基于坐标标定的北斗RTK和UWB的变电站定位技术_宫改花.pdf

CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 48PRODVCT AND TECHNIC产品与技术警，提醒作业人员有触电危险，保护人员设备的安全，既有效避免作业时安全事故的发生，还为电网的安全运行提供有力的保障。1 目的和意义1.1 现状分析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，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。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与保护。为了更好地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，补足传统围栏网对大型作业工具的保护与警示盲点，研制一套现场作业范围监测预警装置，当作业工器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。0 引言变电站作为电力系统中的重要组成部分，包含多种类型电气设备。在变电站作业时，需要实时对作业人员的位置进行定位，可以有效避免作业人员踏入到危险区域中，也为作业人员的人身安全提供保障。从当前定位技术方面来看，一般由GPS定位技术、北斗卫星导航系统（Beidou satellite navigationsystem）1和Zigbee技术、超带宽定位技术等。这些定位技术在电力系统中的应用，可以有效保障作业人员的安全。但由于变电站环境因素的影响，作业人员在进入危险区域时，无法实现对人员位置的精准定位。因此，本文提出一种北斗RTK+UWB的定位技术，并设计一种变电站作业人员行为管控系统。以此实现对变电站作业人员在室内外作业时的高精度定位需要。同时，该设计还具备综合预警功能，当作业人员或设备靠近带电区域规定距离时立即进行报宫改花 覃磊 康宁 庞瑾 唐荣徽（国网安徽省电力有限公司芜湖供电公司）基于坐标标定的北斗RTK和UWB的变电站定位技术摘要：为解决变电站现场作业时，工作人员误入带电区域以及不清晰作业范围问题、带电设备安全距离不足和人员到位情况定位困难等问题。本文结合UWB(Ultra Wide Band）定位技术和北斗RTK定位技术提出一种无缝定位技术，并在此基础上，对超带宽定位技术和北斗卫星定位技术模式的算法研究，提出一种能够兼容两种定位技术的高精度定位算法。以此实现对变电站作业人员位置的实时定位和作业人员的行为安全监测，达到作业安全风险把控的目的。经实践测试证明，本文提出的定位技术，可以实现对作业人员的实时位置进行高精准定位，同时还具备综合预警报告功能，以此满足变电站对作业人员的定位需要。以期为变电站作业人员的定位研究提供相应的参考。关键词：北斗RTK；综合预警；坐标标定；变电站定位技术；UWB与GNSS融合定位电器工业202304设计排版.indd 562023.4.25 11:39:55 AM2023.04.DQGY 49CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术1.2 项目成果的意义本项目实施可以有效地实现对防误区域的规划及误入带电间隔的设备、人员的实时监测、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。同时也解决当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，为电网的安全运行提供有力的保障。2 UWB定位和北斗RTK定位技术2.1 UWB超带宽定位技术该项技术作为一种无载波通信技术之一，在室内定位研究方向得到广泛的应用。该项定位技术能够实现从纳秒到微秒之间不等的非正弦波窄脉冲，进行数据信息传输。同时，结合美国FCC相关章程来看，该项技术的应用频率范围一般在31106GHz之间的7.5GHz。并且，超带宽技术还是一种Range-based定位，可以实现节点之间的精准定位，此外UWB超带宽定位技术还拥有信号穿透性和抗多径效应特点2。2.2 北斗RTK定位从北斗GNSS定位方式上来看，即在人员或设备上安装定位终端，定位终端与卫星进行数据交互，从而实时定位终端的准确位置（包括高程）。从其定位技术原理方面来看，该定位系统的设计主要采用GNSS高精度定位监控终端，可实现北斗GPS双系统毫米级定位，并能将该定位信息通过GPRS上报到指定平台，可实现对人员、车辆或其他设备的时间精确位置的监控。同时，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+0.5ppm，高程定位精度达5mm+0.5ppm。因此，在变电站运维管控和生产作业等方面应用时，利用GNSS增强定位能够对变电站信息采集，保障作业人员自身的安全，从而实现高精度的作业水平3。具体如图1所示。图1 GNSS高精度定位示意图3 基于北斗RTK+UWB的变电站定位技术研究3.1 实时动态测量分析实时动态测量技术（Real Time Kinematic，RTK）4作为北斗系统中的一项重要技术，主要是以相对定位为根本，借助基准站和流动站等两者之间的协同作业来实现。其工作流程主要为：当基准RTCM差分电文数据移动端GNSS接收机GNSS基站loT/4G/V2X等通讯链路电器工业202304设计排版.indd 572023.4.25 11:39:56 AM2023.04.DQGY 50CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术站在接收到北斗卫星所观测的数据之后，通过该计算差分改正数，并将数计算之后得到的正数，或观测得到的基准站原始观测数据等进行编码处理，并将其传送到流动站当中。而流动站在实时获得由基准站得到的差分改正数或通过北斗卫星所观测到的原始伪距观测值数据、载波相位观测值数据和位置数据等，利用相关软件对其进行解码处理，以此可以借助相对定位的原理，实时地计算出变电站作业人员的三维坐标。而从多模定位技术和北斗定位对比来看，多模定位技术可以连接更多的卫星，从而构成大量的冗余观测数据，这样一来借助该数据之间的特性，能够有效降低整周的模糊度的搜索区间，并进一步加快模糊度的搜索速度。此外，多频组合的观测值拥有长波长和弱电离层延迟与低噪声等优点，在整周模糊度固定方面应用存在非常明显的优势。所以，北斗多模多频RTK技术的应用，能够实现精准、快速的高精度实时动态定位。3.2 室内外一体化定位模型设计为了能够有效保障变电站作业人员的人身安全，可以选择利用可穿戴智能手段结合室内外定位技术实现对变电站作业人员的位置进行高精准定位。不过，面对变电站的复杂环境，传统的北斗导航系统，民用版室外定位精度一般在10m左右，且在室内无法实现对定位信号的接收，因此无法充分满足高精度定位的需要。所以，本文提出一种可以解决变电站这一特殊场景的高精度定位技术，该定位技术的设计融合北斗RTK和UWB超带宽定位技术，使得在室外定位时，借助北斗系统定位时，可以使得其定位精度达到20cm左右。同时，UWB超带宽技术的应用，解决了室内无法实现对北斗信号接收的问题。只需要在设计过程中增加一个UWB基站，就可以在UWB区域定位方面形成一个覆盖面积为50m50m的范围，使得北斗信号得到延伸，将其精度扩展到30cm左右。然后，利用混合定位算法，实现室内外定位结果的输出。而北斗RTK+UWB的变电站定位技术模型，主要由室外北斗地基增强网、北斗定位终端和可穿戴移动设备、UWB室内基站等方面构成，具体如图2所示。图2 北斗RTK+UWB的变电站定位模型设计示意图3.3 系统总体架构设计基于北斗RTK+UWB的变电站定位模型设计的变电站作业人员行为安全管控系统，主要划分成4个层次：感知层、应用层、平台层与网络层等。其中，从感知层方面来看，包含北斗定位终端设备、可穿戴移动设备、UWB基站等终端，通过感知得到第一手数据，由北斗卫星、无线网络等实时上传到不同数据中台和业务中台中，数据处理之后，可以全面应用于变电站作业人员的作业行为安全系统当中，从而使得该系统具备精准定位功能、智能综合报警功能、状态监测功能和身份绑定功能与配置管理等，具体如图3所示5。图3 系统总体架构设计示意图UWB定位基站UWB定位基站UWB定位基站UWB定位基站北斗基准站北斗定位终端北斗定位终端蓝牙蓝牙服务器可移动穿戴设备可移动穿戴设备变电站人员安全管控数据中心无线专网无线终端UWB基站可移动设备高精度北斗定位巡检机器人通信卫星电力光纤网变电站无人机自主巡检变电站机器人巡检北斗卫星综合应用服务电网资源业务平台电器工业202304设计排版.indd 582023.4.25 11:39:57 AM2023.04.DQGY 51CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术3.4 系统主要功能模块设计基于北斗RTK+UWB定位技术设计的变电站作业人员管控系统，主要由数据源模块、作业前路径规划模块以及数据统计分析模块和异常监控决策模块等四个部分构成。3.4.1 数据源模块该模块的设计主要由电子地图、高精准定位系统、视频监控系统等三个方面构成，实现对变电站的作业人员的位置和人身体征信息等方面机械能实时地监控，从而保障作业人员的人身安全。3.4.2 路径规划模块该模块的设计主要结合变电站作业人员的作业任务进行变电站作业运维路径规划设计，以此为作业人员的作业前进路线生产安全的路径，并严格限制作业人员进入变电站危险的区域。3.4.3 数据统计分析模块数据统计分析模块的设计主要实现对变电站作业人员的异常作业行为以及存在的问题进行分析，从而使得变电站监控部分的管控覆盖率得到进一步的提高。3.4.4 决策模块该模块设计，在变电站作业人员工作发生违规行为时，可穿戴移动设备就可以及时发出报警信号，提示生产作业人员。而智慧人员可以借助系统的监控功能，实现对变电站作业人员的违规操作等行为，进行提取和分析，从而作出相应的应急干预和决策，可以有效避免安全事故的出现。3.4.5 实时定位模块由北斗RTK+UWB构成的变电站定位模块，可实现对变电站作业人员的一举一动操作进行安全把控，可以有效避免不良事故和安全防护不到位的情况出现。同时，可以实现室内外对作业人员位置进行监控。作业人员在作业时，通过佩戴的可穿戴移动设备，针对晕倒、心率异常或者跌倒的作业人员进行及时处理，还可以通过一键报警功能，为救援人员提供高精准的准确位置信息，从而促进其应急处理能力得到提高6。4 实践分析4.1 高精准定位验证为了进一步验证本文提出的北斗RTK+UWB超带宽的变电站定位技术的高精度。以某个220kV的变电站进行节点配置测试，同时还针对站内检修人员位置进行实时的定位。因此，结合变电站检修人员的作业区域布置，分别在无电磁干扰、无遮挡物以及由电磁干扰和有遮挡物等区域当中进行典型位置节点布置设置，以此实现对目标定位的距离测试，并利用统计学特征，得到的测试结果见下表。表 变电站定位技术测试数据结果（单位：m）测试条件距离标准误差标准差均值横向距离0.12300.079589.2570纵向距离0.09360.124027.3895横向距离0，14150.163692.6540纵向距离0.07820.251848.3284横向距离0.02140.029695.3889纵向距离0.00920.012347.2350（注：以上数据仅供参考）从上表来看，当测试环境为无电磁干扰和遮挡物的状况下，本文变电站定位技术的定位误差均在3cm之内。当在有电磁干扰和遮挡物的状态下，其定位误差超过3cm左右，但不会超过25cm。同时，在充分对现场的节点选择布置时，尽量选择无大面积遮挡的地方，并且实际的施工与变电站作业检修时，会导致大面积的停电区域，且电磁的干扰会低于测试时的电磁干扰。因此，定位技术在实际应用过程当中，其误差范围并不会对变电站作业人员的监控与定位等方面造成影响。4.2