基于BDS 的电力安全管控云平台设计

周恩泽，朱空军，许海林，鄂盛龙，向 谆 ，吉丽娅，黎 淼

（1. 广东电网有限责任公司 电力科学研究院，广州 510620；2. 广东满天星云信息技术有限公司，广州 510130）

0 引言

电力安全是电力行业运行和发展的根本。我国电网线路覆盖范围广、覆盖区域地形复杂并且自然环境多样，为了及时掌握线路的运行状况，迅速排除线路的潜在隐患，电力部门需要安排大量的人员及监测设备用于安全巡线工作[1]。近年来，随着无人机技术的快速发展，采用无人机对输配电线路进行电力巡检作业，得到了研究人员的重视，但人工定期巡线仍然是现阶段运用最广泛的巡线方法；此外，面对众多的输电线路基站，无人机巡检内容仍不够充分，对电力人员和设备实施安全管控成为1 个备受关注的问题[2-3]。

北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）是我国自主研发的全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS），时至今日，BDS 已可为整个亚太区域提供全天候、全天时、高精度的定位、导航、授时等服务[4-5]。全球定位系统（global positioning system，GPS）会因为某些时段接收的卫星数过少，而无法进行导航定位；而 BDS 空间段采用地球静止轨道（geostationary Earth orbit, GEO）、倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）及中圆地球轨道（medium Earth orbit, MEO）3 种轨道卫星组成的混合星座，与GPS 等其他卫星导航系统相比，高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区，这个特点更具有优势。电力安全管控区域复杂，高原、山区等属常见地形，利用BDS 对人员及设备安全进行管控是非常合适的现有技术手段[6-8]。国家电网公司和南方电网公司，近年来不断推进BDS 在电力行业的研究和应用，面向发电、输电、变电、配电、用电等多种不同场景，形成了“北斗+电力”的多种应用方案，许多学者也为BDS 在智能电网中的应用进行了积极探索：文献[9]对 BDS地基增强技术在电网高精度地理位置服务中的可用性进行了探讨；文献[10]分析了BDS 高精度位置服务的数据误差源；文献[11]研发了巡检人员与车辆配置的BDS 智能终端，用于实现配电网人车导航定位；文献[12]采用 BDS 精确定位技术，监测输电线路杆塔基础位移。然而，现有BDS 高精度地理位置服务的应用方式仍比较单一，缺少与大数据、物联网等新技术结合。就我国现有电力安全管控技术而言，尚未形成与大范围人员管控、设备监测相适应的技术体系，尚不能有效满足我国电力人员及电力设备安全管控所需要的高精度、低时延、全方位的要求。为此，本文基于BDS 高精度位置服务，构建了电力安全管控精准服务体系架构，以期为从业人员及电力设备智能化管控和监测提供技术支撑。

1 精准服务体系架构

本文构建的面向智能电网的BDS 高精度位置服务体系，以电力安全管控云平台为核心，将BDS卫星导航、地理信息系统（geographic information system，GIS）、物联网、大数据等技术与电网业务深度融合，利用BDS 精准定位数据，实现电力外业作业人员精细化管理和合理调配，电力设备毫米级监测。该体系包括 3 个主要部分：BDS 卫星实时监测系统、电力安全管控云平台、移动端智能安全帽及前端业务系统，如图1 所示。

图1 精准服务体系架构

如图1 所示，BDS 精准服务体系包括实时监测系统、电力安全管控云平台以及移动端/业务系统3 部分。其中，实时监测系统为BDS 卫星及地面站点构建的定位监测网，利用实时动态载波相位差分（real - time kinematic, RTK）等技术实时传输基准站观测数据；电力安全管控云平台包括数据层、服务层和应用层，数据层汇聚基准站观测数据、卫星解算数据、物联网接入数据、2 维（2D）/三维（3D）基础地理信息数据等多源数据，存储于非关系型数据库，并基于Web Server 提供数据及功能服务；移动端系统服务于电力人员现场作业，装载于自主研发的“智能安全帽”，此外，前端业务系统与电力安全管控云平台具有双向通信、无缝衔接功能。

“智能安全帽”是精准服务外业现场人员的全新部件，主要组成部分有GNSS 模块、网络模块、系统级芯片（system on chip，SOC）主控系统、语音播报系统。其中：GNSS 模块采用 Ublox ZEDF9P 模块，该模块支持GPS、日本准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system,GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）及 BDS 5 种系统，支持双频天线；SOC 主控系统采用海思的Hi3516EV300 平台。在充分调研用户多元化操作需求的基础上，该部件主要涵盖以下性能：扬声器，为用户提供声音服务，如报警、状态提示等；螺旋天线方案，有效降低产品尺寸；圆柱电池，拥有防反插的功能，电池容量4 800 mAh，单节可提供8 h 以上的作业时间；拥有高精度定位模块，提供稳定可靠的厘米级定位；拥有4G 网络功能，提供设备与互联网交互的能力（如卫星定位服务连续运行参考站（ continuously operating reference stations, CORS）数据的获取、服务器之间的交互等），提供 1 个用户身份识别卡（subscriber identification module, SIM）插槽，用户可使用自己的网络卡；拥有蓝牙功能，用户可在手机端的软件通过蓝牙方式连接设备，进行数据交互；拥有1 个USB Type-C 接口，提供充电、设备配置等功能。

2 云平台关键技术研究

2.1 轨迹数据分析

电力配电线路基础设施经常发生不同故障，由于线路长、地形复杂，巡检人员与车辆难以及时寻找到故障地点。为保障巡检人员、车辆安全，利润BDS 的高精度位置服务特点，将安全帽得到的实时坐标通过网络模块回传，使用天地图、或自行发布的符合开放地理空间信息联盟（open geospatial consortium, OGC）协议的地图，来实现故障、人员、车辆位置实时监控和厘米级的定位服务，并将结果在地图上清晰展示出来。

为了实现人员的高精度定位监测，平台利用BDS 定位模块，首先获取单基站差分数据或者CORS 服务器差分数据，但不直接向智能安全帽等移动接收终端发送相关改正信息，而是将所有基准站实时的原始数据发到云平台控制中心进行解算。控制中心解算软件在统一处理定位数据的同时，接收由智能安全帽在工作前发送的 1 个单点定位坐标，然后根据该点坐标信息，自动选择1 组最佳的基准站，计算改正卫星的轨道误差、电离层误差、对流层和大气折射引起的误差等，然后将高精度的差分信息发给外业前端。

管理员可在 Web 端选择特定外业人员进行轨迹回放，并基于轨迹分布挖掘出作业人员在不同时间段的工作情况，从而达到对现场作业人员进行安全监控、管理及绩效考核的目的，其具体业务逻辑如下：①利用GNSS 模块实现人员坐标定位；②人员定位坐标回传（回传时间间隔可设置，如1、5、30 s）；③对作业人员可以按时间及区域进行轨迹查询；④轨迹数据预处理及挖掘；⑤作业人员工作情况分析结果。

2.2 远程指挥协助

电网信息的获取往往需要内外业协同工作，为实现内外业协同作业研发了远程连接功能，以第一视角直观反映现场状况，方便管理人员进行安全监控和指挥调度。管理员或外业作业人员可以远程发起实时视频对讲请求，管理人员实时查看了解现场情况，同时通过实时视频对讲与现场人员进行交流，多视角查看现场，分析解决问题，协助完成相关任务。通过地图展示，可实时掌握作业人员具体位置及工作区域，如遇突发状况，可快速查阅周边相关作业人员位置，进而对人员进行及时合理的调度和工作安排，提升响应时间和工作效率。

2.3 电子围栏告警

“电子围栏”是1 项用于规避危险作业区的重要安全管控和预警技术。管理人员首先在 GIS 地图上，虚拟划定安全电子围栏区域，并依据电力故障、电压等级、气象环境等位置着重标注危险电子围栏区域。其次，在外业人员手持终端中安装BDS定位和移动通信模块，利用卫星定位上传数据，实现对进出电子围栏区域的作业人员的安全进行管控和预警。当人员离开安全电子围栏区域或进入危险电子围栏区域时，系统会发出警告信息，要求人员返回至指定区域。通过该技术，可在电力作业中实时掌握作业区域内人员的数量、状态、位置及流量情况等信息，为人员调度和安全维护等提供智能指引。在实验过程中，该技术的告警平均响应时间不大于3 s。

2.4 沉降监测预警

电力设备运行极易受到周边发生的山体滑坡、地表形变、沉降塌陷等地质灾害影响，目前避免上述影响的手段还是采用人工监测为主，依赖人员的经验及周期性观测进行防范。然而，这种方式滞后性明显，面对突发紧急情况更无法及时预警和实时监管。为实现电力设备地质灾害防治的自动化和智能化，将电力设备地质环境监测与BDS、云计算中心、降雨等物联网设备相结合，实现设备周边毫米级位置信息和位移变化量地质监测，并实时将监测点位精确位置上传给监控中心，建立监测预警模型，一旦位移变化超过设定阈值，系统自动实现报警。

针对累积式的地质灾害，采用固定时间段采集原始数据，使用后处理解算方式得到更高精度的坐标，其精度可达毫米级，能更好地反映位移累积变化；针对含水量，实时将监测点的含水量上传给监控中心，并自动上调含水量和实时RTK 位置数据上传频率，以达到更及时的监控目的。实时RTK（A1）、后处理解算（A2）、含水量（A3）3 种数据共同构建地基沉降监测的预警模型，其中实时RTK 水平方向标记为A11，垂直方向标记为A12；后处理软件解算水平方向上连续 5 d 日平均位移速率，标记为A21，5 日累计位移标记为A21，垂直方向上连续5 d 日平均位移速率标记为A23，5 d 累计位移标记为A24；含水量程度标记为A31。电力设备沉降受所选单因子的影响，且各个因子影响不尽相同，本文建立的监测预警模型，实现了多因子定量综合评价。首先，通过专家打分法，对各因子的原始信息进行定量化处理，经过十几位学科专家及经验丰富作业人员的多次讨论、修订与综合，最后确定各单要素对设备安全性的影响“等级”按等级划为极危险、高危险、危险、安全4 个等级，同时分别赋值为7、5、3 和1，分级标准如表1 所示。

表1 设备安全监测危险性评价指标分级标准

为充分利用评价数据提供的信息，避免主观赋权的局限性，本文采用客观赋权即变异函数法确定各单要素的权值，计算公式为

式中：w为评价因子的权；v为评价因子变异系数；S为评价因子标准差；为评价因子均值；i为评价因子数，i=1，2，3，4；Si为第i项评价因子标准差；为第i项评价因子均值。

采用自然断点法将预警状态划分为3 类，红色预警、黄色预警及蓝色预警。红色预警属于报警级，表明监测点出现了风险需及时处理；黄色预警属于预防级，表明监测点存在风险需排查预防；蓝色预警属于提醒级，表明监测点存在发生风险的可能，需重点关注。

3 实验与结果分析

本文以广东省某市为研究区域。管控云平台部署在广东电力科学研究院内，可以对研究对象辖区范围内的电力人员及电力装置进行安全监测。该平台以2D、3D 基础地理信息数据为地图数据，连接的其他信息包括：300 余座CORS 站的数据，1 000 多个温度、降雨地面监测站点的数据，行业内全部电力人员手持终端信息、智能安全帽信息，以及野外电力设备信息。

依托BDS 高精度位置服务体系架构，在市内及郊区进行 2 项实时差分解算实验，以验证厘米级服务的可靠性。

1）首先进行动态模式下定位精度的测试。选取空旷田间路段，将嵌有卫星接收机设备的智能安全帽交与电力作业人员佩戴，并要求其以 1.2 m/s 的速度沿路段行驶，设置测试时长为30 min，共获取850 个历元，动态定位测试效果如图2 所示。

图2 动态模式下定位测试轨迹

2）其次进行静态模式下定位精度测试。同样选取空旷区域，将卫星接收装置静置于地面，设置其数据更新率为1 s，当获取历元数达到3 000 个时，停止测试。设接收数据在3D 空间坐标X、Y、Z分量的内符合精度为σ1、σ2、σ3，其计算数学函数为

式中：Δi为数据在3D 空间坐标X、Y、Z3 个分量上的实际计算值与数据平均值之差；n为观测值个数。利用 MATLAB 对采集数据进行分析，依据式（2）可以计算出X、Y、Z3 个分量上的精度利用MATLAB 对采集数据进行分析，得到水平和垂直方向的内符合精度如表2 所示。

表2 水平和垂直方向的内符合精度 单位：m

图3 为人员实时监测及远程可视化对讲界面。由图3 中可以看到，野外作业人员的位置、轨迹及现场环境都可以由后台系统实时监测，为人员安全、作业分配及作业质量提供了保障。

图3 人员实时监测对讲界面

图4 为野外设备沉降监测预警界面。由图4 可以看到该监测点的即时及历史信息，并直观显示安全级别，实现安全信息的智能化分析及可视化展示。

图4 野外设备沉降监测预警界面

4 结束语

电力安全是电力行业运行和发展的根本，其中，人员及设备安全又是重中之重。针对当前电力行业中对人员及设备安全管控方式比较单一且滞后性明显的问题，本文提出了1 种基于BDS 高精度位置的安全服务体系架构，以电力安全管控云平台为核心，结合自主研发的智能安全帽、降雨等物联网监测站点获取的信息，对电力人员及电力设备安全进行智能管控。广东的实际场景验证表明，本文所提方法具有合理性及较强的可用性。在未来的应用中，以我国第三代北斗卫星导航系统即北斗三号为基础，基于历史数据进行多因素、高精度模型预测分析，可以将此模式扩展到包括电力行业在内的其他国家重点行业，为其提供高效、稳定的高精度位置服务。