焦 炯 陳泓名

廣東電網(wǎng)北斗地基增強系統(tǒng)建設方案及應用分析

焦 炯 陳泓名

（廣州市濼立能源科技有限公司，廣州 510000）

已有的北斗地面基準站不能滿足偏遠地區(qū)輸電系統(tǒng)定位需求，需要針對電力系統(tǒng)需求建設北斗地基增強系統(tǒng)。本文以廣東電網(wǎng)為立足點，針對電力系統(tǒng)需求設計了北斗地基增強系統(tǒng)。根據(jù)觀測、維護、組網(wǎng)需求規(guī)劃了地面基準站點位；采用專有通信鏈路與有線鏈路進行混合組網(wǎng)的方式搭建了網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)；在此基礎上設計了輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過高精度位移平臺對定位精度檢測，其可以為電網(wǎng)提供毫米級的定位服務。通過110kV輸電桿塔的實際應用，驗證了系統(tǒng)的可用性，為北斗地基增強系統(tǒng)的建設提供了借鑒。

北斗定位；地基增強系統(tǒng)；電力系統(tǒng)；毫米級定位

0 引言

北斗地基增強系統(tǒng)技術在國土、測繪部門已廣泛應用，在交通出行領域也在推行，但在電力系統(tǒng)中尚未形成大規(guī)模、系統(tǒng)化的應用。目前國內(nèi)已有的北斗地基增強系統(tǒng)主要覆蓋人口眾多的城市地區(qū)，在人口密集的大城市還會加密部署基準站，在廣大的山區(qū)及遠郊地區(qū)覆蓋率不足，直接影響定位精度及結果。電力系統(tǒng)的變電站和輸電線路大量分布在遠郊野外地區(qū)，因此市面上現(xiàn)有的北斗地基增強系統(tǒng)無法直接為一個完整的省級電力系統(tǒng)提供高精度定位服務。電力行業(yè)需要自行建設北斗地基增強系統(tǒng)。

針對電力行業(yè)建設北斗地基增強系統(tǒng)，涉及到基準站部署環(huán)境、基準站長期穩(wěn)定性、利用電力通信網(wǎng)絡傳輸時的延時、數(shù)據(jù)解算以及移動站可靠性等問題。上述問題與測繪領域面臨的嚴重程度完全不同，應用于測繪行業(yè)的北斗地基增強系統(tǒng)建設方案并不完全適用于電力行業(yè)。針對電力行業(yè)的應用場景設計和建設北斗地基增強系統(tǒng)就顯得十分必要[1-7]。

北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有較高的安全性。已有大量研究將北斗系統(tǒng)應用于電力系統(tǒng)。文獻[8]提出了一種單回不對稱線路分布參數(shù)測量方法，利用北斗系統(tǒng)同步時鐘保證兩側參數(shù)測量的同步性。文獻[9]利用北斗同步授時技術解決光纖差動保護兩端電流的同步采樣問題。文獻[10]將北斗定位技術應用于輸電桿塔的在線監(jiān)測，實現(xiàn)了輸電桿塔傾斜、沉降等狀況的自動監(jiān)測與實時預警，實踐應用證明將北斗定位技術應用于電力系統(tǒng)可以提升電力系統(tǒng)運維的自動化水平。文獻[11]在導航定位衛(wèi)星地基增強高精度定位系統(tǒng)架構的基礎上，構建了面向智能電網(wǎng)建設的高精度定位增強服務體系，以滿足不同精度、不同場景下的能源互聯(lián)網(wǎng)應用需求。文獻[12]對北斗高精定位地基增強系統(tǒng)的標準化建設的目的、技術組成、技術特點、標準化的架構體系和標準的主要內(nèi)容要素等方面進行了分析，對地基增強系統(tǒng)構建起到指導性作用。文獻[13]對北斗差分定位技術進行了分析，通過差分定位可以實現(xiàn)毫米級的形變量監(jiān)測，表明通過建設地基增強系統(tǒng)可以顯著提升北斗定位精度。文獻[14]通過對西北地區(qū)北斗衛(wèi)星定位精度進行分析，表明衛(wèi)星導航精度與衛(wèi)星空間分布相關，不同地區(qū)的衛(wèi)星覆蓋密度不同，精度也不同。文獻[15]應用載波相位差分技術對輸電桿塔基礎位移進行定位，可以實現(xiàn)輸電桿塔基礎形變毫米級的定位精度。

本文在研究北斗地面基準站的選址方案的基礎上，在廣東電網(wǎng)范圍內(nèi)選取65個位置，并進行了地面增強基準站建設；設計了以虛擬專有撥號網(wǎng)絡（virtual private dial network, VPDN）為核心的通信組網(wǎng)方式，實現(xiàn)了北斗監(jiān)測終端采集信息的可靠上傳；通過高精度位移平臺對系統(tǒng)性能進行驗證，系統(tǒng)能夠達到毫米級定位精度；基于本文建設的北斗地基增強系統(tǒng)，開發(fā)了一套輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)，為輸電桿塔結構穩(wěn)定性的在線監(jiān)測提供了借鑒；以某110kV輸電桿塔為實施對象，驗證了系統(tǒng)毫米級在線監(jiān)測精度，驗證了建設北斗地基增強系統(tǒng)的可用性。

1 北斗地面基準站選址

基準站位置需要滿足連續(xù)運行、觀測環(huán)境要求。為便于設備維護，選址位置應位于交通便利地帶，附近較近處有穩(wěn)定電源、網(wǎng)絡通信設施較近。為便于點位長期使用，基準站選址應未納入建設規(guī)劃，便于點位長期保存與使用。

基準站可選在交通便利、觀測環(huán)境安全僻靜的地帶?；鶞收緫h離鐵路200m，公路100m以上。點位優(yōu)先選在地面，不宜選在建筑物上，便于水準聯(lián)測。

基準站選址的過程中還要考慮抗干擾問題。對于基準站而言，信號干擾可能有多種原因。干擾的強度主要與干擾源頻率、發(fā)射臺功率以及發(fā)射臺至干擾源的距離相關。改正這些影響沒有實際意義，唯一可行的方法是選點時仔細注意，盡量削弱電磁波的輻射干擾。應遠離大功率的無線電發(fā)射裝置、電視臺、微波站、通信基站和附近雷擊區(qū)，距離應在300m以上；遠離高壓輸電線路和微波、無線電信號傳輸通道，距離應在150m以上。

多路徑誤差是定位測量中最為嚴重的誤差，取決于天線周圍的環(huán)境。多徑誤差一般為5cm，高反射環(huán)境下可達19cm。目前很難將多徑誤差和天線相位中心的變化區(qū)分開來，因此，在基準站選點時需要通過一些措施來削弱多徑誤差。選擇地形開闊、沒有反射面的點位，點位周圍不應有強烈反射衛(wèi)星信號的物體，如大面積玻璃墻、大型金屬廣告牌和大面積水域等。此外，要求點位視野開闊，并且在視場內(nèi)不宜有高度角大于10°的、成片的障礙物。

點位應選在穩(wěn)定地質塊體上，點位地面基礎穩(wěn)定，避開地質構造不穩(wěn)定地區(qū)（如斷裂帶、易發(fā)生滑坡與沉陷等局部變形地區(qū)）和易受水淹或地下水位變化較大的地區(qū)，以便于長期保存點位測量標志。點位不應設立在易發(fā)生滑坡、沉陷、隆起、潮濕或地下水位較高等地面局部變形的地點，也不應設立在距鐵路200m，距公路100m內(nèi)或其他受劇烈振動的地點。

實地采用北斗/全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）雙模雙頻接收機進行數(shù)據(jù)觀測。以1s采樣間隔進行數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)記錄時間不少于連續(xù)24h。采用TEQC軟件分析實測數(shù)據(jù)，對記錄得到觀測的數(shù)據(jù)導航定位衛(wèi)星跟蹤數(shù)量、通信信號信噪比、傳輸數(shù)據(jù)可用率等指標進行處理和分析。如果不能滿足相關規(guī)范的要求，應進行重新選址，并重新觀測。當載波相位數(shù)據(jù)利用率小于80%時，應變更站址。如果多路徑指標MPl與MP2分別超過0.3和0.42，應當重新選址。

由于廣東電網(wǎng)地處低緯度地區(qū)，所以在參考站的分布設計中，相鄰參考站之間的距離以20～50km左右為較合適的距離控制。另外考慮到廣東電網(wǎng)各地區(qū)自然地理情況、經(jīng)濟發(fā)展及建設需求，按照這個參考站分布設計原則，選定65個站點。

圖1 北斗地面基準站選址

根據(jù)測算，當定位點所在區(qū)域的地面增強基站間距小于20～50km時，可以達到毫米級定位精度。按照上述方案對北斗定位增強基站進行補充建設，可以實現(xiàn)廣東電網(wǎng)范圍內(nèi)毫米級北斗定位。

2 傳輸網(wǎng)絡規(guī)劃

傳輸網(wǎng)絡采用扁平化廣域網(wǎng)設計。省級綜合處理中心作為核心節(jié)點，下聯(lián)地市級匯聚節(jié)點。各地市各基準站通過多業(yè)務傳送平臺（multi-service transport platform, MSTP）上聯(lián)至省級匯聚節(jié)點。省級匯聚區(qū)域采用兩臺三層交換機同時運行，將基準站的接入站點分組，單線分別接入到兩臺交換機上。

用T3或T4級別機房的機柜作為匯聚節(jié)點，放置一臺2U匯聚交換機設備，并部署一臺同型號交換機作為備份。將省內(nèi)站點通過運營商MSTP 2M通信專線交叉匯聚到一個匯聚點，并通過兩條運營商通信專線 MSTP 10M連接到北京核心匯聚設備上。

衡量基準站數(shù)據(jù)鏈路的指標包括以下兩方面：

1）新構建的基準站數(shù)據(jù)傳輸所使用的數(shù)據(jù)鏈路通信線路應能夠可靠、穩(wěn)定地進行數(shù)據(jù)傳輸。

2）基準站與系統(tǒng)控制中心站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄W(wǎng)絡延時不應超過500ms。

圖2 傳輸網(wǎng)絡規(guī)劃

廣東電網(wǎng)北斗衛(wèi)星地面增強系統(tǒng)通信組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸主要通過VPDN專有通信鏈路與有線鏈路進行混合組網(wǎng)的方式。在條件成熟地區(qū)通過有線方式接入廣東電網(wǎng)信息內(nèi)網(wǎng)。在有線鏈路無法覆蓋地區(qū)，通過VPDN專有通信鏈路將基準站數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

基準站VPDN網(wǎng)絡租用高速寬帶IP網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡在技術上定位為IP優(yōu)化的光學網(wǎng)絡，以光纖作為主要的信息傳輸介質，以IP為主要通信協(xié)議。主干層可以承載2.5Gbit/s帶寬，設備的無阻塞交換容量為80Gbit/s，具有足夠的能力來滿足高速端口間的無丟包線速交換。

各個基準站分處各地，采用多協(xié)議標簽交換（multi protocol label switching, MPLS）實現(xiàn)VPDN。基準站、數(shù)據(jù)中心接入點網(wǎng)絡分別以10M/100M/ 1 000M寬帶速率接入。

基準站與數(shù)據(jù)中心構建一個環(huán)形的VPDN專用網(wǎng)絡?；鶞收窘尤霂挒?12kbit/s，數(shù)據(jù)中心接入帶寬為2Mbit/s，網(wǎng)絡各個節(jié)點間可以互相訪問。數(shù)據(jù)中心配光纖分線盒、光纖收發(fā)器設備。光纖分線盒分出光纜的兩芯，一芯接入光纖收發(fā)器設備，另一芯作為系統(tǒng)擴展備用。光纖收發(fā)器接入機房交換機設備?；鶞收镜慕邮諜C分配獨立的網(wǎng)際互連協(xié)議（internet protocol, IP）地址，通過路由器非對稱數(shù)字用戶線路（asymmetric digital subscriber line, ADSL）撥號的方式與VPDN網(wǎng)絡連接。數(shù)據(jù)中心計算機、網(wǎng)絡設備分配獨立的IP地址，通過交換機，進入網(wǎng)絡。節(jié)點間網(wǎng)絡管理由網(wǎng)絡運營商統(tǒng)一負責。

網(wǎng)絡安全方面，通過基于標記交換的轉發(fā)，采用MPLS標簽機制克服傳統(tǒng)路由技術上存在的地址欺騙隱患；MPLS VPDN的邊界網(wǎng)關協(xié)議（border gateway protocol, BGP）保證了用戶路由表和公網(wǎng)路由之間的有效隔離，客戶僅僅能接觸到自己的路由表，進而實現(xiàn)用戶信息安全。

用戶服務數(shù)據(jù)發(fā)播網(wǎng)絡通過兩種方式向外界用戶發(fā)播數(shù)據(jù)，即以4G-APN方式向流動用戶發(fā)播實時差分改正數(shù)據(jù)，并通過因特網(wǎng)（Isnternet）以超文本傳輸協(xié)議（hyper text transfer protocol, HTTP）服務形式向用戶提供事后下載基準站數(shù)據(jù)的界面。

3 輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)

輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖3所示，包括感知層、數(shù)據(jù)傳輸層和應用控制層。

感知層由傳感器構成。在具體的應用中包括了安裝在輸電桿塔上的北斗短報文傳輸傾角傳感器和北斗高精度定位傳感器，以及地面工作基站。

數(shù)據(jù)傳輸層為移動4G-APN網(wǎng)絡，將導航衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)以10s一次上傳?；疽杂芯€專網(wǎng)接入，采用運營商專線，帶寬為10Mbit/s。

應用控制層包括數(shù)據(jù)處理中心和可視化界面。數(shù)據(jù)處理中心的功能包括：①根據(jù)北斗傳感器定位信息和基站信息得到北斗高精定位信息；②綜合分析傳感器提供的信息，根據(jù)變化趨勢、變化量等數(shù)據(jù)為用戶提供預警信息?？梢暬缑鎸?shù)據(jù)中心得到的歷史/實時監(jiān)測信息以及告警信息呈現(xiàn)給用戶。

圖3 輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)

輸電桿塔北斗監(jiān)測終端安裝方式如圖4所示。監(jiān)測終端包括北斗導航衛(wèi)星接收機天線、太陽能電池板、控制箱和蓄電池箱。北斗導航衛(wèi)星接收機天線用于與導航衛(wèi)星之間的通信。太陽能電池板。蓄電池箱主要用于安裝蓄電池。蓄電池用于對光伏組件出力的波動性與間歇性能量供應進行補充。控制箱安裝有數(shù)據(jù)處理終端、能量管理單元和通信單元。數(shù)據(jù)處理終端用于解算導航衛(wèi)星天線數(shù)據(jù)。能量管理單元用于管理太陽能電池板與蓄電池，為測量終端提供能源。通信單元用于測量終端將數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。

圖4 北斗監(jiān)測終端安裝

北斗監(jiān)測終端通過北斗定位天線實現(xiàn)桿塔傾角、位移監(jiān)測。北斗定位天線直接固定于桿塔本體上，其通過角鋼構建的三角形支架突出桿塔本體，以便于接收導航衛(wèi)星信號。另外，監(jiān)測終端與輸電線路帶電部分需要根據(jù)輸電線路電壓等級，保持足夠的安全距離。

4 系統(tǒng)性能驗證

選取某建筑物屋頂為天線基礎，對北斗高精定位系統(tǒng)的性能進行測試。本文選取的位置基礎穩(wěn)固，上方無遮擋物。北斗接收機天線距離地面10m左右，與輸電桿塔天線安裝位置接近，能夠有效模擬輸電桿塔北斗定位天線實際情況。

將北斗接收機天線安裝在高精度位移平臺上。高精度位移平臺可以實現(xiàn)在3個坐標軸上±12.5mm的位移。測量誤差小于3mm。性能驗證裝置如圖5所示。

圖5 性能驗證裝置

分別在3個坐標軸方向上調整高精度位移平臺，并對測量結果進行分析。北斗高精定位系統(tǒng)水平方向上定位誤差為3mm±0.5ppm，垂直方向上定位誤差為5mm±0.5ppm。北斗高精定位系統(tǒng)可以達到毫米級的定位精度。

后臺毫米級定位數(shù)據(jù)測量頻率為每小時一次。不能實現(xiàn)快速測量，難以滿足桿塔或導線風擺定位的要求。

5 系統(tǒng)應用

某110kV線路桿塔位于丘陵地帶半山坡處。根據(jù)市政部門規(guī)劃，該桿塔東北方向50m處有道路施工作業(yè)，需要進行隧道的開挖且伴隨爆破工作。桿塔地理位置圖如圖6所示。

圖6 桿塔地理位置

輸電桿塔位于丘陵地帶且降水量較大，施工作業(yè)有可能引發(fā)桿塔滑移與傾斜。輸電線路運維單位將該桿塔作為重點管控對象，并為其配套了在線監(jiān)測系統(tǒng)。塔身和邊坡各設一個北斗高精度定位傳感器，用于監(jiān)測塔身和邊坡的位移、沉降趨勢。

北斗監(jiān)測終端測量數(shù)據(jù)如圖7所示。圖中3條曲線分別代表相互垂直的3個方向上的測量終端位移量數(shù)據(jù)。在應用實例中，3個方向分別為垂直方向、垂直導線水平方向、平行導線水平方向。由于本系統(tǒng)測量精度為水平方向上定位誤差為3mm± 0.5ppm，垂直方向上定位誤差為5mm±0.5ppm，圖中數(shù)據(jù)變化的主要來源為測量誤差。根據(jù)北斗高精度定位傳感器得到的數(shù)據(jù)，輸電桿塔塔身及邊坡定位數(shù)據(jù)變化量小于5mm，塔身和基礎結構比較穩(wěn)定。

圖7 北斗監(jiān)測終端測量數(shù)據(jù)

6 結論

通過針對電力系統(tǒng)應用場景建設北斗地基增強系統(tǒng)，可以解決邊遠地區(qū)輸電桿塔難以實現(xiàn)北斗高精定位的問題。通過優(yōu)化選址方案，可以實現(xiàn)地面基站長期可靠運行，滿足連續(xù)觀測需求。通過VPDN專有通信鏈路與有線鏈路進行混合組網(wǎng)的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸，并將電網(wǎng)公司內(nèi)網(wǎng)作為一種有線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方案，結合電網(wǎng)實際實現(xiàn)了可靠的信息交互。結合電網(wǎng)實際應用，證明系統(tǒng)可以實現(xiàn)輸電桿塔毫米級的形變監(jiān)測。

本文基于廣東電網(wǎng)建設了北斗地基增強系統(tǒng)，對地面基準站分布、通信組網(wǎng)方案進行設計，并通過輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)驗證了所建立的系統(tǒng)可以為電網(wǎng)提供毫米級的定位服務。本文提出的北斗地基增強系統(tǒng)建設方法具有較大的參考意義。

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Construction scheme and application analysis of Beidou ground-based augmentation system in Guangdong power grid

JIAO Jiong CHEN Hongming

(Guangzhou Luoli Energy Technology Co., Ltd, Guangzhou 510000)

The existing Beidou ground reference station can not meet the positioning requirements of thepower transmission systemwhichlocates in remote areas. Therefore, it is necessary to build a ground-based augmentation system for the power system. Based on Guangdong power grid, this paper designs the Beidou foundation reinforcement system according to the power system demand. According to the requirements of observation, maintenance and networking, the ground reference stations are planned. The network transmission system is built by using the mixed networking of proprietary communication link and wired link. On this basis, the transmission tower on-line monitoring system is designed. Through the high-precision displacement platform to detect the positioning accuracy, it can provide millimeter level positioning service for the power grid. Through the practical application of the 110kV transmission tower, the availability of the system is verified. It provides a reference for the construction of Beidou foundation strengthening system.

Beidou positioning; ground-based augmentation system; power system; millimeter level positioning

2020-06-30

2020-07-29

焦 炯（1988—），男，廣東省廣州市人，工程師，主要研究方向為輸電系統(tǒng)管理、電力系統(tǒng)信息管理。