广东电网北斗地基增强系统建设方案及应用分析

焦 炯 陈泓名

广东电网北斗地基增强系统建设方案及应用分析

焦 炯 陈泓名

（广州市泺立能源科技有限公司，广州 510000）

已有的北斗地面基准站不能满足偏远地区输电系统定位需求，需要针对电力系统需求建设北斗地基增强系统。本文以广东电网为立足点，针对电力系统需求设计了北斗地基增强系统。根据观测、维护、组网需求规划了地面基准站点位；采用专有通信链路与有线链路进行混合组网的方式搭建了网络传输系统；在此基础上设计了输电杆塔在线监测系统。通过高精度位移平台对定位精度检测，其可以为电网提供毫米级的定位服务。通过110kV输电杆塔的实际应用，验证了系统的可用性，为北斗地基增强系统的建设提供了借鉴。

北斗定位；地基增强系统；电力系统；毫米级定位

0 引言

北斗地基增强系统技术在国土、测绘部门已广泛应用，在交通出行领域也在推行，但在电力系统中尚未形成大规模、系统化的应用。目前国内已有的北斗地基增强系统主要覆盖人口众多的城市地区，在人口密集的大城市还会加密部署基准站，在广大的山区及远郊地区覆盖率不足，直接影响定位精度及结果。电力系统的变电站和输电线路大量分布在远郊野外地区，因此市面上现有的北斗地基增强系统无法直接为一个完整的省级电力系统提供高精度定位服务。电力行业需要自行建设北斗地基增强系统。

针对电力行业建设北斗地基增强系统，涉及到基准站部署环境、基准站长期稳定性、利用电力通信网络传输时的延时、数据解算以及移动站可靠性等问题。上述问题与测绘领域面临的严重程度完全不同，应用于测绘行业的北斗地基增强系统建设方案并不完全适用于电力行业。针对电力行业的应用场景设计和建设北斗地基增强系统就显得十分必要[1-7]。

北斗系统是我国自主研发的导航卫星定位系统，具有较高的安全性。已有大量研究将北斗系统应用于电力系统。文献[8]提出了一种单回不对称线路分布参数测量方法，利用北斗系统同步时钟保证两侧参数测量的同步性。文献[9]利用北斗同步授时技术解决光纤差动保护两端电流的同步采样问题。文献[10]将北斗定位技术应用于输电杆塔的在线监测，实现了输电杆塔倾斜、沉降等状况的自动监测与实时预警，实践应用证明将北斗定位技术应用于电力系统可以提升电力系统运维的自动化水平。文献[11]在导航定位卫星地基增强高精度定位系统架构的基础上，构建了面向智能电网建设的高精度定位增强服务体系，以满足不同精度、不同场景下的能源互联网应用需求。文献[12]对北斗高精定位地基增强系统的标准化建设的目的、技术组成、技术特点、标准化的架构体系和标准的主要内容要素等方面进行了分析，对地基增强系统构建起到指导性作用。文献[13]对北斗差分定位技术进行了分析，通过差分定位可以实现毫米级的形变量监测，表明通过建设地基增强系统可以显著提升北斗定位精度。文献[14]通过对西北地区北斗卫星定位精度进行分析，表明卫星导航精度与卫星空间分布相关，不同地区的卫星覆盖密度不同，精度也不同。文献[15]应用载波相位差分技术对输电杆塔基础位移进行定位，可以实现输电杆塔基础形变毫米级的定位精度。

本文在研究北斗地面基准站的选址方案的基础上，在广东电网范围内选取65个位置，并进行了地面增强基准站建设；设计了以虚拟专有拨号网络（virtual private dial network, VPDN）为核心的通信组网方式，实现了北斗监测终端采集信息的可靠上传；通过高精度位移平台对系统性能进行验证，系统能够达到毫米级定位精度；基于本文建设的北斗地基增强系统，开发了一套输电杆塔在线监测系统，为输电杆塔结构稳定性的在线监测提供了借鉴；以某110kV输电杆塔为实施对象，验证了系统毫米级在线监测精度，验证了建设北斗地基增强系统的可用性。

1 北斗地面基准站选址

基准站位置需要满足连续运行、观测环境要求。为便于设备维护，选址位置应位于交通便利地带，附近较近处有稳定电源、网络通信设施较近。为便于点位长期使用，基准站选址应未纳入建设规划，便于点位长期保存与使用。

基准站可选在交通便利、观测环境安全僻静的地带。基准站应远离铁路200m，公路100m以上。点位优先选在地面，不宜选在建筑物上，便于水准联测。

基准站选址的过程中还要考虑抗干扰问题。对于基准站而言，信号干扰可能有多种原因。干扰的强度主要与干扰源频率、发射台功率以及发射台至干扰源的距离相关。改正这些影响没有实际意义，唯一可行的方法是选点时仔细注意，尽量削弱电磁波的辐射干扰。应远离大功率的无线电发射装置、电视台、微波站、通信基站和附近雷击区，距离应在300m以上；远离高压输电线路和微波、无线电信号传输通道，距离应在150m以上。

多路径误差是定位测量中最为严重的误差，取决于天线周围的环境。多径误差一般为5cm，高反射环境下可达19cm。目前很难将多径误差和天线相位中心的变化区分开来，因此，在基准站选点时需要通过一些措施来削弱多径误差。选择地形开阔、没有反射面的点位，点位周围不应有强烈反射卫星信号的物体，如大面积玻璃墙、大型金属广告牌和大面积水域等。此外，要求点位视野开阔，并且在视场内不宜有高度角大于10°的、成片的障碍物。

点位应选在稳定地质块体上，点位地面基础稳定，避开地质构造不稳定地区（如断裂带、易发生滑坡与沉陷等局部变形地区）和易受水淹或地下水位变化较大的地区，以便于长期保存点位测量标志。点位不应设立在易发生滑坡、沉陷、隆起、潮湿或地下水位较高等地面局部变形的地点，也不应设立在距铁路200m，距公路100m内或其他受剧烈振动的地点。

实地采用北斗/全球定位系统（global positioning system, GPS）双模双频接收机进行数据观测。以1s采样间隔进行数据记录，数据记录时间不少于连续24h。采用TEQC软件分析实测数据，对记录得到观测的数据导航定位卫星跟踪数量、通信信号信噪比、传输数据可用率等指标进行处理和分析。如果不能满足相关规范的要求，应进行重新选址，并重新观测。当载波相位数据利用率小于80%时，应变更站址。如果多路径指标MPl与MP2分别超过0.3和0.42，应当重新选址。

由于广东电网地处低纬度地区，所以在参考站的分布设计中，相邻参考站之间的距离以20～50km左右为较合适的距离控制。另外考虑到广东电网各地区自然地理情况、经济发展及建设需求，按照这个参考站分布设计原则，选定65个站点。

图1 北斗地面基准站选址

根据测算，当定位点所在区域的地面增强基站间距小于20～50km时，可以达到毫米级定位精度。按照上述方案对北斗定位增强基站进行补充建设，可以实现广东电网范围内毫米级北斗定位。

2 传输网络规划

传输网络采用扁平化广域网设计。省级综合处理中心作为核心节点，下联地市级汇聚节点。各地市各基准站通过多业务传送平台（multi-service transport platform, MSTP）上联至省级汇聚节点。省级汇聚区域采用两台三层交换机同时运行，将基准站的接入站点分组，单线分别接入到两台交换机上。

用T3或T4级别机房的机柜作为汇聚节点，放置一台2U汇聚交换机设备，并部署一台同型号交换机作为备份。将省内站点通过运营商MSTP 2M通信专线交叉汇聚到一个汇聚点，并通过两条运营商通信专线 MSTP 10M连接到北京核心汇聚设备上。

衡量基准站数据链路的指标包括以下两方面：

1）新构建的基准站数据传输所使用的数据链路通信线路应能够可靠、稳定地进行数据传输。

2）基准站与系统控制中心站之间数据传输的平均网络延时不应超过500ms。

图2 传输网络规划

广东电网北斗卫星地面增强系统通信组网数据传输主要通过VPDN专有通信链路与有线链路进行混合组网的方式。在条件成熟地区通过有线方式接入广东电网信息内网。在有线链路无法覆盖地区，通过VPDN专有通信链路将基准站数据传输到数据中心。

基准站VPDN网络租用高速宽带IP网络。该网络在技术上定位为IP优化的光学网络，以光纤作为主要的信息传输介质，以IP为主要通信协议。主干层可以承载2.5Gbit/s带宽，设备的无阻塞交换容量为80Gbit/s，具有足够的能力来满足高速端口间的无丢包线速交换。

各个基准站分处各地，采用多协议标签交换（multi protocol label switching, MPLS）实现VPDN。基准站、数据中心接入点网络分别以10M/100M/ 1 000M宽带速率接入。

基准站与数据中心构建一个环形的VPDN专用网络。基准站接入带宽为512kbit/s，数据中心接入带宽为2Mbit/s，网络各个节点间可以互相访问。数据中心配光纤分线盒、光纤收发器设备。光纤分线盒分出光缆的两芯，一芯接入光纤收发器设备，另一芯作为系统扩展备用。光纤收发器接入机房交换机设备。基准站的接收机分配独立的网际互连协议（internet protocol, IP）地址，通过路由器非对称数字用户线路（asymmetric digital subscriber line, ADSL）拨号的方式与VPDN网络连接。数据中心计算机、网络设备分配独立的IP地址，通过交换机，进入网络。节点间网络管理由网络运营商统一负责。

网络安全方面，通过基于标记交换的转发，采用MPLS标签机制克服传统路由技术上存在的地址欺骗隐患；MPLS VPDN的边界网关协议（border gateway protocol, BGP）保证了用户路由表和公网路由之间的有效隔离，客户仅仅能接触到自己的路由表，进而实现用户信息安全。

用户服务数据发播网络通过两种方式向外界用户发播数据，即以4G-APN方式向流动用户发播实时差分改正数据，并通过因特网（Isnternet）以超文本传输协议（hyper text transfer protocol, HTTP）服务形式向用户提供事后下载基准站数据的界面。

3 输电杆塔在线监测系统

输电杆塔在线监测系统结构如图3所示，包括感知层、数据传输层和应用控制层。

感知层由传感器构成。在具体的应用中包括了安装在输电杆塔上的北斗短报文传输倾角传感器和北斗高精度定位传感器，以及地面工作基站。

数据传输层为移动4G-APN网络，将导航卫星通信数据以10s一次上传。基站以有线专网接入，采用运营商专线，带宽为10Mbit/s。

应用控制层包括数据处理中心和可视化界面。数据处理中心的功能包括：①根据北斗传感器定位信息和基站信息得到北斗高精定位信息；②综合分析传感器提供的信息，根据变化趋势、变化量等数据为用户提供预警信息。可视化界面将数据中心得到的历史/实时监测信息以及告警信息呈现给用户。

图3 输电杆塔在线监测系统

输电杆塔北斗监测终端安装方式如图4所示。监测终端包括北斗导航卫星接收机天线、太阳能电池板、控制箱和蓄电池箱。北斗导航卫星接收机天线用于与导航卫星之间的通信。太阳能电池板。蓄电池箱主要用于安装蓄电池。蓄电池用于对光伏组件出力的波动性与间歇性能量供应进行补充。控制箱安装有数据处理终端、能量管理单元和通信单元。数据处理终端用于解算导航卫星天线数据。能量管理单元用于管理太阳能电池板与蓄电池，为测量终端提供能源。通信单元用于测量终端将数据接入数据传输网络。

图4 北斗监测终端安装

北斗监测终端通过北斗定位天线实现杆塔倾角、位移监测。北斗定位天线直接固定于杆塔本体上，其通过角钢构建的三角形支架突出杆塔本体，以便于接收导航卫星信号。另外，监测终端与输电线路带电部分需要根据输电线路电压等级，保持足够的安全距离。

4 系统性能验证

选取某建筑物屋顶为天线基础，对北斗高精定位系统的性能进行测试。本文选取的位置基础稳固，上方无遮挡物。北斗接收机天线距离地面10m左右，与输电杆塔天线安装位置接近，能够有效模拟输电杆塔北斗定位天线实际情况。

将北斗接收机天线安装在高精度位移平台上。高精度位移平台可以实现在3个坐标轴上±12.5mm的位移。测量误差小于3mm。性能验证装置如图5所示。

图5 性能验证装置

分别在3个坐标轴方向上调整高精度位移平台，并对测量结果进行分析。北斗高精定位系统水平方向上定位误差为3mm±0.5ppm，垂直方向上定位误差为5mm±0.5ppm。北斗高精定位系统可以达到毫米级的定位精度。

后台毫米级定位数据测量频率为每小时一次。不能实现快速测量，难以满足杆塔或导线风摆定位的要求。

5 系统应用

某110kV线路杆塔位于丘陵地带半山坡处。根据市政部门规划，该杆塔东北方向50m处有道路施工作业，需要进行隧道的开挖且伴随爆破工作。杆塔地理位置图如图6所示。

图6 杆塔地理位置

输电杆塔位于丘陵地带且降水量较大，施工作业有可能引发杆塔滑移与倾斜。输电线路运维单位将该杆塔作为重点管控对象，并为其配套了在线监测系统。塔身和边坡各设一个北斗高精度定位传感器，用于监测塔身和边坡的位移、沉降趋势。

北斗监测终端测量数据如图7所示。图中3条曲线分别代表相互垂直的3个方向上的测量终端位移量数据。在应用实例中，3个方向分别为垂直方向、垂直导线水平方向、平行导线水平方向。由于本系统测量精度为水平方向上定位误差为3mm± 0.5ppm，垂直方向上定位误差为5mm±0.5ppm，图中数据变化的主要来源为测量误差。根据北斗高精度定位传感器得到的数据，输电杆塔塔身及边坡定位数据变化量小于5mm，塔身和基础结构比较稳定。

图7 北斗监测终端测量数据

6 结论

通过针对电力系统应用场景建设北斗地基增强系统，可以解决边远地区输电杆塔难以实现北斗高精定位的问题。通过优化选址方案，可以实现地面基站长期可靠运行，满足连续观测需求。通过VPDN专有通信链路与有线链路进行混合组网的方式实现网络传输，并将电网公司内网作为一种有线传输的实现方案，结合电网实际实现了可靠的信息交互。结合电网实际应用，证明系统可以实现输电杆塔毫米级的形变监测。

本文基于广东电网建设了北斗地基增强系统，对地面基准站分布、通信组网方案进行设计，并通过输电杆塔在线监测系统验证了所建立的系统可以为电网提供毫米级的定位服务。本文提出的北斗地基增强系统建设方法具有较大的参考意义。

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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，广东省广州市人，工程师，主要研究方向为输电系统管理、电力系统信息管理。