抽水蓄能電站人員定位管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

馬娜，靳莉

（北京國(guó)電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力負(fù)荷也隨之增長(zhǎng)，電網(wǎng)的峰谷差不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)電力安全和質(zhì)量預(yù)期越來(lái)越高。抽水蓄能電站作為電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定器，其運(yùn)行狀況直接影響著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在電網(wǎng)調(diào)峰、電網(wǎng)儲(chǔ)能、新能源消納和多能互補(bǔ)方面具有重要作用。由于抽水蓄能電站特殊的隧洞施工環(huán)境，一旦發(fā)生危險(xiǎn)，救援人員很難掌握隧洞中的實(shí)際情況和發(fā)生事故時(shí)被困人員的確切位置。因此，抽水蓄能電站中應(yīng)用的人員定位管理系統(tǒng)必須具備精準(zhǔn)測(cè)距和定位技術(shù)，而傳統(tǒng)的無(wú)線定位系統(tǒng)使用Wi-Fi、藍(lán)牙及ZigBee等技術(shù)，基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示（received signal strength indication，RSSI）對(duì)標(biāo)簽位置進(jìn)行粗略估計(jì)，定位精度低、容易受到干擾、定位穩(wěn)定性差，難以適應(yīng)高精度無(wú)線定位應(yīng)用的要求。近年來(lái)，基于超寬帶（ultra wideband，UWB）無(wú)線通信的精確測(cè)距和定位技術(shù)備受關(guān)注，得到快速發(fā)展，其擁有傳統(tǒng)定位技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 超寬帶定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是一種無(wú)載波通信技術(shù)，通過(guò)納秒或微微秒接收和發(fā)送極窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，具有GHz量級(jí)的帶寬。通過(guò)在寬頻譜上傳輸功率非常低的無(wú)線信號(hào)，UWB可以在大約10 m的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bit/s到數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。UWB技術(shù)具有抗干擾性好、功耗低、傳輸速率快、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）開(kāi)放的頻段是3.1～10.6 GHz，任何?10 dB相對(duì)帶寬大于0.2或絕對(duì)帶寬大于500 MHz的信號(hào)都是超寬帶信號(hào)。

其中，fH、fL分別為功率較峰值功率下降 10 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的高端頻率和低端頻率；fC為載波頻率或中心頻率，fC=(fH+fL)/2。

UWB超寬帶技術(shù)具備了許多正弦載波通信技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，特別是 UWB脈沖的寬度為納秒級(jí)，具有較高的時(shí)間分辨率和較強(qiáng)的穿透材料的能力。利用超寬帶信號(hào)進(jìn)行定位，采用到達(dá)時(shí)間（time of arrival，TOA）定位技術(shù)測(cè)距，理論上可以達(dá)到 cm 級(jí)的測(cè)距精度，完全能夠滿足精確定位的需求。這種良好的性能為抽水蓄能電站人員定位管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有力的支撐。

3 定位技術(shù)對(duì)比

目前存在的多種定位技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，常見(jiàn)的無(wú)線定位技術(shù)的對(duì)比見(jiàn)表1。

經(jīng)過(guò)表1中的分析，可以得出UWB定位精度為厘米級(jí)，相比于其他定位方式更加精準(zhǔn)，更重要的是，由于 UWB信號(hào)的特點(diǎn)，決定了在變電站這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中的精度不會(huì)降低，并且在計(jì)量、設(shè)備保護(hù)和通信系統(tǒng)上不會(huì)受到干擾。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

抽水蓄能電站中人員定位管理系統(tǒng)由定位硬件設(shè)備、中心數(shù)據(jù)處理硬件設(shè)備、中心網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、系統(tǒng)軟件、后臺(tái)服務(wù)軟件、應(yīng)用服務(wù)軟件組成。人員定位系統(tǒng)通過(guò)前端硬件設(shè)備采集信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備上傳至服務(wù)器，監(jiān)控中心根據(jù)數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確判斷出人員的具體位置。人員定位管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 人員定位管理系統(tǒng)架構(gòu)

表1 無(wú)線定位技術(shù)對(duì)比

5 定位原理

由于抽水蓄能電站對(duì)人員定位的高精度要求，在實(shí)際應(yīng)用中通常有兩種工作模式：一種是高精度測(cè)距的 TOA模式；另一種是大容量的TDOA（time difference of arrival，到達(dá)時(shí)間差）模式。

5.1 TOA工作原理

TOA是通過(guò)測(cè)量被測(cè)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)到達(dá)3個(gè)以上參考節(jié)點(diǎn)接收機(jī)所需的時(shí)間，得到發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的距離，然后將接收機(jī)作為圓心，測(cè)量距離作為半徑畫(huà)圓，3個(gè)圓的交點(diǎn)是被測(cè)量點(diǎn)的位置。如要系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一維定位，在布設(shè)基站時(shí)至少需要保證每個(gè)標(biāo)簽被兩個(gè)基站信號(hào)覆蓋；如果系統(tǒng)要二維定位，在布設(shè)基站時(shí)至少需要保證每個(gè)標(biāo)簽被3個(gè)基站信號(hào)覆蓋。TOA定位原理如圖2所示。

圖2 TOA定位原理

5.2 TDOA工作原理

TDOA定位通過(guò)測(cè)量無(wú)線電信號(hào)到達(dá)不同基站天線單元的時(shí)間差，對(duì)發(fā)射無(wú)線電信號(hào)的發(fā)射源進(jìn)行定位，從而得出信號(hào)源的準(zhǔn)確位置。定位過(guò)程是從基站將同一時(shí)間測(cè)量同一信號(hào)得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至主基站，主基站分別計(jì)算出無(wú)線電信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站天線的時(shí)間差，將兩站之間的時(shí)間差轉(zhuǎn)換為距離差，可以得到一條雙曲線，通過(guò)3個(gè)或多個(gè)無(wú)線電基站測(cè)得的時(shí)間差可得到兩條或多條雙曲線相交，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射源的定位。如系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)一維定位，在布設(shè)基站時(shí)至少需要保證每個(gè)標(biāo)簽被兩個(gè)基站信號(hào)覆蓋；如果系統(tǒng)要二維定位，在布設(shè)基站時(shí)至少需要保證每個(gè)標(biāo)簽被3個(gè)基站信號(hào)覆蓋。

主基站A定時(shí)對(duì)從基站B和從基站C進(jìn)行周期性的時(shí)間校準(zhǔn)，并且將校準(zhǔn)信息回傳給服務(wù)器。標(biāo)簽T開(kāi)啟后按照事先設(shè)定好的刷新率周期性的向外發(fā)送定位信息，基站收到標(biāo)簽的定位信息后回傳服務(wù)器。TDOA定位原理如圖3所示。

圖3 TDOA定位原理

6 抽水蓄能電站中的應(yīng)用

抽水蓄能電站系統(tǒng)采用超寬帶定位技術(shù)，通過(guò)人員定位管理系統(tǒng)對(duì)施工人員進(jìn)行定位、跟蹤。人員定位系統(tǒng)通過(guò)基站接收到標(biāo)識(shí)卡發(fā)出的信號(hào)，監(jiān)控中心根據(jù)信號(hào)到不同基站間的傳輸時(shí)間準(zhǔn)確判斷出人員的具體位置信息，系統(tǒng)可以在各種環(huán)境下獲得定位數(shù)據(jù)，基本不受洞室群環(huán)境的影響?？筛鶕?jù)洞室內(nèi)各施工區(qū)域?qū)嶋H情況繪制主要監(jiān)控區(qū)域、特殊區(qū)域電子地圖，隨著各施工區(qū)域內(nèi)人員的移動(dòng)，系統(tǒng)軟件中各區(qū)域人數(shù)會(huì)隨時(shí)更新；通過(guò)二維定位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員在洞室中的位置進(jìn)行定位，并將其運(yùn)行軌跡在電子地圖上進(jìn)行形象直觀的動(dòng)畫(huà)回放。事故發(fā)生時(shí)，可以迅速確定相關(guān)遇險(xiǎn)人員的數(shù)量，準(zhǔn)確定位事故地點(diǎn)。

抽水蓄能水電站雖然地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣，但建筑結(jié)構(gòu)分類卻十分清晰。目前可采用以下幾種方式進(jìn)行定位。

6.1 一維定位

一維定位是單軸方向上的定位，也可稱為“直線定位”，能夠精確定位標(biāo)簽在直線上的運(yùn)動(dòng)軌跡。

在定位區(qū)域內(nèi)，標(biāo)簽定時(shí)（通信頻率可設(shè)置）和基站進(jìn)行測(cè)距，系統(tǒng)拿到標(biāo)簽與基站的時(shí)間差后畫(huà)雙曲線，已知（X，Y）中的一個(gè)變量，通過(guò)解方程求另一個(gè)變量。如圖4所示，兩個(gè)圓的交點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。

圖4 一維定位原理

一維定位方案的基站之間的距離為80～100 m，標(biāo)簽至少被兩個(gè)基站覆蓋到。一維基站布置方案如圖5所示。

圖5 一維基站布置方案

一維定位一般適用于長(zhǎng)隧洞類型，包括交通洞、通風(fēng)洞、導(dǎo)流洞等隧洞。隧洞的特點(diǎn)是長(zhǎng)度較長(zhǎng)，寬度相對(duì)于數(shù)千米的長(zhǎng)度而言，基本可以忽略；尾閘洞、排水廊道等洞室，因其寬度較窄，一般也被歸為長(zhǎng)隧洞類型。定位精度可以達(dá)到1 m以內(nèi)。

6.2 二維定位

二維定位能夠精確定位標(biāo)簽在兩個(gè)坐標(biāo)軸上的位置，也稱為“平面定位”，可反映標(biāo)簽的平面運(yùn)動(dòng)軌跡。二位基站布置方案如圖6所示。

圖6 二位基站布置方案

二維定位基站的布置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況間隔35～50 m部署基站，在定位區(qū)域任何地點(diǎn)至少有3個(gè)基站可以照顧到標(biāo)簽。

二維定位一般適用于長(zhǎng)寬比例差不多并且很大型的定位區(qū)域，如電廠廠房、廠區(qū)等，其特點(diǎn)是廠房的長(zhǎng)度和寬度都比較大（長(zhǎng) 100～400 m，寬40～80 m，高30 m左右），空間內(nèi)部署的設(shè)備數(shù)量并不多，但需要精確定位。定位精度可以達(dá)到1 m以內(nèi)。

7 結(jié)束語(yǔ)

“十三五”期間抽水蓄能電站建設(shè)的全面鋪開(kāi)和智能技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)信息化的需求越來(lái)越高，人員定位系統(tǒng)作為抽水蓄能電站信息化建設(shè)中不可或缺的系統(tǒng)之一，發(fā)揮著十分重要的作用。超寬帶技術(shù)已經(jīng)漸漸成為無(wú)線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，必將成為下一代無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)，UWB的應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)品的研究步伐也逐漸加快。UWB技術(shù)中的脈沖信號(hào)的傳輸功率非常低，只相當(dāng)于一些背景噪聲，并且能夠與其他窄帶信號(hào)系統(tǒng)共存，為解決頻譜資源分配和容量問(wèn)題提供了有效的途徑。未來(lái)，UWB技術(shù)將日臻成熟，得到產(chǎn)業(yè)界的大力推廣，也將在抽水蓄能電站中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉金餛.先進(jìn)PID控制MAT LAB仿真[M].北京： 電子工業(yè)出版社, 2004.LIU J K.Advanced PID control MATLAB simulation[M].Beijing： Publishing House of Electronics Industry, 2004.

[2]曾光奇.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢： 華中科技大學(xué)出版社, 2006.ZENG G Q.Fuzzy control theory and engineering application[M].Wuhan： Huazhong University of Science and Technology Press, 2006.

[3]劉偉.關(guān)于模糊PID 控制器的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 25(2)： 115-117.LIU W.Application design of fuzzy PID controller[J].Journal of Shenyang University of Technology, 2003, 25(2)： 115-117.

[4]曾文, 王宏, 徐皚東.超寬帶技術(shù)的信道模型和定位技術(shù)研究與分析[J].計(jì)算機(jī)科學(xué), 2007, 34(7)： 34 -37.ZENG W, WANG H, XU A D.The research and analysis of channel models and positioning technology based on UWB[J].Computer Science, 2007, 34(7)： 34 -37.

[5]王金龍.無(wú)線超寬帶(UWB)通信原理與應(yīng)用[M].北京： 人民郵電出版社, 2009.WANG J L.Principle and application of wireless ultra-broadband[M].Beijing： Posts & Telecom Press, 2009.

[6]俞一鳴, 姚遠(yuǎn), 程學(xué)虎.TDOA定位技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用簡(jiǎn)介[J].中國(guó)無(wú)線電, 2013(11)： 57-58.YU Y H, YAO Y, CHENG X H.TDOA positioning technology and practical application introduction[J].China Radio, 2013(11)：57-58.

[7]張平, 李建武, 馮志勇, 等.認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電信科學(xué), 2014, 30(2)： 1-13.ZHANG P, LI J W, FENG Z Y, et al.Research on basic theory and key technology of cognitive radio network[J].Telecommunications Science, 2014, 30(2)： 1-13.

[8]方箭, 王坦, 黃標(biāo).高頻段寬帶無(wú)線通信前瞻[J].電信科學(xué),2014, 30(3)： 109-113.FANG J, WANG T, HUANG B.Outlook of broadband wireless communications at high frequency bands[J].Telecommunications Science, 2014, 30(3)： 109-113.

[9]趙梓森.中國(guó)光纖通信發(fā)展的回顧[J].電信科學(xué), 2016, 32(5)： 5-9.ZHAO Z S.Review of the development of China’s optical fiber communication[J].Telecommunications Science, 2016, 32(5)： 5-9.