北斗導(dǎo)航定位技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用＊

楊洪磊，司興登，江 召，苗雪鵬

（1.昆明冶金高等?？茖W(xué)校，云南 昆明650033；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明650051；3.河南通達(dá)電纜股份有限公司，河南 洛陽471922）

電力系統(tǒng)是社會(huì)的重要組成系統(tǒng)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)人民正常生產(chǎn)生活具有重要意義。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐步成熟，該系統(tǒng)在救災(zāi)減災(zāi)、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、森林狀態(tài)監(jiān)測(cè)、軍事等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，由于該系統(tǒng)定位精度高、在山區(qū)和城市中抗干擾能力強(qiáng)，該系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用并具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及其特點(diǎn)

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)采取了北斗一號(hào)、北斗二號(hào)和北斗三號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略，其中北斗三號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)于2020年完成組網(wǎng)并提供全球服務(wù)[3]。該系統(tǒng)由靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星共計(jì)30 顆衛(wèi)星組成[4]，目前可以提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種功能，開放服務(wù)免費(fèi)提供10 m 定位精度、50 ns 授時(shí)精度和0.2 m/s 的測(cè)速精度，授權(quán)服務(wù)可向授權(quán)用戶提供更高性能的服務(wù)[5]。

2 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 北斗定位系統(tǒng)在電力系統(tǒng)時(shí)間同步中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)的時(shí)間同步對(duì)相位比較、故障記錄、事件順序啟動(dòng)等具有重要意義，中國對(duì)線路行波故障測(cè)距裝置、同步相量測(cè)量裝置、雷電定位系統(tǒng)等的時(shí)間同步準(zhǔn)確度均要求優(yōu)于1 μs[6]。目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)搭載的中國自主研制的時(shí)鐘性能已于國際應(yīng)用時(shí)鐘性能相當(dāng)，其主要技術(shù)指標(biāo)已全部達(dá)到或優(yōu)于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，電力系統(tǒng)的時(shí)間同步逐步由原來的GPS 授時(shí)轉(zhuǎn)向北斗定位系統(tǒng)授時(shí)。為更好服務(wù)電力系統(tǒng)時(shí)間同步，后期將利用北斗雙向通信技術(shù)開發(fā)本地時(shí)間控制與保持、北斗雙向?qū)r(shí)、遠(yuǎn)程時(shí)間狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程時(shí)間控制、檢測(cè)其他電力時(shí)鐘裝置功能等功能[7]。

2.2 北斗定位系統(tǒng)在電力線路巡檢中的應(yīng)用

輸電、配電線路是電網(wǎng)的重要設(shè)施，輸電、配電線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量具有重要作用，而建立高效的電力線路巡檢系統(tǒng)是保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的必要手段。

以北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位功能為基礎(chǔ)可開發(fā)出雙向通信、雙向定位電力線路巡檢系統(tǒng)，其利用北斗系統(tǒng)的定位功能將電力系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備在地圖上進(jìn)行位置標(biāo)記，比如變電站、電桿、輸電線路等，使用這些位置信息可以規(guī)范電力設(shè)施管理和檢修工作。在電力巡檢車上安裝北斗設(shè)備，巡檢車的位置就可在數(shù)秒鐘傳送到電力調(diào)度指揮中心，利用接收到的位置信息可調(diào)度指揮電力巡檢車。另外使用北斗系統(tǒng)所特有的短報(bào)文通信功能，北斗終端設(shè)備可及時(shí)將故障情況報(bào)告指揮調(diào)度中心，可大大縮短故障定位時(shí)間，大大提高設(shè)備搶修效率[8]。

另外基于北斗高精度定位技術(shù)的電力巡檢用智能安全帽可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢修人員位置、現(xiàn)場(chǎng)故障情況以及人員生理健康水平的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)語音對(duì)講和視頻傳輸，及時(shí)準(zhǔn)確地將檢修人員及設(shè)備信息動(dòng)態(tài)反饋至后臺(tái)中心控制系統(tǒng)，供后臺(tái)管理技術(shù)人員進(jìn)行高效的人員調(diào)度、檢修指揮和技術(shù)支持，有效提高檢修工作效率。同時(shí)在應(yīng)急災(zāi)害情況下，可及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，最大限度地減少損失[9]。

中國通航領(lǐng)域政策的逐步開放及無人機(jī)飛行相關(guān)技術(shù)的迅速進(jìn)步，有效推動(dòng)了無人機(jī)搭載專用傳感器載荷巡視輸電線路的巡檢作業(yè)方式的開展，并促進(jìn)輸電線路巡檢模式由人工巡檢模式向無人機(jī)巡檢模式轉(zhuǎn)變[10]。隨著北斗高精度服務(wù)建設(shè)并對(duì)外發(fā)布服務(wù)，利用北斗高精度定位服務(wù)引導(dǎo)無人機(jī)自主飛行、拍照，使無人機(jī)高精度的精細(xì)化巡檢成為可能[11]。

2.3 北斗系統(tǒng)在電力系統(tǒng)防災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)中輸電線路由于受自然或者人為因素的影響，有時(shí)會(huì)造成桿塔整體傾斜、部分塔材彎曲等，由于大風(fēng)原因還可能造成大幅度導(dǎo)線舞動(dòng)等，在云南、貴州等地由于局部氣候條件線路容易覆冰，在山地地區(qū)有些桿塔、電站等可能會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害等，上述情形都嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的供電可靠性。北斗定位系統(tǒng)具有高精度、全天候監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，并具有短報(bào)文通信功能，可對(duì)輸電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)該系統(tǒng)可對(duì)大壩等大型電力設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩變形等。

將北斗定位終端安裝于兩座鐵塔之間的導(dǎo)線弧垂最低處，當(dāng)導(dǎo)線覆冰后，由于重力作用，導(dǎo)線會(huì)整體拉伸，導(dǎo)線弧垂加大，絕緣子拉力值越大，導(dǎo)線最低處的弧垂就越大，北斗定位終端直接用螺絲固定在導(dǎo)線弧垂最低處；建立一個(gè)北斗基站參考站，放在已知點(diǎn)上，輸入已知點(diǎn)的坐標(biāo)，然后把坐標(biāo)跟參考站輸出的原始載波觀測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線使用TCPIP 協(xié)議發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，且北斗基站參考站與北斗定位終端共視衛(wèi)星[12]，通過這種方式即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路覆冰和導(dǎo)線舞動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)。電網(wǎng)輸電設(shè)備防災(zāi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用體系框架將北斗準(zhǔn)確的坐標(biāo)定位技術(shù)作為關(guān)鍵點(diǎn)，將基準(zhǔn)點(diǎn)（新建設(shè)或者其他供應(yīng)商提供）、桿塔（包括附近環(huán)境）以及北斗電力平臺(tái)系統(tǒng)等組合為全方位的輸電線路高精度變形監(jiān)測(cè)體系，同時(shí)通過全面比較能夠得到平穩(wěn)、精準(zhǔn)的相關(guān)記錄，為輸電線路防災(zāi)減災(zāi)提供支撐?；陔娏Ρ倍犯呔榷ㄎ患夹g(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔位移、滑坡及偏移的分析，同時(shí)可以利用北斗雙天線姿態(tài)技術(shù)精確測(cè)量桿塔塔形[13]。

北斗在電力建設(shè)過程中因其可見衛(wèi)星數(shù)量多、測(cè)量精度高、在高樓和大山等區(qū)域抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用；同時(shí)在無公網(wǎng)覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)基于北斗短報(bào)文的用電信息采集功能得到了廣泛應(yīng)用[14]；該系統(tǒng)在救災(zāi)、減災(zāi)方面也發(fā)揮不可或缺的補(bǔ)充作用[15]。

3 未來發(fā)展方向

3.1 不斷探索應(yīng)用場(chǎng)景

北斗的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)隨著不斷探索而保持?jǐn)U展態(tài)勢(shì)，未來的發(fā)展中如何探索應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)是能否充分發(fā)揮北斗性能的關(guān)鍵。

3.2 推動(dòng)與5G 等其他學(xué)科的交叉應(yīng)用

北斗具有定位精度高、授時(shí)精度優(yōu)和短報(bào)文通信功能，但只有將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與其他學(xué)科如5G、智能控制、大數(shù)據(jù)分析等交叉融合，才能最大限度發(fā)揮其作用。

3.3 部分領(lǐng)域融合其他導(dǎo)航系統(tǒng)

實(shí)踐表明，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合應(yīng)用可以顯著提高系統(tǒng)性能，因此在部分領(lǐng)域融合其他導(dǎo)航系統(tǒng)將是未來探索的方向。

3.4 不斷升級(jí)以提高應(yīng)用精度和穩(wěn)定性

2035年，中國還將建成以北斗系統(tǒng)為核心，更加泛在、更加融合、更加智能的綜合定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）體系。北斗系統(tǒng)將以更強(qiáng)的功能、更優(yōu)的性能，服務(wù)全球，造福人類。