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

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的不斷發(fā)展，其滲透到了多個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也帶來(lái)了一場(chǎng)技術(shù)革命。相比于以往的技術(shù)，其具有兩個(gè)顯著特征，即定位的精準(zhǔn)性與使用范圍之廣。在實(shí)際研究過(guò)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(shí)時(shí)動(dòng)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(guān)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)從厘米到毫米級(jí)的精確定位。

近年來(lái)，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(xiàn)，在規(guī)劃、基建、運(yùn)檢等多個(gè)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(cè)預(yù)警、線(xiàn)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(guó)家電網(wǎng)局啟動(dòng)了北斗衛(wèi)星應(yīng)用綜合服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與建設(shè)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了基準(zhǔn)站的設(shè)計(jì)與施工，并取得了良好的進(jìn)展，對(duì)于電網(wǎng)整個(gè)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(guó)自主研發(fā)的系統(tǒng)，其定位比較精確，且能在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確定位，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行短報(bào)文通信與精密授時(shí)。該系統(tǒng)于本世紀(jì)二十年代初正式開(kāi)通，標(biāo)志著我國(guó)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(gè)領(lǐng)域，如交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)等，同時(shí)也從一定程度上推動(dòng)了社會(huì)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(lái)十到二十年內(nèi)，信息技術(shù)的不斷發(fā)展能帶動(dòng)整個(gè)電力行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也能帶動(dòng)我國(guó)城鎮(zhèn)化的建設(shè)速度。同時(shí)，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(gè)角度來(lái)看，國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)的優(yōu)化是一項(xiàng)民生工程，積極推動(dòng)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(lái)，多個(gè)電力企業(yè)引入了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，同時(shí)也深入到了電網(wǎng)系統(tǒng)的各個(gè)核心業(yè)務(wù)中，對(duì)于整個(gè)電力企業(yè)的發(fā)展有重要的引導(dǎo)意義。從另一個(gè)角度來(lái)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(guò)程中存在的各種問(wèn)題，同時(shí)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(gè)信息系統(tǒng)的安全性，避免信息泄露。

未來(lái)幾年，北斗導(dǎo)航定位技術(shù)將滲透到多個(gè)領(lǐng)域，與各種通信技術(shù)、5G技術(shù)銜接起來(lái)，通過(guò)這種方式也能開(kāi)拓立體化的發(fā)展空間，提升整個(gè)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(guò)程中，要注重綜合平臺(tái)的搭建，同時(shí)還要推動(dòng)各個(gè)試點(diǎn)工作穩(wěn)步進(jìn)行。平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中還要對(duì)整個(gè)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(guò)長(zhǎng)期的研究我們發(fā)現(xiàn)北斗平臺(tái)一體機(jī)的應(yīng)用能夠有效提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，對(duì)于整個(gè)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，也有顯著的調(diào)節(jié)作用，突出體現(xiàn)在其能降低平臺(tái)的運(yùn)維難度。在運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)人員也要做好監(jiān)督工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，避免其出現(xiàn)突發(fā)事件，通過(guò)這種方式也能確保國(guó)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(lái)一場(chǎng)技術(shù)革命，同時(shí)，該技術(shù)也有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析能力，借助該技術(shù)能優(yōu)化整個(gè)服務(wù)體系。在該技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，我們也可協(xié)同GIS技術(shù)開(kāi)拓別樣的技術(shù)空間，提升整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算的精確度。同時(shí)，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(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)存器也能自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)作業(yè)中，工作人員常采用PDA+無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（3G/GPRS）與供電、檢修部門(mén)進(jìn)行通信對(duì)接，并借助無(wú)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(duì)接能夠很好地滿(mǎn)足作業(yè)基本要求，PDA內(nèi)置的GPS模塊也能為供電部門(mén)提供實(shí)時(shí)的定位與導(dǎo)航服務(wù)。但這種模式以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)為基準(zhǔn)，對(duì)周邊環(huán)境信號(hào)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(mén)與作業(yè)小組的通信就會(huì)中斷，對(duì)PDA的遠(yuǎn)程控制也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)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(hào)，并為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)分擔(dān)，即使在信號(hào)薄弱的地區(qū)，PDA仍然能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，確?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性。

2.2 北斗精密授時(shí)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(lái)看，各個(gè)端、受端的分布較為廣泛，每一個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立且分散。為了保證系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)的統(tǒng)一性，一般會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)安設(shè)自動(dòng)化裝置，通過(guò)定時(shí)提醒，縮短每個(gè)子系統(tǒng)工作間的誤差。但一般電力系統(tǒng)往往長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作，自動(dòng)化裝置長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷運(yùn)行會(huì)使得積累誤差越來(lái)越大，導(dǎo)致系統(tǒng)整體運(yùn)行出現(xiàn)安全問(wèn)題。而在系統(tǒng)中安設(shè)北斗精密授時(shí)系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與國(guó)際時(shí)間的統(tǒng)一，又能形成良好的冗余設(shè)計(jì)，與自動(dòng)化裝置形成交替式運(yùn)行模式，減少積累誤差現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高電力系統(tǒng)運(yùn)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(guó)大多數(shù)電力企業(yè)將GPS定位技術(shù)作為自身運(yùn)行、發(fā)展的根本，但這一技術(shù)多為國(guó)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(shì)，不僅能滿(mǎn)足電力生產(chǎn)、電力管理等工作開(kāi)展的實(shí)際需求，而且可通過(guò)GPS數(shù)據(jù)定位實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，精準(zhǔn)測(cè)量場(chǎng)地作業(yè)規(guī)模（誤差小于1 dm），確保作業(yè)的安全性。同時(shí)，在作業(yè)過(guò)程中，相關(guān)人員可借助大數(shù)據(jù)，對(duì)作業(yè)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)性。

2.4 北斗短報(bào)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(jià)值，不僅能實(shí)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(bào)文功能，能夠與作業(yè)小組進(jìn)行實(shí)時(shí)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(bào)文通信的工作架構(gòu)，確保作業(yè)工作的高質(zhì)量開(kāi)展。

其功能特點(diǎn)如下：

（1）通過(guò)北斗系統(tǒng)的主動(dòng)定位功能，能夠及時(shí)指揮作業(yè)小組，遠(yuǎn)程把控他們的實(shí)時(shí)位置與作業(yè)情況，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的正向反饋。

（2）通過(guò)北斗短報(bào)文服務(wù)功能，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)山間作業(yè)存在的短板，與作業(yè)人員及時(shí)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(shí)意義。

（3）基于北斗短報(bào)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(guò)作業(yè)反饋制定針對(duì)性作業(yè)方案，并利用終端數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)與通信設(shè)備搭建溝通網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電力作業(yè)任務(wù)的聯(lián)動(dòng)和防護(hù)。

2.5 北斗系統(tǒng)在運(yùn)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(wú)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(diǎn)，能夠幫助無(wú)人機(jī)快速監(jiān)測(cè)地形數(shù)據(jù)，并根據(jù)施工周邊環(huán)境制定針對(duì)性作業(yè)方案，確保施工的順利進(jìn)行。同時(shí)，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(dòng)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(xiàn)路，依托北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)收集，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行路徑進(jìn)行監(jiān)控，提高遠(yuǎn)程運(yùn)行監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程運(yùn)行數(shù)據(jù)分析能力。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控中，還可為無(wú)人機(jī)安設(shè)RTK模塊，以此進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，實(shí)現(xiàn)智能化高精度巡檢。不僅如此，根據(jù)無(wú)人機(jī)的功能及用途，還可搭載不同的測(cè)量模塊，加快智慧工地的建設(shè)步伐。

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

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

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

圖1 無(wú)人機(jī)應(yīng)用架構(gòu)

2.5.2北斗在桿塔傾斜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

桿塔傾斜往往是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的侵蝕或是車(chē)輛撞擊而導(dǎo)致的，作為架空輸電線(xiàn)路的重要設(shè)施，一些企業(yè)往往會(huì)加裝緩沖保護(hù)裝置來(lái)防止一般外力對(duì)其造成破壞，但當(dāng)出現(xiàn)桿塔傾斜時(shí)，檢修人員往往無(wú)法第一時(shí)間掌握問(wèn)題設(shè)備，只能根據(jù)型號(hào)逐一排查。同時(shí)，面對(duì)設(shè)備具體運(yùn)行情況、存在的問(wèn)題，檢修人員也難以第一時(shí)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(guò)安設(shè)報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線(xiàn)桿塔實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保桿塔的無(wú)故障運(yùn)行。

首先，根據(jù)輸電線(xiàn)桿塔數(shù)量，采用合適的安設(shè)方案。一般來(lái)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(bào)警裝置垂直安設(shè)于輸電線(xiàn)桿塔內(nèi)部，通過(guò)5G通信技術(shù)，搭建監(jiān)管平臺(tái)，以“綠正紅警”的形式分布在平臺(tái)上。通過(guò)對(duì)設(shè)備報(bào)警信號(hào)的實(shí)施讀取，監(jiān)測(cè)桿塔坐標(biāo)和傾斜情況，并對(duì)可能存在的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)輸電線(xiàn)桿塔出現(xiàn)傾斜、預(yù)傾斜的情況時(shí)，報(bào)警器迅速變紅，反饋于指揮中心，相關(guān)人員則可根據(jù)報(bào)警器的位置快速定位故障點(diǎn)，并對(duì)該設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、通信、信號(hào)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(cè)應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。

圖2 桿塔監(jiān)測(cè)應(yīng)用架構(gòu)

2.5.3 北斗在變電站沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

變電站沉降除了自身體積過(guò)大以外，還與強(qiáng)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(huì)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(duì)于變電站內(nèi)的設(shè)備設(shè)施、建筑也會(huì)造成嚴(yán)重威脅。而傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置，雖然能預(yù)測(cè)到災(zāi)害的發(fā)生，但由于數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，無(wú)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(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、不間斷地三維高精度測(cè)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(kāi)展提供了許多便利。同時(shí)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可根據(jù)變電站實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)當(dāng)前地質(zhì)變化作出分析，計(jì)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(shí)間制定處理措施，大大保證了人們的安全。地質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置如圖3所示。

圖3 地質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置

3 結(jié)束語(yǔ)

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(jià)值。推動(dòng)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(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的發(fā)展。對(duì)此，在新的時(shí)代背景下，各個(gè)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(gè)領(lǐng)域上的具體應(yīng)用，立足互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把握時(shí)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(xiǎn)防控能力的同時(shí)，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而加快我國(guó)智能化電網(wǎng)建設(shè)的步伐。