多目標超聲定位系統在變電運維現場應用中的問題及處理

秦玥 黃萌

（1.國網北京市電力公司平谷供電公司 北京平谷 101200 2.國網陜西省電力公司咸陽市楊凌供電公司 陜西咸陽 712100）

多目標超聲定位系統在變電運維現場應用中的問題及處理

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在變電站運維過程中，影響變電站設備、人身安全的因素有很多，如誤入帶電間隔、安全距離不足等，為了避免這些問題，更好的保障運維人員人身安全，有必要在變電站建立基于定位系統的安全防護監控平臺。隨著定位技術的發展，通過應用多目標超聲定位系統能夠很好的為運維人員提供安全防護。

超聲定位；安全運維；TDOA

前言

隨著變電站運維一體化模式的推廣應用，運維班組需要負責的變電站數量不斷增多，在實際的現場工作中，工作量及人員復雜程度都得到了提升。這就對如何在運維過程中更好的保障人身、設備安全提出了更大的考驗。據統計，在運維過程中影響人身、設備的安全因素主要有誤入帶電間隔、安全距離不足、安全工具缺失等。針對這些問題，傳統的五防措施效果不明顯，究其原因，主要是對運行現場沒有進行有效的安全防護及監控。在下面這篇文章里，我們將對多目標超聲定位系統進行簡單了解，并對其在實際應用過程中出現的問題及解決措施進行分析。

1 超聲定位原理及多目標定位系統

1.1 定位原理

經研究發現，超聲波的方向性號，且具有很強的穿透性，在不同介質（氣、液、固等）中都能夠很好的進行傳播，在測速、測距等方面都有著很好的作用，在這篇文章里，我們主要是對其在測距方面的應用進行分析。目前應用較多的測距技術主要有脈沖測距、連續波相干測距和多普勒頻移法三種，其中脈沖測距法是通過對聲波在介質中傳播時間的精確計算來確定傳感器到測量目標間的距離；連續波相干測距法是應用連續聲波信號來測量傳播時間進而對距離進行估算的方法；多普勒頻移法則是根據聲學原理，即被測物發生移動時會引起多普勒效應這一特點實現測距。在這里我們選用脈沖測距法，這種方法具有技術簡單、誤差小等特點。

根據測距結果實現準確定位則依賴于定位算法的選擇，目前應用較多的有RSSI、TOA、AOA、TDOA這四種算法，通過對四種方法優缺點進行比較，在此我們選用TDOA（到達時間差算法），圖1為TODA定位算法原理圖。

圖1 TDOA定位算法原理圖

通過對圖1的分析，其定位算法原理是被測目標節點發出超聲波信號，如果有四個以上的定位傳感器節點接收到信號，則計算機在同一時間基準下，對目標節點到各個定位傳感器節點互相之間的到達時間差進行計算，進而推算出目標節點與至少三個參考點間的距離，再利用三邊測量的原理得到被測目標節點的位置。應用TDOA這一算法，對于時間同步的要求不是很高，只是求解的過程較為復雜，但是通過應用計算機能夠很好的解決這一問題。

1.2 多目標定位系統

變電運維現場的定位系統有著需要對多個目標進行準確區分的要求，目前應用較為廣泛的區分方法有頻分技術、時分技術及編碼技術三種。在這里我們以編碼技術入手，對多目標定位功能的實現進行分析。由于超聲波信號在傳播過程中會因為衰減、反射等因素出現多徑干擾問題，同時在定位時需要對信號進行準確區分，所以我們選用脈沖壓縮技術來解決這類問題。我們選擇采用偽隨機碼的直接序列擴頻方法來實現多目標區分，在定位時外界干擾信號與經過直接序列擴頻編碼的信號具有很低的相關性，所以能夠很好的實現區分，且定位精度得到有效的提高。[1]

1.2.1 系統結構

根據對定位原理及定位算法的分析，在對多目標超聲定位系統進行設計時，系統至少需要由三部分組成，分別是智能定位終端（移動節點）、無線定位傳感器節點（定位節點）及無線數據傳輸基站（基站），具體的系統總體架構如圖2所示。

圖2 系統總體架構圖

1.2.2 工作原理

通過對圖2的分析，我們能夠對系統功能的實現有一個簡單的了解。其實現過程為：

（1）移動節點發出經過偽隨機編碼的超聲波信號；

（2）定位節點接收到超聲波信號，若接收到信號數量超過四個，則通過計算機對同一時間基準下信號到達各個節點間的時間差進行計算，進而推算出移動節點到各定位節點的直線距離；

（3）利用三邊測量法原理，就可得到移動節點在電氣室內的實際位置坐標。

為了對多個定位目標進行準確區分，需要對各個不同目標分配不同的、彼此相關性好的偽隨機碼。各個定位傳感器節點通過這些偽隨機碼就能實現對不同目標的區分。具體的實現原理如圖3所示。[2]

2 應用中的問題及解決措施

超聲波定位設備在室內定位應用過程中，由于所處環境的特殊情況會遇到很多問題，諸如定位誤差、電磁干擾、環境干擾等。而要想保證定位系統的定位精確度，就需要妥善的解決這些問題。

2.1 定位誤差

通過將移動節點安裝在安全帽進行實際檢驗發現，當處于定位節點范圍的中心位置時，定位精度最高，但是當處于定位節點范圍邊緣時，定位誤差較大，誤差能達到1m，這對安全距離及帶電間隔的防護將會造成巨大影響。

為了降低定位誤差，可采取對定位算法的升級改進，或是增加定位節點數量并進行合理位置設置等措施。

圖3 定位實現原理圖

2.2 電磁干擾

在變電站各電氣室內，由于高、低壓電氣設備的運行，室內環境電磁輻射非常嚴重，定位系統在實際運行過程中，會受到工頻電磁場、射頻電磁場及阻尼振蕩磁場的干擾，定位精度無法得到保障。

通過對干擾環境三要素的分析，干擾源的消除基本不可能，所以消除干擾要從干擾路徑及被干擾設備抗干擾能力兩方面入手。如可通過采取對硬件電路進行合理設計、對印刷電路板進行合理排布及進行良好的接地屏蔽等措施。[3]

3 結束語

多目標超聲定位系統在變電運維現場的應用，對于提高運維工作管理安全水平有著積極的意義。在上面文章里，我們只是簡單的對其定位原理及系統結構進行了了解，并對實際應用中影響定位精確度的因素及解決措施進行了分析。要想在運維工作各個方面得到更好的應用，最重要的是不斷加強對其定位算法的改進升級。

[1]吳駿.變電運維現場的TDOA定位系統研究[J].電力與能源，2015（06）：779～781

[2]胡帆.變電運維現場多目標超聲定位系統設計[C].杭州電子科技大學，2015：18～22.

[3]黃薛凌.變電運維現場作業安全防護及監控技術研究與應用[C].華北電力大學，2015：67～76.

TM73

A

1004-7344（2016）29-0056-02

2016-10-5

秦玥（1987-），男，助理工程師，大學本科，從事變電運維工作。黃萌（1988-），女，助理工程師，大學本科，從事人力資源工作。