楊 松，李昊林，劉 明，曹 琪，魏術(shù)豐，盧 揚，秦志軍，籍永峰

（國網(wǎng)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(tǒng)由于其強大的功能受到電力行業(yè)的大力關(guān)注，在電力業(yè)務(wù)領(lǐng)域中的應(yīng)用方案日益廣泛[1]。然而，因為電力業(yè)務(wù)本身所具有的特殊性，北斗系統(tǒng)在實際應(yīng)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(dǎo)線舞動監(jiān)測實用性關(guān)鍵技術(shù)展開更深入的研究。

1 技術(shù)研究框架

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

圖1 研究框架

2 整體設(shè)計方案

在利用北斗差分定位的基礎(chǔ)上，基于北斗差分定位的導(dǎo)線舞動監(jiān)測系統(tǒng)進行了低功耗的改進處理，根據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)范要求，每35 min進行一次導(dǎo)線狀態(tài)的監(jiān)測，時長2 min，其余時刻設(shè)備均處于斷電或休眠狀態(tài)，監(jiān)測狀態(tài)整個系統(tǒng)的功耗低至50 mAh（休眠狀態(tài)時電流只有幾百微安），加上系統(tǒng)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(shè)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(shè)備

通過將RT-Thread物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)功耗，并利用對采樣周期的配置以及各種任務(wù)的靈活開關(guān)，在非測量階段對舞動監(jiān)測儀的各種任務(wù)予以關(guān)閉，能夠使系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗休眠。一般來說，采取專用研制的高速目標(biāo)動RTK全頻解算綜合型北斗定位模塊可以進行舞動數(shù)據(jù)的采集，將采集后得到的數(shù)據(jù)利用SPI1接口傳輸至STM32L5主芯片上，在運用一系列技術(shù)，獲取舞動頻率以及相關(guān)幅值等參數(shù)。同時，可通過SPI2口對舞動數(shù)據(jù)信息進行加密，利用加密芯片提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩潭?，并隨后向數(shù)據(jù)接收基站傳輸加密后的數(shù)據(jù)，此過程可通過LoRa芯片來實現(xiàn)。在后臺服務(wù)器構(gòu)建在線監(jiān)測專業(yè)系統(tǒng)時，可以利用振動、線溫以及氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，更進一步分析舞動數(shù)據(jù)，以此來及時預(yù)防舞動現(xiàn)象[2]。

2.2 北斗基準(zhǔn)站

在北斗監(jiān)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(zhǔn)站。圖2展示的是在山體基巖上設(shè)置的基準(zhǔn)站。基準(zhǔn)站坐標(biāo)已知，并長期保持穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)站接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過電臺或4G通信模塊將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送至導(dǎo)線上的北斗監(jiān)測點裝置，供差分定位解算，以得到導(dǎo)線的高精度坐標(biāo)?；鶞?zhǔn)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(xù)陰雨情況下，可持續(xù)20天以上穩(wěn)定供電。

圖2 北斗基準(zhǔn)站

2.3 氣象傳感網(wǎng)絡(luò)輔助應(yīng)用

風(fēng)速風(fēng)向測量采用微差壓傳感器，同時為盡可能地采集其他監(jiān)測點氣象狀態(tài)數(shù)據(jù)，針對該應(yīng)用場景，采用全方位測風(fēng)速風(fēng)向一體化傳感設(shè)備，同時得到監(jiān)測點處風(fēng)向、風(fēng)速大小、溫濕度、氣壓綜合數(shù)據(jù)，對后期數(shù)據(jù)處理、各運動狀態(tài)的判定、運動發(fā)生原因預(yù)測有非常大的實際支撐意義。

如圖3所示為超聲波風(fēng)速風(fēng)向溫濕度高精度一體化氣象站，超聲測風(fēng)是氣體介質(zhì)方面超聲波檢測技術(shù)被有效應(yīng)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(fēng)速數(shù)據(jù)。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(tǒng)中并沒有相關(guān)機械轉(zhuǎn)動零件，在對自然風(fēng)中陣風(fēng)脈動的高頻予以測量時更加準(zhǔn)確。在應(yīng)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(fā)送超聲波，這種行為需要循環(huán)進行，利用空氣中超聲波的傳播差異性準(zhǔn)確得到風(fēng)向與風(fēng)速信息[3]。

圖3 超聲波風(fēng)速風(fēng)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(fēng)向測量；（2）獲得風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、濕度、氣壓5個氣象指標(biāo)，單個模塊集成多傳感構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，便于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析。

2.4 組網(wǎng)方案

系統(tǒng)組網(wǎng)方案如圖4所示?，F(xiàn)場北斗監(jiān)測點裝置將舞動監(jiān)測數(shù)據(jù)按照“輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約”進行打包，經(jīng)過加密芯片加密后，通過4G通信模塊發(fā)送至國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一狀態(tài)監(jiān)測主站。監(jiān)測數(shù)據(jù)采用APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)接入，4G數(shù)據(jù)設(shè)備經(jīng)過服務(wù)器認(rèn)證，整個數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

圖4 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

2.5 安全措施

（1）APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)模式：國家電網(wǎng)公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置APN服務(wù)器，現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備使用APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)專網(wǎng)，服務(wù)器與公網(wǎng)Internet隔離，可以有效避免非法入侵。

（2）內(nèi)網(wǎng)卡SIM卡的唯一性：采用內(nèi)網(wǎng)卡授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入系統(tǒng)的范圍，只有屬于國家電網(wǎng)公司的SIM卡才能訪問專用APN網(wǎng)絡(luò)。

（3）數(shù)據(jù)加密：可對整個數(shù)據(jù)傳送過程進行加密保護。舞動監(jiān)測數(shù)據(jù)按照規(guī)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(fā)送至國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一狀態(tài)監(jiān)測主站。

（4）網(wǎng)絡(luò)接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。

3 主要技術(shù)難點

3.1 實現(xiàn)對北斗系統(tǒng)與電力業(yè)務(wù)多維度適配性精準(zhǔn)分析

難點：此前暫無針對北斗系統(tǒng)與電力業(yè)務(wù)場景之間性能參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析，并綜合考慮場景、業(yè)務(wù)需求、性能指標(biāo)等多重因素。同時，北斗技術(shù)在國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)的應(yīng)用還處于起步過程，技術(shù)體系和應(yīng)用經(jīng)驗還處于進一步摸索積累階段，因此進行北斗系統(tǒng)與電力業(yè)務(wù)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(shù)，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(jiān)測、車輛管理、授時授頻等典型電力業(yè)務(wù)需求與北斗三代系統(tǒng)的實際性能進行全面的適配性研究分析，形成北斗系統(tǒng)應(yīng)用性能和安全指標(biāo)體系等研究成果。

3.2 建立面向電力業(yè)務(wù)多場景應(yīng)用的北斗系統(tǒng)電力行業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系

難點：目前北斗系統(tǒng)在電力行業(yè)的應(yīng)用處于大規(guī)模推廣階段，電力各業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)需求各異，不同北斗終端與各業(yè)務(wù)原有主站之間的交互方式、接口標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式、供電特性等方面差異化明顯，因此開展北斗系統(tǒng)電力行業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系研究困難較大。

解決思路：本項目基于對現(xiàn)有各類型北斗終端主要指標(biāo)參數(shù)的梳理及對未來北斗電力業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢的分析，綜合考慮電力應(yīng)用場景、關(guān)鍵指標(biāo)要求以及北斗與電力業(yè)務(wù)適配度分析結(jié)果，總結(jié)出需要梳理的關(guān)鍵指標(biāo)，從北斗系統(tǒng)在電力業(yè)務(wù)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(xié)議和電力各業(yè)務(wù)主要規(guī)約協(xié)議轉(zhuǎn)換模型、通信性能的優(yōu)化，達到業(yè)務(wù)間應(yīng)用的準(zhǔn)確匹配和高效兼容；研究北斗終端接口標(biāo)準(zhǔn)，分析BD-ICD衛(wèi)星數(shù)據(jù)解析方法和北斗在電力授時應(yīng)用接口；研究RINEX、NMEA-0183、RTCM等主要數(shù)據(jù)格式及相關(guān)協(xié)議，便于電力業(yè)務(wù)應(yīng)用的適配及定制開發(fā)，建立北斗系統(tǒng)基于行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)體系[4]。

3.3 高頻率動態(tài)位移解算，將位移監(jiān)測精度控制在厘米級范圍內(nèi)

難點：一般采用北斗衛(wèi)星定位均為較靜態(tài)的、變化頻率慢的領(lǐng)域，高動態(tài)的應(yīng)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(wèi)星信號解算模塊，提高定位監(jiān)測頻率至10 Hz，同時采用一個基準(zhǔn)站對應(yīng)多個監(jiān)測點設(shè)備，以提供RTK差分定位數(shù)據(jù)，將定位精度提高到厘米級范圍。

3.4 能源供給保證長期穩(wěn)定有效監(jiān)測

難點：對于輸電線路上安裝監(jiān)測設(shè)備，供能問題重要且關(guān)鍵。

解決思路：此應(yīng)用場景下，能源供應(yīng)非常關(guān)鍵，對于交流特高壓輸電線路，一般可以采用感應(yīng)取電的方式進行能源供應(yīng)；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(shè)計，供電部分保障充足的太陽能利用率與高穩(wěn)定性。

3.5 導(dǎo)線各類運動狀態(tài)的判斷，以及各類運動參量的區(qū)分提取

難點：對于輸電線路導(dǎo)線狀態(tài)存在多模組態(tài)，包括微風(fēng)振動狀態(tài)。

解決思路：通過序列學(xué)習(xí)的方法，掌握一定量的各類導(dǎo)線運動狀態(tài)特征量，再從后端進行特征量的提取，預(yù)測出當(dāng)前導(dǎo)線的運動組態(tài)。

4 結(jié) 論

本文深入研究了北斗的技術(shù)特點，準(zhǔn)確分析北斗在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場景，結(jié)合導(dǎo)線位置狀態(tài)模組及導(dǎo)線舞動形成機理，研發(fā)和應(yīng)用基于北斗導(dǎo)航定位技術(shù)的數(shù)據(jù)采集前端設(shè)備，滿足動態(tài)位置監(jiān)測要求，將運動狀態(tài)誤差控制在厘米級范圍，為電力設(shè)施位移等需要高精度定位的應(yīng)用提供整體解決方案。