號到達角度測量算法、到達時間定位算法和到達時間差定位TDOA （time difference of arrival）算法等[8]。本系統采用TDOA算法來定位移動用戶。

TDOA算法是通過測量無線電信號到達不同監測地點的天線單元時間差來對發射無線電信號的發射源進行定位，即：距離差=時間差×電磁波速度。在一定條件下，無線電波的傳播速度是定值，所以時間差可以用距離差來表示。

在圖3所示三維坐標中，MS為需要定位的位置，BSi為所選定位參考點i位置，Ri為MS與參考點i之間距離。根據定位的條件，要定位一個三維坐標，至少需要對i=1，2，3，4的4個參考點，建立方程

式中：（x，y，z）和（xi，yi，zi）分別表示需要定位的位置MS和參考點位置BSi的三維空間坐標；c為電波傳播速度；t0表示需要定位的位置發送信號的時間；ti表示到達參考點位置的時間。將由式（1）對應的4個方程兩兩相減可得6個方程為

式中，i，j∈{1，2，3，4}，i≠j應用差分時間到達（TDOA）算法[9]，可減小參考點和需定位坐標之間由于不同步帶來的誤差，獲得式（2）的解。

在上述理論基礎上，求待測點坐標的問題就轉換成了解三元二次方程組問題。解這個方程組，目前常用的解析算法是Fang算法[10]，即完成上述代換后，可以先解出待測點坐標z的值。通常，方程有2個解，而期望的解只有1個。若所得的解沒有物理意義或者超過了可測量的范圍，就視其為無效解。為了提高有解的概率，可以設定5個參考點，這樣就有5個不同的組合，產生5組方程組，得到5組解，去掉其中的無效解，將其余的有效解與已知坐標空間進行比較，選取位于坐標空間內的解為最優解。

圖3TDOA定位模型示意Fig.3 Schematic diagram of TDOA location model

另一種求解方程組的算法基于最優化的思想，即根據以上建立的數學模型，將定位坐標的目標函數寫成

這樣就將解方程組轉換為求目標函數的極值問題，即

式（4）是一個典型的無約束非線性規劃極值問題，可采用傳統的Guass-Newton或Quasi-Newton迭代算法求解。

2 實施步驟

本系統的主要實施步驟簡述如下。

（1）建立電力設備虛擬的2D/3D模型。根據變電站實際設備的3D位置、帶電狀態、操作或工作目標區域，設定操作人員安全工作區域的3D模型。

（2）采集人員位置信息。操作人員隨身攜帶一個或多個專用定位裝置，通過定位裝置定位操作人員的3D空間位置。

（3）自動進行安全預警提示。根據步驟（1）中設定的工作區域和安全區域，判斷操作人員是否走錯了間隔，或其是否在安全區域內工作，若結論是否定的，發出報警提示，防止人身傷害事故的發生。

（4）監護操作。將操作人員的空間位置傳給主站側，主站人員（例如：集控中心、調度、指揮部門）據此進行監護操作，進一步保證操作人員的安全。

3 系統功能

本系統以實時定位技術為基礎，通過建立變電站三維實景空間數字模型，實現變電站作業安全空間分析與管理。功能包括：作業安全空間分析、作業人員定位、危險點與設備安全隱患管理、作業人員安全距離警示等。

1）工作禁區監管及報警

根據設備實時運行方式、檢修工作任務、安全措施安排，系統自動生成工作禁區，通過實時定位對現場工作人員位置進行監控，從而對現場人員誤入工作禁區或越線情況進行報警，保證檢修工作安全進行。

監護人員未經允許，不得擅自離開工作區域。離開時，系統會給出警示，并且在主機側給出警告，避免擅離職守情況出現。

2）安全距離報警

系統可跟隨設備運行方式變化，按照設備的電壓等級、絕緣情況等，自動計算空間電場的分布，將不可見的電場以可視化的手段進行展示，同時結合人員的實際空間位置，自動判斷是否超越設備的安全距離范圍，對超越人員進行實時告警，同時在主站監控側進行報警提示。

3）安全工作空間管理

系統可在建立的三維空間模型平臺上進行任意兩點間的距離測量，實現對現場設備間距離測量、安全距離控制、引線弧垂距地高度測量、大型設備進場前模擬、設備在帶電區域活動空間管理、檢修人員現場活動空間管理等。

4）智能巡視

系統實現對變電站巡檢過程進行實時監控和防誤閉鎖的同時，具備強大的智能提醒和信息查詢功能。

4 系統應用

該變電站安全防護預警系統在河北廊坊大屯變電站進行安裝測試，測試范圍為廊坊大屯220 kV變電站室外電氣區域、10 kV開關室（開關柜區域）。圖4為河北廊坊大屯變電站俯視圖。

圖4 河北廊坊大屯變電站俯視圖Fig.4 Vertical view of Hebei Langfang Datun substation

系統按實際比例仿真電氣設備、主控室、戶外設備等所有站區環境，并根據獲得的空間數據和設備實際影像得到真實環境的空間3D模型。

根據目標區域的實際設備3D位置、站區的三維模型、與綜自系統對接后獲取的設備實時狀態并結合現場操作或工作目的，自動計算站區內的電場空間分布，并以可視化方式展示，同時系統自動劃定工作人員的安全工作區域及危險區域。

系統通過現場工作人員攜帶的專用定位裝置，定位其在三維空間上的位置，此位置信息會實時傳輸到系統主站端（集控中心、調度中心、指揮部門、大屯站等），主站監控人員可據此對現場人員進行跟蹤監護。主站顯示的現場人員位置與實際延時不超過1 s。圖5顯示了現場人員所在的工作區域，系統中用一個帶閃電的立方體表示；圖6分別在2D（左上角）和3D模型中顯示了現場工作人員在變電站中的位置及姓名。

圖5 現場人員工作區域Fig.5 Work area of staff in the field

圖6 現場工作人員位置Fig.6 Location of staff in the field

經測試，當現場工作人員臨近或者超出本次工作區域范圍后，系統能夠發出正確的預警提示，并將信號傳輸到主控室。預警提示準確率為100%，達到了最初設計的要求。

5 結語

本系統從技術層面上為變電站現場工作人員的人身安全又加了一道防線，將三維實景空間建模和人員空間定位技術引入到變電站的安全工作空間管理工作中，通過實時定位技術解決了現場人員不能準確掌握帶電區域的難題，有效地避免了操作人員誤走間隔、檢修人員誤入帶電區域而引發的人身安全風險。同時該系統能依據作業內容，自動分析變電站的危險區域，確?，F場工作人員的人身安全。上述定位技術的運用和安全管理方法的推廣應用，可使變電站生產安全事故率大幅下降，為工作人員的人身安全提供新的保證。

[1]顧擁軍，皮衛華，楊乘勝，等（Gu Yongjun，Pi Weihua，Yang Chengsheng，et al）．變電站防誤閉鎖應用分析（Application and analysis of anti-misclosedown in substation）[J]．繼電器（Relay），2005，33（2）：66-70，84．

[2]李樂薇（Li Lewei）．智能巡檢系統中實時定位模塊的設計與實現（The Design and Implementation of Real-time Location Module in Patrol System）[D]．北京：北京郵電大學信息與通信工程學院（Beijing：School of Information and Communication Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications），2010．

[3]陳巖（Chen Yan）．基于WSN定位技術的變電站安全作業管理系統數據庫設計（Database Design of the Substation Security Job Management System Based on WSN Positioning Technology）[D]．成都：電子科技大學信息與軟件工程學院（Chengdu：School of Information and Software Engineering，University of Electronic Science and Technology of China），2011．

[4]周武斌（Zhou Wubin）．Zigbee無線組網技術的研究（Analysis of Zigbee Wireless Networking Technology）[D]．長沙：中南大學信息科學與工程學院（Changsha：School of Information Science and Engineering，Central South U－niversity），2009．

[5]呂劍，楊俊杰，魏春娟（Lü Jian，Yang Junjie，Wei Chunjuan）．應用ZigBee技術的變電站周界安全監控系統（Safety monitoring system for substation based on ZigBee technology）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（6）：45-50，61.

[6] 張健翀（Zhang Jianchong）．基于射頻識別（RFID）技術室內定位系統研究（The Research of Indoor Localization System Based on RFID）[D]．廣州：中山大學信息科學與技術學院（Guangzhou：School of Information Science and Technology，SUN YAT-SEN University），2010．

[7]弓楠（Gong Nan）．超寬帶（UWB）無線通信技術分析（Analysis of ultra-wideband（UWB）wireless communication technology）[J]．電子元器件應用（Electronic Component＆Device Applications），2009，11（8）：83-86．

[8]李景春（Li Jingchun）．TDOA基本原理及應用（Basic principle and application of the TDOA）[EB/OL]．http：// wenku.baidu.com/view/33a19f2eed630b1c59eeb54b.html，2013.

[9]闞云鶴（Kan Yunhe）．蜂窩網中基于TDOA的無線定位算法研究（Time-Difference-of-Arrival-Based Wireless Location Algorithms in Cellular Networks）[D]．大連：大連理工大學信息與通信工程學院（Dalian：School of Information and Communication Engineering，Dalian University of Technology），2008．

[10]Fang B T．Simple solutions for hyperbolic and related position fixes[J]．IEEE Trans on Aerospace and Electronics Systems，1990，26（5）：748-753．

Intelligent Safety Management System of Substations Based on Real-time Location Technology

LIU Zhi-bin，ZHAO Gui-jun，LIANG Xue-mei
（Langfang Power Supply Company，LangFang 065000，China）

In order to improve the level of safety management of substation and to reduce the occurrence of accidents，technologies of real-time location and three dimensional space modeling are used to establish an intelligent safety management system of substation．By using the system，parameters of field staff's route，direction and speed are recorded by the positioning label and reflected in a substation 3D space model to monitor behavior of workers in real time，and the safety and the dangerous areas are analyzed through the 3D model.It alarms when a worker comes into a forbidden or the out-of-limit zone.The system can insure the safety of operation of power stations and improve the intelligent level of safety management in substations．

real-time location；three dimensional modeling；safety management；behavior monitoring

TM734；TP319

A

1003-8930（2013）06-0138-05

劉志斌（1976—），男，本科，工程師，研究方向為供電企業安全生產過程中的作業流程監督、安全風險預控、及對建設、改造項目的安全管理。Email：13833670577@163.com

2013-05-09；

2013-07-04

趙桂軍（1976—），男，本科，工程師，研究方向為供電企業安全生產過程中的作業流程監督、安全風險預控、及對建設、改造項目的安全管理。Email：Zhaojungui2239@163.com

梁雪梅（1974—），女，碩士，高級工程師，研究方向為供電企業安全生產過程中的作業流程監督、安全風險預控、及對建設、改造項目的安全管理。Email：13722600336@139.com