基于變電站安全作業移動定位和報警終端的研究

國網安徽省電力有限公司蕪湖供電公司 張賈軍 陳強 孫昭 洪俊 蔣以天

1 引言

隨著社會經濟的不斷發展，我國對變電站作業安全的重視程度也越來越高，針對變電站作業安全提出了各種相關政策，保障工作人員人身安全。電力領域的主要問題是安全生產問題，因此，行業主管機構始終關注電力行業安全生產，盡管如此，仍然發生各種安全事故。

從電力行業安全生產發展過程及現狀來看，引起變電站安全事故的原因趨于多樣化，如誤觸帶電設備、走錯工作區域等，均會危及從業者的人身安全與健康。

我國目前普遍采用的變電站安全監控技術是視頻監控、虛擬三維可視化安全控制、工作負責人制等，其中應用頻率較高的技術是虛擬三維可視化方案，此法實質上是一種變電站安全管控體系、變電站安全作業控制系統，基本原理是以測繪為基本支撐展開的三維建模（對變電站），以廣域無線定位策略為基礎將安全操作人員所處位置確定，以便實時掌握從業者的工作狀態，系統則會根據實際情況觸發安全預警信息，確保安全作業[1-2]。

2 國內外研究現狀

在變電站現場施工作業過程中，存在著作業人員使用吊車等大型作業工具，跨越下方圍欄網范圍，誤入帶電間隔，但因為和帶電設備安全距離不夠，危及電網及現場作業人員安全的問題。傳統作業范圍人工圍欄網布置高度有限，無法對大型作業工器具的作業范圍進行有效的提醒。為了更好的管控現場作業人員的工作行為，防止吊車等大型作業工具誤入帶電間隔，彌補傳統圍欄網對大型作業工具的警示盲點，本文研制一套現場作業范圍監測預警裝置，當作業工具靠近帶電區域規定距離時立即進行預警，避免事故的發生。

結合電力施工實踐情況，目前防范大型作業工具（吊車等）誤入帶電間隔以人工模式為主，此法實質上就是由專職安全員引導安全施工，不足之處是主觀性安全事故風險高、施工成本大。智能化監測設備研發與應用實踐來看，這種現代科技設備同樣有明顯缺陷，比如攜帶不便、操作煩瑣、準確性差、監測范圍小等缺點?；谶@一現狀，急需研制出一款電力施工過程危險區域預警誤入裝置，能夠為作業人員或設備靠近帶電區域規定距離時立即進行報警，提醒作業人員有觸電危險，從而將危險及時排除[3]。

本項目的實施可以有效的實現對防誤區域的規劃及誤入帶電間隔的設備及人員的實時監測及預警功能，當作業人員或設備靠近帶電區域規定距離時立即進行報警，提醒作業人員有觸電危險，從而將危險扼殺在搖籃中。同時本設備也解決了作業人員使用吊車等大型作業工具，跨越下方圍欄網范圍，誤入帶電間隔，由于與帶電設備安全距離不夠，危及電網及現場作業人員安全的問題。

3 基本原理

3.1 PTK 差分定位法

實量高精度定位技術系列中的RTK，整體上歸屬GPS 差分定位范疇，而GPS 差分定位法的覆蓋范圍、精度等均明顯超過傳統GPS 定位技術。GPS 差分定位的基本原理以移動站為基本支撐展開差分信息（固定基站） 收集，準確計算出自身具體位置，解決傳統GPS 技術運行中存在的衛星星歷誤差、衛星鐘誤差等各種影響因素，進一步提高GPS 定位效果[4]。以差分信息差異為依據，可以將差分定位法分為載波相位偽距差分、位置差分、平滑相位偽距差分等類型。分析載波相位差分系列中的PTK 差分定位法表明，移動站與基站之間位置坐標校正采用的也是載波相位改正數，GPS 差分定位技術如圖1所示。

圖1 GPS差分定位技術

在RTK 差分定位技術日常應用中，工作人員利用載波相位方式進行差分校正，因此一旦整周模糊度固定環節出現問題，會大幅度降低定位精度，給實際使用效果帶來不同程度的影響。在正常情況下，FST （模糊度搜索濾波器法）、Kalman 濾波修正算法等均可以用作載波相位整周模糊度固定算法，其中最小二乘模糊度降相關平方差算法是以載波相位雙差觀測方程和最小二乘法為基本支撐，把固定模糊度數據計算出來， 分析數據具有較強精準度；Kalman 濾波修正算法則不同，此算法主要以Kalman 濾波器為基礎對載體部位進行合理調整，降低多普勒觀測量帶來的影響，在此前提下促進整周模糊度固定效果改善。

本設計方案中的作業人員采用的是實時差分定位法RTK，只需要把RTK 固定基站安裝在變電站內，即可以完成載波相位改正信息發送，隨后可以在Kalman 濾波修正算法支持下展開變電站所受電磁波的干擾分析，算法處理流程會因此而變得更加合理，環境干擾的控制效果明顯，就此為移動定位終端坐標求解精準度提供有效保障[5]。

3.2 GNSS 定位方式技術原理

本裝置采用了GNSS 高精度定位監控終端，可以實現北斗GPS 雙系統毫米級定位，并能夠將定位信息通過GPRS 上報到指定平臺，可以實現對人員、車輛或其他設備的實時精確位置的監控。

GNSS 定位終端根據定位精度有米級、亞米級，亞米級又分為毫米級、厘米級、分米級，本裝置采用毫米級定位終端，平面定位精度達±2mm+0.5mm/km，高程定位精度達±5mm+0.5mm/km。 技術參數具體是待機功耗為≤180mA/3.8V，發射功耗為≤1.6A/3.8V （最大發射功率下），充電電流為800mA±20mA，電池容量為3000mAh，工作時間為≥8h （正常工作模式，藍牙常閉），充電時長為≤4h。

3.3 超聲波探測器技術方案

設備發射的探測波為圓錐體，具體大小根據設備自身的視場角決定，超聲波探測器技術如圖2所示。本項目中設備可以監測25m，具有測距功能。同時實現了選擇性報警，即在監測范圍某一區域高度如（10～20m） 進行報警，低于某一高度不報警，可以有效避免地面行人和車輛穿過而產生的誤觸發情況出現。當進行報警時，現場具有聲光報警設備進行聯動。此外在現場部署一臺抓拍攝像頭，當報警時啟動照相，照片數據存儲在內存卡中。

圖2 超聲波探測器技術

3.4 移動定位與報警終端設計

基于上述虛擬三維可視化安全管控體系設計需要，變電站從業者通常需要利用RTK 移動定位技術展開移動定位與報警終端設備設計，在后臺管控系統信息與上述設備結合條件下，即可將站內作業人員的實際所處部位實時顯示出來。目前，GPS 衛星接收機、主控單元、聲光報警器等是移動定位和報警終端裝置的組成部分，利用4G 網絡和RTK 定位基站相互連接，在廣域無線網（變電站內部配置） 支持下接入虛擬場景服務器（后臺管控）。

本設備工作運行過程中，通常會以DSP 數字信號處理器和主控單元為基本支撐展開浮點數計算，提升載波相位整周模糊度固定算法準確率。數據通信接口類型也會在主控單元控制板支持下顯著增加，包括串口、網口、接口等，即能與GPS 衛星信號接收機模塊實現連接（通過RS232 串口），將GPS 坐標信息（移動終端自身）及時收到，并在4G 網絡支持下將載波相位改正數（源于CORS 網站） 獲取，隨之把移動終端具體坐標計算出來，需要說明的是，坐標計算需要利用載波相位整周模糊度固定算法完成，而后臺管控系統則需要在廣域無線網支持下獲取對應的數據。

預警系統設計能夠在出現安全事故時及時觸發報警系統，以便作業者的具體位置可以被相關人員適時掌握，制定科學的解決措施，將作業者面臨的人身安全風險化解。在主控單元控制板上安裝的聲光報警裝置主要用來接收安全管控預警信息（來自后臺管控系統），聲光報警器會自動根據預警信息類型來觸發對應的聲光報警提示。

4 應用效果

我國社會經濟發展對電力企業供電安全性提出較高的要求。因此，為滿足電力行業實際要求，必須高度關注變電站運行安全，根據現場實際情況來建立適量的變電站，且保證所有變電站能夠安全穩定運行，從而給電力企業日常供電打下堅實基礎。

本文提出的安裝控制方案是基于當前電力系統運行概況及變電站安全需要完成的，臨滄供電局變電站（云南電網） 目前已經開始在實際工作中應用本方案。工作人員將本方案和后臺管控系統信息相互結合，用來實時顯示站內工作人員的具體位置，一旦變電站出現任何安全事故，系統能夠第一時間控制和記錄現場實際情況，有效保證工作人員的生命安全，目前已取得不錯的實際應用效果。

5 結語

本文基于RTK、超聲波探測技術、GNSS 定位技術支撐獲得變電站作業人員安全施工過程中所處的具體部位，以便管理人員能夠適時了解掌握工作人員的作業現狀，采取相應措施保障作業人員的人身安全。本方案主要是根據現場作業實際情況設計而成，能夠實時掌握作業人員位置信息，能夠以安全預警信息為主要參考依據自行觸發系統安全報警功能，給作業人員安全提供保障。