基于实时定位技术的变电站智能安全管理系统

刘志斌，赵桂军，梁雪梅

（廊坊供电公司，廊坊 065000）

基于实时定位技术的变电站智能安全管理系统

刘志斌，赵桂军，梁雪梅

（廊坊供电公司，廊坊 065000）

为了提高变电站安全管理水平、减少安全事故的发生，提出了运用三维空间建模技术及实时定位技术建立变电站智能安全管理系统的方法。该系统通过定位标签获取现场工作人员的位置、行进方向及速度，并将上述数据映射到变电站三维空间模型中，实时监控现场工作人员的行为，对工作人员误入工作禁区或越限进入危险区域进行报警。该系统的应用能提高变电站安全管理的智能化水平，保证变电站现场操作的安全。

实时定位；三维建模；安全管理；行为监控

目前电力生产过程中，保障操作和检修人员的人身安全、防止误入危险间隔的措施主要有：严格的规章制度、微机五防闭锁[1]系统、设置围栏和人工监护。大部分变电站用围栏围出醒目的检修范围来防止检修人员走错间隔，误入非工作区，以保证工作人员的人身安全。另外变电站通过在设备上加装锁具和逻辑闭锁设计，将带电间隔锁住，这种措施在一定程度上起到了防止人员误入带电间隔的作用。但是它们有一个共同的缺点，就是一旦现场工作人员失误或误将锁具打开，进入非工作间隔时，则不能对其进行实时告警，避免人身伤亡事故的发生。

目前很多专家学者在研究实时定位技术在电网安全管理中的应用。如文献[2]提出结合运用全球定位系统GPS（global positioning system）、全球移动通信系统GSM（global system for mobile communications）、地理信息系统GIS（geographic information system）等技术，获取巡检员的巡检轨迹以实现巡检工作的自动化、智能化管理；文献[3]根据WSN定位技术的特点设计了变电站安全作业管理系统的总体结构，完成了变电站安全作业管理系统的数据库设计。但至今，国内外尚无将三维建模技术、高精度实时定位技术和实时预警技术结合应用在变电站安全管理中的研究报道。

本文以实时定位技术为基础，结合三维建模及动态安全域分析方法，建立了具有实时预警监护提醒及站内工作全过程记录功能的主动式变电站安全防护预警系统。该系统的推广运用，必将有效地预防变电站安全事故的发生，使安全事故率大幅下降，确保现场工作人员的人身安全。

1 基本原理

通过对变电站实际或计划运行方式进行拓扑模型分析，计算出变电站区内带电区域空间的分布，结合现场操作或工作性质，系统自动计算出一个安全区域，同时构建一个高精度的实时位置监控系统，通过对人员或关键设备的位置可视化跟踪和带电禁区监管报警，防止现场操作或检修人员误操作或无意进入带电区域而引起人身安全事故。针对设备变电操作防误、检修工作现场可视化监控、安全措施方案的可视化管理等变电站侧工作内容，本文提出了一种可靠的防误解决方案，将防误范围由原来的操作防误扩大到变电站所有工作内容，并实现监护的主动预警，有效地避免操作人员误走危险的带电间隔、检修人员误入带电区域等人为因素引起的电力人身安全事故的发生。

1.1 工作原理

本文介绍的实时定位系统主要由定位基站、操作人员携带的定位装置、服务器及客户端计算机等设备构成。该系统以定位设备硬件为底层平台，通过（有线或无线）以太网，将操作现场划分为多个监控单元。系统网络如图1所示。现场操作人员携带定位装置进入定位信号覆盖区域时，该系统能实时获取现场操作人员的位置、行进路线及速度等参数。根据变电站设备的3D位置及带电状态，建立设备及带电区域的3D模型。当工作人员误入带电禁区时定位装置自动进行报警。

图1系统网络Fig.1 Network of the system

图1中服务器存储变电站3D空间模型，通过操作人员位置结合变电站3D模型判断操作所在的间隔。另外，服务器提供主站侧监护、指挥需要的信息；校验安全操作，核实操作人员的操作正误，并对操作人员提供周边情况和巡检人员的巡检记录等信息。定位基站、定位装置用于定位操作人员的位置，定位基站和定位装置的信息联系如图2所示。

图2 定位基站、定位装置间的信息连接Fig.2 Information connection between the positioning base station and positioning device

根据实际情况，定位基站可以安装在场地周围的立杆上，监视范围涵盖变电站需要监视的所有区域，接收工作人员所带定位装置发出的信号。系统采用有线或无线方式进行位置数据信息的通讯。各定位基站采集的数据均传到装有定位引擎的后台定位服务器。后台服务软件具有3D定位功能，用户可以通过该软件对现场的移动工作人员进行管理，并设置带电监控区域。当工作人员进入带电监控区域时，立刻进行提醒并作相应记录。

1.2 实时定位技术

精确的实时定位技术是实现对站内人员位置实时监控的基础，只有定位精度达到要求才能准确地确定人员的位置并确定其是否在安全区域边界内。如果定位精度不够，就会面临着边界区域定位难以界定的难题。目前，常用的实时定位技术主要有：全球定位系统GPS（global position system）、Zigbee技术[4-5]、无线射频识别RFID（radio frequency identification devices）技术[6]及超宽频UWB（ultra wide band）技术[7]等。UWB技术是一种无载波通信技术，具有系统结构实现简单、功耗低、安全性高、定位精确等特点。

本文选用UWB技术来实现定位区域的完全覆盖，并对工作人员进行高精度的实时定位，定位精度可达厘米级。

1.3 定位算法

无线定位技术是指用来判定移动用户位置的测量和计算方法，即定位算法。目前最常用的定位算法主要有：时差定位算法、信号到达角度测量算法、到达时间定位算法和到达时间差定位TDOA （time difference of arrival）算法等[8]。本系统采用TDOA算法来定位移动用户。

TDOA算法是通过测量无线电信号到达不同监测地点的天线单元时间差来对发射无线电信号的发射源进行定位，即：距离差=时间差×电磁波速度。在一定条件下，无线电波的传播速度是定值，所以时间差可以用距离差来表示。

在图3所示三维坐标中，MS为需要定位的位置，BSi为所选定位参考点i位置，Ri为MS与参考点i之间距离。根据定位的条件，要定位一个三维坐标，至少需要对i=1，2，3，4的4个参考点，建立方程

式中：（x，y，z）和（xi，yi，zi）分别表示需要定位的位置MS和参考点位置BSi的三维空间坐标；c为电波传播速度；t0表示需要定位的位置发送信号的时间；ti表示到达参考点位置的时间。将由式（1）对应的4个方程两两相减可得6个方程为

式中，i，j∈{1，2，3，4}，i≠j应用差分时间到达（TDOA）算法[9]，可减小参考点和需定位坐标之间由于不同步带来的误差，获得式（2）的解。

在上述理论基础上，求待测点坐标的问题就转换成了解三元二次方程组问题。解这个方程组，目前常用的解析算法是Fang算法[10]，即完成上述代换后，可以先解出待测点坐标z的值。通常，方程有2个解，而期望的解只有1个。若所得的解没有物理意义或者超过了可测量的范围，就视其为无效解。为了提高有解的概率，可以设定5个参考点，这样就有5个不同的组合，产生5组方程组，得到5组解，去掉其中的无效解，将其余的有效解与已知坐标空间进行比较，选取位于坐标空间内的解为最优解。

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

另一种求解方程组的算法基于最优化的思想，即根据以上建立的数学模型，将定位坐标的目标函数写成

这样就将解方程组转换为求目标函数的极值问题，即

式（4）是一个典型的无约束非线性规划极值问题，可采用传统的Guass-Newton或Quasi-Newton迭代算法求解。

2 实施步骤

本系统的主要实施步骤简述如下。

（1）建立电力设备虚拟的2D/3D模型。根据变电站实际设备的3D位置、带电状态、操作或工作目标区域，设定操作人员安全工作区域的3D模型。

（2）采集人员位置信息。操作人员随身携带一个或多个专用定位装置，通过定位装置定位操作人员的3D空间位置。

（3）自动进行安全预警提示。根据步骤（1）中设定的工作区域和安全区域，判断操作人员是否走错了间隔，或其是否在安全区域内工作，若结论是否定的，发出报警提示，防止人身伤害事故的发生。

（4）监护操作。将操作人员的空间位置传给主站侧，主站人员（例如：集控中心、调度、指挥部门）据此进行监护操作，进一步保证操作人员的安全。

3 系统功能

本系统以实时定位技术为基础，通过建立变电站三维实景空间数字模型，实现变电站作业安全空间分析与管理。功能包括：作业安全空间分析、作业人员定位、危险点与设备安全隐患管理、作业人员安全距离警示等。

1）工作禁区监管及报警

根据设备实时运行方式、检修工作任务、安全措施安排，系统自动生成工作禁区，通过实时定位对现场工作人员位置进行监控，从而对现场人员误入工作禁区或越线情况进行报警，保证检修工作安全进行。

监护人员未经允许，不得擅自离开工作区域。离开时，系统会给出警示，并且在主机侧给出警告，避免擅离职守情况出现。

2）安全距离报警

系统可跟随设备运行方式变化，按照设备的电压等级、绝缘情况等，自动计算空间电场的分布，将不可见的电场以可视化的手段进行展示，同时结合人员的实际空间位置，自动判断是否超越设备的安全距离范围，对超越人员进行实时告警，同时在主站监控侧进行报警提示。

3）安全工作空间管理

系统可在建立的三维空间模型平台上进行任意两点间的距离测量，实现对现场设备间距离测量、安全距离控制、引线弧垂距地高度测量、大型设备进场前模拟、设备在带电区域活动空间管理、检修人员现场活动空间管理等。

4）智能巡视

系统实现对变电站巡检过程进行实时监控和防误闭锁的同时，具备强大的智能提醒和信息查询功能。

4 系统应用

该变电站安全防护预警系统在河北廊坊大屯变电站进行安装测试，测试范围为廊坊大屯220 kV变电站室外电气区域、10 kV开关室（开关柜区域）。图4为河北廊坊大屯变电站俯视图。

图4 河北廊坊大屯变电站俯视图Fig.4 Vertical view of Hebei Langfang Datun substation

系统按实际比例仿真电气设备、主控室、户外设备等所有站区环境，并根据获得的空间数据和设备实际影像得到真实环境的空间3D模型。

根据目标区域的实际设备3D位置、站区的三维模型、与综自系统对接后获取的设备实时状态并结合现场操作或工作目的，自动计算站区内的电场空间分布，并以可视化方式展示，同时系统自动划定工作人员的安全工作区域及危险区域。

系统通过现场工作人员携带的专用定位装置，定位其在三维空间上的位置，此位置信息会实时传输到系统主站端（集控中心、调度中心、指挥部门、大屯站等），主站监控人员可据此对现场人员进行跟踪监护。主站显示的现场人员位置与实际延时不超过1 s。图5显示了现场人员所在的工作区域，系统中用一个带闪电的立方体表示；图6分别在2D（左上角）和3D模型中显示了现场工作人员在变电站中的位置及姓名。

图5 现场人员工作区域Fig.5 Work area of staff in the field

图6 现场工作人员位置Fig.6 Location of staff in the field

经测试，当现场工作人员临近或者超出本次工作区域范围后，系统能够发出正确的预警提示，并将信号传输到主控室。预警提示准确率为100%，达到了最初设计的要求。

5 结语

本系统从技术层面上为变电站现场工作人员的人身安全又加了一道防线，将三维实景空间建模和人员空间定位技术引入到变电站的安全工作空间管理工作中，通过实时定位技术解决了现场人员不能准确掌握带电区域的难题，有效地避免了操作人员误走间隔、检修人员误入带电区域而引发的人身安全风险。同时该系统能依据作业内容，自动分析变电站的危险区域，确保现场工作人员的人身安全。上述定位技术的运用和安全管理方法的推广应用，可使变电站生产安全事故率大幅下降，为工作人员的人身安全提供新的保证。

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[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

刘志斌（1976—），男，本科，工程师，研究方向为供电企业安全生产过程中的作业流程监督、安全风险预控、及对建设、改造项目的安全管理。Email：13833670577@163.com

2013-05-09；

2013-07-04

赵桂军（1976—），男，本科，工程师，研究方向为供电企业安全生产过程中的作业流程监督、安全风险预控、及对建设、改造项目的安全管理。Email：Zhaojungui2239@163.com

梁雪梅（1974—），女，硕士，高级工程师，研究方向为供电企业安全生产过程中的作业流程监督、安全风险预控、及对建设、改造项目的安全管理。Email：13722600336@139.com