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

張 潔，李蘭心，宋 磊

（國網(wǎng)思極神往位置服務(wù)（北京）有限公司，北京 100000）

近年來，隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的不斷發(fā)展，其滲透到了多個領(lǐng)域，同時也帶來了一場技術(shù)革命。相比于以往的技術(shù)，其具有兩個顯著特征，即定位的精準(zhǔn)性與使用范圍之廣。在實際研究過程中，我們要拓寬研究視野，將重心放到新型技術(shù)的研究上，如了解全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精密實時動態(tài)（Real-Time Kinematic，RTK），查閱相關(guān)資料了解該技術(shù)是如何消除衛(wèi)星軌道誤差的？大氣傳播誤差又是如何消除的？在此基礎(chǔ)上利用高精度的載波相位觀測量，實現(xiàn)從厘米到毫米級的精確定位。

近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)公司改變了以往的發(fā)展路線，在規(guī)劃、基建、運檢等多個領(lǐng)域中引入了高新技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、線路故障定位等，取得了良好的效果。為適應(yīng)電網(wǎng)行業(yè)日新月異的變化，國家電網(wǎng)局啟動了北斗衛(wèi)星應(yīng)用綜合服務(wù)平臺項目設(shè)計與建設(shè)，在此基礎(chǔ)上開展了基準(zhǔn)站的設(shè)計與施工，并取得了良好的進(jìn)展，對于電網(wǎng)整個行業(yè)的發(fā)展也有重要意義。

1 研究背景及意義

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的系統(tǒng)，其定位比較精確，且能在短時間內(nèi)準(zhǔn)確定位，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行短報文通信與精密授時。該系統(tǒng)于本世紀(jì)二十年代初正式開通，標(biāo)志著我國在航空航天領(lǐng)域又有了新的突破。隨著北斗系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)程不斷加快，其服務(wù)能力也有了顯著提升，且產(chǎn)品也被應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測等，同時也從一定程度上推動了社會的發(fā)展，為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了源源不斷的活力。

未來十到二十年內(nèi)，信息技術(shù)的不斷發(fā)展能帶動整個電力行業(yè)的發(fā)展，同時也能帶動我國城鎮(zhèn)化的建設(shè)速度。同時，將北斗系統(tǒng)的高精度技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)中能夠使該行業(yè)取得重大突破，特別是能促進(jìn)智能電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，進(jìn)而促成配電系統(tǒng)的優(yōu)化。從另一個角度來看，國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)的優(yōu)化是一項民生工程，積極推動電力行業(yè)落地應(yīng)用和服務(wù)機(jī)制的優(yōu)化尤為重要。

近年來，多個電力企業(yè)引入了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，同時也深入到了電網(wǎng)系統(tǒng)的各個核心業(yè)務(wù)中，對于整個電力企業(yè)的發(fā)展有重要的引導(dǎo)意義。從另一個角度來講，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的搭建還要促進(jìn)各種資源相互配合，這種情況下也能有效解決相關(guān)系統(tǒng)在資源配置過程中存在的各種問題，同時也能進(jìn)一步提高服務(wù)質(zhì)量。此外，將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用于電力行業(yè)中還需要綜合考慮多種因素，如提高整個信息系統(tǒng)的安全性，避免信息泄露。

未來幾年，北斗導(dǎo)航定位技術(shù)將滲透到多個領(lǐng)域，與各種通信技術(shù)、5G技術(shù)銜接起來，通過這種方式也能開拓立體化的發(fā)展空間，提升整個電力系統(tǒng)的智能化特征。電力北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，要注重綜合平臺的搭建，同時還要推動各個試點工作穩(wěn)步進(jìn)行。平臺運行過程中還要對整個系統(tǒng)進(jìn)行集約化管理，打造全方位的電力北斗安全防護(hù)體系。

通過長期的研究我們發(fā)現(xiàn)北斗平臺一體機(jī)的應(yīng)用能夠有效提升整個系統(tǒng)的運行效率，對于整個平臺來說，也有顯著的調(diào)節(jié)作用，突出體現(xiàn)在其能降低平臺的運維難度。在運行過程中相關(guān)人員也要做好監(jiān)督工作，實時監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行情況，避免其出現(xiàn)突發(fā)事件，通過這種方式也能確保國家電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠帶來一場技術(shù)革命，同時，該技術(shù)也有很強的數(shù)據(jù)分析能力，借助該技術(shù)能優(yōu)化整個服務(wù)體系。在該技術(shù)應(yīng)用過程中，我們也可協(xié)同GIS技術(shù)開拓別樣的技術(shù)空間，提升整個系統(tǒng)計算的精確度。同時，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性也比較好，能夠保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)增多時，系統(tǒng)內(nèi)的儲存器也能自動擴(kuò)容。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用也能促進(jìn)上下游眾多企業(yè)在芯片研發(fā)制造、軟件系統(tǒng)、產(chǎn)品集成等方面的研發(fā)推廣，進(jìn)一步推動電力企業(yè)的健康發(fā)展。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在電力行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 增加北斗信道提高信息傳輸?shù)目煽啃?/h3>

就目前電力現(xiàn)場作業(yè)中，工作人員常采用PDA+無線網(wǎng)絡(luò)（3G/GPRS）與供電、檢修部門進(jìn)行通信對接，并借助無限網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)分析。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模式，這種混合式對接能夠很好地滿足作業(yè)基本要求，PDA內(nèi)置的GPS模塊也能為供電部門提供實時的定位與導(dǎo)航服務(wù)。但這種模式以無線網(wǎng)絡(luò)為基準(zhǔn)，對周邊環(huán)境信號要求較為嚴(yán)苛。一旦網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障，有關(guān)部門與作業(yè)小組的通信就會中斷，對PDA的遠(yuǎn)程控制也會出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性也難以得到相應(yīng)的保障。而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有效介入，能夠最大程度上穩(wěn)固通信信號，并為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)分擔(dān)，即使在信號薄弱的地區(qū)，PDA仍然能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，確保現(xiàn)場作業(yè)的安全性。

2.2 北斗精密授時功能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

就目前電力系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，各個端、受端的分布較為廣泛，每一個子系統(tǒng)獨立且分散。為了保證系統(tǒng)內(nèi)部各個環(huán)節(jié)的統(tǒng)一性，一般會在系統(tǒng)內(nèi)安設(shè)自動化裝置，通過定時提醒，縮短每個子系統(tǒng)工作間的誤差。但一般電力系統(tǒng)往往長時間運作，自動化裝置長時間的超負(fù)荷運行會使得積累誤差越來越大，導(dǎo)致系統(tǒng)整體運行出現(xiàn)安全問題。而在系統(tǒng)中安設(shè)北斗精密授時系統(tǒng)，既能實現(xiàn)系統(tǒng)與國際時間的統(tǒng)一，又能形成良好的冗余設(shè)計，與自動化裝置形成交替式運行模式，減少積累誤差現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高電力系統(tǒng)運行效率。

2.3 北斗定位搜索功能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段我國大多數(shù)電力企業(yè)將GPS定位技術(shù)作為自身運行、發(fā)展的根本，但這一技術(shù)多為國外引進(jìn)，所以可靠性、自主性均存在一定隱患。北斗定位搜索功能作為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要優(yōu)勢，不僅能滿足電力生產(chǎn)、電力管理等工作開展的實際需求，而且可通過GPS數(shù)據(jù)定位實時反饋系統(tǒng)，精準(zhǔn)測量場地作業(yè)規(guī)模（誤差小于1 dm），確保作業(yè)的安全性。同時，在作業(yè)過程中，相關(guān)人員可借助大數(shù)據(jù)，對作業(yè)情況進(jìn)行實時監(jiān)控，并以此調(diào)整原有的作業(yè)方案，提高數(shù)據(jù)的可靠性與真實性。

2.4 北斗短報文功能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的GPS、GLONASS定位系統(tǒng)相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的應(yīng)用價值，不僅能實現(xiàn)精準(zhǔn)定位、全面監(jiān)控作業(yè)情況，而且還具備北斗短報文功能，能夠與作業(yè)小組進(jìn)行實時信息傳輸，確保作業(yè)的順利進(jìn)行。不僅如此，該系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)力，能夠根據(jù)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行靈活調(diào)整，打造良好雙向數(shù)字報文通信的工作架構(gòu)，確保作業(yè)工作的高質(zhì)量開展。

其功能特點如下：

（1）通過北斗系統(tǒng)的主動定位功能，能夠及時指揮作業(yè)小組，遠(yuǎn)程把控他們的實時位置與作業(yè)情況，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的正向反饋。

（2）通過北斗短報文服務(wù)功能，能夠有效彌補傳統(tǒng)山間作業(yè)存在的短板，與作業(yè)人員及時進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，尤其在不可抗力因素下，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

（3）基于北斗短報文服務(wù)功能，能夠建立指揮中心、作業(yè)小組的共同渠道，并通過作業(yè)反饋制定針對性作業(yè)方案，并利用終端數(shù)據(jù)傳輸平臺與通信設(shè)備搭建溝通網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)電力作業(yè)任務(wù)的聯(lián)動和防護(hù)。

2.5 北斗系統(tǒng)在運檢領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.5.1 北斗在智慧工地中的應(yīng)用

目前無人機(jī)工程施工管理模式大多都為人工操控，不僅需要投入大量的人力，而且信息采集、地形踏勘多以GPS技術(shù)為基礎(chǔ)，加之技術(shù)的限制與數(shù)據(jù)的模糊性，使得該技術(shù)難以在企業(yè)間進(jìn)行應(yīng)用推廣。與其相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有高精度、易操作等特點，能夠幫助無人機(jī)快速監(jiān)測地形數(shù)據(jù)，并根據(jù)施工周邊環(huán)境制定針對性作業(yè)方案，確保施工的順利進(jìn)行。同時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的水平精度小于5 m、高程小于10 m，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的加持下，能夠保證動態(tài)精度在3～5 cm間，為施工方案制定提供了良好的技術(shù)支持。一般施工可選用220 kV或500 kV線路，依托北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)收集，對無人機(jī)飛行路徑進(jìn)行監(jiān)控，提高遠(yuǎn)程運行監(jiān)測、遠(yuǎn)程運行數(shù)據(jù)分析能力。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實時監(jiān)控中，還可為無人機(jī)安設(shè)RTK模塊，以此進(jìn)一步實現(xiàn)厘米級定位，實現(xiàn)智能化高精度巡檢。不僅如此，根據(jù)無人機(jī)的功能及用途，還可搭載不同的測量模塊，加快智慧工地的建設(shè)步伐。

（1）搭載激光雷達(dá)，對地下管道、設(shè)備元件進(jìn)行空間點云數(shù)據(jù)采集，獲取工地設(shè)備基本信息的同時，為后續(xù)檢修工作開展提供數(shù)據(jù)支持。同時，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，落實到對應(yīng)的設(shè)備上，構(gòu)建對應(yīng)的數(shù)字化模型，能夠進(jìn)一步確保數(shù)據(jù)的真實性與可靠性。

（2）與地圖系統(tǒng)形成良好聯(lián)動，為無人機(jī)策略提供高精度位置服務(wù)支持。將電線路桿塔三維模型作為節(jié)點，結(jié)合無人機(jī)軌跡路線，設(shè)計自主導(dǎo)航飛行+自動避障的巡檢模式，從而確保各個區(qū)域數(shù)據(jù)的高精度。

（3）搭建全自動/半自動起飛、巡視拍照、降落模塊，根據(jù)預(yù)設(shè)路線，將拍攝的照片、影像實時上傳至指揮中心，通過人工、大數(shù)據(jù)，生成巡檢報告，保證施工作業(yè)的順利進(jìn)行。無人機(jī)的應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人機(jī)應(yīng)用架構(gòu)

2.5.2北斗在桿塔傾斜監(jiān)測中的應(yīng)用

桿塔傾斜往往是因為長時間的侵蝕或是車輛撞擊而導(dǎo)致的，作為架空輸電線路的重要設(shè)施，一些企業(yè)往往會加裝緩沖保護(hù)裝置來防止一般外力對其造成破壞，但當(dāng)出現(xiàn)桿塔傾斜時，檢修人員往往無法第一時間掌握問題設(shè)備，只能根據(jù)型號逐一排查。同時，面對設(shè)備具體運行情況、存在的問題，檢修人員也難以第一時間拿出具體方案，降低了搶修工作的效率。為此，可借助北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，通過安設(shè)報警裝置，實現(xiàn)對輸電線桿塔實時監(jiān)控，確保桿塔的無故障運行。

首先，根據(jù)輸電線桿塔數(shù)量，采用合適的安設(shè)方案。一般來講，常用的方法有陣列安設(shè)、隔列安設(shè)、區(qū)域安設(shè)。將報警裝置垂直安設(shè)于輸電線桿塔內(nèi)部，通過5G通信技術(shù)，搭建監(jiān)管平臺，以“綠正紅警”的形式分布在平臺上。通過對設(shè)備報警信號的實施讀取，監(jiān)測桿塔坐標(biāo)和傾斜情況，并對可能存在的問題進(jìn)行預(yù)測。當(dāng)輸電線桿塔出現(xiàn)傾斜、預(yù)傾斜的情況時，報警器迅速變紅，反饋于指揮中心，相關(guān)人員則可根據(jù)報警器的位置快速定位故障點，并對該設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲、通信、信號處理等自檢功能，判斷其是否能正常工作，以此為后續(xù)維修人員方案制定提供參考。桿塔監(jiān)測應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。

圖2 桿塔監(jiān)測應(yīng)用架構(gòu)

2.5.3 北斗在變電站沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

變電站沉降除了自身體積過大以外，還與強風(fēng)、暴雨、地震等災(zāi)害有著密切聯(lián)系。一旦地質(zhì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，就會產(chǎn)生地表下沉或是不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故及地質(zhì)災(zāi)害。對于變電站內(nèi)的設(shè)備設(shè)施、建筑也會造成嚴(yán)重威脅。而傳統(tǒng)的檢測裝置，雖然能預(yù)測到災(zāi)害的發(fā)生，但由于數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，無法推算出災(zāi)害區(qū)域，并未從根本上形成良好的預(yù)警機(jī)制。而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)依托其高精度、實時性等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、不間斷地三維高精度測量，并依托大數(shù)據(jù)、人工智能等信息化技術(shù)，準(zhǔn)確推算出具體的受災(zāi)地區(qū)，為預(yù)防工作開展提供了許多便利。同時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可根據(jù)變電站實際運行情況，對當(dāng)前地質(zhì)變化作出分析，計算微小沉降及不均勻沉降可能出現(xiàn)的概率，反饋于指揮中心。即使發(fā)生異常沉降，也可在第一時間制定處理措施，大大保證了人們的安全。地質(zhì)監(jiān)測裝置如圖3所示。

圖3 地質(zhì)監(jiān)測裝置

3 結(jié)束語

綜上所述，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在電力企業(yè)發(fā)展中起到了良好的應(yīng)用價值。推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與電力企業(yè)高度融合，既能構(gòu)建北斗電力行業(yè)信息化發(fā)展的新格局，又能提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的知名度，形成多元化的產(chǎn)業(yè)鏈，推動我國經(jīng)濟(jì)市場的發(fā)展。對此，在新的時代背景下，各個電力企業(yè)應(yīng)全面解讀北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心內(nèi)涵，明確其在各個領(lǐng)域上的具體應(yīng)用，立足互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把握時代主題，積極引入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提高自身風(fēng)險防控能力的同時，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，進(jìn)而加快我國智能化電網(wǎng)建設(shè)的步伐。