北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在電力行業(yè)中的應(yīng)用研究

王浩成，完顏紹澎，于 佳

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222002；2.南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著第三代北斗衛(wèi)星的順利發(fā)射組網(wǎng)和北斗定位導(dǎo)航軟硬件的持續(xù)發(fā)展，北斗系統(tǒng)的民用化發(fā)展正在快速推進(jìn)，將極大地推動(dòng)北斗產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展［1-4］。電網(wǎng)作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，其運(yùn)行的安全性影響國(guó)計(jì)民生，更是電網(wǎng)企業(yè)的“生命線”［5-7］。目前，國(guó)家電網(wǎng)有限公司業(yè)務(wù)領(lǐng)域的定位導(dǎo)航應(yīng)用大多仍采用GPS 終端設(shè)備，無(wú)法保證電網(wǎng)空間信息的安全［8-10］。北斗系統(tǒng)核心技術(shù)自主可控，從根本上保障了電網(wǎng)時(shí)空位置服務(wù)的安全。因此國(guó)家電網(wǎng)有限公司亟待推廣北斗系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，逐步由北斗GPS 兼容過(guò)渡模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K北斗全面替代GPS 模式，消除對(duì)國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，保障我國(guó)電網(wǎng)安全發(fā)展［11］。

國(guó)家電網(wǎng)有限公司已經(jīng)在規(guī)劃、基建、運(yùn)檢、營(yíng)銷、調(diào)度等業(yè)務(wù)領(lǐng)域不斷挖掘探索北斗與電力業(yè)務(wù)融合［12］。在運(yùn)檢業(yè)務(wù)領(lǐng)域，桿塔監(jiān)測(cè)和地災(zāi)監(jiān)測(cè)以及無(wú)人機(jī)巡檢等業(yè)務(wù)提出了厘米級(jí)至毫米級(jí)的高精度定位需求［13］；在基建業(yè)務(wù)領(lǐng)域，人員管理、車輛管理等業(yè)務(wù)內(nèi)容米級(jí)的定位需求；在營(yíng)銷業(yè)務(wù)領(lǐng)域，“營(yíng)配貫通”、資產(chǎn)設(shè)備管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用提出了米級(jí)定位需求，在無(wú)公網(wǎng)覆蓋的邊遠(yuǎn)地區(qū)，電力業(yè)務(wù)所需實(shí)時(shí)通信要借助北斗系統(tǒng)短報(bào)文進(jìn)行通信；在調(diào)度業(yè)務(wù)領(lǐng)域，當(dāng)前智能電網(wǎng)、特高壓超高壓電網(wǎng)的建設(shè)對(duì)電網(wǎng)時(shí)間同步的精準(zhǔn)度正從過(guò)去的微秒級(jí)提升到納秒級(jí)，因此必須為電力系統(tǒng)配置安全穩(wěn)定的高精度授時(shí)設(shè)備。建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)是國(guó)家電網(wǎng)有限公司的核心任務(wù)，開展基于北斗系統(tǒng)的電力場(chǎng)景應(yīng)用，是立足于軍民融合國(guó)家戰(zhàn)略和國(guó)家電網(wǎng)有限公司發(fā)展的需求，也是建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)的重要舉措。

針對(duì)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在電力行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和研究，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際業(yè)務(wù)需求積極探索北斗系統(tǒng)在能源時(shí)空管理及信息安全、全球能源物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和電網(wǎng)運(yùn)行中各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，為北斗應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)，通過(guò)市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)北斗技術(shù)不斷創(chuàng)新，推進(jìn)北斗全球化進(jìn)程。

1 電力北斗系統(tǒng)

1.1 電力北斗時(shí)空智能服務(wù)體系

電力北斗時(shí)空智能服務(wù)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力北斗時(shí)空智能服務(wù)體系架構(gòu)

電力北斗時(shí)空智能服務(wù)體系的建設(shè)規(guī)劃主要包括3個(gè)部分。

1）基礎(chǔ)建設(shè)。通過(guò)“北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)”與“北斗統(tǒng)一時(shí)頻網(wǎng)”的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，北斗時(shí)空智能綜合服務(wù)平臺(tái)、能源專業(yè)地圖、能源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等服務(wù)平臺(tái)體系建設(shè)以及與芯片、通信、安全等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)融合研制北斗芯片、板卡、模組等基礎(chǔ)類產(chǎn)品，全面強(qiáng)化電力行業(yè)北斗基礎(chǔ)服務(wù)能力，初步構(gòu)建電力時(shí)空智能服務(wù)體系。

2）時(shí)空智能應(yīng)用。基于北斗時(shí)空智能服務(wù)的基礎(chǔ)服務(wù)能力，深度挖掘北斗在規(guī)劃、基建、運(yùn)檢、營(yíng)銷、調(diào)度等電力業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)北斗時(shí)空智能服務(wù)與電力業(yè)務(wù)應(yīng)用的深度融合，全面服務(wù)于電網(wǎng)高質(zhì)量的發(fā)展。

3）支撐體系。系統(tǒng)地構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、質(zhì)量評(píng)測(cè)體系、安全保障體系、運(yùn)行服務(wù)體系四大基礎(chǔ)支撐體系，全面服務(wù)保障北斗時(shí)空智能服務(wù)體系建設(shè)。

1.2 北斗綜合服務(wù)部署

北斗綜合服務(wù)部署如圖2所示。

圖2 北斗綜合服務(wù)部署

由圖2 可知，北斗基準(zhǔn)站通過(guò)信息內(nèi)網(wǎng)將原始觀測(cè)值傳送至北斗綜合服務(wù)平臺(tái)的北斗解算服務(wù)模塊；北斗終端通過(guò)省級(jí)安全接入?yún)^(qū)將終端信息、位置數(shù)據(jù)等信息傳送至物聯(lián)管理平臺(tái)，再由物管平臺(tái)上送至北斗綜合服務(wù)平臺(tái)的北斗解算服務(wù)模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)對(duì)終端位置信息進(jìn)行修正獲得精確結(jié)果。北斗綜合服務(wù)平臺(tái)將修正后的位置信息、終端信息等傳輸至數(shù)據(jù)中臺(tái)，再根據(jù)各業(yè)務(wù)應(yīng)用需求形成數(shù)據(jù)服務(wù)對(duì)外提供服務(wù)，同時(shí)將相關(guān)信息傳送至總部北斗衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。北斗終端可以通過(guò)統(tǒng)一的協(xié)議對(duì)接物管平臺(tái)，也可以通過(guò)邊緣代理轉(zhuǎn)發(fā)定位信息至物管平臺(tái)。

2 北斗系統(tǒng)在基建領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 北斗在智慧工地中的應(yīng)用

打造基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的基建施工現(xiàn)場(chǎng)示范區(qū)，為作業(yè)施工人員配備搭載北斗工卡、北斗安全帽，為施工車輛、大型施工設(shè)備搭載軌跡監(jiān)測(cè)裝置，采集施工現(xiàn)場(chǎng)人員、機(jī)械、設(shè)備、環(huán)境、車輛的交互信息并通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)北斗在關(guān)鍵人員到崗到位、現(xiàn)場(chǎng)車輛管理、施工作業(yè)安全等功能，加強(qiáng)電力物聯(lián)網(wǎng)感知層建設(shè)與管理、提高工作效率。同時(shí)結(jié)合智慧云工地系統(tǒng)在對(duì)變電站施工場(chǎng)所進(jìn)行區(qū)域劃分，人員也按照工種進(jìn)行不同工作區(qū)域劃分，監(jiān)理管控人員可在基建現(xiàn)場(chǎng)管控軟件上設(shè)定電子圍欄范圍，結(jié)合人員位置信息，當(dāng)作業(yè)人員走出安全區(qū)域或進(jìn)入非本工種工作區(qū)域范圍時(shí)，北斗監(jiān)測(cè)裝置將發(fā)出危險(xiǎn)告警，實(shí)現(xiàn)人員與作業(yè)機(jī)械之間的安全距離實(shí)時(shí)掌握，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全性，使管理人員和作業(yè)人員都能夠明確安全作業(yè)區(qū)域，避免跨作業(yè)區(qū)域情況出現(xiàn)。

2.2 北斗在設(shè)備運(yùn)輸中的應(yīng)用

變電站和居民小區(qū)的增加意味著變電站大型變壓器以及小區(qū)臺(tái)變的增加。在國(guó)家電網(wǎng)有限公司重點(diǎn)物資運(yùn)輸環(huán)節(jié)，大部分物資采用供應(yīng)商直送現(xiàn)場(chǎng)的配送方式，通過(guò)傳統(tǒng)的車載GPS 設(shè)備對(duì)車輛運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，安裝調(diào)試復(fù)雜且缺乏設(shè)備運(yùn)輸環(huán)節(jié)中對(duì)運(yùn)輸質(zhì)量（如顛簸、傾覆等）的監(jiān)控手段。目前，盡管國(guó)內(nèi)部分運(yùn)輸公司已經(jīng)應(yīng)用GPS和沖撞記錄儀等技術(shù)手段來(lái)監(jiān)控大件物資的移動(dòng)定位和記錄運(yùn)輸沖擊情況，但還存在監(jiān)控方式單一、實(shí)時(shí)性不高、集成規(guī)模小等問(wèn)題，無(wú)法提供預(yù)警監(jiān)控、指揮調(diào)度、統(tǒng)計(jì)分析等服務(wù)，針對(duì)重點(diǎn)物資運(yùn)輸監(jiān)控的信息化建設(shè)還有很大的發(fā)展空間。

通過(guò)在運(yùn)輸車輛或變壓器運(yùn)輸箱上安裝重點(diǎn)物資監(jiān)測(cè)裝置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)所運(yùn)設(shè)備的運(yùn)輸參量、地理信息、環(huán)境參量等關(guān)鍵參數(shù)，有效采集設(shè)備運(yùn)送過(guò)程中運(yùn)輸速度、加速度、傾角變化、氮?dú)鈮毫Φ葦?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備水平狀態(tài)，并編碼形成報(bào)文之后，通過(guò)移動(dòng)通信信號(hào)，按照預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔，發(fā)送到平臺(tái)系統(tǒng)；具備沖擊喚醒功能，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置，有效設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程安全，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和危險(xiǎn)預(yù)警；同時(shí)設(shè)備采用低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)置高效能電池，滿足長(zhǎng)途運(yùn)輸供電時(shí)效。

3 北斗系統(tǒng)在運(yùn)檢領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 北斗在智慧工地中的應(yīng)用

目前的無(wú)人機(jī)工程施工管理模式，需要無(wú)人機(jī)操控手操控，需大量人力投入［14］，且主要采用GPS與其他導(dǎo)航系統(tǒng)組合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，但由于技術(shù)限制和精度的影響，難以在電力企業(yè)大規(guī)模應(yīng)用推廣。

北斗具有高精度定位導(dǎo)航能力，無(wú)人機(jī)搭載北斗高精度定位模塊，其導(dǎo)航服務(wù)水平精度小于5 m、高程小于10 m；在電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)支撐下，動(dòng)態(tài)水平精度小于3 cm，高程精度小于5 cm［15］。選取220 kV 線路、500 kV 線路，利用北斗高精度定位技術(shù)、通信和人工智能技術(shù)，圍繞無(wú)人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)作業(yè)流程，對(duì)飛行過(guò)程進(jìn)行全流程實(shí)施監(jiān)管，提高運(yùn)檢專業(yè)遠(yuǎn)程運(yùn)維能力。在北斗精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù)體系的支持下，帶有RTK功能的無(wú)人機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能巡檢［16］。一是無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)，對(duì)輸電線路通道和本體進(jìn)行空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以獲取輸電線路的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)/可見光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，得到每一個(gè)桿塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建精準(zhǔn)三維模型；二是基于電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)提供高精度位置服務(wù)，利用地圖系統(tǒng)結(jié)合輸電線路桿塔三維模型，進(jìn)行航跡規(guī)劃，探索無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航飛行+自動(dòng)避障的巡檢模式；三是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的全自動(dòng)或半自動(dòng)起飛、巡視拍照、降落、充電、高清視頻影像實(shí)時(shí)回傳，通過(guò)人工智能進(jìn)行缺陷識(shí)別，自動(dòng)生成巡檢報(bào)告。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)應(yīng)用架構(gòu)

3.2 北斗在桿塔傾斜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

架空輸電線路，尤其是某些配電線路的鋼管與水泥桿架設(shè)于道路轉(zhuǎn)角處或路邊，易受到車輛撞擊［17］，存在倒桿隱患，且運(yùn)維人員無(wú)法在線路被撞擊的第一時(shí)間了解設(shè)備情況，使得隱患長(zhǎng)時(shí)間存在。目前配電線路水泥桿大多采用加裝緩沖保護(hù)裝置來(lái)防止一般外力破壞。但如果發(fā)生外力破壞導(dǎo)致跳閘的情況，作業(yè)人員無(wú)法立刻精確確定具體桿號(hào)，需要進(jìn)行全線巡視查找故障點(diǎn)，降低了搶修工作的效率。因此有必要研究基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的輸電線桿塔傾斜程度的監(jiān)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線桿塔的實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)，保障桿塔的無(wú)故障運(yùn)行［18］。

選擇一部分位于道路轉(zhuǎn)角處或路邊的桿塔，擬在桿身一半處以卡箍固定布置電池自供電配電桿塔傾斜監(jiān)控終端，以監(jiān)測(cè)桿塔坐標(biāo)和傾斜情況，通過(guò)GPRS 及時(shí)將預(yù)警信息推送到監(jiān)控管理中心。通過(guò)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析，預(yù)判桿塔形變，快速定位故障點(diǎn)。該設(shè)備具備對(duì)采集、存儲(chǔ)、通信、信號(hào)處理等自檢功能，當(dāng)判斷設(shè)備故障時(shí)，能通過(guò)相應(yīng)措施恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行。桿塔檢測(cè)應(yīng)用架構(gòu)如圖4所示。

圖4 桿塔監(jiān)測(cè)應(yīng)用架構(gòu)

3.3 北斗在變電站沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

變電站主要設(shè)備比較重，若遇到塌方落石、強(qiáng)風(fēng)、暴雨、地震以及異物入侵等情況，受到巖體本身抗剪切、抗破壞力的阻抗，一旦巖體阻抗力小于向下滑落的破壞力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生各種地質(zhì)現(xiàn)象［19］，發(fā)生沉降甚至不均勻沉降的概率較高，可能造成安全事故及地質(zhì)災(zāi)害。一旦發(fā)生不均勻沉降，將會(huì)對(duì)變電站內(nèi)的設(shè)備設(shè)施、建筑等造成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段難以滿足高精度監(jiān)測(cè)需求，同時(shí)由于預(yù)警機(jī)制不完善，不能及時(shí)進(jìn)行告警。

利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不受氣候影響的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全天候、不間斷的三維高精度測(cè)量［20］。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)依托于電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)，提供高精度的定位服務(wù)，在后臺(tái)系統(tǒng)的支撐下，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)位移量監(jiān)測(cè)，對(duì)微小沉降及不均勻沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生異常沉降，可以在第一時(shí)間采取處理措施，具有延遲短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，防止嚴(yán)重事故的發(fā)生。地質(zhì)檢測(cè)裝置如圖5所示。

圖5 地質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置

4 北斗系統(tǒng)在調(diào)度領(lǐng)域的應(yīng)用

基于電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)的地基增強(qiáng)站和授時(shí)單元，構(gòu)建電力精準(zhǔn)時(shí)空網(wǎng)，采用時(shí)間基準(zhǔn)、授時(shí)網(wǎng)絡(luò)和授時(shí)應(yīng)用三級(jí)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)布局，最終為變電所、信息中心機(jī)房、充電樁、智能電表等電力行業(yè)各終端用戶提供授時(shí)授頻服務(wù)。實(shí)現(xiàn)調(diào)控中心和變電站自動(dòng)化、保護(hù)、安控等設(shè)備精確授時(shí)以及時(shí)間同步狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)變電站地理位置信息自動(dòng)采集功能，提升調(diào)控中心和變電站運(yùn)行可靠性和自主可控能力，時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)具有較好的獨(dú)立保持能力，在非常時(shí)期國(guó)家時(shí)頻系統(tǒng)遭到破壞時(shí)，國(guó)網(wǎng)自主時(shí)間基準(zhǔn)能夠獨(dú)立運(yùn)行并保持輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。

統(tǒng)一規(guī)劃論證與建設(shè)國(guó)家電網(wǎng)時(shí)間頻率體系，將建立統(tǒng)一的國(guó)網(wǎng)時(shí)間基準(zhǔn)，解決目前各變電站時(shí)間不統(tǒng)一的問(wèn)題，并建立統(tǒng)一的授時(shí)網(wǎng)絡(luò)，采用衛(wèi)星共視的方式，將各變電站的時(shí)間同步到國(guó)網(wǎng)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)上。因此，實(shí)現(xiàn)全電網(wǎng)的時(shí)間源統(tǒng)一、時(shí)間源相互備份，建立集中統(tǒng)一的電力系統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)，使各廠站、調(diào)度控制中心的時(shí)間源得到備份十分必要。典型220 kV 變電站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 典型220 kV變電站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

共視接入設(shè)備采用衛(wèi)星共視的方法，通過(guò)時(shí)頻同步網(wǎng)授時(shí)服務(wù)平臺(tái)，同步至國(guó)家電網(wǎng)基準(zhǔn)時(shí)間，并輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)接收時(shí)間與基準(zhǔn)時(shí)間差控制在納秒級(jí)。這些信號(hào)以有線時(shí)間基準(zhǔn)的方式，提供給目前變電站主時(shí)鐘，使主時(shí)鐘優(yōu)先有線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)國(guó)家電網(wǎng)基準(zhǔn)時(shí)間的接入，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)有主時(shí)鐘改造的時(shí)間同步系統(tǒng)組成

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)電力行業(yè)北斗時(shí)空服務(wù)體系的建設(shè)，推進(jìn)北斗系統(tǒng)與電力業(yè)務(wù)的深度融合，基本形成北斗電力行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局，樹立北斗系統(tǒng)電力行業(yè)應(yīng)用的典范。北斗系統(tǒng)在電力行業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用，形成基礎(chǔ)產(chǎn)品、系統(tǒng)終端集成和運(yùn)營(yíng)服務(wù)的北斗上中下游產(chǎn)業(yè)鏈，帶動(dòng)電力行業(yè)百億規(guī)模的北斗市場(chǎng)，從而推動(dòng)北斗產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。深化北斗在電力業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步形成北斗系統(tǒng)在電力行業(yè)全面應(yīng)用，保障電網(wǎng)時(shí)空信息、信息通信和授時(shí)授頻服務(wù)的自主安全可控，提升電網(wǎng)系統(tǒng)抵御外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)能力和安全可信防護(hù)水平，有效保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力可靠供應(yīng)，全面支撐堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)。