基于BDS 的電力安全管控云平臺設計

周恩澤，朱空軍，許海林，鄂盛龍，向 諄 ，吉麗婭，黎 淼

（1. 廣東電網有限責任公司 電力科學研究院，廣州 510620；2. 廣東滿天星云信息技術有限公司，廣州 510130）

0 引言

電力安全是電力行業運行和發展的根本。我國電網線路覆蓋范圍廣、覆蓋區域地形復雜并且自然環境多樣，為了及時掌握線路的運行狀況，迅速排除線路的潛在隱患，電力部門需要安排大量的人員及監測設備用于安全巡線工作[1]。近年來，隨著無人機技術的快速發展，采用無人機對輸配電線路進行電力巡檢作業，得到了研究人員的重視，但人工定期巡線仍然是現階段運用最廣泛的巡線方法；此外，面對眾多的輸電線路基站，無人機巡檢內容仍不夠充分，對電力人員和設備實施安全管控成為1 個備受關注的問題[2-3]。

北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）是我國自主研發的全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS），時至今日，BDS 已可為整個亞太區域提供全天候、全天時、高精度的定位、導航、授時等服務[4-5]。全球定位系統（global positioning system，GPS）會因為某些時段接收的衛星數過少，而無法進行導航定位；而 BDS 空間段采用地球靜止軌道（geostationary Earth orbit, GEO）、傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）及中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）3 種軌道衛星組成的混合星座，與GPS 等其他衛星導航系統相比，高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區，這個特點更具有優勢。電力安全管控區域復雜，高原、山區等屬常見地形，利用BDS 對人員及設備安全進行管控是非常合適的現有技術手段[6-8]。國家電網公司和南方電網公司，近年來不斷推進BDS 在電力行業的研究和應用，面向發電、輸電、變電、配電、用電等多種不同場景，形成了“北斗+電力”的多種應用方案，許多學者也為BDS 在智能電網中的應用進行了積極探索：文獻[9]對 BDS地基增強技術在電網高精度地理位置服務中的可用性進行了探討；文獻[10]分析了BDS 高精度位置服務的數據誤差源；文獻[11]研發了巡檢人員與車輛配置的BDS 智能終端，用于實現配電網人車導航定位；文獻[12]采用 BDS 精確定位技術，監測輸電線路桿塔基礎位移。然而，現有BDS 高精度地理位置服務的應用方式仍比較單一，缺少與大數據、物聯網等新技術結合。就我國現有電力安全管控技術而言，尚未形成與大范圍人員管控、設備監測相適應的技術體系，尚不能有效滿足我國電力人員及電力設備安全管控所需要的高精度、低時延、全方位的要求。為此，本文基于BDS 高精度位置服務，構建了電力安全管控精準服務體系架構，以期為從業人員及電力設備智能化管控和監測提供技術支撐。

1 精準服務體系架構

本文構建的面向智能電網的BDS 高精度位置服務體系，以電力安全管控云平臺為核心，將BDS衛星導航、地理信息系統（geographic information system，GIS）、物聯網、大數據等技術與電網業務深度融合，利用BDS 精準定位數據，實現電力外業作業人員精細化管理和合理調配，電力設備毫米級監測。該體系包括 3 個主要部分：BDS 衛星實時監測系統、電力安全管控云平臺、移動端智能安全帽及前端業務系統，如圖1 所示。

圖1 精準服務體系架構

如圖1 所示，BDS 精準服務體系包括實時監測系統、電力安全管控云平臺以及移動端/業務系統3 部分。其中，實時監測系統為BDS 衛星及地面站點構建的定位監測網，利用實時動態載波相位差分（real - time kinematic, RTK）等技術實時傳輸基準站觀測數據；電力安全管控云平臺包括數據層、服務層和應用層，數據層匯聚基準站觀測數據、衛星解算數據、物聯網接入數據、2 維（2D）/三維（3D）基礎地理信息數據等多源數據，存儲于非關系型數據庫，并基于Web Server 提供數據及功能服務；移動端系統服務于電力人員現場作業，裝載于自主研發的“智能安全帽”，此外，前端業務系統與電力安全管控云平臺具有雙向通信、無縫銜接功能。

“智能安全帽”是精準服務外業現場人員的全新部件，主要組成部分有GNSS 模塊、網絡模塊、系統級芯片（system on chip，SOC）主控系統、語音播報系統。其中：GNSS 模塊采用 Ublox ZEDF9P 模塊，該模塊支持GPS、日本準天頂衛星系統（quasi-zenith satellite system, QZSS）、格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system,GLONASS）、伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）及 BDS 5 種系統，支持雙頻天線；SOC 主控系統采用海思的Hi3516EV300 平臺。在充分調研用戶多元化操作需求的基礎上，該部件主要涵蓋以下性能：揚聲器，為用戶提供聲音服務，如報警、狀態提示等；螺旋天線方案，有效降低產品尺寸；圓柱電池，擁有防反插的功能，電池容量4 800 mAh，單節可提供8 h 以上的作業時間；擁有高精度定位模塊，提供穩定可靠的厘米級定位；擁有4G 網絡功能，提供設備與互聯網交互的能力（如衛星定位服務連續運行參考站（ continuously operating reference stations, CORS）數據的獲取、服務器之間的交互等），提供 1 個用戶身份識別卡（subscriber identification module, SIM）插槽，用戶可使用自己的網絡卡；擁有藍牙功能，用戶可在手機端的軟件通過藍牙方式連接設備，進行數據交互；擁有1 個USB Type-C 接口，提供充電、設備配置等功能。

2 云平臺關鍵技術研究

2.1 軌跡數據分析

電力配電線路基礎設施經常發生不同故障，由于線路長、地形復雜，巡檢人員與車輛難以及時尋找到故障地點。為保障巡檢人員、車輛安全，利潤BDS 的高精度位置服務特點，將安全帽得到的實時坐標通過網絡模塊回傳，使用天地圖、或自行發布的符合開放地理空間信息聯盟（open geospatial consortium, OGC）協議的地圖，來實現故障、人員、車輛位置實時監控和厘米級的定位服務，并將結果在地圖上清晰展示出來。

為了實現人員的高精度定位監測，平臺利用BDS 定位模塊，首先獲取單基站差分數據或者CORS 服務器差分數據，但不直接向智能安全帽等移動接收終端發送相關改正信息，而是將所有基準站實時的原始數據發到云平臺控制中心進行解算。控制中心解算軟件在統一處理定位數據的同時，接收由智能安全帽在工作前發送的 1 個單點定位坐標，然后根據該點坐標信息，自動選擇1 組最佳的基準站，計算改正衛星的軌道誤差、電離層誤差、對流層和大氣折射引起的誤差等，然后將高精度的差分信息發給外業前端。

管理員可在 Web 端選擇特定外業人員進行軌跡回放，并基于軌跡分布挖掘出作業人員在不同時間段的工作情況，從而達到對現場作業人員進行安全監控、管理及績效考核的目的，其具體業務邏輯如下：①利用GNSS 模塊實現人員坐標定位；②人員定位坐標回傳（回傳時間間隔可設置，如1、5、30 s）；③對作業人員可以按時間及區域進行軌跡查詢；④軌跡數據預處理及挖掘；⑤作業人員工作情況分析結果。

2.2 遠程指揮協助

電網信息的獲取往往需要內外業協同工作，為實現內外業協同作業研發了遠程連接功能，以第一視角直觀反映現場狀況，方便管理人員進行安全監控和指揮調度。管理員或外業作業人員可以遠程發起實時視頻對講請求，管理人員實時查看了解現場情況，同時通過實時視頻對講與現場人員進行交流，多視角查看現場，分析解決問題，協助完成相關任務。通過地圖展示，可實時掌握作業人員具體位置及工作區域，如遇突發狀況，可快速查閱周邊相關作業人員位置，進而對人員進行及時合理的調度和工作安排，提升響應時間和工作效率。

2.3 電子圍欄告警

“電子圍欄”是1 項用于規避危險作業區的重要安全管控和預警技術。管理人員首先在 GIS 地圖上，虛擬劃定安全電子圍欄區域，并依據電力故障、電壓等級、氣象環境等位置著重標注危險電子圍欄區域。其次，在外業人員手持終端中安裝BDS定位和移動通信模塊，利用衛星定位上傳數據，實現對進出電子圍欄區域的作業人員的安全進行管控和預警。當人員離開安全電子圍欄區域或進入危險電子圍欄區域時，系統會發出警告信息，要求人員返回至指定區域。通過該技術，可在電力作業中實時掌握作業區域內人員的數量、狀態、位置及流量情況等信息，為人員調度和安全維護等提供智能指引。在實驗過程中，該技術的告警平均響應時間不大于3 s。

2.4 沉降監測預警

電力設備運行極易受到周邊發生的山體滑坡、地表形變、沉降塌陷等地質災害影響，目前避免上述影響的手段還是采用人工監測為主，依賴人員的經驗及周期性觀測進行防范。然而，這種方式滯后性明顯，面對突發緊急情況更無法及時預警和實時監管。為實現電力設備地質災害防治的自動化和智能化，將電力設備地質環境監測與BDS、云計算中心、降雨等物聯網設備相結合，實現設備周邊毫米級位置信息和位移變化量地質監測，并實時將監測點位精確位置上傳給監控中心，建立監測預警模型，一旦位移變化超過設定閾值，系統自動實現報警。

針對累積式的地質災害，采用固定時間段采集原始數據，使用后處理解算方式得到更高精度的坐標，其精度可達毫米級，能更好地反映位移累積變化；針對含水量，實時將監測點的含水量上傳給監控中心，并自動上調含水量和實時RTK 位置數據上傳頻率，以達到更及時的監控目的。實時RTK（A1）、后處理解算（A2）、含水量（A3）3 種數據共同構建地基沉降監測的預警模型，其中實時RTK 水平方向標記為A11，垂直方向標記為A12；后處理軟件解算水平方向上連續 5 d 日平均位移速率，標記為A21，5 日累計位移標記為A21，垂直方向上連續5 d 日平均位移速率標記為A23，5 d 累計位移標記為A24；含水量程度標記為A31。電力設備沉降受所選單因子的影響，且各個因子影響不盡相同，本文建立的監測預警模型，實現了多因子定量綜合評價。首先，通過專家打分法，對各因子的原始信息進行定量化處理，經過十幾位學科專家及經驗豐富作業人員的多次討論、修訂與綜合，最后確定各單要素對設備安全性的影響“等級”按等級劃為極危險、高危險、危險、安全4 個等級，同時分別賦值為7、5、3 和1，分級標準如表1 所示。

表1 設備安全監測危險性評價指標分級標準

為充分利用評價數據提供的信息，避免主觀賦權的局限性，本文采用客觀賦權即變異函數法確定各單要素的權值，計算公式為

式中：w為評價因子的權；v為評價因子變異系數；S為評價因子標準差；為評價因子均值；i為評價因子數，i=1，2，3，4；Si為第i項評價因子標準差；為第i項評價因子均值。

采用自然斷點法將預警狀態劃分為3 類，紅色預警、黃色預警及藍色預警。紅色預警屬于報警級，表明監測點出現了風險需及時處理；黃色預警屬于預防級，表明監測點存在風險需排查預防；藍色預警屬于提醒級，表明監測點存在發生風險的可能，需重點關注。

3 實驗與結果分析

本文以廣東省某市為研究區域。管控云平臺部署在廣東電力科學研究院內，可以對研究對象轄區范圍內的電力人員及電力裝置進行安全監測。該平臺以2D、3D 基礎地理信息數據為地圖數據，連接的其他信息包括：300 余座CORS 站的數據，1 000 多個溫度、降雨地面監測站點的數據，行業內全部電力人員手持終端信息、智能安全帽信息，以及野外電力設備信息。

依托BDS 高精度位置服務體系架構，在市內及郊區進行 2 項實時差分解算實驗，以驗證厘米級服務的可靠性。

1）首先進行動態模式下定位精度的測試。選取空曠田間路段，將嵌有衛星接收機設備的智能安全帽交與電力作業人員佩戴，并要求其以 1.2 m/s 的速度沿路段行駛，設置測試時長為30 min，共獲取850 個歷元，動態定位測試效果如圖2 所示。

圖2 動態模式下定位測試軌跡

2）其次進行靜態模式下定位精度測試。同樣選取空曠區域，將衛星接收裝置靜置于地面，設置其數據更新率為1 s，當獲取歷元數達到3 000 個時，停止測試。設接收數據在3D 空間坐標X、Y、Z分量的內符合精度為σ1、σ2、σ3，其計算數學函數為

式中：Δi為數據在3D 空間坐標X、Y、Z3 個分量上的實際計算值與數據平均值之差；n為觀測值個數。利用 MATLAB 對采集數據進行分析，依據式（2）可以計算出X、Y、Z3 個分量上的精度利用MATLAB 對采集數據進行分析，得到水平和垂直方向的內符合精度如表2 所示。

表2 水平和垂直方向的內符合精度 單位：m

圖3 為人員實時監測及遠程可視化對講界面。由圖3 中可以看到，野外作業人員的位置、軌跡及現場環境都可以由后臺系統實時監測，為人員安全、作業分配及作業質量提供了保障。

圖3 人員實時監測對講界面

圖4 為野外設備沉降監測預警界面。由圖4 可以看到該監測點的即時及歷史信息，并直觀顯示安全級別，實現安全信息的智能化分析及可視化展示。

圖4 野外設備沉降監測預警界面

4 結束語

電力安全是電力行業運行和發展的根本，其中，人員及設備安全又是重中之重。針對當前電力行業中對人員及設備安全管控方式比較單一且滯后性明顯的問題，本文提出了1 種基于BDS 高精度位置的安全服務體系架構，以電力安全管控云平臺為核心，結合自主研發的智能安全帽、降雨等物聯網監測站點獲取的信息，對電力人員及電力設備安全進行智能管控。廣東的實際場景驗證表明，本文所提方法具有合理性及較強的可用性。在未來的應用中，以我國第三代北斗衛星導航系統即北斗三號為基礎，基于歷史數據進行多因素、高精度模型預測分析，可以將此模式擴展到包括電力行業在內的其他國家重點行業，為其提供高效、穩定的高精度位置服務。