北斗導航定位技術及其在電力系統中的應用＊

楊洪磊，司興登，江 召，苗雪鵬

（1.昆明冶金高等專科學校，云南 昆明650033；2.中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，云南 昆明650051；3.河南通達電纜股份有限公司，河南 洛陽471922）

電力系統是社會的重要組成系統，其安全穩定運行對人民正常生產生活具有重要意義。隨著北斗衛星導航系統逐步成熟，該系統在救災減災、交通運輸、農業自動化、森林狀態監測、軍事等領域都得到了廣泛應用，由于該系統定位精度高、在山區和城市中抗干擾能力強，該系統在電力系統中也得到了廣泛應用并具有廣闊的應用前景[1-2]。

1 北斗導航系統及其特點

北斗導航系統的建設采取了北斗一號、北斗二號和北斗三號導航系統的發展戰略，其中北斗三號導航系統于2020年完成組網并提供全球服務[3]。該系統由靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星共計30 顆衛星組成[4]，目前可以提供開放服務和授權服務兩種功能，開放服務免費提供10 m 定位精度、50 ns 授時精度和0.2 m/s 的測速精度，授權服務可向授權用戶提供更高性能的服務[5]。

2 北斗導航系統在電力系統中的應用

2.1 北斗定位系統在電力系統時間同步中的應用

電力系統的時間同步對相位比較、故障記錄、事件順序啟動等具有重要意義，中國對線路行波故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統等的時間同步準確度均要求優于1 μs[6]。目前北斗衛星導航系統搭載的中國自主研制的時鐘性能已于國際應用時鐘性能相當，其主要技術指標已全部達到或優于檢測標準，電力系統的時間同步逐步由原來的GPS 授時轉向北斗定位系統授時。為更好服務電力系統時間同步，后期將利用北斗雙向通信技術開發本地時間控制與保持、北斗雙向對時、遠程時間狀態監控、遠程時間控制、檢測其他電力時鐘裝置功能等功能[7]。

2.2 北斗定位系統在電力線路巡檢中的應用

輸電、配電線路是電網的重要設施，輸電、配電線路的安全、穩定運行對于提高電力系統的供電質量具有重要作用，而建立高效的電力線路巡檢系統是保障電力系統安全、穩定運行的必要手段。

以北斗衛星系統定位功能為基礎可開發出雙向通信、雙向定位電力線路巡檢系統，其利用北斗系統的定位功能將電力系統中關鍵設備在地圖上進行位置標記，比如變電站、電桿、輸電線路等，使用這些位置信息可以規范電力設施管理和檢修工作。在電力巡檢車上安裝北斗設備，巡檢車的位置就可在數秒鐘傳送到電力調度指揮中心，利用接收到的位置信息可調度指揮電力巡檢車。另外使用北斗系統所特有的短報文通信功能，北斗終端設備可及時將故障情況報告指揮調度中心，可大大縮短故障定位時間，大大提高設備搶修效率[8]。

另外基于北斗高精度定位技術的電力巡檢用智能安全帽可實現對現場檢修人員位置、現場故障情況以及人員生理健康水平的實時監測，實時語音對講和視頻傳輸，及時準確地將檢修人員及設備信息動態反饋至后臺中心控制系統，供后臺管理技術人員進行高效的人員調度、檢修指揮和技術支持，有效提高檢修工作效率。同時在應急災害情況下，可及時采取相應的救援措施，最大限度地減少損失[9]。

中國通航領域政策的逐步開放及無人機飛行相關技術的迅速進步，有效推動了無人機搭載專用傳感器載荷巡視輸電線路的巡檢作業方式的開展，并促進輸電線路巡檢模式由人工巡檢模式向無人機巡檢模式轉變[10]。隨著北斗高精度服務建設并對外發布服務，利用北斗高精度定位服務引導無人機自主飛行、拍照，使無人機高精度的精細化巡檢成為可能[11]。

2.3 北斗系統在電力系統防災監測中的應用

電力系統中輸電線路由于受自然或者人為因素的影響，有時會造成桿塔整體傾斜、部分塔材彎曲等，由于大風原因還可能造成大幅度導線舞動等，在云南、貴州等地由于局部氣候條件線路容易覆冰，在山地地區有些桿塔、電站等可能會發生地質災害等，上述情形都嚴重威脅著電力系統的供電可靠性。北斗定位系統具有高精度、全天候監測特點，并具有短報文通信功能，可對輸電線路進行實時在線監測。同時該系統可對大壩等大型電力設施進行實時在線監測，以及時發現大壩變形等。

將北斗定位終端安裝于兩座鐵塔之間的導線弧垂最低處，當導線覆冰后，由于重力作用，導線會整體拉伸，導線弧垂加大，絕緣子拉力值越大，導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線弧垂最低處；建立一個北斗基站參考站，放在已知點上，輸入已知點的坐標，然后把坐標跟參考站輸出的原始載波觀測數據通過網線使用TCPIP 協議發送到后臺服務器，且北斗基站參考站與北斗定位終端共視衛星[12]，通過這種方式即可實現對輸電線路覆冰和導線舞動的在線監測。電網輸電設備防災監測應用體系框架將北斗準確的坐標定位技術作為關鍵點，將基準點（新建設或者其他供應商提供）、桿塔（包括附近環境）以及北斗電力平臺系統等組合為全方位的輸電線路高精度變形監測體系，同時通過全面比較能夠得到平穩、精準的相關記錄，為輸電線路防災減災提供支撐。基于電力北斗高精度定位技術可實現對桿塔位移、滑坡及偏移的分析，同時可以利用北斗雙天線姿態技術精確測量桿塔塔形[13]。

北斗在電力建設過程中因其可見衛星數量多、測量精度高、在高樓和大山等區域抗干擾能力強等特點得到了廣泛應用；同時在無公網覆蓋的偏遠地區基于北斗短報文的用電信息采集功能得到了廣泛應用[14]；該系統在救災、減災方面也發揮不可或缺的補充作用[15]。

3 未來發展方向

3.1 不斷探索應用場景

北斗的應用場景會隨著不斷探索而保持擴展態勢，未來的發展中如何探索應用場景將會是能否充分發揮北斗性能的關鍵。

3.2 推動與5G 等其他學科的交叉應用

北斗具有定位精度高、授時精度優和短報文通信功能，但只有將北斗導航系統與其他學科如5G、智能控制、大數據分析等交叉融合，才能最大限度發揮其作用。

3.3 部分領域融合其他導航系統

實踐表明，將北斗衛星導航系統與其他衛星導航系統綜合應用可以顯著提高系統性能，因此在部分領域融合其他導航系統將是未來探索的方向。

3.4 不斷升級以提高應用精度和穩定性

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