基于北斗差分定位的導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)用性關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 松，李昊林，劉 明，曹 琪，魏術(shù)豐，盧 揚(yáng)，秦志軍，籍永峰

（國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300）

0 引 言

北斗系統(tǒng)由于其強(qiáng)大的功能受到電力行業(yè)的大力關(guān)注，在電力業(yè)務(wù)領(lǐng)域中的應(yīng)用方案日益廣泛[1]。然而，因?yàn)殡娏I(yè)務(wù)本身所具有的特殊性，北斗系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中依然需要不斷對(duì)其進(jìn)行完善。本文將針對(duì)基于北斗差分定位的導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)用性關(guān)鍵技術(shù)展開更深入的研究。

1 技術(shù)研究框架

本文研究一種基于北斗差分定位的導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示為研究框架，以北斗動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)完成對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、無累計(jì)誤差、安全可靠、智能化等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 研究框架

2 整體設(shè)計(jì)方案

在利用北斗差分定位的基礎(chǔ)上，基于北斗差分定位的導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了低功耗的改進(jìn)處理，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)范要求，每35 min進(jìn)行一次導(dǎo)線狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，時(shí)長(zhǎng)2 min，其余時(shí)刻設(shè)備均處于斷電或休眠狀態(tài)，監(jiān)測(cè)狀態(tài)整個(gè)系統(tǒng)的功耗低至50 mAh（休眠狀態(tài)時(shí)電流只有幾百微安），加上系統(tǒng)配備較大功率的太陽(yáng)能電能補(bǔ)給，能夠做到電能自給自足。設(shè)備一次安裝，長(zhǎng)期使用，可以滿足特高壓輸電線路上的使用要求。

2.1 前端北斗定位設(shè)備

通過將RT-Thread物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應(yīng)用到低能耗的芯片上，可以有效增強(qiáng)電池的使用年限，降低系統(tǒng)功耗，并利用對(duì)采樣周期的配置以及各種任務(wù)的靈活開關(guān)，在非測(cè)量階段對(duì)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的各種任務(wù)予以關(guān)閉，能夠使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗休眠。一般來說，采取專用研制的高速目標(biāo)動(dòng)RTK全頻解算綜合型北斗定位模塊可以進(jìn)行舞動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，將采集后得到的數(shù)據(jù)利用SPI1接口傳輸至STM32L5主芯片上，在運(yùn)用一系列技術(shù)，獲取舞動(dòng)頻率以及相關(guān)幅值等參數(shù)。同時(shí)，可通過SPI2口對(duì)舞動(dòng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密，利用加密芯片提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩潭龋㈦S后向數(shù)據(jù)接收基站傳輸加密后的數(shù)據(jù)，此過程可通過LoRa芯片來實(shí)現(xiàn)。在后臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建在線監(jiān)測(cè)專業(yè)系統(tǒng)時(shí)，可以利用振動(dòng)、線溫以及氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，更進(jìn)一步分析舞動(dòng)數(shù)據(jù)，以此來及時(shí)預(yù)防舞動(dòng)現(xiàn)象[2]。

2.2 北斗基準(zhǔn)站

在北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外的山體基巖上，或變電站、配電所的樓頂，或電力鐵塔上安裝北斗基準(zhǔn)站。圖2展示的是在山體基巖上設(shè)置的基準(zhǔn)站。基準(zhǔn)站坐標(biāo)已知，并長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。基準(zhǔn)站接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過電臺(tái)或4G通信模塊將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送至導(dǎo)線上的北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)裝置，供差分定位解算，以得到導(dǎo)線的高精度坐標(biāo)。基準(zhǔn)站采用太陽(yáng)能供電，配備200 Ah磷酸鐵鋰蓄電池和400 W太陽(yáng)能板，以保證在連續(xù)陰雨情況下，可持續(xù)20天以上穩(wěn)定供電。

圖2 北斗基準(zhǔn)站

2.3 氣象傳感網(wǎng)絡(luò)輔助應(yīng)用

風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量采用微差壓傳感器，同時(shí)為盡可能地采集其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣象狀態(tài)數(shù)據(jù)，針對(duì)該應(yīng)用場(chǎng)景，采用全方位測(cè)風(fēng)速風(fēng)向一體化傳感設(shè)備，同時(shí)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)向、風(fēng)速大小、溫濕度、氣壓綜合數(shù)據(jù)，對(duì)后期數(shù)據(jù)處理、各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判定、運(yùn)動(dòng)發(fā)生原因預(yù)測(cè)有非常大的實(shí)際支撐意義。

如圖3所示為超聲波風(fēng)速風(fēng)向溫濕度高精度一體化氣象站，超聲測(cè)風(fēng)是氣體介質(zhì)方面超聲波檢測(cè)技術(shù)被有效應(yīng)用的一種方法，運(yùn)用空氣中空氣流動(dòng)量對(duì)超聲波傳播速度造成的影響來得到風(fēng)速數(shù)據(jù)。超聲波檢測(cè)方法與以往其他方法相比屬于無慣性測(cè)量，系統(tǒng)中并沒有相關(guān)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)零件，在對(duì)自然風(fēng)中陣風(fēng)脈動(dòng)的高頻予以測(cè)量時(shí)更加準(zhǔn)確。在應(yīng)用超聲波進(jìn)行測(cè)量時(shí)，主要利用4個(gè)探頭在二維平面接收和發(fā)送超聲波，這種行為需要循環(huán)進(jìn)行，利用空氣中超聲波的傳播差異性準(zhǔn)確得到風(fēng)向與風(fēng)速信息[3]。

圖3 超聲波風(fēng)速風(fēng)向溫濕度高精度一體化氣象站

特點(diǎn)：（1）全方位測(cè)量，空間任意方向風(fēng)向測(cè)量；（2）獲得風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、濕度、氣壓5個(gè)氣象指標(biāo)，單個(gè)模塊集成多傳感構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，便于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析。

2.4 組網(wǎng)方案

系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖4所示。現(xiàn)場(chǎng)北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)裝置將舞動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照“輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約”進(jìn)行打包，經(jīng)過加密芯片加密后，通過4G通信模塊發(fā)送至國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)接入，4G數(shù)據(jù)設(shè)備經(jīng)過服務(wù)器認(rèn)證，整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護(hù)，安全性比較高，可充分保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

圖4 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

2.5 安全措施

（1）APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)模式：國(guó)家電網(wǎng)公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置APN服務(wù)器，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備使用APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)專網(wǎng)，服務(wù)器與公網(wǎng)Internet隔離，可以有效避免非法入侵。

（2）內(nèi)網(wǎng)卡SIM卡的唯一性：采用內(nèi)網(wǎng)卡授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對(duì)卡號(hào)和APN進(jìn)行綁定，劃定用戶可接入系統(tǒng)的范圍，只有屬于國(guó)家電網(wǎng)公司的SIM卡才能訪問專用APN網(wǎng)絡(luò)。

（3）數(shù)據(jù)加密：可對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過程進(jìn)行加密保護(hù)。舞動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照規(guī)約打包后，進(jìn)一步采用南瑞或普華加密芯片加密后，通過4G方式發(fā)送至國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站。

（4）網(wǎng)絡(luò)接入安全鑒定機(jī)制：采用防火墻軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。

3 主要技術(shù)難點(diǎn)

3.1 實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗系統(tǒng)與電力業(yè)務(wù)多維度適配性精準(zhǔn)分析

難點(diǎn)：此前暫無針對(duì)北斗系統(tǒng)與電力業(yè)務(wù)場(chǎng)景之間性能參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析，并綜合考慮場(chǎng)景、業(yè)務(wù)需求、性能指標(biāo)等多重因素。同時(shí)，北斗技術(shù)在國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)的應(yīng)用還處于起步過程，技術(shù)體系和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還處于進(jìn)一步摸索積累階段，因此進(jìn)行北斗系統(tǒng)與電力業(yè)務(wù)的適配性分析是本項(xiàng)目需解決的難點(diǎn)之一。

解決思路：利用適配性分析技術(shù)，從傳輸時(shí)延、傳輸帶寬、傳輸可靠性、用戶容量、定位精度和時(shí)間精度等多個(gè)性能維度，對(duì)用電信息采集、配電自動(dòng)化通信、電力桿塔變形監(jiān)測(cè)、車輛管理、授時(shí)授頻等典型電力業(yè)務(wù)需求與北斗三代系統(tǒng)的實(shí)際性能進(jìn)行全面的適配性研究分析，形成北斗系統(tǒng)應(yīng)用性能和安全指標(biāo)體系等研究成果。

3.2 建立面向電力業(yè)務(wù)多場(chǎng)景應(yīng)用的北斗系統(tǒng)電力行業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系

難點(diǎn)：目前北斗系統(tǒng)在電力行業(yè)的應(yīng)用處于大規(guī)模推廣階段，電力各業(yè)務(wù)場(chǎng)景中的北斗終端種類和梳理將急劇增加，且性能要求和業(yè)務(wù)需求各異，不同北斗終端與各業(yè)務(wù)原有主站之間的交互方式、接口標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式、供電特性等方面差異化明顯，因此開展北斗系統(tǒng)電力行業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系研究困難較大。

解決思路：本項(xiàng)目基于對(duì)現(xiàn)有各類型北斗終端主要指標(biāo)參數(shù)的梳理及對(duì)未來北斗電力業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)的分析，綜合考慮電力應(yīng)用場(chǎng)景、關(guān)鍵指標(biāo)要求以及北斗與電力業(yè)務(wù)適配度分析結(jié)果，總結(jié)出需要梳理的關(guān)鍵指標(biāo)，從北斗系統(tǒng)在電力業(yè)務(wù)所涉及的定位、短報(bào)文通信、授時(shí)3個(gè)方面需開展重點(diǎn)研究：研究北斗協(xié)議和電力各業(yè)務(wù)主要規(guī)約協(xié)議轉(zhuǎn)換模型、通信性能的優(yōu)化，達(dá)到業(yè)務(wù)間應(yīng)用的準(zhǔn)確匹配和高效兼容；研究北斗終端接口標(biāo)準(zhǔn)，分析BD-ICD衛(wèi)星數(shù)據(jù)解析方法和北斗在電力授時(shí)應(yīng)用接口；研究RINEX、NMEA-0183、RTCM等主要數(shù)據(jù)格式及相關(guān)協(xié)議，便于電力業(yè)務(wù)應(yīng)用的適配及定制開發(fā)，建立北斗系統(tǒng)基于行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)體系[4]。

3.3 高頻率動(dòng)態(tài)位移解算，將位移監(jiān)測(cè)精度控制在厘米級(jí)范圍內(nèi)

難點(diǎn)：一般采用北斗衛(wèi)星定位均為較靜態(tài)的、變化頻率慢的領(lǐng)域，高動(dòng)態(tài)的應(yīng)用場(chǎng)合勢(shì)必會(huì)降低定位精度。

解決思路：定位模塊部分采用高頻衛(wèi)星信號(hào)解算模塊，提高定位監(jiān)測(cè)頻率至10 Hz，同時(shí)采用一個(gè)基準(zhǔn)站對(duì)應(yīng)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備，以提供RTK差分定位數(shù)據(jù)，將定位精度提高到厘米級(jí)范圍。

3.4 能源供給保證長(zhǎng)期穩(wěn)定有效監(jiān)測(cè)

難點(diǎn)：對(duì)于輸電線路上安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，供能問題重要且關(guān)鍵。

解決思路：此應(yīng)用場(chǎng)景下，能源供應(yīng)非常關(guān)鍵，對(duì)于交流特高壓輸電線路，一般可以采用感應(yīng)取電的方式進(jìn)行能源供應(yīng)；對(duì)于特高壓直流輸電線路，則需從功耗、供電模塊、太陽(yáng)能補(bǔ)給等多個(gè)方面考慮，電路部分采用低功耗設(shè)計(jì)，供電部分保障充足的太陽(yáng)能利用率與高穩(wěn)定性。

3.5 導(dǎo)線各類運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷，以及各類運(yùn)動(dòng)參量的區(qū)分提取

難點(diǎn)：對(duì)于輸電線路導(dǎo)線狀態(tài)存在多模組態(tài)，包括微風(fēng)振動(dòng)狀態(tài)。

解決思路：通過序列學(xué)習(xí)的方法，掌握一定量的各類導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特征量，再?gòu)暮蠖诉M(jìn)行特征量的提取，預(yù)測(cè)出當(dāng)前導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)組態(tài)。

4 結(jié) 論

本文深入研究了北斗的技術(shù)特點(diǎn)，準(zhǔn)確分析北斗在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合導(dǎo)線位置狀態(tài)模組及導(dǎo)線舞動(dòng)形成機(jī)理，研發(fā)和應(yīng)用基于北斗導(dǎo)航定位技術(shù)的數(shù)據(jù)采集前端設(shè)備，滿足動(dòng)態(tài)位置監(jiān)測(cè)要求，將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)誤差控制在厘米級(jí)范圍，為電力設(shè)施位移等需要高精度定位的應(yīng)用提供整體解決方案。