廣東電網北斗地基增強系統建設方案及應用分析

焦 炯 陳泓名

廣東電網北斗地基增強系統建設方案及應用分析

焦 炯 陳泓名

（廣州市濼立能源科技有限公司，廣州 510000）

已有的北斗地面基準站不能滿足偏遠地區輸電系統定位需求，需要針對電力系統需求建設北斗地基增強系統。本文以廣東電網為立足點，針對電力系統需求設計了北斗地基增強系統。根據觀測、維護、組網需求規劃了地面基準站點位；采用專有通信鏈路與有線鏈路進行混合組網的方式搭建了網絡傳輸系統；在此基礎上設計了輸電桿塔在線監測系統。通過高精度位移平臺對定位精度檢測，其可以為電網提供毫米級的定位服務。通過110kV輸電桿塔的實際應用，驗證了系統的可用性，為北斗地基增強系統的建設提供了借鑒。

北斗定位；地基增強系統；電力系統；毫米級定位

0 引言

北斗地基增強系統技術在國土、測繪部門已廣泛應用，在交通出行領域也在推行，但在電力系統中尚未形成大規模、系統化的應用。目前國內已有的北斗地基增強系統主要覆蓋人口眾多的城市地區，在人口密集的大城市還會加密部署基準站，在廣大的山區及遠郊地區覆蓋率不足，直接影響定位精度及結果。電力系統的變電站和輸電線路大量分布在遠郊野外地區，因此市面上現有的北斗地基增強系統無法直接為一個完整的省級電力系統提供高精度定位服務。電力行業需要自行建設北斗地基增強系統。

針對電力行業建設北斗地基增強系統，涉及到基準站部署環境、基準站長期穩定性、利用電力通信網絡傳輸時的延時、數據解算以及移動站可靠性等問題。上述問題與測繪領域面臨的嚴重程度完全不同，應用于測繪行業的北斗地基增強系統建設方案并不完全適用于電力行業。針對電力行業的應用場景設計和建設北斗地基增強系統就顯得十分必要[1-7]。

北斗系統是我國自主研發的導航衛星定位系統，具有較高的安全性。已有大量研究將北斗系統應用于電力系統。文獻[8]提出了一種單回不對稱線路分布參數測量方法，利用北斗系統同步時鐘保證兩側參數測量的同步性。文獻[9]利用北斗同步授時技術解決光纖差動保護兩端電流的同步采樣問題。文獻[10]將北斗定位技術應用于輸電桿塔的在線監測，實現了輸電桿塔傾斜、沉降等狀況的自動監測與實時預警，實踐應用證明將北斗定位技術應用于電力系統可以提升電力系統運維的自動化水平。文獻[11]在導航定位衛星地基增強高精度定位系統架構的基礎上，構建了面向智能電網建設的高精度定位增強服務體系，以滿足不同精度、不同場景下的能源互聯網應用需求。文獻[12]對北斗高精定位地基增強系統的標準化建設的目的、技術組成、技術特點、標準化的架構體系和標準的主要內容要素等方面進行了分析，對地基增強系統構建起到指導性作用。文獻[13]對北斗差分定位技術進行了分析，通過差分定位可以實現毫米級的形變量監測，表明通過建設地基增強系統可以顯著提升北斗定位精度。文獻[14]通過對西北地區北斗衛星定位精度進行分析，表明衛星導航精度與衛星空間分布相關，不同地區的衛星覆蓋密度不同，精度也不同。文獻[15]應用載波相位差分技術對輸電桿塔基礎位移進行定位，可以實現輸電桿塔基礎形變毫米級的定位精度。

本文在研究北斗地面基準站的選址方案的基礎上，在廣東電網范圍內選取65個位置，并進行了地面增強基準站建設；設計了以虛擬專有撥號網絡（virtual private dial network, VPDN）為核心的通信組網方式，實現了北斗監測終端采集信息的可靠上傳；通過高精度位移平臺對系統性能進行驗證，系統能夠達到毫米級定位精度；基于本文建設的北斗地基增強系統，開發了一套輸電桿塔在線監測系統，為輸電桿塔結構穩定性的在線監測提供了借鑒；以某110kV輸電桿塔為實施對象，驗證了系統毫米級在線監測精度，驗證了建設北斗地基增強系統的可用性。

1 北斗地面基準站選址

基準站位置需要滿足連續運行、觀測環境要求。為便于設備維護，選址位置應位于交通便利地帶，附近較近處有穩定電源、網絡通信設施較近。為便于點位長期使用，基準站選址應未納入建設規劃，便于點位長期保存與使用。

基準站可選在交通便利、觀測環境安全僻靜的地帶。基準站應遠離鐵路200m，公路100m以上。點位優先選在地面，不宜選在建筑物上，便于水準聯測。

基準站選址的過程中還要考慮抗干擾問題。對于基準站而言，信號干擾可能有多種原因。干擾的強度主要與干擾源頻率、發射臺功率以及發射臺至干擾源的距離相關。改正這些影響沒有實際意義，唯一可行的方法是選點時仔細注意，盡量削弱電磁波的輻射干擾。應遠離大功率的無線電發射裝置、電視臺、微波站、通信基站和附近雷擊區，距離應在300m以上；遠離高壓輸電線路和微波、無線電信號傳輸通道，距離應在150m以上。

多路徑誤差是定位測量中最為嚴重的誤差，取決于天線周圍的環境。多徑誤差一般為5cm，高反射環境下可達19cm。目前很難將多徑誤差和天線相位中心的變化區分開來，因此，在基準站選點時需要通過一些措施來削弱多徑誤差。選擇地形開闊、沒有反射面的點位，點位周圍不應有強烈反射衛星信號的物體，如大面積玻璃墻、大型金屬廣告牌和大面積水域等。此外，要求點位視野開闊，并且在視場內不宜有高度角大于10°的、成片的障礙物。

點位應選在穩定地質塊體上，點位地面基礎穩定，避開地質構造不穩定地區（如斷裂帶、易發生滑坡與沉陷等局部變形地區）和易受水淹或地下水位變化較大的地區，以便于長期保存點位測量標志。點位不應設立在易發生滑坡、沉陷、隆起、潮濕或地下水位較高等地面局部變形的地點，也不應設立在距鐵路200m，距公路100m內或其他受劇烈振動的地點。

實地采用北斗/全球定位系統（global positioning system, GPS）雙模雙頻接收機進行數據觀測。以1s采樣間隔進行數據記錄，數據記錄時間不少于連續24h。采用TEQC軟件分析實測數據，對記錄得到觀測的數據導航定位衛星跟蹤數量、通信信號信噪比、傳輸數據可用率等指標進行處理和分析。如果不能滿足相關規范的要求，應進行重新選址，并重新觀測。當載波相位數據利用率小于80%時，應變更站址。如果多路徑指標MPl與MP2分別超過0.3和0.42，應當重新選址。

由于廣東電網地處低緯度地區，所以在參考站的分布設計中，相鄰參考站之間的距離以20～50km左右為較合適的距離控制。另外考慮到廣東電網各地區自然地理情況、經濟發展及建設需求，按照這個參考站分布設計原則，選定65個站點。

圖1 北斗地面基準站選址

根據測算，當定位點所在區域的地面增強基站間距小于20～50km時，可以達到毫米級定位精度。按照上述方案對北斗定位增強基站進行補充建設，可以實現廣東電網范圍內毫米級北斗定位。

2 傳輸網絡規劃

傳輸網絡采用扁平化廣域網設計。省級綜合處理中心作為核心節點，下聯地市級匯聚節點。各地市各基準站通過多業務傳送平臺（multi-service transport platform, MSTP）上聯至省級匯聚節點。省級匯聚區域采用兩臺三層交換機同時運行，將基準站的接入站點分組，單線分別接入到兩臺交換機上。

用T3或T4級別機房的機柜作為匯聚節點，放置一臺2U匯聚交換機設備，并部署一臺同型號交換機作為備份。將省內站點通過運營商MSTP 2M通信專線交叉匯聚到一個匯聚點，并通過兩條運營商通信專線 MSTP 10M連接到北京核心匯聚設備上。

衡量基準站數據鏈路的指標包括以下兩方面：

1）新構建的基準站數據傳輸所使用的數據鏈路通信線路應能夠可靠、穩定地進行數據傳輸。

2）基準站與系統控制中心站之間數據傳輸的平均網絡延時不應超過500ms。

圖2 傳輸網絡規劃

廣東電網北斗衛星地面增強系統通信組網數據傳輸主要通過VPDN專有通信鏈路與有線鏈路進行混合組網的方式。在條件成熟地區通過有線方式接入廣東電網信息內網。在有線鏈路無法覆蓋地區，通過VPDN專有通信鏈路將基準站數據傳輸到數據中心。

基準站VPDN網絡租用高速寬帶IP網絡。該網絡在技術上定位為IP優化的光學網絡，以光纖作為主要的信息傳輸介質，以IP為主要通信協議。主干層可以承載2.5Gbit/s帶寬，設備的無阻塞交換容量為80Gbit/s，具有足夠的能力來滿足高速端口間的無丟包線速交換。

各個基準站分處各地，采用多協議標簽交換（multi protocol label switching, MPLS）實現VPDN。基準站、數據中心接入點網絡分別以10M/100M/ 1 000M寬帶速率接入。

基準站與數據中心構建一個環形的VPDN專用網絡。基準站接入帶寬為512kbit/s，數據中心接入帶寬為2Mbit/s，網絡各個節點間可以互相訪問。數據中心配光纖分線盒、光纖收發器設備。光纖分線盒分出光纜的兩芯，一芯接入光纖收發器設備，另一芯作為系統擴展備用。光纖收發器接入機房交換機設備。基準站的接收機分配獨立的網際互連協議（internet protocol, IP）地址，通過路由器非對稱數字用戶線路（asymmetric digital subscriber line, ADSL）撥號的方式與VPDN網絡連接。數據中心計算機、網絡設備分配獨立的IP地址，通過交換機，進入網絡。節點間網絡管理由網絡運營商統一負責。

網絡安全方面，通過基于標記交換的轉發，采用MPLS標簽機制克服傳統路由技術上存在的地址欺騙隱患；MPLS VPDN的邊界網關協議（border gateway protocol, BGP）保證了用戶路由表和公網路由之間的有效隔離，客戶僅僅能接觸到自己的路由表，進而實現用戶信息安全。

用戶服務數據發播網絡通過兩種方式向外界用戶發播數據，即以4G-APN方式向流動用戶發播實時差分改正數據，并通過因特網（Isnternet）以超文本傳輸協議（hyper text transfer protocol, HTTP）服務形式向用戶提供事后下載基準站數據的界面。

3 輸電桿塔在線監測系統

輸電桿塔在線監測系統結構如圖3所示，包括感知層、數據傳輸層和應用控制層。

感知層由傳感器構成。在具體的應用中包括了安裝在輸電桿塔上的北斗短報文傳輸傾角傳感器和北斗高精度定位傳感器，以及地面工作基站。

數據傳輸層為移動4G-APN網絡，將導航衛星通信數據以10s一次上傳。基站以有線專網接入，采用運營商專線，帶寬為10Mbit/s。

應用控制層包括數據處理中心和可視化界面。數據處理中心的功能包括：①根據北斗傳感器定位信息和基站信息得到北斗高精定位信息；②綜合分析傳感器提供的信息，根據變化趨勢、變化量等數據為用戶提供預警信息。可視化界面將數據中心得到的歷史/實時監測信息以及告警信息呈現給用戶。

圖3 輸電桿塔在線監測系統

輸電桿塔北斗監測終端安裝方式如圖4所示。監測終端包括北斗導航衛星接收機天線、太陽能電池板、控制箱和蓄電池箱。北斗導航衛星接收機天線用于與導航衛星之間的通信。太陽能電池板。蓄電池箱主要用于安裝蓄電池。蓄電池用于對光伏組件出力的波動性與間歇性能量供應進行補充。控制箱安裝有數據處理終端、能量管理單元和通信單元。數據處理終端用于解算導航衛星天線數據。能量管理單元用于管理太陽能電池板與蓄電池，為測量終端提供能源。通信單元用于測量終端將數據接入數據傳輸網絡。

圖4 北斗監測終端安裝

北斗監測終端通過北斗定位天線實現桿塔傾角、位移監測。北斗定位天線直接固定于桿塔本體上，其通過角鋼構建的三角形支架突出桿塔本體，以便于接收導航衛星信號。另外，監測終端與輸電線路帶電部分需要根據輸電線路電壓等級，保持足夠的安全距離。

4 系統性能驗證

選取某建筑物屋頂為天線基礎，對北斗高精定位系統的性能進行測試。本文選取的位置基礎穩固，上方無遮擋物。北斗接收機天線距離地面10m左右，與輸電桿塔天線安裝位置接近，能夠有效模擬輸電桿塔北斗定位天線實際情況。

將北斗接收機天線安裝在高精度位移平臺上。高精度位移平臺可以實現在3個坐標軸上±12.5mm的位移。測量誤差小于3mm。性能驗證裝置如圖5所示。

圖5 性能驗證裝置

分別在3個坐標軸方向上調整高精度位移平臺，并對測量結果進行分析。北斗高精定位系統水平方向上定位誤差為3mm±0.5ppm，垂直方向上定位誤差為5mm±0.5ppm。北斗高精定位系統可以達到毫米級的定位精度。

后臺毫米級定位數據測量頻率為每小時一次。不能實現快速測量，難以滿足桿塔或導線風擺定位的要求。

5 系統應用

某110kV線路桿塔位于丘陵地帶半山坡處。根據市政部門規劃，該桿塔東北方向50m處有道路施工作業，需要進行隧道的開挖且伴隨爆破工作。桿塔地理位置圖如圖6所示。

圖6 桿塔地理位置

輸電桿塔位于丘陵地帶且降水量較大，施工作業有可能引發桿塔滑移與傾斜。輸電線路運維單位將該桿塔作為重點管控對象，并為其配套了在線監測系統。塔身和邊坡各設一個北斗高精度定位傳感器，用于監測塔身和邊坡的位移、沉降趨勢。

北斗監測終端測量數據如圖7所示。圖中3條曲線分別代表相互垂直的3個方向上的測量終端位移量數據。在應用實例中，3個方向分別為垂直方向、垂直導線水平方向、平行導線水平方向。由于本系統測量精度為水平方向上定位誤差為3mm± 0.5ppm，垂直方向上定位誤差為5mm±0.5ppm，圖中數據變化的主要來源為測量誤差。根據北斗高精度定位傳感器得到的數據，輸電桿塔塔身及邊坡定位數據變化量小于5mm，塔身和基礎結構比較穩定。

圖7 北斗監測終端測量數據

6 結論

通過針對電力系統應用場景建設北斗地基增強系統，可以解決邊遠地區輸電桿塔難以實現北斗高精定位的問題。通過優化選址方案，可以實現地面基站長期可靠運行，滿足連續觀測需求。通過VPDN專有通信鏈路與有線鏈路進行混合組網的方式實現網絡傳輸，并將電網公司內網作為一種有線傳輸的實現方案，結合電網實際實現了可靠的信息交互。結合電網實際應用，證明系統可以實現輸電桿塔毫米級的形變監測。

本文基于廣東電網建設了北斗地基增強系統，對地面基準站分布、通信組網方案進行設計，并通過輸電桿塔在線監測系統驗證了所建立的系統可以為電網提供毫米級的定位服務。本文提出的北斗地基增強系統建設方法具有較大的參考意義。

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Construction scheme and application analysis of Beidou ground-based augmentation system in Guangdong power grid

JIAO Jiong CHEN Hongming

(Guangzhou Luoli Energy Technology Co., Ltd, Guangzhou 510000)

The existing Beidou ground reference station can not meet the positioning requirements of thepower transmission systemwhichlocates in remote areas. Therefore, it is necessary to build a ground-based augmentation system for the power system. Based on Guangdong power grid, this paper designs the Beidou foundation reinforcement system according to the power system demand. According to the requirements of observation, maintenance and networking, the ground reference stations are planned. The network transmission system is built by using the mixed networking of proprietary communication link and wired link. On this basis, the transmission tower on-line monitoring system is designed. Through the high-precision displacement platform to detect the positioning accuracy, it can provide millimeter level positioning service for the power grid. Through the practical application of the 110kV transmission tower, the availability of the system is verified. It provides a reference for the construction of Beidou foundation strengthening system.

Beidou positioning; ground-based augmentation system; power system; millimeter level positioning

2020-06-30

2020-07-29

焦 炯（1988—），男，廣東省廣州市人，工程師，主要研究方向為輸電系統管理、電力系統信息管理。