無線定位技術(shù)在變電站作業(yè)安全管理中的應(yīng)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(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，上海 201100）

我國的智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入全面建設(shè)階段并取得顯著成果，國家電網(wǎng)公司也正在加緊構(gòu)建覆蓋全部營業(yè)區(qū)的“三集五大”體系。“五大”體系的構(gòu)建，使電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)營、電力設(shè)備運(yùn)行管理等各項(xiàng)工作的內(nèi)容和工作量更加細(xì)化和規(guī)范化。加強(qiáng)變電站值班人員和現(xiàn)場作業(yè)人員的安全管理與防護(hù)，防止發(fā)生人員傷害事故、保證電力設(shè)備安全運(yùn)行是電網(wǎng)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。在智能電網(wǎng)建設(shè)快速推進(jìn)的情況下，亟需先進(jìn)可靠的技術(shù)手段來對(duì)“五大”體系建設(shè)和電網(wǎng)設(shè)備安全人身安全運(yùn)行安全提供強(qiáng)有力的支撐。

變電站作為電網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行的高危工作區(qū)域,其作業(yè)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(guī)程、制度外，還為變電站配置了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、五防系統(tǒng)、電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)等等，以上技術(shù)設(shè)施大大提高了變電站的自動(dòng)化水平，為變電站的作業(yè)安全管理提供了一定的技術(shù)支撐[1]。但是，上述系統(tǒng)的配置主要根據(jù)電氣量和化學(xué)量的變化和異常來判斷電網(wǎng)的狀態(tài)，既不能對(duì)變電站全覆蓋，也不能實(shí)時(shí)定位及時(shí)預(yù)警和報(bào)警，往往只能在事故進(jìn)行中或者發(fā)生后為事故原因分析提供數(shù)據(jù)記錄分析的手段，無法對(duì)危險(xiǎn)因素進(jìn)行事先防范與預(yù)警，變電站現(xiàn)場的人身與設(shè)備安全因人員違章、現(xiàn)場作業(yè)混亂、現(xiàn)場管理不到位、不按規(guī)程巡視等人為因素的影響一直無法得到技術(shù)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，變電站現(xiàn)場的安全事故中大約有三分之一是因?yàn)橹蛋嗳藛T或作業(yè)人員未認(rèn)真執(zhí)行設(shè)備巡視規(guī)程、未認(rèn)真執(zhí)行安全操作與管理規(guī)程、超區(qū)域作業(yè)、現(xiàn)場監(jiān)護(hù)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(xiàn)在：①變電站現(xiàn)場巡視不到位。變電站現(xiàn)場巡視及設(shè)備巡視是變電站運(yùn)行管理工作的一個(gè)重要組成部分，它是檢查設(shè)備運(yùn)行狀況、掌握設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、了解設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、確保電網(wǎng)安全運(yùn)行必不可少的基礎(chǔ)工作。但少數(shù)人員認(rèn)為現(xiàn)在的自動(dòng)化程度非常高而過分地依賴于監(jiān)控系統(tǒng)，造成巡視不到位或正常巡視次數(shù)無法保證。由于變電站的一些異常情況無法用電氣量監(jiān)測和用電信號(hào)傳到監(jiān)控系統(tǒng)，如地基下陷、瓷瓶裂紋、螺絲松動(dòng)、金具銹蝕、變壓器或開關(guān)漏油、全密封設(shè)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(shí)發(fā)現(xiàn)這些缺陷，為設(shè)備的安全正常運(yùn)行埋下隱患。②對(duì)進(jìn)入工作區(qū)域的人員監(jiān)護(hù)監(jiān)控不力。值班及作業(yè)人員進(jìn)入變電站區(qū)域后，監(jiān)控中心無法實(shí)時(shí)跟蹤工作人員的當(dāng)前狀態(tài)，特別是人員當(dāng)前位置、移動(dòng)路線、移動(dòng)趨勢、停留時(shí)間等無法定量監(jiān)控，對(duì)巡視不到位的現(xiàn)象無法及時(shí)提醒和糾正，對(duì)作業(yè)人員靠近或誤入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)也無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和提醒制止，對(duì)監(jiān)護(hù)缺位的現(xiàn)象無法監(jiān)督管理，極易發(fā)生安全事故。③誤入危險(xiǎn)區(qū)域。變電站的檢修、試驗(yàn)、操作、正常和特殊巡視等作業(yè)內(nèi)容要求作業(yè)人員時(shí)常進(jìn)入變電站內(nèi)的劃定區(qū)域和既定目標(biāo)并實(shí)施作業(yè)，受業(yè)務(wù)技能、精神狀態(tài)、外部環(huán)境等因素的影響，作業(yè)人員可能會(huì)靠近或誤入某些危險(xiǎn)區(qū)域、誤碰某些帶電設(shè)備、或者操作本不該操作的設(shè)備，從而造成人身事故、設(shè)備事故、或生產(chǎn)運(yùn)行事故。還有其他一些危險(xiǎn)現(xiàn)象不再一一列舉。

1 基于無線定位技術(shù)的新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)構(gòu)成與特點(diǎn)

基于當(dāng)前先進(jìn)的通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、定位技術(shù)和軟件技術(shù)，通過對(duì)進(jìn)入變電站區(qū)域的人員或移動(dòng)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)能夠徹底解決上述問題，有效消除生產(chǎn)運(yùn)行和檢修維護(hù)過程中的安全隱患。

新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)利用先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)，能夠?qū)ψ冸娬粳F(xiàn)場工作人員和外來參觀人員做到事先劃定作業(yè)區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄活動(dòng)情況，分析活動(dòng)規(guī)律和趨勢，遇有危險(xiǎn)活動(dòng)及時(shí)預(yù)警，事后統(tǒng)計(jì)分析，在防范安全事故發(fā)生的同時(shí)，大幅度提高整個(gè)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(yè)安全管理系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精確定位，將定位信息在變電站平面圖上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，不同的工作組通過不同顏色的點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)示，便于區(qū)分觀察。工作人員的工作路線都將記錄在數(shù)據(jù)庫中，并且實(shí)現(xiàn)路線動(dòng)態(tài)回放，便于日后查詢工作人員的工作情況。系統(tǒng)后臺(tái)監(jiān)控軟件界面精美、專業(yè)，操作方便、快捷。變電站地理信息系統(tǒng)建模形象、逼真、直觀，界面美觀，方面使用。后臺(tái)系統(tǒng)實(shí)時(shí)展示移動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前位置，并在變電站地理位置圖上標(biāo)示，跟蹤目標(biāo)移動(dòng)軌跡。

該系統(tǒng)由四部分組成：①基于寬帶無線射頻定位技術(shù)CSS的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。以往基于場強(qiáng)信號(hào)和信號(hào)質(zhì)量技術(shù)來定位的RFID、WIFI、ZIGBEE等傳統(tǒng)定位技術(shù)的精度不能令人滿意，有的則價(jià)格太高不適合變電站現(xiàn)場應(yīng)用。而應(yīng)用CSS技術(shù)，通過信號(hào)到達(dá)時(shí)間測距和測角度，采用到達(dá)時(shí)間差（TDOA）進(jìn)行定位，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性價(jià)比的高精度定位[6]。②基于波形探測感應(yīng)技術(shù)的檢測報(bào)警設(shè)備。采用波形探測感應(yīng)技術(shù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)變電站高壓帶電區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)物體的探測，當(dāng)探測到危險(xiǎn)區(qū)域或禁入?yún)^(qū)域內(nèi)有移動(dòng)物體闖入時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并關(guān)聯(lián)視頻系統(tǒng)，自動(dòng)切換攝像鏡頭畫面定位到報(bào)警區(qū)域并記錄存儲(chǔ)，使實(shí)時(shí)記錄圖像與實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)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(xiǎn)帶電區(qū)域、造成停電或人員傷亡事故的現(xiàn)象。③與傳感網(wǎng)絡(luò)、檢測設(shè)備協(xié)同互動(dòng)的高分辨率、可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)跟蹤的視頻設(shè)備。采用高分辨率、高靈敏度、可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)跟蹤人員活動(dòng)的視頻設(shè)備，一旦人員進(jìn)入劃定區(qū)域即啟動(dòng)跟蹤、記錄、顯示等功能，如果檢測到未按規(guī)定時(shí)間或路線進(jìn)行巡視、接近邊界或越界等危險(xiǎn)行為均發(fā)出警告并記錄存儲(chǔ)，同時(shí)上傳至上級(jí)系統(tǒng)，直至人員活動(dòng)結(jié)束。④后臺(tái)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。提供變電站區(qū)域劃分及設(shè)置、工作模式編輯及設(shè)置、電子標(biāo)簽管理、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算統(tǒng)計(jì)、行為分析、預(yù)警報(bào)警、聯(lián)動(dòng)控制、畫面報(bào)表、顯示打印、數(shù)據(jù)通信等軟件功能和人機(jī)界面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于無線定位技術(shù)的變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

新型變電站安全作業(yè)管理系統(tǒng)結(jié)合了寬帶無線射頻定位、安全檢測與預(yù)警報(bào)警、視頻同步記錄監(jiān)視、及智能電網(wǎng)領(lǐng)域的最新科技成果，具有傳統(tǒng)安全作業(yè)管理無法比擬的優(yōu)勢。其主要特點(diǎn)如下：①人員及移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)定位與監(jiān)控。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控指定區(qū)域的人員、移動(dòng)物體的位置信息，對(duì)人員的位置、行進(jìn)路線、目標(biāo)距離、移動(dòng)速度、停留時(shí)間、停留地點(diǎn)、到達(dá)次數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與記錄統(tǒng)計(jì)分析，獲取人員或移動(dòng)物體的移動(dòng)趨勢和活動(dòng)規(guī)律，并及時(shí)通知監(jiān)控中心。②實(shí)時(shí)探測。能夠?qū)崟r(shí)對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)移動(dòng)物體通過定位數(shù)據(jù)、視頻圖像進(jìn)行探測，一旦檢測到移動(dòng)物體靠近或闖入危險(xiǎn)區(qū)域，立即發(fā)出聲光振動(dòng)報(bào)警并主動(dòng)上報(bào)，同時(shí)自動(dòng)與視頻系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。③高定位精度。采用TDOA技術(shù)定位、精度更精確更穩(wěn)定。④全程視頻圖像跟蹤監(jiān)視。自移動(dòng)目標(biāo)一進(jìn)入預(yù)設(shè)區(qū)域起即自動(dòng)啟動(dòng)視頻圖像全程跟蹤、監(jiān)視、預(yù)警、報(bào)警、上傳、記錄存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析，直至移動(dòng)目標(biāo)離開該區(qū)域。⑤定位穩(wěn)定。采用到達(dá)時(shí)間測距技術(shù)，不受無線信號(hào)強(qiáng)度值變化的影響。⑥良好的抗多路徑效應(yīng)。采用寬帶脈沖定位，系統(tǒng)具有較好的抗多路徑和多普勒效應(yīng)。⑦組網(wǎng)靈活。系統(tǒng)支持有線無線組網(wǎng)，具有靈活的部署方式。⑧節(jié)能設(shè)計(jì)。電子標(biāo)簽內(nèi)置高靈敏度振動(dòng)傳感器，可設(shè)置靜止?fàn)顟B(tài)休眠，大大提高了標(biāo)簽的電池壽命。⑨強(qiáng)大的作業(yè)安全管理功能。根據(jù)客戶的需求，生成并存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)、報(bào)表，分析動(dòng)態(tài)目標(biāo)的活動(dòng)趨勢和活動(dòng)規(guī)律，為變電站安全管理提供數(shù)字化的依據(jù)。

2 新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)的工作模式

基于無線定位技術(shù)的新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)具有現(xiàn)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(jiān)控側(cè)重點(diǎn)有所不同。

巡視模式：主要對(duì)工作人員是否按規(guī)定時(shí)間、規(guī)定路線、規(guī)定位置巡視進(jìn)行監(jiān)控。

參觀模式：主要對(duì)外來參觀考察人員的行進(jìn)路線、參觀時(shí)間、參觀區(qū)域、停留時(shí)間等進(jìn)行監(jiān)控，防止進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域或出現(xiàn)意外。

檢修模式：按檢修內(nèi)容設(shè)定檢修人數(shù)、檢修工作區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域、檢修工作時(shí)間等，防止非檢修人員混入、誤入非工作區(qū)域、超出工作時(shí)間等。

操作模式：按操作內(nèi)容設(shè)定操作人數(shù)、操作工作區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域、操作工作時(shí)間等，防止監(jiān)護(hù)人員不到位、誤入非操作區(qū)域、超出操作時(shí)間等。

探測模式：對(duì)進(jìn)入變電站區(qū)域內(nèi)的其他動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，包括車輛、施工機(jī)械與設(shè)備等。由于車輛體積大、行進(jìn)速度快，對(duì)其監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求更高。同時(shí)，車輛進(jìn)入變電站后，也需要隨時(shí)監(jiān)控車輛的當(dāng)前位置，確保其行駛、停放在安全區(qū)域。

同時(shí)，也可以根據(jù)新的運(yùn)行管理模式需求，擴(kuò)充新的工作模式。

3 主要工作流程與應(yīng)用情況

通過基于無線定位技術(shù)的新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)在多個(gè)110kV、220kV、500kV變電站中兩年多的應(yīng)用實(shí)踐，證明該系統(tǒng)能夠有效避免變電站設(shè)備巡視和操作中的人為安全隱患。

現(xiàn)以某500kV變電站為例，簡要說明新型變電站作業(yè)安全管控的工作流程與應(yīng)用情況。

該變電站位于某直轄市東郊區(qū)，共建設(shè)有 4臺(tái)1500MVA變壓器；500kV出線10回；220kV出線14回；每臺(tái)主變低壓側(cè)配置4組60Mvar低壓并聯(lián)電容器，未配置并聯(lián)低壓電抗器和高壓電抗器。站址區(qū)總占地面積70700m2，圍墻內(nèi)占地面積45500m2。該變電站建于20世紀(jì)90年代初，部分設(shè)備存在老化、過載現(xiàn)象。

主要工作流程是：首先在后臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)上對(duì)需要對(duì)變電站值班人員和進(jìn)入變電站的其他工作人員進(jìn)行身份注冊(cè)，驗(yàn)證信息后設(shè)定他要領(lǐng)取的移動(dòng)終端的編號(hào)，并根據(jù)工作人員需要執(zhí)行的操作設(shè)定對(duì)應(yīng)的工作路線、工作時(shí)間、工作區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域等；然后工作人員領(lǐng)取編號(hào)正確的移動(dòng)終端并正確佩戴；工作人員進(jìn)入變電站后通過寬頻無線定位網(wǎng)絡(luò)，將定位數(shù)據(jù)傳遞給前置機(jī)，前置機(jī)按照定位算法通過計(jì)算確定工作人員的當(dāng)前位置，一方面根據(jù)已設(shè)定的危險(xiǎn)間隔判斷當(dāng)前位置是否合法，不合法則向工作人員發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信息；另一方面將工作人員的當(dāng)前位置信息發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，在變電站平面圖上將工作人員的位置坐標(biāo)顯示出來，便于后臺(tái)監(jiān)控人員的觀察。同時(shí)，變電站內(nèi)工作人員的行進(jìn)路線等信息將保存在數(shù)據(jù)庫中，日后可以通過動(dòng)態(tài)方式重新查看其工作路線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站工作人員的有效監(jiān)督。在進(jìn)入預(yù)設(shè)區(qū)域的同時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)視頻圖像設(shè)備，并自動(dòng)跟蹤監(jiān)視移動(dòng)目標(biāo)在區(qū)域內(nèi)活動(dòng)的全過程，一旦發(fā)現(xiàn)偏離預(yù)設(shè)區(qū)域、接近危險(xiǎn)區(qū)域、未到達(dá)預(yù)設(shè)位置、停留時(shí)間過短或超時(shí)等問題及時(shí)發(fā)出預(yù)警或報(bào)警信號(hào)，同時(shí)記錄存儲(chǔ)下來全部視頻圖像，上傳至上級(jí)部門，并生成一系列有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作在 2.4GHz ISM頻段，定位帶寬≥80MHz，定位精度為 60～120cm，定位區(qū)域?yàn)閱螀^(qū)域覆蓋范圍 5～60m2，并可實(shí)現(xiàn)多區(qū)域無縫組網(wǎng)方式進(jìn)行擴(kuò)展，采用TDOA測量機(jī)制，在1200m2的區(qū)域內(nèi)可容納200個(gè)以上的標(biāo)簽[7]。

由于以前在作業(yè)安全管控方面沒有完善的技術(shù)手段支撐，完全靠人工管理，致使安全事故時(shí)有發(fā)生。2000年初，安裝了新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)，包括1套后臺(tái)主機(jī)、兩臺(tái)前置處理機(jī)、4臺(tái)位置引擎服務(wù)器、16個(gè)定位基站、56個(gè)定位終端，監(jiān)控面積覆蓋全部站內(nèi)區(qū)域。之后，情況有了很大的改善，兩年多來從未發(fā)生過人為原因引起的安全事故。

選擇幾項(xiàng)主要內(nèi)容的對(duì)照見表1。

表1 對(duì)照表

從上表數(shù)據(jù)可以看出：配置新型變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)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(yè)和設(shè)備的安全運(yùn)行水平。

4 結(jié)論

電網(wǎng)在發(fā)展，需求在提高，技術(shù)在前進(jìn)。將無線定位技術(shù)應(yīng)用于變電站的作業(yè)安全管理，用技術(shù)手段替代人工管理，對(duì)于變電站的安全運(yùn)行具有開創(chuàng)性的意義。應(yīng)用實(shí)踐證明，基于無線定位技術(shù)的變電站作業(yè)安全管理系統(tǒng)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(qiáng)有力的技術(shù)支撐。相信隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的加速，無線定位技術(shù)將在變電站作業(yè)安全管理中發(fā)揮更大的作用。

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