衛(wèi)星技術(shù)和直升機航巡技術(shù)在電網(wǎng)中的融合應(yīng)用

周強

（國網(wǎng)電力空間技術(shù)有限公司，北京 102200）

1 背景

全球現(xiàn)有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別為美國的GPS系統(tǒng)、歐洲的伽利略系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)以及中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是我國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，相比于GPS 的信號可靠性不能充分保障、易受“干擾”等弊端，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有抗遮擋能力強、服務(wù)精度更高、服務(wù)能力更強等特點。目前我國的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也已正式開通，隨著中國衛(wèi)星事業(yè)的不斷發(fā)展，其性能有很大提高空間，應(yīng)用技術(shù)也邁進新時代，衛(wèi)星通信、衛(wèi)星定位導(dǎo)航和衛(wèi)星遙感已逐步融入我國電力系統(tǒng)設(shè)施建設(shè)，為實現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置、科學(xué)調(diào)度以及高效利用發(fā)揮不可或缺的作用，助力構(gòu)建數(shù)字電網(wǎng)，支撐大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2 衛(wèi)星技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前衛(wèi)星技術(shù)在電網(wǎng)的應(yīng)用場景主要包括，利用北斗的精密授時授頻、精準定位與導(dǎo)航、短報文通信功能，在服務(wù)大電網(wǎng)運行的基礎(chǔ)支撐以及其他各個環(huán)節(jié)的探索，為智能電網(wǎng)建設(shè)提供支撐。

2.1 衛(wèi)星技術(shù)對電網(wǎng)高精度授時的應(yīng)用

近年來，隨著北斗衛(wèi)星技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用推廣，結(jié)合考慮國家安全戰(zhàn)略，已逐步采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的授時時間源，替代GPS 或兼容應(yīng)用，電力系統(tǒng)的時間同步是智能電網(wǎng)、數(shù)字化電網(wǎng)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。相對于衛(wèi)星定位技術(shù)來說，衛(wèi)星的定時或授時技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加重要和普遍。目前，衛(wèi)星授時技術(shù)的主要對象為新一代智能變電站系統(tǒng)，電力系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展對時間精準度的要求更加嚴格。首先，電力調(diào)度控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等各類系統(tǒng)和同步相量測量裝置（PMU）、高精度定位系統(tǒng)、電網(wǎng)故障錄波器、事件順序記錄（SOE）等設(shè)備對時間精度都有極高的要求；其次，電網(wǎng)全領(lǐng)域時間基準統(tǒng)一是電網(wǎng)各級調(diào)度機構(gòu)、發(fā)電廠、變電站、集控中心等能夠確保實時數(shù)據(jù)采集時間一致性的基礎(chǔ)。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等各類數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展，智能電網(wǎng)對各類電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的時鐘精度要求越來越高，此時北斗衛(wèi)星的可靠性和20ns 授時精度顯然就具備很大的優(yōu)勢，從而為智能電網(wǎng)健康穩(wěn)定運行提供強有力的保障；最后，在電網(wǎng)故障分析方面，電網(wǎng)事故發(fā)生后，第一時間準確地找出原因、分析故障，對大電網(wǎng)的持續(xù)安全運行具有非常重要的意義，如因地域的差異，不同緯度、不同區(qū)域的保護行為和電網(wǎng)故障錄波器所記錄的時間會有一定誤差，使得故障原因分析不夠精準。而應(yīng)用衛(wèi)星時間授時技術(shù)，能夠使保護動作和錄波器達到時間上的精確，同步分辨率甚至可以達到微秒的程度，全面詳細地展示出電網(wǎng)發(fā)生故障時刻的全系列行為、操作順序，為故障的分析提供更加準確的信息，實現(xiàn)精確分析電網(wǎng)故障的類型及具體細節(jié)，從而助力大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2.2 衛(wèi)星技術(shù)對電網(wǎng)精確定位和電網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用

圖1

利用衛(wèi)星定位技術(shù)對特高壓線路、重要輸電線路及部分特殊地質(zhì)條件（如山谷、河流沿岸）塔基的滑動位移情況進行24 小時不間斷的監(jiān)測，通過在輸電線路桿塔關(guān)鍵位置安裝衛(wèi)星定位監(jiān)測點設(shè)備或監(jiān)測點附近建設(shè)衛(wèi)星信號基準站的方式，快速、準確識別輸電塔基的相對偏移量，實現(xiàn)厘米級甚至是毫米級精度的智能化電網(wǎng)定位，保障大電網(wǎng)輸配電環(huán)節(jié)安全可靠運行。此外，還可充分發(fā)揮衛(wèi)星定位技術(shù)的優(yōu)勢，為電網(wǎng)運行環(huán)節(jié)提供輸變電設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測，首先在電網(wǎng)輸電設(shè)備與變電設(shè)備上或附近安裝狀態(tài)監(jiān)測裝置，通過自動智能化采集電網(wǎng)輸電、變電線路關(guān)鍵位置的氣象數(shù)據(jù)、實時運行參數(shù)、外部環(huán)境數(shù)據(jù)等物理數(shù)據(jù)，同步傳送到后方電網(wǎng)調(diào)控管理系統(tǒng)，通過后臺大數(shù)據(jù)的分析運算，對重要輸電線路狀態(tài)和電網(wǎng)關(guān)鍵位置進行實時監(jiān)測、預(yù)警、分析、診斷、評估和預(yù)測，如遇到臺風(fēng)、大雪等極端天氣和地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害時，及時采取相應(yīng)應(yīng)急處置措施防止電網(wǎng)事故發(fā)生，有效提高輸變電設(shè)備運行管理能力、應(yīng)急處置能力和輸電線路災(zāi)害預(yù)警能力，提升大電網(wǎng)精益化運行管理水平，服務(wù)支撐大電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

2.3 衛(wèi)星技術(shù)對電網(wǎng)短報文通信的應(yīng)用

我國地理幅員遼闊，地形特征復(fù)雜多樣，對于部分偏遠地區(qū)，這些地區(qū)往往沒有公網(wǎng)信號覆蓋，也沒有光纖通信，一是由于輸電線路多位于山坡、山谷等特殊地形，存在電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳慢、回傳實時性差問題；二是電力信息采集和傳輸問題會存在信息傳送慢、服務(wù)響應(yīng)慢等問題，偏遠地區(qū)傳統(tǒng)的人工抄表方式無可避免地會出現(xiàn)以上毛病，既費時又費力，無法實現(xiàn)用戶用電信息“全覆蓋、全采集、全費控”的目標。基于北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，利用衛(wèi)星系統(tǒng)特有的雙向通信功能，在偏遠地區(qū)構(gòu)建了一條暢通的通信通道，將用戶用電信息及用電服務(wù)需求無縫接入到用電信息采集系統(tǒng)主站，實時、有效、可靠地獲得通信不發(fā)達地區(qū)的用電信息，解決了偏遠地區(qū)用電數(shù)據(jù)采集問題，暢通群眾用電服務(wù)“最后一公里”，體現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)作為大國重器的社會擔(dān)當。

3 直升機航巡技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

直升機航巡技術(shù)，是指通過直升機機身外搭載的紅外高清探頭實時捕捉輸電線路運行情況和數(shù)據(jù)，在機載電腦中實現(xiàn)熱成像[1]。飛行結(jié)束后，系統(tǒng)自動生成一份電網(wǎng)“體檢報告”，及時將線路缺陷、故障等情況傳送至地面電網(wǎng)運維部門，隨后立即精確開展維護和修復(fù)工作，使得電網(wǎng)運行檢修工作效率大大提高。直升機航巡輸電線路主要包括兩種作業(yè)形式：直升機可見光/紅外巡查、直升機激光掃描。

直升機巡查是指直升機搭載航檢員，配備光電吊艙、照相機、防抖望遠鏡設(shè)備，采集、記錄輸電線路本體和通道狀態(tài)并在線下查找缺陷的作業(yè)方式，具體業(yè)務(wù)形態(tài)有輸電線路常規(guī)可見光/紅外巡查、通道專項巡查、基建驗收巡查、應(yīng)急巡查等。直升機激光掃描是指直升機搭載航檢員，配備激光掃描吊艙（含激光掃描儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、可見光相機等部件）、防抖望遠鏡等設(shè)備，采集輸電線路本體和通道三維點云、可見光影像的作業(yè)方式，利用每個地面反射點、可見光影像描繪輸電線路通道三維場景。

直升機航巡相比于傳統(tǒng)的人工巡檢主要有以下兩個方面的優(yōu)勢。一是直升機航巡更為可靠，能夠發(fā)現(xiàn)很多傳統(tǒng)的人工巡檢方式難以發(fā)現(xiàn)的缺陷問題，由于直升機航巡時的空中視角，同時機上多種巡線設(shè)備結(jié)合使用，能夠?qū)旊娋€路桿塔、導(dǎo)線做近距離且非常直觀可靠的觀測和記錄，傳統(tǒng)人工巡檢容易受到視線遮蔽等影響，導(dǎo)致線路巡視的準確性不高。二是直升機航巡能極大地提高輸電線路巡視的效率，以普通500KV 線路為例，直升機航巡速度一般在每小時18 公里左右，一天飛行正常情況下工作6 小時，一天即可巡視100 公里左右，如果采用人工巡檢的方式，在氣象、地形條件良好的情況下，大約也需要10 個人滿負荷工作12 天，同時，直升機航巡代替?zhèn)鹘y(tǒng)車馬上山，也可減少對線路周邊生態(tài)環(huán)境的破壞。現(xiàn)如今，直升機航巡技術(shù)在電網(wǎng)運維環(huán)節(jié)已深度應(yīng)用多年，其他直升機電力作業(yè)類型比如直升機外載荷檢修輸電線路，直升機外載荷建設(shè)輸電線路，直升機艙內(nèi)運輸人員與物資等科目在電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的應(yīng)用場景也有多元化趨勢，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行都發(fā)揮著不可替代的作用。

4 衛(wèi)星技術(shù)和直升機航巡技術(shù)融合應(yīng)用前景

直升機具有可短距離起飛、垂直爬升或下滑、空中懸停時間長、超低空飛行、機動操作靈活以及占用起降場面積小等優(yōu)點，隨著現(xiàn)代高新科技的發(fā)展,直升機已在各個民用領(lǐng)域包括電力行業(yè)都有了更廣泛的應(yīng)用，能夠連續(xù)、精確提供航空器實時位置、速度和航向等信息的導(dǎo)航定位設(shè)備顯得非常重要。目前現(xiàn)有幾種主要機載導(dǎo)航定位設(shè)備包括無線電羅盤、無線電高度表、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS 系統(tǒng)是利用衛(wèi)星定位技術(shù)進行導(dǎo)航的全球無線電導(dǎo)航，GPS 衛(wèi)星定位的基本原理是利用3個以上衛(wèi)星的已知空間位置，用空間距離交會法，求得地面待定點（接收機）的位置，GPS 系統(tǒng)也是目前世界上主流的利用衛(wèi)星技術(shù)獲取定位數(shù)據(jù)的主要來源[2]。但GPS 系統(tǒng)也有一定的局限性，由于GPS 存在授權(quán)限制、抗干擾能力差、導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新頻率低，當載體做大機動飛行或由地形遮蔽時，GPS 信號有可能中斷或產(chǎn)生較大誤差，所以不能完全依靠GPS 系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)準確的定位，近期我國實現(xiàn)了北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航在直升機上的首次應(yīng)用，提高了直升機的自主導(dǎo)航能力，擺脫了對國外全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的依賴，同時采用組合導(dǎo)航技術(shù)可以確保定位精度、穩(wěn)定性達到更高水平。

因此，衛(wèi)星技術(shù)在直升機導(dǎo)航定位環(huán)節(jié)發(fā)揮著不可或缺的作用，但是衛(wèi)星技術(shù)的航天領(lǐng)域，與直升機的低空航空領(lǐng)域，并未實現(xiàn)有效聯(lián)動發(fā)揮效能，如何將兩者的航空航天技術(shù)優(yōu)勢有機結(jié)合，在空天技術(shù)應(yīng)用方向有所突破，全方位應(yīng)用空天數(shù)據(jù)資源，是一項值得深入研究探索的課題，更是戰(zhàn)略新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[3]。充分發(fā)揮空天全領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資源平臺，實現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)運維、調(diào)度運行等環(huán)節(jié)空天數(shù)據(jù)的云管理、云應(yīng)用，在此平臺上建立大電網(wǎng)生產(chǎn)運行管理體系，對電網(wǎng)“健康狀態(tài)”加以更全面、更多維的動態(tài)監(jiān)測，在電網(wǎng)三維系統(tǒng)地圖融合應(yīng)用、激光掃描深化應(yīng)用、輸電通道典型地物智能識別等更多應(yīng)用場景發(fā)揮其獨特的作用。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，空天技術(shù)領(lǐng)域尤其是電網(wǎng)空天技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的市場前景和應(yīng)用價值，習(xí)近平總書記對“四個革命、一個合作”的能源發(fā)展新戰(zhàn)略和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、數(shù)字中國建設(shè)等都作出了明確的指示，為我們指明了一條發(fā)展道路。新能源的大規(guī)模發(fā)展，必將加速數(shù)字電源、數(shù)字電網(wǎng)的發(fā)展，同時對電網(wǎng)調(diào)度、運維、檢修、應(yīng)急等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)提出了更高的要求，衛(wèi)星技術(shù)與直升機航巡技術(shù)融合應(yīng)用將能發(fā)揮不可或缺的作用，空天技術(shù)與電力技術(shù)的融合應(yīng)用更是蘊涵著巨大潛力，支撐服務(wù)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)運維、調(diào)度運行、防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急處置等全流程業(yè)務(wù)，全力推動新型電力系統(tǒng)建設(shè)。