基于北斗差分定位的導線舞動監測實用性關鍵技術研究

楊 松，李昊林，劉 明，曹 琪，魏術豐，盧 揚，秦志軍，籍永峰

（國網吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300）

0 引 言

北斗系統由于其強大的功能受到電力行業的大力關注，在電力業務領域中的應用方案日益廣泛[1]。然而，因為電力業務本身所具有的特殊性，北斗系統在實際應用中依然需要不斷對其進行完善。本文將針對基于北斗差分定位的導線舞動監測實用性關鍵技術展開更深入的研究。

1 技術研究框架

本文研究一種基于北斗差分定位的導線舞動監測系統，如圖1所示為研究框架，以北斗動態差分定位技術完成對導線舞動的監測和報警。該系統具有測量精度高、無累計誤差、安全可靠、智能化等優點。

圖1 研究框架

2 整體設計方案

在利用北斗差分定位的基礎上，基于北斗差分定位的導線舞動監測系統進行了低功耗的改進處理，根據國家電網公司規范要求，每35 min進行一次導線狀態的監測，時長2 min，其余時刻設備均處于斷電或休眠狀態，監測狀態整個系統的功耗低至50 mAh（休眠狀態時電流只有幾百微安），加上系統配備較大功率的太陽能電能補給，能夠做到電能自給自足。設備一次安裝，長期使用，可以滿足特高壓輸電線路上的使用要求。

2.1 前端北斗定位設備

通過將RT-Thread物聯網操作系統應用到低能耗的芯片上，可以有效增強電池的使用年限，降低系統功耗，并利用對采樣周期的配置以及各種任務的靈活開關，在非測量階段對舞動監測儀的各種任務予以關閉，能夠使系統實現低功耗休眠。一般來說，采取專用研制的高速目標動RTK全頻解算綜合型北斗定位模塊可以進行舞動數據的采集，將采集后得到的數據利用SPI1接口傳輸至STM32L5主芯片上，在運用一系列技術，獲取舞動頻率以及相關幅值等參數。同時，可通過SPI2口對舞動數據信息進行加密，利用加密芯片提高數據傳輸的安全程度，并隨后向數據接收基站傳輸加密后的數據，此過程可通過LoRa芯片來實現。在后臺服務器構建在線監測專業系統時，可以利用振動、線溫以及氣象等相關數據信息，更進一步分析舞動數據，以此來及時預防舞動現象[2]。

2.2 北斗基準站

在北斗監測點以外的山體基巖上，或變電站、配電所的樓頂，或電力鐵塔上安裝北斗基準站。圖2展示的是在山體基巖上設置的基準站。基準站坐標已知，并長期保持穩定。基準站接收北斗衛星數據，并通過電臺或4G通信模塊將差分數據發送至導線上的北斗監測點裝置，供差分定位解算，以得到導線的高精度坐標。基準站采用太陽能供電，配備200 Ah磷酸鐵鋰蓄電池和400 W太陽能板，以保證在連續陰雨情況下，可持續20天以上穩定供電。

圖2 北斗基準站

2.3 氣象傳感網絡輔助應用

風速風向測量采用微差壓傳感器，同時為盡可能地采集其他監測點氣象狀態數據，針對該應用場景，采用全方位測風速風向一體化傳感設備，同時得到監測點處風向、風速大小、溫濕度、氣壓綜合數據，對后期數據處理、各運動狀態的判定、運動發生原因預測有非常大的實際支撐意義。

如圖3所示為超聲波風速風向溫濕度高精度一體化氣象站，超聲測風是氣體介質方面超聲波檢測技術被有效應用的一種方法，運用空氣中空氣流動量對超聲波傳播速度造成的影響來得到風速數據。超聲波檢測方法與以往其他方法相比屬于無慣性測量，系統中并沒有相關機械轉動零件，在對自然風中陣風脈動的高頻予以測量時更加準確。在應用超聲波進行測量時，主要利用4個探頭在二維平面接收和發送超聲波，這種行為需要循環進行，利用空氣中超聲波的傳播差異性準確得到風向與風速信息[3]。

圖3 超聲波風速風向溫濕度高精度一體化氣象站

特點：（1）全方位測量，空間任意方向風向測量；（2）獲得風速、風向、環境溫度、濕度、氣壓5個氣象指標，單個模塊集成多傳感構成傳感網絡，便于數據關聯性分析。

2.4 組網方案

系統組網方案如圖4所示。現場北斗監測點裝置將舞動監測數據按照“輸電線路狀態監測裝置數據傳輸規約”進行打包，經過加密芯片加密后，通過4G通信模塊發送至國家電網公司統一狀態監測主站。監測數據采用APN數據專網接入，4G數據設備經過服務器認證，整個數據傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障網絡服務質量。

圖4 系統組網方案

2.5 安全措施

（1）APN數據專網模式：國家電網公司內部網絡中配置APN服務器，現場監測設備使用APN數據專網，由于采用數據專網，服務器與公網Internet隔離，可以有效避免非法入侵。

（2）內網卡SIM卡的唯一性：采用內網卡授權，在網絡側對卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入系統的范圍，只有屬于國家電網公司的SIM卡才能訪問專用APN網絡。

（3）數據加密：可對整個數據傳送過程進行加密保護。舞動監測數據按照規約打包后，進一步采用南瑞或普華加密芯片加密后，通過4G方式發送至國家電網公司統一狀態監測主站。

（4）網絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。

3 主要技術難點

3.1 實現對北斗系統與電力業務多維度適配性精準分析

難點：此前暫無針對北斗系統與電力業務場景之間性能參數關聯性分析，并綜合考慮場景、業務需求、性能指標等多重因素。同時，北斗技術在國家電網公司系統的應用還處于起步過程，技術體系和應用經驗還處于進一步摸索積累階段，因此進行北斗系統與電力業務的適配性分析是本項目需解決的難點之一。

解決思路：利用適配性分析技術，從傳輸時延、傳輸帶寬、傳輸可靠性、用戶容量、定位精度和時間精度等多個性能維度，對用電信息采集、配電自動化通信、電力桿塔變形監測、車輛管理、授時授頻等典型電力業務需求與北斗三代系統的實際性能進行全面的適配性研究分析，形成北斗系統應用性能和安全指標體系等研究成果。

3.2 建立面向電力業務多場景應用的北斗系統電力行業應用技術體系

難點：目前北斗系統在電力行業的應用處于大規模推廣階段，電力各業務場景中的北斗終端種類和梳理將急劇增加，且性能要求和業務需求各異，不同北斗終端與各業務原有主站之間的交互方式、接口標準、數據格式、供電特性等方面差異化明顯，因此開展北斗系統電力行業應用技術體系研究困難較大。

解決思路：本項目基于對現有各類型北斗終端主要指標參數的梳理及對未來北斗電力業務發展趨勢的分析，綜合考慮電力應用場景、關鍵指標要求以及北斗與電力業務適配度分析結果，總結出需要梳理的關鍵指標，從北斗系統在電力業務所涉及的定位、短報文通信、授時3個方面需開展重點研究：研究北斗協議和電力各業務主要規約協議轉換模型、通信性能的優化，達到業務間應用的準確匹配和高效兼容；研究北斗終端接口標準，分析BD-ICD衛星數據解析方法和北斗在電力授時應用接口；研究RINEX、NMEA-0183、RTCM等主要數據格式及相關協議，便于電力業務應用的適配及定制開發，建立北斗系統基于行業應用的技術體系[4]。

3.3 高頻率動態位移解算，將位移監測精度控制在厘米級范圍內

難點：一般采用北斗衛星定位均為較靜態的、變化頻率慢的領域，高動態的應用場合勢必會降低定位精度。

解決思路：定位模塊部分采用高頻衛星信號解算模塊，提高定位監測頻率至10 Hz，同時采用一個基準站對應多個監測點設備，以提供RTK差分定位數據，將定位精度提高到厘米級范圍。

3.4 能源供給保證長期穩定有效監測

難點：對于輸電線路上安裝監測設備，供能問題重要且關鍵。

解決思路：此應用場景下，能源供應非常關鍵，對于交流特高壓輸電線路，一般可以采用感應取電的方式進行能源供應；對于特高壓直流輸電線路，則需從功耗、供電模塊、太陽能補給等多個方面考慮，電路部分采用低功耗設計，供電部分保障充足的太陽能利用率與高穩定性。

3.5 導線各類運動狀態的判斷，以及各類運動參量的區分提取

難點：對于輸電線路導線狀態存在多模組態，包括微風振動狀態。

解決思路：通過序列學習的方法，掌握一定量的各類導線運動狀態特征量，再從后端進行特征量的提取，預測出當前導線的運動組態。

4 結 論

本文深入研究了北斗的技術特點，準確分析北斗在電力系統中的應用場景，結合導線位置狀態模組及導線舞動形成機理，研發和應用基于北斗導航定位技術的數據采集前端設備，滿足動態位置監測要求，將運動狀態誤差控制在厘米級范圍，為電力設施位移等需要高精度定位的應用提供整體解決方案。