馬娜，靳莉

（北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 引言

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，電力負(fù)荷也隨之增長，電網(wǎng)的峰谷差不斷擴大，用戶對電力安全和質(zhì)量預(yù)期越來越高。抽水蓄能電站作為電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定器，其運行狀況直接影響著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，在電網(wǎng)調(diào)峰、電網(wǎng)儲能、新能源消納和多能互補方面具有重要作用。由于抽水蓄能電站特殊的隧洞施工環(huán)境，一旦發(fā)生危險，救援人員很難掌握隧洞中的實際情況和發(fā)生事故時被困人員的確切位置。因此，抽水蓄能電站中應(yīng)用的人員定位管理系統(tǒng)必須具備精準(zhǔn)測距和定位技術(shù)，而傳統(tǒng)的無線定位系統(tǒng)使用Wi-Fi、藍牙及ZigBee等技術(shù)，基于接收信號強度指示（received signal strength indication，RSSI）對標(biāo)簽位置進行粗略估計，定位精度低、容易受到干擾、定位穩(wěn)定性差，難以適應(yīng)高精度無線定位應(yīng)用的要求。近年來，基于超寬帶（ultra wideband，UWB）無線通信的精確測距和定位技術(shù)備受關(guān)注，得到快速發(fā)展，其擁有傳統(tǒng)定位技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。

2 超寬帶定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，通過納秒或微微秒接收和發(fā)送極窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，具有GHz量級的帶寬。通過在寬頻譜上傳輸功率非常低的無線信號，UWB可以在大約10 m的范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百Mbit/s到數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。UWB技術(shù)具有抗干擾性好、功耗低、傳輸速率快、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)點。目前，美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）開放的頻段是3.1～10.6 GHz，任何?10 dB相對帶寬大于0.2或絕對帶寬大于500 MHz的信號都是超寬帶信號。

其中，fH、fL分別為功率較峰值功率下降 10 dB時所對應(yīng)的高端頻率和低端頻率；fC為載波頻率或中心頻率，fC=(fH+fL)/2。

UWB超寬帶技術(shù)具備了許多正弦載波通信技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，特別是 UWB脈沖的寬度為納秒級，具有較高的時間分辨率和較強的穿透材料的能力。利用超寬帶信號進行定位，采用到達時間（time of arrival，TOA）定位技術(shù)測距，理論上可以達到 cm 級的測距精度，完全能夠滿足精確定位的需求。這種良好的性能為抽水蓄能電站人員定位管理系統(tǒng)的設(shè)計提供了有力的支撐。

3 定位技術(shù)對比

目前存在的多種定位技術(shù)都有其自身的特點和應(yīng)用場合，常見的無線定位技術(shù)的對比見表1。

經(jīng)過表1中的分析，可以得出UWB定位精度為厘米級，相比于其他定位方式更加精準(zhǔn)，更重要的是，由于 UWB信號的特點，決定了在變電站這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中的精度不會降低，并且在計量、設(shè)備保護和通信系統(tǒng)上不會受到干擾。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

抽水蓄能電站中人員定位管理系統(tǒng)由定位硬件設(shè)備、中心數(shù)據(jù)處理硬件設(shè)備、中心網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、系統(tǒng)軟件、后臺服務(wù)軟件、應(yīng)用服務(wù)軟件組成。人員定位系統(tǒng)通過前端硬件設(shè)備采集信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備上傳至服務(wù)器，監(jiān)控中心根據(jù)數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確判斷出人員的具體位置。人員定位管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 人員定位管理系統(tǒng)架構(gòu)

表1 無線定位技術(shù)對比

5 定位原理

由于抽水蓄能電站對人員定位的高精度要求，在實際應(yīng)用中通常有兩種工作模式：一種是高精度測距的 TOA模式；另一種是大容量的TDOA（time difference of arrival，到達時間差）模式。

5.1 TOA工作原理

TOA是通過測量被測點發(fā)出的信號到達3個以上參考節(jié)點接收機所需的時間，得到發(fā)射點和接收點之間的距離，然后將接收機作為圓心，測量距離作為半徑畫圓，3個圓的交點是被測量點的位置。如要系統(tǒng)實現(xiàn)一維定位，在布設(shè)基站時至少需要保證每個標(biāo)簽被兩個基站信號覆蓋；如果系統(tǒng)要二維定位，在布設(shè)基站時至少需要保證每個標(biāo)簽被3個基站信號覆蓋。TOA定位原理如圖2所示。

圖2 TOA定位原理

5.2 TDOA工作原理

TDOA定位通過測量無線電信號到達不同基站天線單元的時間差，對發(fā)射無線電信號的發(fā)射源進行定位，從而得出信號源的準(zhǔn)確位置。定位過程是從基站將同一時間測量同一信號得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至主基站，主基站分別計算出無線電信號到達兩個基站天線的時間差，將兩站之間的時間差轉(zhuǎn)換為距離差，可以得到一條雙曲線，通過3個或多個無線電基站測得的時間差可得到兩條或多條雙曲線相交，實現(xiàn)對發(fā)射源的定位。如系統(tǒng)要實現(xiàn)一維定位，在布設(shè)基站時至少需要保證每個標(biāo)簽被兩個基站信號覆蓋；如果系統(tǒng)要二維定位，在布設(shè)基站時至少需要保證每個標(biāo)簽被3個基站信號覆蓋。

主基站A定時對從基站B和從基站C進行周期性的時間校準(zhǔn)，并且將校準(zhǔn)信息回傳給服務(wù)器。標(biāo)簽T開啟后按照事先設(shè)定好的刷新率周期性的向外發(fā)送定位信息，基站收到標(biāo)簽的定位信息后回傳服務(wù)器。TDOA定位原理如圖3所示。

圖3 TDOA定位原理

6 抽水蓄能電站中的應(yīng)用

抽水蓄能電站系統(tǒng)采用超寬帶定位技術(shù)，通過人員定位管理系統(tǒng)對施工人員進行定位、跟蹤。人員定位系統(tǒng)通過基站接收到標(biāo)識卡發(fā)出的信號，監(jiān)控中心根據(jù)信號到不同基站間的傳輸時間準(zhǔn)確判斷出人員的具體位置信息，系統(tǒng)可以在各種環(huán)境下獲得定位數(shù)據(jù)，基本不受洞室群環(huán)境的影響。可根據(jù)洞室內(nèi)各施工區(qū)域?qū)嶋H情況繪制主要監(jiān)控區(qū)域、特殊區(qū)域電子地圖，隨著各施工區(qū)域內(nèi)人員的移動，系統(tǒng)軟件中各區(qū)域人數(shù)會隨時更新；通過二維定位對現(xiàn)場人員在洞室中的位置進行定位，并將其運行軌跡在電子地圖上進行形象直觀的動畫回放。事故發(fā)生時，可以迅速確定相關(guān)遇險人員的數(shù)量，準(zhǔn)確定位事故地點。

抽水蓄能水電站雖然地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣，但建筑結(jié)構(gòu)分類卻十分清晰。目前可采用以下幾種方式進行定位。

6.1 一維定位

一維定位是單軸方向上的定位，也可稱為“直線定位”，能夠精確定位標(biāo)簽在直線上的運動軌跡。

在定位區(qū)域內(nèi)，標(biāo)簽定時（通信頻率可設(shè)置）和基站進行測距，系統(tǒng)拿到標(biāo)簽與基站的時間差后畫雙曲線，已知（X，Y）中的一個變量，通過解方程求另一個變量。如圖4所示，兩個圓的交點就是標(biāo)簽的位置。

圖4 一維定位原理

一維定位方案的基站之間的距離為80～100 m，標(biāo)簽至少被兩個基站覆蓋到。一維基站布置方案如圖5所示。

圖5 一維基站布置方案

一維定位一般適用于長隧洞類型，包括交通洞、通風(fēng)洞、導(dǎo)流洞等隧洞。隧洞的特點是長度較長，寬度相對于數(shù)千米的長度而言，基本可以忽略；尾閘洞、排水廊道等洞室，因其寬度較窄，一般也被歸為長隧洞類型。定位精度可以達到1 m以內(nèi)。

6.2 二維定位

二維定位能夠精確定位標(biāo)簽在兩個坐標(biāo)軸上的位置，也稱為“平面定位”，可反映標(biāo)簽的平面運動軌跡。二位基站布置方案如圖6所示。

圖6 二位基站布置方案

二維定位基站的布置可根據(jù)現(xiàn)場情況間隔35～50 m部署基站，在定位區(qū)域任何地點至少有3個基站可以照顧到標(biāo)簽。

二維定位一般適用于長寬比例差不多并且很大型的定位區(qū)域，如電廠廠房、廠區(qū)等，其特點是廠房的長度和寬度都比較大（長 100～400 m，寬40～80 m，高30 m左右），空間內(nèi)部署的設(shè)備數(shù)量并不多，但需要精確定位。定位精度可以達到1 m以內(nèi)。

7 結(jié)束語

“十三五”期間抽水蓄能電站建設(shè)的全面鋪開和智能技術(shù)的高速發(fā)展，對信息化的需求越來越高，人員定位系統(tǒng)作為抽水蓄能電站信息化建設(shè)中不可或缺的系統(tǒng)之一，發(fā)揮著十分重要的作用。超寬帶技術(shù)已經(jīng)漸漸成為無線通信領(lǐng)域研究的熱點，必將成為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)，UWB的應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)品的研究步伐也逐漸加快。UWB技術(shù)中的脈沖信號的傳輸功率非常低，只相當(dāng)于一些背景噪聲，并且能夠與其他窄帶信號系統(tǒng)共存，為解決頻譜資源分配和容量問題提供了有效的途徑。未來，UWB技術(shù)將日臻成熟，得到產(chǎn)業(yè)界的大力推廣，也將在抽水蓄能電站中得到廣泛應(yīng)用。

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