基于BDS 的電力安全管控云平臺設計

周恩澤，朱空軍，許海林，鄂盛龍，向 諄 ，吉麗婭，黎 淼

（1. 廣東電網有限責任公司 電力科學研究院，廣州 510620；2. 廣東滿天星云信息技術有限公司，廣州 510130）

0 引言

電力安全是電力行業(yè)運行和發(fā)展的根本。我國電網線路覆蓋范圍廣、覆蓋區(qū)域地形復雜并且自然環(huán)境多樣，為了及時掌握線路的運行狀況，迅速排除線路的潛在隱患，電力部門需要安排大量的人員及監(jiān)測設備用于安全巡線工作[1]。近年來，隨著無人機技術的快速發(fā)展，采用無人機對輸配電線路進行電力巡檢作業(yè)，得到了研究人員的重視，但人工定期巡線仍然是現階段運用最廣泛的巡線方法；此外，面對眾多的輸電線路基站，無人機巡檢內容仍不夠充分，對電力人員和設備實施安全管控成為1 個備受關注的問題[2-3]。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS），時至今日，BDS 已可為整個亞太區(qū)域提供全天候、全天時、高精度的定位、導航、授時等服務[4-5]。全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）會因為某些時段接收的衛(wèi)星數過少，而無法進行導航定位；而 BDS 空間段采用地球靜止軌道（geostationary Earth orbit, GEO）、傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）及中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）3 種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與GPS 等其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區(qū)，這個特點更具有優(yōu)勢。電力安全管控區(qū)域復雜，高原、山區(qū)等屬常見地形，利用BDS 對人員及設備安全進行管控是非常合適的現有技術手段[6-8]。國家電網公司和南方電網公司，近年來不斷推進BDS 在電力行業(yè)的研究和應用，面向發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等多種不同場景，形成了“北斗+電力”的多種應用方案，許多學者也為BDS 在智能電網中的應用進行了積極探索：文獻[9]對 BDS地基增強技術在電網高精度地理位置服務中的可用性進行了探討；文獻[10]分析了BDS 高精度位置服務的數據誤差源；文獻[11]研發(fā)了巡檢人員與車輛配置的BDS 智能終端，用于實現配電網人車導航定位；文獻[12]采用 BDS 精確定位技術，監(jiān)測輸電線路桿塔基礎位移。然而，現有BDS 高精度地理位置服務的應用方式仍比較單一，缺少與大數據、物聯網等新技術結合。就我國現有電力安全管控技術而言，尚未形成與大范圍人員管控、設備監(jiān)測相適應的技術體系，尚不能有效滿足我國電力人員及電力設備安全管控所需要的高精度、低時延、全方位的要求。為此，本文基于BDS 高精度位置服務，構建了電力安全管控精準服務體系架構，以期為從業(yè)人員及電力設備智能化管控和監(jiān)測提供技術支撐。

1 精準服務體系架構

本文構建的面向智能電網的BDS 高精度位置服務體系，以電力安全管控云平臺為核心，將BDS衛(wèi)星導航、地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）、物聯網、大數據等技術與電網業(yè)務深度融合，利用BDS 精準定位數據，實現電力外業(yè)作業(yè)人員精細化管理和合理調配，電力設備毫米級監(jiān)測。該體系包括 3 個主要部分：BDS 衛(wèi)星實時監(jiān)測系統(tǒng)、電力安全管控云平臺、移動端智能安全帽及前端業(yè)務系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 精準服務體系架構

如圖1 所示，BDS 精準服務體系包括實時監(jiān)測系統(tǒng)、電力安全管控云平臺以及移動端/業(yè)務系統(tǒng)3 部分。其中，實時監(jiān)測系統(tǒng)為BDS 衛(wèi)星及地面站點構建的定位監(jiān)測網，利用實時動態(tài)載波相位差分（real - time kinematic, RTK）等技術實時傳輸基準站觀測數據；電力安全管控云平臺包括數據層、服務層和應用層，數據層匯聚基準站觀測數據、衛(wèi)星解算數據、物聯網接入數據、2 維（2D）/三維（3D）基礎地理信息數據等多源數據，存儲于非關系型數據庫，并基于Web Server 提供數據及功能服務；移動端系統(tǒng)服務于電力人員現場作業(yè)，裝載于自主研發(fā)的“智能安全帽”，此外，前端業(yè)務系統(tǒng)與電力安全管控云平臺具有雙向通信、無縫銜接功能。

“智能安全帽”是精準服務外業(yè)現場人員的全新部件，主要組成部分有GNSS 模塊、網絡模塊、系統(tǒng)級芯片（system on chip，SOC）主控系統(tǒng)、語音播報系統(tǒng)。其中：GNSS 模塊采用 Ublox ZEDF9P 模塊，該模塊支持GPS、日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（quasi-zenith satellite system, QZSS）、格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system,GLONASS）、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）及 BDS 5 種系統(tǒng)，支持雙頻天線；SOC 主控系統(tǒng)采用海思的Hi3516EV300 平臺。在充分調研用戶多元化操作需求的基礎上，該部件主要涵蓋以下性能：揚聲器，為用戶提供聲音服務，如報警、狀態(tài)提示等；螺旋天線方案，有效降低產品尺寸；圓柱電池，擁有防反插的功能，電池容量4 800 mAh，單節(jié)可提供8 h 以上的作業(yè)時間；擁有高精度定位模塊，提供穩(wěn)定可靠的厘米級定位；擁有4G 網絡功能，提供設備與互聯網交互的能力（如衛(wèi)星定位服務連續(xù)運行參考站（ continuously operating reference stations, CORS）數據的獲取、服務器之間的交互等），提供 1 個用戶身份識別卡（subscriber identification module, SIM）插槽，用戶可使用自己的網絡卡；擁有藍牙功能，用戶可在手機端的軟件通過藍牙方式連接設備，進行數據交互；擁有1 個USB Type-C 接口，提供充電、設備配置等功能。

2 云平臺關鍵技術研究

2.1 軌跡數據分析

電力配電線路基礎設施經常發(fā)生不同故障，由于線路長、地形復雜，巡檢人員與車輛難以及時尋找到故障地點。為保障巡檢人員、車輛安全，利潤BDS 的高精度位置服務特點，將安全帽得到的實時坐標通過網絡模塊回傳，使用天地圖、或自行發(fā)布的符合開放地理空間信息聯盟（open geospatial consortium, OGC）協議的地圖，來實現故障、人員、車輛位置實時監(jiān)控和厘米級的定位服務，并將結果在地圖上清晰展示出來。

為了實現人員的高精度定位監(jiān)測，平臺利用BDS 定位模塊，首先獲取單基站差分數據或者CORS 服務器差分數據，但不直接向智能安全帽等移動接收終端發(fā)送相關改正信息，而是將所有基準站實時的原始數據發(fā)到云平臺控制中心進行解算。控制中心解算軟件在統(tǒng)一處理定位數據的同時，接收由智能安全帽在工作前發(fā)送的 1 個單點定位坐標，然后根據該點坐標信息，自動選擇1 組最佳的基準站，計算改正衛(wèi)星的軌道誤差、電離層誤差、對流層和大氣折射引起的誤差等，然后將高精度的差分信息發(fā)給外業(yè)前端。

管理員可在 Web 端選擇特定外業(yè)人員進行軌跡回放，并基于軌跡分布挖掘出作業(yè)人員在不同時間段的工作情況，從而達到對現場作業(yè)人員進行安全監(jiān)控、管理及績效考核的目的，其具體業(yè)務邏輯如下：①利用GNSS 模塊實現人員坐標定位；②人員定位坐標回傳（回傳時間間隔可設置，如1、5、30 s）；③對作業(yè)人員可以按時間及區(qū)域進行軌跡查詢；④軌跡數據預處理及挖掘；⑤作業(yè)人員工作情況分析結果。

2.2 遠程指揮協助

電網信息的獲取往往需要內外業(yè)協同工作，為實現內外業(yè)協同作業(yè)研發(fā)了遠程連接功能，以第一視角直觀反映現場狀況，方便管理人員進行安全監(jiān)控和指揮調度。管理員或外業(yè)作業(yè)人員可以遠程發(fā)起實時視頻對講請求，管理人員實時查看了解現場情況，同時通過實時視頻對講與現場人員進行交流，多視角查看現場，分析解決問題，協助完成相關任務。通過地圖展示，可實時掌握作業(yè)人員具體位置及工作區(qū)域，如遇突發(fā)狀況，可快速查閱周邊相關作業(yè)人員位置，進而對人員進行及時合理的調度和工作安排，提升響應時間和工作效率。

2.3 電子圍欄告警

“電子圍欄”是1 項用于規(guī)避危險作業(yè)區(qū)的重要安全管控和預警技術。管理人員首先在 GIS 地圖上，虛擬劃定安全電子圍欄區(qū)域，并依據電力故障、電壓等級、氣象環(huán)境等位置著重標注危險電子圍欄區(qū)域。其次，在外業(yè)人員手持終端中安裝BDS定位和移動通信模塊，利用衛(wèi)星定位上傳數據，實現對進出電子圍欄區(qū)域的作業(yè)人員的安全進行管控和預警。當人員離開安全電子圍欄區(qū)域或進入危險電子圍欄區(qū)域時，系統(tǒng)會發(fā)出警告信息，要求人員返回至指定區(qū)域。通過該技術，可在電力作業(yè)中實時掌握作業(yè)區(qū)域內人員的數量、狀態(tài)、位置及流量情況等信息，為人員調度和安全維護等提供智能指引。在實驗過程中，該技術的告警平均響應時間不大于3 s。

2.4 沉降監(jiān)測預警

電力設備運行極易受到周邊發(fā)生的山體滑坡、地表形變、沉降塌陷等地質災害影響，目前避免上述影響的手段還是采用人工監(jiān)測為主，依賴人員的經驗及周期性觀測進行防范。然而，這種方式滯后性明顯，面對突發(fā)緊急情況更無法及時預警和實時監(jiān)管。為實現電力設備地質災害防治的自動化和智能化，將電力設備地質環(huán)境監(jiān)測與BDS、云計算中心、降雨等物聯網設備相結合，實現設備周邊毫米級位置信息和位移變化量地質監(jiān)測，并實時將監(jiān)測點位精確位置上傳給監(jiān)控中心，建立監(jiān)測預警模型，一旦位移變化超過設定閾值，系統(tǒng)自動實現報警。

針對累積式的地質災害，采用固定時間段采集原始數據，使用后處理解算方式得到更高精度的坐標，其精度可達毫米級，能更好地反映位移累積變化；針對含水量，實時將監(jiān)測點的含水量上傳給監(jiān)控中心，并自動上調含水量和實時RTK 位置數據上傳頻率，以達到更及時的監(jiān)控目的。實時RTK（A1）、后處理解算（A2）、含水量（A3）3 種數據共同構建地基沉降監(jiān)測的預警模型，其中實時RTK 水平方向標記為A11，垂直方向標記為A12；后處理軟件解算水平方向上連續(xù) 5 d 日平均位移速率，標記為A21，5 日累計位移標記為A21，垂直方向上連續(xù)5 d 日平均位移速率標記為A23，5 d 累計位移標記為A24；含水量程度標記為A31。電力設備沉降受所選單因子的影響，且各個因子影響不盡相同，本文建立的監(jiān)測預警模型，實現了多因子定量綜合評價。首先，通過專家打分法，對各因子的原始信息進行定量化處理，經過十幾位學科專家及經驗豐富作業(yè)人員的多次討論、修訂與綜合，最后確定各單要素對設備安全性的影響“等級”按等級劃為極危險、高危險、危險、安全4 個等級，同時分別賦值為7、5、3 和1，分級標準如表1 所示。

表1 設備安全監(jiān)測危險性評價指標分級標準

為充分利用評價數據提供的信息，避免主觀賦權的局限性，本文采用客觀賦權即變異函數法確定各單要素的權值，計算公式為

式中：w為評價因子的權；v為評價因子變異系數；S為評價因子標準差；為評價因子均值；i為評價因子數，i=1，2，3，4；Si為第i項評價因子標準差；為第i項評價因子均值。

采用自然斷點法將預警狀態(tài)劃分為3 類，紅色預警、黃色預警及藍色預警。紅色預警屬于報警級，表明監(jiān)測點出現了風險需及時處理；黃色預警屬于預防級，表明監(jiān)測點存在風險需排查預防；藍色預警屬于提醒級，表明監(jiān)測點存在發(fā)生風險的可能，需重點關注。

3 實驗與結果分析

本文以廣東省某市為研究區(qū)域。管控云平臺部署在廣東電力科學研究院內，可以對研究對象轄區(qū)范圍內的電力人員及電力裝置進行安全監(jiān)測。該平臺以2D、3D 基礎地理信息數據為地圖數據，連接的其他信息包括：300 余座CORS 站的數據，1 000 多個溫度、降雨地面監(jiān)測站點的數據，行業(yè)內全部電力人員手持終端信息、智能安全帽信息，以及野外電力設備信息。

依托BDS 高精度位置服務體系架構，在市內及郊區(qū)進行 2 項實時差分解算實驗，以驗證厘米級服務的可靠性。

1）首先進行動態(tài)模式下定位精度的測試。選取空曠田間路段，將嵌有衛(wèi)星接收機設備的智能安全帽交與電力作業(yè)人員佩戴，并要求其以 1.2 m/s 的速度沿路段行駛，設置測試時長為30 min，共獲取850 個歷元，動態(tài)定位測試效果如圖2 所示。

圖2 動態(tài)模式下定位測試軌跡

2）其次進行靜態(tài)模式下定位精度測試。同樣選取空曠區(qū)域，將衛(wèi)星接收裝置靜置于地面，設置其數據更新率為1 s，當獲取歷元數達到3 000 個時，停止測試。設接收數據在3D 空間坐標X、Y、Z分量的內符合精度為σ1、σ2、σ3，其計算數學函數為

式中：Δi為數據在3D 空間坐標X、Y、Z3 個分量上的實際計算值與數據平均值之差；n為觀測值個數。利用 MATLAB 對采集數據進行分析，依據式（2）可以計算出X、Y、Z3 個分量上的精度利用MATLAB 對采集數據進行分析，得到水平和垂直方向的內符合精度如表2 所示。

表2 水平和垂直方向的內符合精度 單位：m

圖3 為人員實時監(jiān)測及遠程可視化對講界面。由圖3 中可以看到，野外作業(yè)人員的位置、軌跡及現場環(huán)境都可以由后臺系統(tǒng)實時監(jiān)測，為人員安全、作業(yè)分配及作業(yè)質量提供了保障。

圖3 人員實時監(jiān)測對講界面

圖4 為野外設備沉降監(jiān)測預警界面。由圖4 可以看到該監(jiān)測點的即時及歷史信息，并直觀顯示安全級別，實現安全信息的智能化分析及可視化展示。

圖4 野外設備沉降監(jiān)測預警界面

4 結束語

電力安全是電力行業(yè)運行和發(fā)展的根本，其中，人員及設備安全又是重中之重。針對當前電力行業(yè)中對人員及設備安全管控方式比較單一且滯后性明顯的問題，本文提出了1 種基于BDS 高精度位置的安全服務體系架構，以電力安全管控云平臺為核心，結合自主研發(fā)的智能安全帽、降雨等物聯網監(jiān)測站點獲取的信息，對電力人員及電力設備安全進行智能管控。廣東的實際場景驗證表明，本文所提方法具有合理性及較強的可用性。在未來的應用中，以我國第三代北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)即北斗三號為基礎，基于歷史數據進行多因素、高精度模型預測分析，可以將此模式擴展到包括電力行業(yè)在內的其他國家重點行業(yè)，為其提供高效、穩(wěn)定的高精度位置服務。