基于变电站安全作业移动定位和报警终端的研究

国网安徽省电力有限公司芜湖供电公司 张贾军 陈强 孙昭 洪俊 蒋以天

1 引言

随着社会经济的不断发展，我国对变电站作业安全的重视程度也越来越高，针对变电站作业安全提出了各种相关政策，保障工作人员人身安全。电力领域的主要问题是安全生产问题，因此，行业主管机构始终关注电力行业安全生产，尽管如此，仍然发生各种安全事故。

从电力行业安全生产发展过程及现状来看，引起变电站安全事故的原因趋于多样化，如误触带电设备、走错工作区域等，均会危及从业者的人身安全与健康。

我国目前普遍采用的变电站安全监控技术是视频监控、虚拟三维可视化安全控制、工作负责人制等，其中应用频率较高的技术是虚拟三维可视化方案，此法实质上是一种变电站安全管控体系、变电站安全作业控制系统，基本原理是以测绘为基本支撑展开的三维建模（对变电站），以广域无线定位策略为基础将安全操作人员所处位置确定，以便实时掌握从业者的工作状态，系统则会根据实际情况触发安全预警信息，确保安全作业[1-2]。

2 国内外研究现状

在变电站现场施工作业过程中，存在着作业人员使用吊车等大型作业工具，跨越下方围栏网范围，误入带电间隔，但因为和带电设备安全距离不够，危及电网及现场作业人员安全的问题。传统作业范围人工围栏网布置高度有限，无法对大型作业工器具的作业范围进行有效的提醒。为了更好的管控现场作业人员的工作行为，防止吊车等大型作业工具误入带电间隔，弥补传统围栏网对大型作业工具的警示盲点，本文研制一套现场作业范围监测预警装置，当作业工具靠近带电区域规定距离时立即进行预警，避免事故的发生。

结合电力施工实践情况，目前防范大型作业工具（吊车等）误入带电间隔以人工模式为主，此法实质上就是由专职安全员引导安全施工，不足之处是主观性安全事故风险高、施工成本大。智能化监测设备研发与应用实践来看，这种现代科技设备同样有明显缺陷，比如携带不便、操作烦琐、准确性差、监测范围小等缺点。基于这一现状，急需研制出一款电力施工过程危险区域预警误入装置，能够为作业人员或设备靠近带电区域规定距离时立即进行报警，提醒作业人员有触电危险，从而将危险及时排除[3]。

本项目的实施可以有效的实现对防误区域的规划及误入带电间隔的设备及人员的实时监测及预警功能，当作业人员或设备靠近带电区域规定距离时立即进行报警，提醒作业人员有触电危险，从而将危险扼杀在摇篮中。同时本设备也解决了作业人员使用吊车等大型作业工具，跨越下方围栏网范围，误入带电间隔，由于与带电设备安全距离不够，危及电网及现场作业人员安全的问题。

3 基本原理

3.1 PTK 差分定位法

实量高精度定位技术系列中的RTK，整体上归属GPS 差分定位范畴，而GPS 差分定位法的覆盖范围、精度等均明显超过传统GPS 定位技术。GPS 差分定位的基本原理以移动站为基本支撑展开差分信息（固定基站） 收集，准确计算出自身具体位置，解决传统GPS 技术运行中存在的卫星星历误差、卫星钟误差等各种影响因素，进一步提高GPS 定位效果[4]。以差分信息差异为依据，可以将差分定位法分为载波相位伪距差分、位置差分、平滑相位伪距差分等类型。分析载波相位差分系列中的PTK 差分定位法表明，移动站与基站之间位置坐标校正采用的也是载波相位改正数，GPS 差分定位技术如图1所示。

图1 GPS差分定位技术

在RTK 差分定位技术日常应用中，工作人员利用载波相位方式进行差分校正，因此一旦整周模糊度固定环节出现问题，会大幅度降低定位精度，给实际使用效果带来不同程度的影响。在正常情况下，FST （模糊度搜索滤波器法）、Kalman 滤波修正算法等均可以用作载波相位整周模糊度固定算法，其中最小二乘模糊度降相关平方差算法是以载波相位双差观测方程和最小二乘法为基本支撑，把固定模糊度数据计算出来， 分析数据具有较强精准度；Kalman 滤波修正算法则不同，此算法主要以Kalman 滤波器为基础对载体部位进行合理调整，降低多普勒观测量带来的影响，在此前提下促进整周模糊度固定效果改善。

本设计方案中的作业人员采用的是实时差分定位法RTK，只需要把RTK 固定基站安装在变电站内，即可以完成载波相位改正信息发送，随后可以在Kalman 滤波修正算法支持下展开变电站所受电磁波的干扰分析，算法处理流程会因此而变得更加合理，环境干扰的控制效果明显，就此为移动定位终端坐标求解精准度提供有效保障[5]。

3.2 GNSS 定位方式技术原理

本装置采用了GNSS 高精度定位监控终端，可以实现北斗GPS 双系统毫米级定位，并能够将定位信息通过GPRS 上报到指定平台，可以实现对人员、车辆或其他设备的实时精确位置的监控。

GNSS 定位终端根据定位精度有米级、亚米级，亚米级又分为毫米级、厘米级、分米级，本装置采用毫米级定位终端，平面定位精度达±2mm+0.5mm/km，高程定位精度达±5mm+0.5mm/km。 技术参数具体是待机功耗为≤180mA/3.8V，发射功耗为≤1.6A/3.8V （最大发射功率下），充电电流为800mA±20mA，电池容量为3000mAh，工作时间为≥8h （正常工作模式，蓝牙常闭），充电时长为≤4h。

3.3 超声波探测器技术方案

设备发射的探测波为圆锥体，具体大小根据设备自身的视场角决定，超声波探测器技术如图2所示。本项目中设备可以监测25m，具有测距功能。同时实现了选择性报警，即在监测范围某一区域高度如（10～20m） 进行报警，低于某一高度不报警，可以有效避免地面行人和车辆穿过而产生的误触发情况出现。当进行报警时，现场具有声光报警设备进行联动。此外在现场部署一台抓拍摄像头，当报警时启动照相，照片数据存储在内存卡中。

图2 超声波探测器技术

3.4 移动定位与报警终端设计

基于上述虚拟三维可视化安全管控体系设计需要，变电站从业者通常需要利用RTK 移动定位技术展开移动定位与报警终端设备设计，在后台管控系统信息与上述设备结合条件下，即可将站内作业人员的实际所处部位实时显示出来。目前，GPS 卫星接收机、主控单元、声光报警器等是移动定位和报警终端装置的组成部分，利用4G 网络和RTK 定位基站相互连接，在广域无线网（变电站内部配置） 支持下接入虚拟场景服务器（后台管控）。

本设备工作运行过程中，通常会以DSP 数字信号处理器和主控单元为基本支撑展开浮点数计算，提升载波相位整周模糊度固定算法准确率。数据通信接口类型也会在主控单元控制板支持下显著增加，包括串口、网口、接口等，即能与GPS 卫星信号接收机模块实现连接（通过RS232 串口），将GPS 坐标信息（移动终端自身）及时收到，并在4G 网络支持下将载波相位改正数（源于CORS 网站） 获取，随之把移动终端具体坐标计算出来，需要说明的是，坐标计算需要利用载波相位整周模糊度固定算法完成，而后台管控系统则需要在广域无线网支持下获取对应的数据。

预警系统设计能够在出现安全事故时及时触发报警系统，以便作业者的具体位置可以被相关人员适时掌握，制定科学的解决措施，将作业者面临的人身安全风险化解。在主控单元控制板上安装的声光报警装置主要用来接收安全管控预警信息（来自后台管控系统），声光报警器会自动根据预警信息类型来触发对应的声光报警提示。

4 应用效果

我国社会经济发展对电力企业供电安全性提出较高的要求。因此，为满足电力行业实际要求，必须高度关注变电站运行安全，根据现场实际情况来建立适量的变电站，且保证所有变电站能够安全稳定运行，从而给电力企业日常供电打下坚实基础。

本文提出的安装控制方案是基于当前电力系统运行概况及变电站安全需要完成的，临沧供电局变电站（云南电网） 目前已经开始在实际工作中应用本方案。工作人员将本方案和后台管控系统信息相互结合，用来实时显示站内工作人员的具体位置，一旦变电站出现任何安全事故，系统能够第一时间控制和记录现场实际情况，有效保证工作人员的生命安全，目前已取得不错的实际应用效果。

5 结语

本文基于RTK、超声波探测技术、GNSS 定位技术支撑获得变电站作业人员安全施工过程中所处的具体部位，以便管理人员能够适时了解掌握工作人员的作业现状，采取相应措施保障作业人员的人身安全。本方案主要是根据现场作业实际情况设计而成，能够实时掌握作业人员位置信息，能够以安全预警信息为主要参考依据自行触发系统安全报警功能，给作业人员安全提供保障。