北斗卫星系统在电力行业中的应用研究

王浩成，完颜绍澎，于 佳

（1.国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司，江苏 连云港 222002；2.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏 南京 210000）

0 引言

随着第三代北斗卫星的顺利发射组网和北斗定位导航软硬件的持续发展，北斗系统的民用化发展正在快速推进，将极大地推动北斗产业的快速发展［1-4］。电网作为社会经济发展的重要基础设施之一，其运行的安全性影响国计民生，更是电网企业的“生命线”［5-7］。目前，国家电网有限公司业务领域的定位导航应用大多仍采用GPS 终端设备，无法保证电网空间信息的安全［8-10］。北斗系统核心技术自主可控，从根本上保障了电网时空位置服务的安全。因此国家电网有限公司亟待推广北斗系统在电力系统中的应用，逐步由北斗GPS 兼容过渡模式转变为最终北斗全面替代GPS 模式，消除对国外卫星导航系统的依赖，保障我国电网安全发展［11］。

国家电网有限公司已经在规划、基建、运检、营销、调度等业务领域不断挖掘探索北斗与电力业务融合［12］。在运检业务领域，杆塔监测和地灾监测以及无人机巡检等业务提出了厘米级至毫米级的高精度定位需求［13］；在基建业务领域，人员管理、车辆管理等业务内容米级的定位需求；在营销业务领域，“营配贯通”、资产设备管理等业务应用提出了米级定位需求，在无公网覆盖的边远地区，电力业务所需实时通信要借助北斗系统短报文进行通信；在调度业务领域，当前智能电网、特高压超高压电网的建设对电网时间同步的精准度正从过去的微秒级提升到纳秒级，因此必须为电力系统配置安全稳定的高精度授时设备。建设电力物联网是国家电网有限公司的核心任务，开展基于北斗系统的电力场景应用，是立足于军民融合国家战略和国家电网有限公司发展的需求，也是建设电力物联网的重要举措。

针对北斗卫星系统在电力行业中的应用进行了分析和研究，结合电网实际业务需求积极探索北斗系统在能源时空管理及信息安全、全球能源物联网建设和电网运行中各领域的创新应用，为北斗应用产业化发展奠定基础，通过市场需求驱动北斗技术不断创新，推进北斗全球化进程。

1 电力北斗系统

1.1 电力北斗时空智能服务体系

电力北斗时空智能服务体系架构如图1所示。

图1 电力北斗时空智能服务体系架构

电力北斗时空智能服务体系的建设规划主要包括3个部分。

1）基础建设。通过“北斗精准位置服务网”与“北斗统一时频网”的基础设施建设，北斗时空智能综合服务平台、能源专业地图、能源物联网平台等服务平台体系建设以及与芯片、通信、安全等基础产业融合研制北斗芯片、板卡、模组等基础类产品，全面强化电力行业北斗基础服务能力，初步构建电力时空智能服务体系。

2）时空智能应用。基于北斗时空智能服务的基础服务能力，深度挖掘北斗在规划、基建、运检、营销、调度等电力业务领域的应用，实现北斗时空智能服务与电力业务应用的深度融合，全面服务于电网高质量的发展。

3）支撑体系。系统地构建标准规范体系、质量评测体系、安全保障体系、运行服务体系四大基础支撑体系，全面服务保障北斗时空智能服务体系建设。

1.2 北斗综合服务部署

北斗综合服务部署如图2所示。

图2 北斗综合服务部署

由图2 可知，北斗基准站通过信息内网将原始观测值传送至北斗综合服务平台的北斗解算服务模块；北斗终端通过省级安全接入区将终端信息、位置数据等信息传送至物联管理平台，再由物管平台上送至北斗综合服务平台的北斗解算服务模块，通过网络实时动态测量（Real Time Kinematic，RTK）技术对终端位置信息进行修正获得精确结果。北斗综合服务平台将修正后的位置信息、终端信息等传输至数据中台，再根据各业务应用需求形成数据服务对外提供服务，同时将相关信息传送至总部北斗卫星应用服务平台。北斗终端可以通过统一的协议对接物管平台，也可以通过边缘代理转发定位信息至物管平台。

2 北斗系统在基建领域的应用

2.1 北斗在智慧工地中的应用

打造基于北斗地基增强系统的基建施工现场示范区，为作业施工人员配备搭载北斗工卡、北斗安全帽，为施工车辆、大型施工设备搭载轨迹监测装置，采集施工现场人员、机械、设备、环境、车辆的交互信息并通过系统实时展现，实现北斗在关键人员到岗到位、现场车辆管理、施工作业安全等功能，加强电力物联网感知层建设与管理、提高工作效率。同时结合智慧云工地系统在对变电站施工场所进行区域划分，人员也按照工种进行不同工作区域划分，监理管控人员可在基建现场管控软件上设定电子围栏范围，结合人员位置信息，当作业人员走出安全区域或进入非本工种工作区域范围时，北斗监测装置将发出危险告警，实现人员与作业机械之间的安全距离实时掌握，提高现场作业人员的安全性，使管理人员和作业人员都能够明确安全作业区域，避免跨作业区域情况出现。

2.2 北斗在设备运输中的应用

变电站和居民小区的增加意味着变电站大型变压器以及小区台变的增加。在国家电网有限公司重点物资运输环节，大部分物资采用供应商直送现场的配送方式，通过传统的车载GPS 设备对车辆运行情况进行监控，安装调试复杂且缺乏设备运输环节中对运输质量（如颠簸、倾覆等）的监控手段。目前，尽管国内部分运输公司已经应用GPS和冲撞记录仪等技术手段来监控大件物资的移动定位和记录运输冲击情况，但还存在监控方式单一、实时性不高、集成规模小等问题，无法提供预警监控、指挥调度、统计分析等服务，针对重点物资运输监控的信息化建设还有很大的发展空间。

通过在运输车辆或变压器运输箱上安装重点物资监测装置，能够实时监测所运设备的运输参量、地理信息、环境参量等关键参数，有效采集设备运送过程中运输速度、加速度、倾角变化、氮气压力等数据，实时监测设备水平状态，并编码形成报文之后，通过移动通信信号，按照预设的时间间隔，发送到平台系统；具备冲击唤醒功能，当发生异常时自动启动报警装置，有效设备运输过程安全，实现机械设备状态和运行轨迹的实时监测和危险预警；同时设备采用低功耗设计，内置高效能电池，满足长途运输供电时效。

3 北斗系统在运检领域的应用

3.1 北斗在智慧工地中的应用

目前的无人机工程施工管理模式，需要无人机操控手操控，需大量人力投入［14］，且主要采用GPS与其他导航系统组合实现导航，但由于技术限制和精度的影响，难以在电力企业大规模应用推广。

北斗具有高精度定位导航能力，无人机搭载北斗高精度定位模块，其导航服务水平精度小于5 m、高程小于10 m；在电力北斗精准位置服务网支撑下，动态水平精度小于3 cm，高程精度小于5 cm［15］。选取220 kV 线路、500 kV 线路，利用北斗高精度定位技术、通信和人工智能技术，围绕无人机巡检业务作业流程，对飞行过程进行全流程实施监管，提高运检专业远程运维能力。在北斗精准时空服务体系的支持下，带有RTK功能的无人机，可以实现厘米级定位精度，进而实现智能巡检［16］。一是无人机搭载激光雷达，对输电线路通道和本体进行空间点云数据进行采集，以获取输电线路的激光点云数据/可见光点云数据，同时将采集的点云数据进行分割，得到每一个杆塔的点云数据，构建精准三维模型；二是基于电力北斗精准位置服务网提供高精度位置服务，利用地图系统结合输电线路杆塔三维模型，进行航迹规划，探索无人机自主导航飞行+自动避障的巡检模式；三是实现无人机的全自动或半自动起飞、巡视拍照、降落、充电、高清视频影像实时回传，通过人工智能进行缺陷识别，自动生成巡检报告。无人机的应用架构如图3所示。

图3 无人机应用架构

3.2 北斗在杆塔倾斜监测中的应用

架空输电线路，尤其是某些配电线路的钢管与水泥杆架设于道路转角处或路边，易受到车辆撞击［17］，存在倒杆隐患，且运维人员无法在线路被撞击的第一时间了解设备情况，使得隐患长时间存在。目前配电线路水泥杆大多采用加装缓冲保护装置来防止一般外力破坏。但如果发生外力破坏导致跳闸的情况，作业人员无法立刻精确确定具体杆号，需要进行全线巡视查找故障点，降低了抢修工作的效率。因此有必要研究基于北斗卫星导航系统的输电线杆塔倾斜程度的监测算法，实现对输电线杆塔的实时高精度监测，保障杆塔的无故障运行［18］。

选择一部分位于道路转角处或路边的杆塔，拟在杆身一半处以卡箍固定布置电池自供电配电杆塔倾斜监控终端，以监测杆塔坐标和倾斜情况，通过GPRS 及时将预警信息推送到监控管理中心。通过对监控数据分析，预判杆塔形变，快速定位故障点。该设备具备对采集、存储、通信、信号处理等自检功能，当判断设备故障时，能通过相应措施恢复设备正常运行。杆塔检测应用架构如图4所示。

图4 杆塔监测应用架构

3.3 北斗在变电站沉降监测中的应用

变电站主要设备比较重，若遇到塌方落石、强风、暴雨、地震以及异物入侵等情况，受到岩体本身抗剪切、抗破坏力的阻抗，一旦岩体阻抗力小于向下滑落的破坏力时，就会产生各种地质现象［19］，发生沉降甚至不均匀沉降的概率较高，可能造成安全事故及地质灾害。一旦发生不均匀沉降，将会对变电站内的设备设施、建筑等造成严重威胁。传统的监测手段难以满足高精度监测需求，同时由于预警机制不完善，不能及时进行告警。

利用北斗卫星导航系统不受气候影响的优点，可实现全天候、不间断的三维高精度测量［20］。北斗卫星导航系统依托于电力北斗精准位置服务网，提供高精度的定位服务，在后台系统的支撑下，实现实时厘米级、后处理毫米级位移量监测，对微小沉降及不均匀沉降进行实时监测，一旦发生异常沉降，可以在第一时间采取处理措施，具有延迟短、实时性强等优点，防止严重事故的发生。地质检测装置如图5所示。

图5 地质监测装置

4 北斗系统在调度领域的应用

基于电力北斗精准位置服务网的地基增强站和授时单元，构建电力精准时空网，采用时间基准、授时网络和授时应用三级多点结构布局，最终为变电所、信息中心机房、充电桩、智能电表等电力行业各终端用户提供授时授频服务。实现调控中心和变电站自动化、保护、安控等设备精确授时以及时间同步状态实时监测，实现变电站地理位置信息自动采集功能，提升调控中心和变电站运行可靠性和自主可控能力，时间基准系统具有较好的独立保持能力，在非常时期国家时频系统遭到破坏时，国网自主时间基准能够独立运行并保持输出标准时间信号。

统一规划论证与建设国家电网时间频率体系，将建立统一的国网时间基准，解决目前各变电站时间不统一的问题，并建立统一的授时网络，采用卫星共视的方式，将各变电站的时间同步到国网统一的时间基准上。因此，实现全电网的时间源统一、时间源相互备份，建立集中统一的电力系统时间同步系统，使各厂站、调度控制中心的时间源得到备份十分必要。典型220 kV 变电站内时间同步系统拓扑结构如图6所示。

图6 典型220 kV变电站内时间同步系统拓扑结构

共视接入设备采用卫星共视的方法，通过时频同步网授时服务平台，同步至国家电网基准时间，并输出信号，实现接收时间与基准时间差控制在纳秒级。这些信号以有线时间基准的方式，提供给目前变电站主时钟，使主时钟优先有线时间基准信号，从而实现国家电网基准时间的接入，如图7所示。

图7 现有主时钟改造的时间同步系统组成

5 结语

通过电力行业北斗时空服务体系的建设，推进北斗系统与电力业务的深度融合，基本形成北斗电力行业产业发展格局，树立北斗系统电力行业应用的典范。北斗系统在电力行业的规模化应用，形成基础产品、系统终端集成和运营服务的北斗上中下游产业链，带动电力行业百亿规模的北斗市场，从而推动北斗产业化的快速发展。深化北斗在电力业务领域的应用，逐步形成北斗系统在电力行业全面应用，保障电网时空信息、信息通信和授时授频服务的自主安全可控，提升电网系统抵御外部环境风险能力和安全可信防护水平，有效保障电网的安全稳定运行和电力可靠供应，全面支撑坚强智能电网建设。