一種用于變電站工作現場的主動式多作業方式的危險預警系統

冉一丁 陳秀紅 吳電寧 陳德坤 周金橋

（1.國家電網山東送變電工程有限公司 2.武漢映瑞電力科技有限公司）

0 引言

隨著現代工業的迅猛發展，對電力系統安全穩定運行的要求日益增高。黨的十九大把安全生產擺在更加突出位置，對安全生產管理提出了更高標準、更嚴要求。

近年來國家電網公司全面推動安全生產管理工作的標準化和規范化，始終把安全生產作為第一責任、第一工作。電力行業的發展和整個社會息息相關，變電站作為電力運輸過程中的重要樞紐，在變電站現場工作中，經常會涉及多家施工單位、監理單位等，人員復雜，環境復雜，管理難度大，為了預防現場安全意外的發生，加強電力施工現場的作業安全管控十分必要。

變電站的工作現場，特別是在新站建設時期，危險區域較多，常規的危險預警方式有指示牌、電子屏、循環播放警示語音等被動方式，這些方式由于位置固定、方式單一、內容重復等原因，很容易被現場的工作人員忽略，仍然存在造成較大人員傷害風險的可能［1］。

本文基于越寬帶（Ultra Wide Band，UWB）物聯網通信協議進行研究，使用雙向測距 （Two-Way Ranging，TWR）技術實現變電站內施工現場的高精度測距功能，開發出一種主動式危險預警系統。當作業人員進入或離開危險區域時主動播放相應的危險預警提示語音，提示該工作人員進入或者離開何種危險工作區域；同時對于已經進入危險區域內的工作人員，將按照一定時間間隔進行周期性預警語音播報，使作業人員能夠及時了解自己當前是否處于危險作業區內，實現變電站作業現場人員的危險主動預警，本系統的研發提高了變電站危險區域作業人員的安全保障［2］。

1 變電站施工作業現場面臨的問題

1.1 針對變電站建設階段的危險預警解決方案少

針對建成投產后變電站的危險管控問題，有不少成熟的解決方案，但是針對處于建設中的變電站作業危險管控問題，目前關注比較少，使用方便且成熟的解決方案不多，但在變電站建設階段作業種類多、現場工作人員多，管理難度大，需要一種支持變電站建設階段的危險預警解決方案。

1.2 缺乏主動式的預警提示方式

目前在危險預警方面，通過警示牌、循環播放警示語音提示的方式較為常見，由于方式單一等原因，雖然能起一定的預警作用，但仍然存在較大的安全風險［3］。非主動式危險預警的缺點在于現場作業人員無法準確、及時知道自己是否處于危險作業區內以及該危險作業區是何種危險作業區。

1.3 缺乏不同危險區域的危險預警手段

在變電站建設時期，存在動火作業、受限空間作業、臨時用電作業、高處作業、破土作業、吊裝作業等作業風險，不同的作業方式導致危險區域的半徑不一樣，需要根據作業性質確定危險區域半徑大小，而目前缺乏支持根據不同作業風險劃定危險區域的解決方案。

2 系統工作原理

2.1 危險預警原理

在本文中使用超寬帶 （UWB）和雙向測距（TWR）技術實現危險預警器與危險點基站間的測距功能，因UWB功耗限制（FCC規定UWB的功率譜密度小于－41.3dBm／MHz，按照單個信道500MHz計算，其信道功率為－14.3dBm），實測UWB信號范圍為10～20m，在本文中將預警閾值限制為10m之內，即可指定10m內任一距離為觸發播報預警音頻的閾值。具體表現為：當危險預警器進入危險點基站的閾值半徑范圍時，將播報一次進入危險區對應的預警音頻；當危險預警器離開危險點基站的閾值半徑范圍時，將播放一次離開危險區對應的預警音頻；在危險區內長期駐留的危險預警器也將間隔一定時間（如10min）周期性播報預警音頻。如圖1所示，危險預警器A、C、E在危險范圍外，不進行語音播報，危險預警器D已經處于危險范圍內，將進行間隔一定時間（如10min）的周期性預警播報，危險預警器B正從邊界外跨越邊界進入或跨越邊界離開，將進行一次語音播報。

圖1 危險預警地理示意圖

2.2 UWB測距原理

超寬帶技術UWB是一種無線載波通信技術，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。由于UWB可以利用低功耗、低復雜度發射／接收機實現高速數據傳輸，在近年來得到了迅速發展。UWB在非常寬的頻譜范圍內采用低功率脈沖傳送數據而不會對常規窄帶無線通信系統造成大的干擾，并可充分利用頻譜資源。UWB可以在10m范圍內支持高達110MB／s的數據傳輸率，不需要壓縮數據，可以快速、簡單、經濟的完成數據處理。因為具有一定相容性和高速、低成本、低功耗等優點，使得UWB較符合變電站施工作業現場作業管理的需求［4-6］。

UWB測距方式有多種，如雙向測距、到達時間差、到達相位差，而最為常見且簡單的是雙向測距方法，其又分為單邊和雙邊兩種，本系統中由于只需要危險預警器獲取距離，而危險點基站不需要獲取距離，所以在本系統中使用單邊雙向測距算法（Single-Side Two-Way Ranging，SS-TWR）。

單邊雙向測距的原理如圖2所示，其測距流程為：設備A主動發送（TX）數據，同時記錄發送時間戳，設備B接收數據之后記錄接收時間戳；延時Treply之后，設備B發送數據，同時記錄發送時間戳，設備A接收數據，同時記錄接收時間戳。

圖2 單邊雙向測距原理

所以可以拿到兩個時間差數據，設備A的時間差Tround和設備B的時間差Treply，最終得到無線信號的飛行時間Tprop如下：

兩個差值時間都是基于本地的時鐘計算得到的，本地時鐘誤差可以抵消，但是不同設備之間會存在微小的時鐘偏移，假設設備A和B的時鐘偏移分別為eA和eB，因此得到的飛行時間會隨著Treply的增加而增加，測距誤差方程如下：

由式（2）可知，Treply越小，測距越準確。另外Treply不僅僅是設備B接收到發送的時間，也包括裝載數據和發送數據耗費的時間（UWB除了支持定位之外，也可以傳輸數據，標準可以裝載128B，擴展模式可以裝載1024B數據）。典型的誤差關系（1ns約等于30cm距離誤差）見下表。

表典型的誤差關系

可以看出，隨著Treply和時鐘偏移的增加，會增加飛行時間的誤差，從而使得測距不準確，根據現場實際情況分析測距精度達到0.5m即可滿足危險預警目的，使用單邊雙向測距可達到此要求。

2.3 定制化主動式危險預警語音播放原理

首先，將每個危險預警器硬件和危險點基站硬件按類別分別進行編碼，賦予唯一硬件ID；接下來，將變電站多個存在作業風險的區域設為危險工作區，每個危險工作區均可以設置工作區半徑，并且每個危險工作區均與危險點基站的硬件ID進行關聯；最后，將變電站內危險工作區的工作半徑、危險類別信息及關聯的危險點基站硬件ID信息存放于每個危險預警器的TF卡內。

這樣一來，當工作人員靠近危險工作區后，其佩戴的危險預警器將與該危險工作區內的危險點基站進行通信。危險預警器發送的數據包中包含有危險預警器的硬件ID和危險預警器中的系統時間，危險點基站收到危險預警器發送的數據包后將會進行響應，危險點基站發送的數據包中包含有危險點基站的硬件ID和危險點基站收到數據包的時間和危險點基站發送數據包的開始時間。危險預警器解析收到的危險點基站發送的數據包，從中解析出危險點基站ID及用于測距的參數，接著根據測距算法計算與危險點基站的距離，通過基站ID在本地TF卡內查找該危險工作區的半徑，然后再將測距距離與危險區工作半徑比對，即可知道自己是否處在危險工作區邊界。通過多次連續通信即可判斷當前的運動狀態（如離開、進入或駐留），并根據危險工作區和運動狀態播放TF卡中存放的相應預警語音。定制化主動式危險預警語音播放流程如圖3所示。

圖3 定制化主動式危險預警語音播放流程

3 系統實現

本系統由危險點基站、危險預警器、提示語音生成器及管理平臺組成。

3.1 危險點基站

危險點基站是一個提供危險預警器測距服務的設備，該設備通常固定放置于危險點中心，當有危險預警器進入到其無線信號范圍內時，可提供給危險預警器測距服務。每個危險點基站都會在內部定義一個系統內唯一的ID作為其硬件ID，用于在通信中進行身份識別。

危險點基站支持室內外不同復雜環境、不同場景精度要求的部署安裝，用于標識危險區域。

危險點基站的主要部件為CPU、UWB模塊、撥碼開關、鋰電池、電池充電／電源管理、LED指示燈。主要操作邏輯由CPU進行，主要提供給預警器測距服務，其長時間處于監聽無線信號的狀態，當收到預警器的測距請求時，進行回復；鋰電池和電池充電／電源管理電路，用于給其他部分供電；撥碼開關用于給該基站設置編號；LED指示燈用于指示設備充電和運行狀態。危險點基站原理框圖如圖4所示。

圖4 危險點基站原理框圖

3.2 危險預警器

當佩戴了安裝危險預警器安全帽的作業人員靠近施工作業危險區域時，危險預警器就會自動播放自定義的危險提示語音。每個危險點基站都會在內部定義一個系統內唯一的ID作為其硬件ID，用于在通信中進行身份識別。

危險預警器主要部件為CPU、UWB模塊、音頻功放、喇叭、TF卡／Flash存儲器、鋰電池、電池充電／電源管理、LED指示燈危險預警器主要部件，如圖5所示。主要操作邏輯由CPU進行，其負責操作UWB模塊進行TWR測距，并根據距離閾值條件播放語音文件；鋰電池和電池充電／電源管理電路，用于給其他部分供電；TF卡／Flash存儲器，用于存放危險區域信息及與危險點基站唯一ID相對應的預警音頻文件，音頻名與危險點基站編號一致，如I1.wav對應進入1號基站危險區時播放的音頻，O3.wav對應離開3號基站危險區時播放的音頻，實現進出危險區域時的主動式定制化提示語音；LED指示燈用于指示設備充電和運行狀態。

圖5 危險預警器主要部件

3.3 提示語音生成器

提示語音生成器則提供自定義危險提示語音生成功能（界面如圖6所示），它可以實現將文字轉換成危險預警器系統能播放的語音格式。

圖6 提示語音生成器界面

4 結束語

在本研究中通過對UWB相關技術的研究，實現基于UWB協議通信和高精度測距，從而達到在變電站建設階段對施工作業人員進行高精度定位和智能化主動語音風險提示。系統現場部署方便，續航時間滿足現場使用需求。佩戴危險預警器的工作人員能夠及時自己進入、離開何種各種危險工作區域，對于在危險工作區域作業的工作人員也能按照一定時間間隔獲取到自己的所在危險工作區域信息，保證了工作人員能夠及時了解當前作業區域是否存在某種作業風險，能夠提高人員安全指數，為變電站施工作業人員的人身安全添加了一重保障。本系統的的應用既可以解決變電站建設階段的作業人員風險預警問題，還可以解決變電站投運階段的運維檢修作業風險問題。