便攜式UWB傳感器模塊在智能變電站施工安全管理中的應用

山東送變電工程有限公司 王東波 冉一丁 陳秀紅 高峰 密林

智能變電站的施工安全管理需要進行優化和改進,受到了定位進準度低的影響,使得智能變電站內施工安全得不到保障。因此,提出便攜式UWB傳感器模塊在智能變電站施工安全管理中的應用。使用便攜式UWB傳感器模塊,制定載波調制UWB信號頻譜技術方法,在智能變電站各種因素的干擾下確定UWB定位系統的技術應用。UWB傳感器模塊在智能變電站施工安全管理測試實驗證明:此改進方法在一定程度上保證了系統的定位精度和定位性能,使施工安全得到保障。

0 引言

近年來,隨著我國電網的發展,智能電網的發展趨勢逐年上升,對家庭節點間自動、可控、經濟輸電的需求不斷增加[1]。電力設備的智能變電站施工安全管理是當前技術發展的趨勢[2]。如何安全、可靠、低成本地將現場設備狀態數據傳輸到監測中心進行分析是該領域的研究熱點[3]。作為一種相當成熟的定位系統,全球定位系統(GPS)在物流通訊、工程測量以及道路導航等方面應用廣泛,主要用于電力系統的施工安全管理同步,以及對于電力故障的及時評判[4]。可是GPS也存在著一些缺點,其成本較高,對于干擾的阻抗能力不穩定,定位不夠精準,對于相關環境下的工作要求不能完美適應。所以,GPS不能在高精度且低成本的定位場合中符合條件[5]。UWB技術則在相比較之下脫穎而出,其具有低消耗、抗干擾、系統簡易以及定位精準等優點,很有可能在未來的無線定位技術中占據一席之地。在智能電網的建設中,智能變電站是重要的節點,將UWB傳感器技術應用于智能變電站施工中,可以通過位置感知規避施工風險,以技術手段提升安全管理智能化水平,具有深遠的影響意義。

1 便攜式UWB傳感器模塊在智能變電站施工安全管理中的應用方法

1.1 載波調制UWB信號頻譜技術

UWB定位是通過測距和測向來完成的,測向通常包括三種方法:基于到達角的估計、基于接收信號強度的估計和基于到達時間的估計[6]。目前,國內外對UWB定位技術進行了大量的研究,主要集中在位置估計、NLOS誤差減小和精細化計算方法以及一些UWB和GPS混合定位方法[7]。在智能變電站環境中,需要面對復雜惡劣的變電站地形環境,以及傳輸設備干擾來定位操作人員和機械,因此需要解決電磁干擾引起的噪聲[8]。干擾可分為開關操作、母線接地故障、高壓工頻電流磁場等。這些干擾源會影響UWB定位系統的正常運行,也會影響定位算法的準確性。常用的通信系統有WiFi、RFID、ZigBee、CSS和其他無線定位技術。但由于定位精度較差,如表1所示,難以滿足要求。

表1 常用無線定位技術表Tab.1 Commonly used wireless positioning technology table

到目前為止,對智能變電站環境下陰影噪聲無線定位技術的研究還很少。這種無載波UWB系統實現簡單、成本低,在民用通信中得到了廣泛的應用。智能變電站施工安全管理中的定位系統是基于這種無載波UWB系統。天線的帶寬要求應涵蓋從幾兆赫到幾百兆赫的信號傳輸頻譜范圍。因此,主要研究智能變電站電磁干擾對UWB定位技術的影響。在UWB頻載波調制系統中,向移動頻率再移動原超寬頻基頻信號頻譜,如圖1所示。

圖1 有無載波調制的UWB信號頻譜Fig.1 UWB signal spectrum with or without carrier modulation

接收天線首先接收信號,將信號轉換為零中頻,然后對接收信號進行處理,一般用于有特殊要求的UWB系統中。空載波形變換后的信號通過直接擴頻,它是由傳輸的天線發送結束,和接收端解調的相同頻率擴展代碼傳輸結束,然后處理接收到的信號,回到最初的原始信號。基于載波的UWB技術在雷達和通信領域得到了廣泛的應用,使得對單載波UWB信號的調制可以通過將其移動到指定位置來精確控制信號頻譜。由于調制后的信號幅度較小,因此通過發射機發射后的信號波形失真較小,且信號頻帶寬度較窄,方便了S-C-UWB系統各部分的天線設計。

1.2 在智能變電站各種因素干擾下UWB定位系統的技術應用

變電站的干擾一部分是0～300MHz的低頻電磁干擾動以及42.5GHz高頻電磁干擾;另一部分是多徑干擾。低頻干擾動對UWB系統沒有太大影響,且低頻電磁強度小于-40dBm/V,因此低通濾波器只能濾除低頻部分。在智能變電站超高壓環境中,間隙沖擊電壓力電磁干擾會更強,因此對UWB通信系統的影響不大。變電站操作人員的UWB定位安全監控系統,一般包括無線通信UWB傳感器、UWB移動標簽、LAS ER測距模塊、旋轉平臺和定位機。用于確定超寬頻移標是否超過上限。采用iR-UWB定位系統,可以在不受電磁干擾和多徑干擾的情況下,對智能變電站施工安全管理環境中的人員和機械進行定位。

2 測試實驗

2.1 實驗準備

UWB傳感器模塊實驗主要分為工作人員移動定位測試和部分固定定位測試。為了更好的熟悉實際的應用環境,在實際環境中測試系統的性能,也為了驗證本設計的部分優化算法,進行了現場測試實驗。在一個等待區域提前用三腳架(2m)布置一個固定的基站,建立定位坐標系,然后智能變電站人員由項目團隊的指導下,操作人員在一個標簽工作區域內等待,以確保設備和人身安全,測試路徑為人員安全行走路徑,由于智能變電站原有建筑物和設備的位置,行走路徑呈不規則形狀,大致為不規則三角形(如圖2)。下面用MATLAB對采集到的數據進行簡單的處理,并對以下幾組誤差圖進行對比分析,驗證研究的優化算法和設計。

圖2 實驗數據生成的二維軌跡圖Fig.2 Two-dimensional trajectory graph generated by experimental data

二維圖像的右上角是行走軌跡的起點,除了左角和下角,整個軌跡相對穩定,且連續被跟蹤。從軌跡上可以看出,此時系統的實時性和移動定位性能比改進前更強。與軌跡不連續現象相比,改進系統軌跡更具有連續性、收斂性和跟蹤性。引入的UWB傳感器模塊設計也可以在一定程度上優化移動定位,提高定位跟隨性,避免人員位置變化時定位位置跳躍的情況,使整個定位軌跡變得更加跟隨和收斂。除現場移動定位測試外,為了說明穩定條件下的定位性能和精度,選取了移動過程中的一些隨機定位點進行定點定位,定位數據樣本如表2所示。

表2 中的實際位置在視覺距離內,所以系統穩定,不需要進行算法處理,定位結果也可以達到較高的精度。由于以下點的干擾等現象越來越嚴重,可以看出優化前的最大定位誤差超過2m。這些定位誤差可以通過大概率的去除錯誤測距信息來提高,并通過濾波算法進行優化,使改進后的誤差也降低到25.5cm以下。縱向比較表明,z軸誤差是最嚴重的,這種現象在大多數UWB系統中都存在。部分原因是大多數基站都在一個高度范圍內,而實際測試過程中移動標簽往往高于智能變電站總體數據,導致大部分測距誤差在z軸上積累。一般來說,在定位空間接近100m×40m,定位精度可達不到20cm時干擾和阻塞相對較小,誤差可減少到小于30cm通過算法優化嚴重阻塞的情況下,滿足系統的設計要求。

表2 實地定點定位數據表Tab.2 Field fixed-point positioning data table

2.2 實驗結論

從定點測距、移動測距、移動跟蹤定位、定點定位和位置測試,結果表明本研究的算法和改進方法在一定程度上保證了系統的定位精度和定位性能,在穩定視線三維精度可達20cm的條件下,大部分誤差在10cm以內,在嚴重干擾和遮擋的情況下,經算法優化后,穩定精度可達29.5cm之中。因為其余因素的影響,X軸和Y軸比Z軸的結果誤差要小一些,但在可控范圍之內,從而不構成影響。

3 結語

在智能變電站環境中,變電站電磁會對定位系統產生干擾,可UWB定位技術受到的影響較小,具有較好的抗電磁干擾性。UWB定位技術的發展歷史是1960年至今。雖然其理論知識相對成熟,但在UWB定位系統的計算方法上仍處于發展階段,有許多新的工作需要研究。本文所研究采用的UWB定位系統,關鍵在于將一個系統控制在可控范圍之內,這個系統下一共有四個基站,外加多個單一的監控標簽。因為監控區域有范圍的圈畫,因此如何完成多個監控系統的級聯,是當今迫切需要解決的問題。UWB定位技術是一種精度極其高的定位技術,在室內外都可以使用,其非常適合應用在變電站之中。研究中提到的關于UWB技術問題若是得以解決和深化,此項定位技術將會在電力安全生產的未來發展中得到更大范圍的應用。

引用

[1] 張媛,張雪蓮,余曉玫.物聯網和光纖傳感技術相融合的獨居老人監護系統研究[J].激光雜志,2020,41(2):151-154.

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[3] 陳敏,王君,董明利,等.改進的Mask R-CNN多尺度實例分割算法研究[J].激光雜志,2020,41(5):40-44.

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