北斗衛(wèi)星在電力系統(tǒng)中的廣泛運用及重要性分析

張海濤　趙雯莉　王靈貴　馬娜娜　王睿

【摘 要】本文首先簡單介紹了北斗衛(wèi)星，其次分析了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理，最后就北斗衛(wèi)星在電力系統(tǒng)中的運用進行探究。

【關鍵詞】北斗衛(wèi)星；運用；電力系統(tǒng)

前言：

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（COMPASS Navigation Satellite System）是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其具有定位、通信功能，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后，第三個趨于成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它改變了我國長期缺少高精度、實時定位手段的局面，打破了美國和俄羅斯在這一領域的壟斷地位。目前，該系統(tǒng)在我國測繪、電信、水利、氣象、煤炭、公路交通、鐵路交通、漁業(yè)生產(chǎn)、勘探、農(nóng)業(yè)、森林防火和國家安全等諸多領域逐步發(fā)揮重要作用。第一代“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)只有2顆工作衛(wèi)星和1顆備用衛(wèi)星，位于地球同步軌道，覆蓋范圍僅限于中國本土及周邊地區(qū)，工作效率和精確度遠不及美國的全球定位系統(tǒng)。第二代“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃將組成一個集5顆同步軌道衛(wèi)星、30顆中高軌衛(wèi)星的龐大衛(wèi)星網(wǎng)系，不但能覆蓋全球，而且精確度也將大幅提高。

一、北斗導航系統(tǒng)工作原理及重要性分析

第一代北斗導航定位系統(tǒng)是雙星有源定位體制，由兩顆工作衛(wèi)星和一顆備用衛(wèi)星組成，可以全天候全天時的提供區(qū)域性衛(wèi)星導航信息。它在國際電信聯(lián)盟登記的頻段為衛(wèi)星無線電定位業(yè)務頻段，上行為L頻段（頻率1610-1626.5MHZ），下行為S頻段（頻率為2483.5-2500MHZ）；登記的衛(wèi)星位置為赤道面東經(jīng)80度、140度和110.5度。北斗導航定位系統(tǒng)由2顆地球靜止衛(wèi)星（GEO）對用戶雙向測距，由1個配有電子高程圖庫的地面中心站進行位置解算。定位由用戶終端向中心站發(fā)出請求，中心站對其進行位置結算后將定位信息發(fā)送給該用戶。它的定位基于三球交會原理，即以2顆衛(wèi)星的已知坐標為圓心，各以測定的本星至用戶距離為半徑，形成2個球面，用戶機必然位于這兩個球面交線的圓弧上。中心站電子高程地圖庫提供的是一個以地球為中心，以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。求解圓弧線與地球表面交點，并已知目標在赤道平面北側，即可獲得用戶的二維位置。

第一代“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的“有源工作方式”，需要用戶要向衛(wèi)星發(fā)射信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)送回地面控制中心系統(tǒng)，處理后再經(jīng)衛(wèi)星返回用戶，如此反復多次才能完成定位，這就帶來了諸多缺點，如延時多、無法在飛機上使用等，且精度只能達到20一30米。第二代“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)將采用“無源工作方式”，即用戶不需要發(fā)射信號，用戶接收機只接收信號就能完成定位，且定位精度可以大大提高。

二、北斗系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的廣泛運用

1.應用的可行性分析

要在我國電力系統(tǒng)中應用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，首先要求其滿足以下幾個方面的要求：

（1）覆蓋范圍

北斗系統(tǒng)首先要保證能夠覆蓋我國的國土，以適應我國電網(wǎng)全國聯(lián)網(wǎng)的需要。同時，為了實現(xiàn)我國電網(wǎng)和鄰國的互聯(lián)，還應該能夠覆蓋鄰國的一部分領域。北斗系統(tǒng)提供定位和授時服務范圍包括中國大陸及其相鄰地區(qū)，能夠滿足互聯(lián)電網(wǎng)的要求。

（2）同步授時精度

同步時間信號的精度是保證PMU進行同步采樣的關鍵。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)可向用戶提供20～100ns時間同步精度。其中單向授時精度為100ns，雙向授時精度為20ns?？紤]到北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶容量和PMU應用的廣泛性，可以采用單向授時，雖然授時精度相對差了一些，但是對于50Hz的工頻量來說，100ns產(chǎn)生的相角誤差為0.0018°，已經(jīng)能夠滿足PMU對同步信號的要求。

（3）通信功能

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)發(fā)和收發(fā)雙向數(shù)字報文的通信能力，而GPS系統(tǒng)本身不具備通信能力。因此，北斗系統(tǒng)在數(shù)據(jù)測量點和主站的數(shù)據(jù)通信方面將會具有獨特的優(yōu)勢。例如，基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的PMU的通信模塊可以提供多種通信接口，既可以經(jīng)過光纖網(wǎng)與主站相連，也可以通過無線傳輸與主站以及其他PMU相互通信。

（4）安全可靠性

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)自從投入運行以來，一直工作穩(wěn)定可靠，目前已經(jīng)具備了推廣應用的條件。在航空、航天、航海、鐵路、交通、海洋等領域都有成功的應用范例。最后，也是最重要的方面，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主開發(fā)的，不受他國的控制和限制，可靠性和安全性較有保證。美國GPS目前雖然取消了SA限制，但仍可隨時摻人干擾信號降低定位精度，甚至可能對其他國家用戶關閉使用權。因此，采用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)開發(fā)PMU在保障我國互聯(lián)電網(wǎng)安全方面具有主動權。由以上分析可見，北斗系統(tǒng)在技術上已經(jīng)完全滿足電力系統(tǒng)使用的要求。

2.應用領域及研究對象

目前，廣域測量系統(tǒng)WAMS在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應用，在北美、日本、韓國、北歐、法國以及我國的一些系統(tǒng)都已裝備了WAMS用于電網(wǎng)的動態(tài)監(jiān)視。WAMS中的同步信號使用的是GPS授時信號。由于北斗系統(tǒng)已經(jīng)完全具備在電力系統(tǒng)中應用的條件，因此在使用GPS信號作為授時信號或定位的場合，原理上都可以使用北斗系統(tǒng)進行替代或者作為備用。

北斗系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用領域主要有：穩(wěn)態(tài)分析；全網(wǎng)動態(tài)過程記錄及事故分析；電力系統(tǒng)動態(tài)模型辨識及模型校正；暫態(tài)穩(wěn)定預測及控制；電壓、頻率穩(wěn)定監(jiān)視及控制；低頻振蕩分析及抑制；全局反饋控制；故障定位及線路參數(shù)測量。北斗系統(tǒng)還具有GPS所沒有的通信功能，因此在數(shù)據(jù)測量點和主站的數(shù)據(jù)通信方面將會具有獨特的優(yōu)勢。例如，基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的通信模塊可以提供多種通信接口，既可以經(jīng)過光纖網(wǎng)與主站相連，也可以通過無線傳輸與主站以及其他通信模塊相互通信。需要引起重視的是信號的時滯問題。由于電力系統(tǒng)是一個大的互聯(lián)電網(wǎng)，如果不考慮電磁波在長距離輸電線上傳輸?shù)难訒r，將引起較大的誤差，從而導致所采集的系統(tǒng)信息失真。因此，需要重點研究遠方信號的時滯問題及其修正方法。

3.目前北斗系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用實例

（1）在農(nóng)村電力系統(tǒng)中的信息化應用

隨著農(nóng)網(wǎng)改造和大規(guī)模建設，農(nóng)電使用電量逐年增加，為了盡量避免電力供應中斷，農(nóng)電公司必須依據(jù)各個變電所的電力使用情況，及時進行合理調(diào)度。但是由于許多變電所處于偏遠山區(qū)，數(shù)據(jù)通過有線電路傳輸非常不現(xiàn)實。中國衛(wèi)通充分利用北斗衛(wèi)星通信的優(yōu)勢，進行了針對性電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸特點，經(jīng)過蘭州農(nóng)電公司運行，目前利用北斗系統(tǒng)成功實現(xiàn)對電力系統(tǒng)變電站實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，而且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，并通過了電力公司有關專家評估。

根據(jù)行業(yè)特點和需求，系統(tǒng)總共分為3個分系統(tǒng)組成：變電所數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控中心系統(tǒng)。電站系統(tǒng)采集到各種數(shù)據(jù)利用北斗衛(wèi)星將信息轉(zhuǎn)發(fā)到中國衛(wèi)通IISP平臺，平臺將信息送往應用數(shù)據(jù)中心，中心對數(shù)據(jù)進行處理后可提供兩個數(shù)據(jù)通路：一路將信息經(jīng)世廣衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到用戶指揮機，由指揮機將信息送到用戶監(jiān)控中心；而另一路可通過Internet經(jīng)有線送到用戶監(jiān)控中心。用戶監(jiān)控中心對接收到的數(shù)據(jù)進行相應的存儲、分析、處理、監(jiān)控等，至此完成一次信息的上傳工作。用戶對變電所的指令則以相反的路由下達給變電所，完成遠程遙控功能。

（2）基于北斗導航系統(tǒng)定位的PMU

目前，應用于我國電網(wǎng)中的PMU大都是基于GPS提供的授時信號來實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集的，電網(wǎng)的穩(wěn)定運行對PMU的依賴越來越強。將北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)應用于電力系統(tǒng)同步相量測量技術中，可彌補長久以來使用GPS作為唯一同步時鐘源而存在的風險性和不可依賴性，解決了將同步相量測量技術應用于廣域監(jiān)測的時鐘源可靠性問題。

結語：

綜上，隨著我國經(jīng)濟與科技水平的不斷發(fā)展與進步，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在我國電力系統(tǒng)中取得了廣泛的運用。總之，北斗系統(tǒng)是中國自主知識產(chǎn)權的全天候全天時提供衛(wèi)星導航定位信息的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，具有快速定位、簡短通信和精密授時三大主要功能。因此，在電力系統(tǒng)中廣泛的展開了應用。

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