北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在電力行業(yè)中的應用研究

王浩成，完顏紹澎，于 佳

（1.國網(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.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），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，將極大地推動北斗產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展［1-4］。電網(wǎng)作為社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎設施之一，其運行的安全性影響國計民生，更是電網(wǎng)企業(yè)的“生命線”［5-7］。目前，國家電網(wǎng)有限公司業(yè)務領域的定位導航應用大多仍采用GPS 終端設備，無法保證電網(wǎng)空間信息的安全［8-10］。北斗系統(tǒng)核心技術自主可控，從根本上保障了電網(wǎng)時空位置服務的安全。因此國家電網(wǎng)有限公司亟待推廣北斗系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用，逐步由北斗GPS 兼容過渡模式轉變?yōu)樽罱K北斗全面替代GPS 模式，消除對國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)的依賴，保障我國電網(wǎng)安全發(fā)展［11］。

國家電網(wǎng)有限公司已經(jīng)在規(guī)劃、基建、運檢、營銷、調(diào)度等業(yè)務領域不斷挖掘探索北斗與電力業(yè)務融合［12］。在運檢業(yè)務領域，桿塔監(jiān)測和地災監(jiān)測以及無人機巡檢等業(yè)務提出了厘米級至毫米級的高精度定位需求［13］；在基建業(yè)務領域，人員管理、車輛管理等業(yè)務內(nèi)容米級的定位需求；在營銷業(yè)務領域，“營配貫通”、資產(chǎn)設備管理等業(yè)務應用提出了米級定位需求，在無公網(wǎng)覆蓋的邊遠地區(qū)，電力業(yè)務所需實時通信要借助北斗系統(tǒng)短報文進行通信；在調(diào)度業(yè)務領域，當前智能電網(wǎng)、特高壓超高壓電網(wǎng)的建設對電網(wǎng)時間同步的精準度正從過去的微秒級提升到納秒級，因此必須為電力系統(tǒng)配置安全穩(wěn)定的高精度授時設備。建設電力物聯(lián)網(wǎng)是國家電網(wǎng)有限公司的核心任務，開展基于北斗系統(tǒng)的電力場景應用，是立足于軍民融合國家戰(zhàn)略和國家電網(wǎng)有限公司發(fā)展的需求，也是建設電力物聯(lián)網(wǎng)的重要舉措。

針對北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在電力行業(yè)中的應用進行了分析和研究，結合電網(wǎng)實際業(yè)務需求積極探索北斗系統(tǒng)在能源時空管理及信息安全、全球能源物聯(lián)網(wǎng)建設和電網(wǎng)運行中各領域的創(chuàng)新應用，為北斗應用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎，通過市場需求驅動北斗技術不斷創(chuàng)新，推進北斗全球化進程。

1 電力北斗系統(tǒng)

1.1 電力北斗時空智能服務體系

電力北斗時空智能服務體系架構如圖1所示。

圖1 電力北斗時空智能服務體系架構

電力北斗時空智能服務體系的建設規(guī)劃主要包括3個部分。

1）基礎建設。通過“北斗精準位置服務網(wǎng)”與“北斗統(tǒng)一時頻網(wǎng)”的基礎設施建設，北斗時空智能綜合服務平臺、能源專業(yè)地圖、能源物聯(lián)網(wǎng)平臺等服務平臺體系建設以及與芯片、通信、安全等基礎產(chǎn)業(yè)融合研制北斗芯片、板卡、模組等基礎類產(chǎn)品，全面強化電力行業(yè)北斗基礎服務能力，初步構建電力時空智能服務體系。

2）時空智能應用?；诒倍窌r空智能服務的基礎服務能力，深度挖掘北斗在規(guī)劃、基建、運檢、營銷、調(diào)度等電力業(yè)務領域的應用，實現(xiàn)北斗時空智能服務與電力業(yè)務應用的深度融合，全面服務于電網(wǎng)高質(zhì)量的發(fā)展。

3）支撐體系。系統(tǒng)地構建標準規(guī)范體系、質(zhì)量評測體系、安全保障體系、運行服務體系四大基礎支撐體系，全面服務保障北斗時空智能服務體系建設。

1.2 北斗綜合服務部署

北斗綜合服務部署如圖2所示。

圖2 北斗綜合服務部署

由圖2 可知，北斗基準站通過信息內(nèi)網(wǎng)將原始觀測值傳送至北斗綜合服務平臺的北斗解算服務模塊；北斗終端通過省級安全接入?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，再由物管平臺上送至北斗綜合服務平臺的北斗解算服務模塊，通過網(wǎng)絡實時動態(tài)測量（Real Time Kinematic，RTK）技術對終端位置信息進行修正獲得精確結果。北斗綜合服務平臺將修正后的位置信息、終端信息等傳輸至數(shù)據(jù)中臺，再根據(jù)各業(yè)務應用需求形成數(shù)據(jù)服務對外提供服務，同時將相關信息傳送至總部北斗衛(wèi)星應用服務平臺。北斗終端可以通過統(tǒng)一的協(xié)議對接物管平臺，也可以通過邊緣代理轉發(fā)定位信息至物管平臺。

2 北斗系統(tǒng)在基建領域的應用

2.1 北斗在智慧工地中的應用

打造基于北斗地基增強系統(tǒng)的基建施工現(xiàn)場示范區(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、大型施工設備搭載軌跡監(jiān)測裝置，采集施工現(xiàn)場人員、機械、設備、環(huán)境、車輛的交互信息并通過系統(tǒng)實時展現(xiàn)，實現(xiàn)北斗在關鍵人員到崗到位、現(xiàn)場車輛管理、施工作業(yè)安全等功能，加強電力物聯(lián)網(wǎng)感知層建設與管理、提高工作效率。同時結合智慧云工地系統(tǒng)在對變電站施工場所進行區(qū)域劃分，人員也按照工種進行不同工作區(qū)域劃分，監(jiān)理管控人員可在基建現(xiàn)場管控軟件上設定電子圍欄范圍，結合人員位置信息，當作業(yè)人員走出安全區(qū)域或進入非本工種工作區(qū)域范圍時，北斗監(jiān)測裝置將發(fā)出危險告警，實現(xiàn)人員與作業(yè)機械之間的安全距離實時掌握，提高現(xiàn)場作業(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 北斗在設備運輸中的應用

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)臺變的增加。在國家電網(wǎng)有限公司重點物資運輸環(huán)節(jié)，大部分物資采用供應商直送現(xiàn)場的配送方式，通過傳統(tǒng)的車載GPS 設備對車輛運行情況進行監(jiān)控，安裝調(diào)試復雜且缺乏設備運輸環(huán)節(jié)中對運輸質(zhì)量（如顛簸、傾覆等）的監(jiān)控手段。目前，盡管國內(nèi)部分運輸公司已經(jīng)應用GPS和沖撞記錄儀等技術手段來監(jiān)控大件物資的移動定位和記錄運輸沖擊情況，但還存在監(jiān)控方式單一、實時性不高、集成規(guī)模小等問題，無法提供預警監(jiān)控、指揮調(diào)度、統(tǒng)計分析等服務，針對重點物資運輸監(jiān)控的信息化建設還有很大的發(fā)展空間。

通過在運輸車輛或變壓器運輸箱上安裝重點物資監(jiān)測裝置，能夠實時監(jiān)測所運設備的運輸參量、地理信息、環(huán)境參量等關鍵參數(shù)，有效采集設備運送過程中運輸速度、加速度、傾角變化、氮氣壓力等數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測設備水平狀態(tài)，并編碼形成報文之后，通過移動通信信號，按照預設的時間間隔，發(fā)送到平臺系統(tǒng)；具備沖擊喚醒功能，當發(fā)生異常時自動啟動報警裝置，有效設備運輸過程安全，實現(xiàn)機械設備狀態(tài)和運行軌跡的實時監(jiān)測和危險預警；同時設備采用低功耗設計，內(nèi)置高效能電池，滿足長途運輸供電時效。

3 北斗系統(tǒng)在運檢領域的應用

3.1 北斗在智慧工地中的應用

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

北斗具有高精度定位導航能力，無人機搭載北斗高精度定位模塊，其導航服務水平精度小于5 m、高程小于10 m；在電力北斗精準位置服務網(wǎng)支撐下，動態(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、通信和人工智能技術，圍繞無人機巡檢業(yè)務作業(yè)流程，對飛行過程進行全流程實施監(jiān)管，提高運檢專業(yè)遠程運維能力。在北斗精準時空服務體系的支持下，帶有RTK功能的無人機，可以實現(xiàn)厘米級定位精度，進而實現(xiàn)智能巡檢［16］。一是無人機搭載激光雷達，對輸電線路通道和本體進行空間點云數(shù)據(jù)進行采集，以獲取輸電線路的激光點云數(shù)據(jù)/可見光點云數(shù)據(jù)，同時將采集的點云數(shù)據(jù)進行分割，得到每一個桿塔的點云數(shù)據(jù)，構建精準三維模型；二是基于電力北斗精準位置服務網(wǎng)提供高精度位置服務，利用地圖系統(tǒng)結合輸電線路桿塔三維模型，進行航跡規(guī)劃，探索無人機自主導航飛行+自動避障的巡檢模式；三是實現(xiàn)無人機的全自動或半自動起飛、巡視拍照、降落、充電、高清視頻影像實時回傳，通過人工智能進行缺陷識別，自動生成巡檢報告。無人機的應用架構如圖3所示。

圖3 無人機應用架構

3.2 北斗在桿塔傾斜監(jiān)測中的應用

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

選擇一部分位于道路轉角處或路邊的桿塔，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)測桿塔坐標和傾斜情況，通過GPRS 及時將預警信息推送到監(jiān)控管理中心。通過對監(jiān)控數(shù)據(jù)分析，預判桿塔形變，快速定位故障點。該設備具備對采集、存儲、通信、信號處理等自檢功能，當判斷設備故障時，能通過相應措施恢復設備正常運行。桿塔檢測應用架構如圖4所示。

圖4 桿塔監(jiān)測應用架構

3.3 北斗在變電站沉降監(jiān)測中的應用

變電站主要設備比較重，若遇到塌方落石、強風、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，就會產(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)災害。一旦發(fā)生不均勻沉降，將會對變電站內(nèi)的設備設施、建筑等造成嚴重威脅。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段難以滿足高精度監(jiān)測需求，同時由于預警機制不完善，不能及時進行告警。

利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)不受氣候影響的優(yōu)點，可實現(xiàn)全天候、不間斷的三維高精度測量［20］。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)依托于電力北斗精準位置服務網(wǎng)，提供高精度的定位服務，在后臺系統(tǒng)的支撐下，實現(xiàn)實時厘米級、后處理毫米級位移量監(jiān)測，對微小沉降及不均勻沉降進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)生異常沉降，可以在第一時間采取處理措施，具有延遲短、實時性強等優(yōu)點，防止嚴重事故的發(fā)生。地質(zhì)檢測裝置如圖5所示。

圖5 地質(zhì)監(jiān)測裝置

4 北斗系統(tǒng)在調(diào)度領域的應用

基于電力北斗精準位置服務網(wǎng)的地基增強站和授時單元，構建電力精準時空網(wǎng)，采用時間基準、授時網(wǎng)絡和授時應用三級多點結構布局，最終為變電所、信息中心機房、充電樁、智能電表等電力行業(yè)各終端用戶提供授時授頻服務。實現(xiàn)調(diào)控中心和變電站自動化、保護、安控等設備精確授時以及時間同步狀態(tài)實時監(jiān)測，實現(xiàn)變電站地理位置信息自動采集功能，提升調(diào)控中心和變電站運行可靠性和自主可控能力，時間基準系統(tǒng)具有較好的獨立保持能力，在非常時期國家時頻系統(tǒng)遭到破壞時，國網(wǎng)自主時間基準能夠獨立運行并保持輸出標準時間信號。

統(tǒng)一規(guī)劃論證與建設國家電網(wǎng)時間頻率體系，將建立統(tǒng)一的國網(wǎng)時間基準，解決目前各變電站時間不統(tǒng)一的問題，并建立統(tǒng)一的授時網(wǎng)絡，采用衛(wèi)星共視的方式，將各變電站的時間同步到國網(wǎng)統(tǒng)一的時間基準上。因此，實現(xiàn)全電網(wǎng)的時間源統(tǒng)一、時間源相互備份，建立集中統(tǒng)一的電力系統(tǒng)時間同步系統(tǒng)，使各廠站、調(diào)度控制中心的時間源得到備份十分必要。典型220 kV 變電站內(nèi)時間同步系統(tǒng)拓撲結構如圖6所示。

圖6 典型220 kV變電站內(nèi)時間同步系統(tǒng)拓撲結構

共視接入設備采用衛(wèi)星共視的方法，通過時頻同步網(wǎng)授時服務平臺，同步至國家電網(wǎng)基準時間，并輸出信號，實現(xiàn)接收時間與基準時間差控制在納秒級。這些信號以有線時間基準的方式，提供給目前變電站主時鐘，使主時鐘優(yōu)先有線時間基準信號，從而實現(xiàn)國家電網(wǎng)基準時間的接入，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)有主時鐘改造的時間同步系統(tǒng)組成

5 結語

通過電力行業(yè)北斗時空服務體系的建設，推進北斗系統(tǒng)與電力業(yè)務的深度融合，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)應用的典范。北斗系統(tǒng)在電力行業(yè)的規(guī)模化應用，形成基礎產(chǎn)品、系統(tǒng)終端集成和運營服務的北斗上中下游產(chǎn)業(yè)鏈，帶動電力行業(yè)百億規(guī)模的北斗市場，從而推動北斗產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。深化北斗在電力業(yè)務領域的應用，逐步形成北斗系統(tǒng)在電力行業(yè)全面應用，保障電網(wǎng)時空信息、信息通信和授時授頻服務的自主安全可控，提升電網(wǎng)系統(tǒng)抵御外部環(huán)境風險能力和安全可信防護水平，有效保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和電力可靠供應，全面支撐堅強智能電網(wǎng)建設。