北斗导航定位技术及其在电力系统中的应用＊

杨洪磊，司兴登，江 召，苗雪鹏

（1.昆明冶金高等专科学校，云南 昆明650033；2.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，云南 昆明650051；3.河南通达电缆股份有限公司，河南 洛阳471922）

电力系统是社会的重要组成系统，其安全稳定运行对人民正常生产生活具有重要意义。随着北斗卫星导航系统逐步成熟，该系统在救灾减灾、交通运输、农业自动化、森林状态监测、军事等领域都得到了广泛应用，由于该系统定位精度高、在山区和城市中抗干扰能力强，该系统在电力系统中也得到了广泛应用并具有广阔的应用前景[1-2]。

1 北斗导航系统及其特点

北斗导航系统的建设采取了北斗一号、北斗二号和北斗三号导航系统的发展战略，其中北斗三号导航系统于2020年完成组网并提供全球服务[3]。该系统由静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星共计30 颗卫星组成[4]，目前可以提供开放服务和授权服务两种功能，开放服务免费提供10 m 定位精度、50 ns 授时精度和0.2 m/s 的测速精度，授权服务可向授权用户提供更高性能的服务[5]。

2 北斗导航系统在电力系统中的应用

2.1 北斗定位系统在电力系统时间同步中的应用

电力系统的时间同步对相位比较、故障记录、事件顺序启动等具有重要意义，中国对线路行波故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统等的时间同步准确度均要求优于1 μs[6]。目前北斗卫星导航系统搭载的中国自主研制的时钟性能已于国际应用时钟性能相当，其主要技术指标已全部达到或优于检测标准，电力系统的时间同步逐步由原来的GPS 授时转向北斗定位系统授时。为更好服务电力系统时间同步，后期将利用北斗双向通信技术开发本地时间控制与保持、北斗双向对时、远程时间状态监控、远程时间控制、检测其他电力时钟装置功能等功能[7]。

2.2 北斗定位系统在电力线路巡检中的应用

输电、配电线路是电网的重要设施，输电、配电线路的安全、稳定运行对于提高电力系统的供电质量具有重要作用，而建立高效的电力线路巡检系统是保障电力系统安全、稳定运行的必要手段。

以北斗卫星系统定位功能为基础可开发出双向通信、双向定位电力线路巡检系统，其利用北斗系统的定位功能将电力系统中关键设备在地图上进行位置标记，比如变电站、电杆、输电线路等，使用这些位置信息可以规范电力设施管理和检修工作。在电力巡检车上安装北斗设备，巡检车的位置就可在数秒钟传送到电力调度指挥中心，利用接收到的位置信息可调度指挥电力巡检车。另外使用北斗系统所特有的短报文通信功能，北斗终端设备可及时将故障情况报告指挥调度中心，可大大缩短故障定位时间，大大提高设备抢修效率[8]。

另外基于北斗高精度定位技术的电力巡检用智能安全帽可实现对现场检修人员位置、现场故障情况以及人员生理健康水平的实时监测，实时语音对讲和视频传输，及时准确地将检修人员及设备信息动态反馈至后台中心控制系统，供后台管理技术人员进行高效的人员调度、检修指挥和技术支持，有效提高检修工作效率。同时在应急灾害情况下，可及时采取相应的救援措施，最大限度地减少损失[9]。

中国通航领域政策的逐步开放及无人机飞行相关技术的迅速进步，有效推动了无人机搭载专用传感器载荷巡视输电线路的巡检作业方式的开展，并促进输电线路巡检模式由人工巡检模式向无人机巡检模式转变[10]。随着北斗高精度服务建设并对外发布服务，利用北斗高精度定位服务引导无人机自主飞行、拍照，使无人机高精度的精细化巡检成为可能[11]。

2.3 北斗系统在电力系统防灾监测中的应用

电力系统中输电线路由于受自然或者人为因素的影响，有时会造成杆塔整体倾斜、部分塔材弯曲等，由于大风原因还可能造成大幅度导线舞动等，在云南、贵州等地由于局部气候条件线路容易覆冰，在山地地区有些杆塔、电站等可能会发生地质灾害等，上述情形都严重威胁着电力系统的供电可靠性。北斗定位系统具有高精度、全天候监测特点，并具有短报文通信功能，可对输电线路进行实时在线监测。同时该系统可对大坝等大型电力设施进行实时在线监测，以及时发现大坝变形等。

将北斗定位终端安装于两座铁塔之间的导线弧垂最低处，当导线覆冰后，由于重力作用，导线会整体拉伸，导线弧垂加大，绝缘子拉力值越大，导线最低处的弧垂就越大，北斗定位终端直接用螺丝固定在导线弧垂最低处；建立一个北斗基站参考站，放在已知点上，输入已知点的坐标，然后把坐标跟参考站输出的原始载波观测数据通过网线使用TCPIP 协议发送到后台服务器，且北斗基站参考站与北斗定位终端共视卫星[12]，通过这种方式即可实现对输电线路覆冰和导线舞动的在线监测。电网输电设备防灾监测应用体系框架将北斗准确的坐标定位技术作为关键点，将基准点（新建设或者其他供应商提供）、杆塔（包括附近环境）以及北斗电力平台系统等组合为全方位的输电线路高精度变形监测体系，同时通过全面比较能够得到平稳、精准的相关记录，为输电线路防灾减灾提供支撑。基于电力北斗高精度定位技术可实现对杆塔位移、滑坡及偏移的分析，同时可以利用北斗双天线姿态技术精确测量杆塔塔形[13]。

北斗在电力建设过程中因其可见卫星数量多、测量精度高、在高楼和大山等区域抗干扰能力强等特点得到了广泛应用；同时在无公网覆盖的偏远地区基于北斗短报文的用电信息采集功能得到了广泛应用[14]；该系统在救灾、减灾方面也发挥不可或缺的补充作用[15]。

3 未来发展方向

3.1 不断探索应用场景

北斗的应用场景会随着不断探索而保持扩展态势，未来的发展中如何探索应用场景将会是能否充分发挥北斗性能的关键。

3.2 推动与5G 等其他学科的交叉应用

北斗具有定位精度高、授时精度优和短报文通信功能，但只有将北斗导航系统与其他学科如5G、智能控制、大数据分析等交叉融合，才能最大限度发挥其作用。

3.3 部分领域融合其他导航系统

实践表明，将北斗卫星导航系统与其他卫星导航系统综合应用可以显著提高系统性能，因此在部分领域融合其他导航系统将是未来探索的方向。

3.4 不断升级以提高应用精度和稳定性

2035年，中国还将建成以北斗系统为核心，更加泛在、更加融合、更加智能的综合定位导航授时（PNT）体系。北斗系统将以更强的功能、更优的性能，服务全球，造福人类。