北斗卫星导航系统（BDS）在智能电网的应用与展望

北斗卫星导航系统（BDS）在智能电网的应用与展望摘要：北斗卫星导航系统（Beidounavigationsatellitesystem,BDS）对于智能电网的发展具有重要的推动作用。从BDS的发展现状和趋势分析出发，结合智能电网的需求，对BDS在智能电网中的应用开展研究。构建基于BDS的统一时空信息支撑框架，从授时、定位导航和短报文通信等方面分析BDS在智能电网的相关典型应用，结果表明：BDS是未来智能电网发展的基础支撑组件，大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能等技术综合应用会对BDS起到融合增强效果，而BDS在智能电网的深化应用还面临成本、应用场景拓展、标准体系建设等挑战。引言自1994年中国启动北斗一号系统的工程建设以来，从北斗一号起初仅为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务，到北斗二号面向亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务，北斗卫星导航系统（Beidounavigationsatellitesystem,BDS）历经26年的持续发展，2020年6月全面建成的北斗三号系统将为全球用户提供授时、定位导航、全球短报文通信和国际搜救服务，同时可为中国及周边地区用户提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信等服务。BDS作为着眼于国家安全和经济社会发展需要的国家重要时空基础设施，是中国战略性新兴产业发展的重要领域。BDS已成为被联合国卫星导航委员会认定的全球四大导航系统之一。相比于GPS的信号可靠性不能充分保障、易受“干扰”等弊端,BDS具有抗遮挡能力强、服务精度更高、服务能力更强等特点。随着中国卫星事业的发展，其应用功能和性能有很大提高空间。2009年9月，中国确立“天地互备，以北斗为主”的电力授时体系，开辟了智能电网建设的新纪元。目前，电力行业已经陆续开展了基于BDS的各类应用研究，集中体现在电力授时系统、输电杆塔滑移监测及状态监测预警、用电信息采集、新能源电厂调度数据安全采集与传输、应急终端等方面的应用。在国家电网公司经营区域内，要求新建/改造调度主站/变电站的时间同步装置接收北斗授时信号；各省公司电力通信频率同步网的基准时钟源全部接入北斗信号，重要节点接收北斗授频信号；通过安装形变监测设备、布置基准站的方式预计将在2022年实现对输电线路杆塔的全覆盖监测，为在电力行业的深化应用奠定了基础。虽然BDS已经在各个“点”和“线”取得了丰富成果，但相比于其在智能电网中的广阔应用前景，与基于北斗的时空信息综合服务成为智能电网的基础支撑、各环节可用的目标还有很大距离，需要从智能电网的长期发展进行全局化考虑，当前迫切需要系统化地开展BDS在智能电网应用的综合体系设计和深入应用挖掘。1北斗导航系统服务现状北斗二号系统通过发播B1Ⅰ和B2Ⅰ公开服务信号，免费向亚太地区提供公开服务，服务范围覆盖南北纬55°、东经55°～180°的区域，实现定位精度优于10m、测速精度优于0.2m/s、授时精度优于50ns的性能指标。2智能电网建设对BDS的需求分析智能电网以坚强网架为基础，以信息通信平台为支撑，需要集成各种先进传感技术、信息通信技术和自动控制技术才能具备高度信息化、自动化、互动化特征，是能源互联网发展的重要基础。建成安全可靠、开放兼容、双向互动、高效经济、清洁环保的智能电网体系，实现清洁能源的充分消纳、提升输配电网络的柔性控制能力、满足并引导用户多元化负荷需求是智能电网的发展目标。随着大规模新能源的并网以及分布式新能源的接入，电网结构变得越发复杂，新能源出力的不确定性也给电力系统的安全监测和稳定运行带来了一定的困难。电力系统对于可观性和可控性的需求也愈发突出。在此背景下，智能电网对于BDS需求突出体现在基础功能需求和应用需求2个方面。2.1基础功能需求充分利用北斗的精密授时授频、精准定位与导航、短报文通信功能，进行“北斗+电力”模式的应用和探索，为智能电网建设提供支撑。(1）对高精度授时的需求。统一时间系统是智能电网应用的重要基础。一方面，调度自动化系统、雷电定位系统、监控系统等各类系统和同步相量测量装置（PMU）、事件顺序记录（SOE）、故障录波器等设备对时间精度提出了更加严格的要求；另一方面，提供全网统一的时间基准是电网各级调度机构、发电厂、变电站、集控中心等能够进行时间一致性的实时数据采集的基础。虽然各类电力自动化系统对时钟基准的需求也有差异（例如PMU要求时钟偏差不能超过55μs，否则不能保证相位误差在1°以内；而普通的变电站后台监控系统精度在100～500ms），但随着大数据、人工智能等各类应用的发展，智能电网对各类数据的时钟精度要求越来越高，BDS的20ns授时精度和可靠性都具有很大的优势，可为智能电网安全稳定运行提供有力支撑。(2）对精确定位和导航服务的需求。对特高压线路、重要输电通道及特殊地质条件的输电线路杆塔塔基的滑移情况进行监测，是提高输电线路灾害预警能力的有效途径，是保障智能电网输电环节安全可靠运行的必要基础。通过在输电杆塔关键位置安装北斗监测点设备、监测点附近建设基准站的方式，可以实现厘米级、毫米级精度的塔基相对偏移量监测。架空输电线路的运维环境日趋复杂，仅仅依靠人工巡检方式已不能满足越来越严格的运维检修要求，寻求提高线路巡检工作自动化程度的智能化巡检工作模式成为必然。有人直升机和无人机巡检方式应运而生。无论是直升机还是无人机，除了通过机载的传感设备（如相机、红外成像仪等）对架空线路进行巡查外，还必须有导航定位系统的支持才能保证设备定位的有效性和无人机飞行的安全性。电动汽车产业的发展和在运电动汽车数量的增长，使得充电站（桩）的实时定位和车辆导航需求也进一步增长。一方面，基于BDS/GPS的电动汽车充电站智能定位系统可以将接收到的充电站（桩）的位置信息嵌入内置电子地图中，实现对充电站（桩）的实时定位和电动汽车充电路径的规划和优化[23]；另一方面，基于BDS/GPS的车载终端可以远程监测电池状态、跟踪电动汽车位置，实现电池故障的诊断和电池特性的分析。(3）对短报文通信的需求。对于部分既没有公网信号覆盖又没有光纤通信链路而部署专网成本过高的偏远地区而言，存在3类问题亟待解决。一是处于偏远地区的输电线路的状态监测数据（传感器类）上传难、回传实时性差问题；二是小水电、自备电厂、分布式光伏等非统调电厂的电力信息采集和传输问题；三是这类地区的用电信息采集长期以来依赖人工抄表，与用电信息采集系统要求的“全覆盖、全采集、全费控”的目标相距甚远。BDS的短报文通信实时性高、覆盖范围广、传输安全可靠的优点，契合了各类数据传输的需求，通过输电线路现场与主站间信息的实时传递，为线路巡检人员提供定位和导航功能；解决非统调电厂信息采集应用需求；通过“北斗+采集终端”模式完成无信号偏远地区的用电信息采集。2.2应用需求BDS的应用还涉及众多其他因素，客观上决定了其应用的范围和效果。(1）成本限制。对所有设备/系统都配置BDS接口芯片以及配套的处理系统，虽然可以得到最好的时空信息服务，但是过高的成本也会限制BDS的广泛应用。事实上，不同的应用对时空信息服务的精度要求是有区别的，同时考虑BDS信号的复用可以降低总体成本。(2)ICT支撑。BDS应用并不仅仅限于接收到卫星信号。实际上，BDS的真正价值体现在基于ICT技术对卫星信号的进一步处理和挖掘。同时，ICT支撑也是BDS信号的共享和复用的基础。(3）部署便利性。限制BDS应用范围和深度的一个重要因素是部署是否方便。如果BDS的应用需要对原有系统做大的改变或者较多的二次开发等，都难以使其大范围推广应用。(4）标准体系。真正大范围推广BDS应用，离不开BDS在电力行业应用标准体系的建立。标准体系的建立，既是对已有成果应用经验的总结和固化，也是进一步大范围推广和提升的基础。(5）安全保障体系。BDS在电力系统的应用，必须考虑到安全因素。作为高可靠性行业，必须对包括对时错误、定位错误、短报文通信的限制条件和故障率等问题建立应对预案，从事前预防、事中监控到事后处置，乃至事后补缺改进，形成闭环的安全保障体系。3基于BDS的时空统一应用支撑框架BDS作为智能电网应用中无处不在的基本支撑组件，为了使高精度授时、定位和导航、应急通信成为智能电网中随处可用的服务。(1）构建时空信息支持平台。通过建立时空信息支持平台，统一接受高精度卫星信息并处理，转而基于网络对各类智能电网设备/系统提供二次服务。时空信息支持平台在功能上主要包括：接受高精度卫星信号；通过网络对智能电网中的各类设备和系统提供授时、定位等支持服务；汇总各类时空信息及其他相关信息，形成综合数据平台，并提供相关服务；根据应用需求，灵活提供各类综合服务。时空信息支持平台在系统架构上主要包括5个方面。(1)卫星信号处理层：处理和引入高精度卫星信号；管理和维持以北斗为主、GPS等其他卫星为辅的信号来源。(2)网络互联层：实现与电力系统其他各类应用、地基增强系统、星际增强系统等互联互通和互补协作；时空信息支持平台本身也可以是分布式部署，而通过网络互联层实现互联。(3)时空综合数据层：包括位置信息数据、地理信息数据、卫星应用数据等各类数据的采集、处理、存储；维护和管理时空综合数据库；实时更新相关时空信息数据。(4)时空信息应用服务层：针对电力系统各类应用，提供各类专业服务，例如高精度网络授时服务、短报文转发、输变电设备监视、防灾减灾定位、应急响应服务等。(5)时空服务接口层：各级各类应用需求，弹性提供各类服务接口，实现对时空信息应用服务的包装。时空信息支持平台可以采用类似云中心的方式部署，也可以直接部署为一个后台服务系统，其应用范围根据需要灵活设置。(2）差异化的授时服务。根据成本、精度要求，提供差异化授时服务。直接通过芯片接受BDS/GPS授时、通过网络从时空信息支持平台获取一定精度的授时服务，还可以综合应用直接卫星授时、网络授时，甚至以其他设备为时钟源获取授时信号。(3）差异化的定位和导航服务。根据成本和精度要求，通过芯片直接接受BDS/GPS卫星信号，或者通过网络接受时空信息支持平台的二次服务，还可以在两类服务间灵活切换，满足不同应用需求。(4）应急通信。BDS短报文通信作为一种特殊保障性通信手段，在原有的电力专网通信和电信公网通信之外，增加了电力应用的通信方式，拓展了应用范围，提高了可靠性。(5）与社会性支持系统的协同。从降低成本、提高利用率和服务质量的角度，电力时空信息支持平台也可以考虑与社会性支持系统的协同，相互支撑提供相关服务。例如在有限条件下，电力时空信息平台可以向应急处置之类的社会应用开放，而未来部分社会性时空应用服务（如社会性星际增强和地基增强系统），条件合适时也可以引入电力系统应用。当然，二者之间要通过隔离装置并满足相关的安全管理要求。(6）应用提升。BDS的广泛应用，相当于为大量电力应用增加了时空信息，这些数据资源为电力系统应用的数字化、自动化、智能化提升提供了有力支撑。(7）成本灵活控制。并不是所有的授时和导航应用都需要直接获取卫星信号，通过二次服务的方式，使得总体应用成本灵活可控，客观上有利于BDS在电力系统的推广应用。(8)ICT的支撑。时空信息支持平台的具体形式，可以是云中心模式，也可以是一定范围内的后台服务系统（例如一个变电站范围内），并提供简单和通用的客户端和服务接口。需要大数据、云计算、人工智能、区块链等各类ICT技术的支撑。(9）标准体系。标准体系对BDS在电力行业的应用推广具有重要作用。实际上，目前相关机构正在积极制定电力北斗标准体系[25]。电力行业与北斗卫星导航领域建立统一协调推进机制，依据北斗产品属性（芯片、模块、天线等基础产品，终端设备、应用系统与应用服务等）、在电力行业的应用种类、电力业务场景拓展等分层级（基础类、产品与设施类、应用类）、分阶段（近期、中期、远期）加快推进电力BDS体系建设，并实现与现有标准的有效衔接。(10）安全保障体系。建立可靠的安全保障体系是BDS在电力行业广泛应用的前提。BDS的应用必须符合各类电力系统应用安全管理规定，时空信息支持平台本身的可靠性比单独的电力设备/系统要高，网络和卫星应用的结合提供了相互检验、相互支撑的保障。4典型应用场景分析随着BDS在电力行业的授时、定位导航和短报文通信示范应用的日渐成熟，系统梳理BDS的主要功能在电力行业的应用场景，才能进一步拓展其应用的深度和广度，有力推动BDS在智能电网的“发、输、配、变、用、调度”等环节的推广应用，支撑智能电网发展。(1）基于时空信息支持平台，通过网络方式或者结合“网络+卫星”的综合方式为所有应用提供时空信息服务。(2）根据不同的精度需求，提供授时服务。目前中国在500kV及以上变电站、220kV重要变电站、100MW及以上的主力发电厂安装了近3000套同步相量测量（PMU）装置。以PMU为基础的广域相量测量系统（WAMS）对提升电力系统动态安全稳定的监测与控制能力已得到广泛认可，成为电网监测与控制的有效手段。基于北斗同步时钟的PMU的同步相量数据，具有时间上同步、空间上广域的特点，其全网同步时间标签是根本特征，也是基于PMU的WANS的基本监视类、安全稳定分析类以及辨识类等高级应用功能得以实现的基础。分布式新能源发电、储能与电动汽车大量接入配电网，给配电网的运行与控制带来了更多的随机性与不确定性，在配电网安装基于高精度微型同步相量测量装置（DPMU）的广域量测系统成为应对这类挑战的有效途径之一。DPMU通过测量配电网节点电压、电流等同步信息，为配电网提供精确同步时标的电力数据，进而服务于配电网实时监测、态势感知和故障分析处理。相比于在发电侧的PMU，由于配电网量测精度需求高，可以充分发挥BDS的精密授时功能，满足DPMU对同步时钟的授时精度与守时能力的较高要求。DL/T1283—2013《电力系统雷电定位监测系统技术规程》的规定，雷电定位监测系统的时钟同步的精度要满足优于0.1μs的要求。相比于DL/T1100.1—2018《电力系统的时间同步系统》规定的要求，是所有电力应用中对时钟同步要求最高的。雷电定位系统一般同时使用定向法和时差法实现雷电定位[29]。时钟同步的精度决定了定位精度。利用北斗高精度授时技术可以极大提高雷电定位系统时钟同步的精度。基于GPS/北斗的秒脉冲同步采集的分布式无线高压绝缘带电测试系统，辅以软件流程的时序协同控制，使介损测量误差小于0.05%，能够满足变电站容性设备、避雷器的带电测试的高精度要求。(3）定位导航服务类的深化应用。包括结合BDS地基增强系统的高精度形变监测、智能巡检、车载终端等。除了通常在输电杆塔关键位置安装监测点设备、附近架设基准站的方式外，借助BDS的地基增强系统，覆盖更大范围和不同电压等级下的输电杆塔，同时构建省级或区域级的输电杆塔状态的自动监测及预警平台，实现输电杆塔全天全时段集中监测、预警，突破目前局部于小范围杆塔监测的局面，实现全网范围内的全覆盖监测。以天地协同方式构建输电线路物联网架构，空中采用遥感卫星对输电线路山火、通道异物、杆塔倾斜等较大缺陷进行广域高效监测，地面以输电线路导线上监测装置作为边缘计算设备，再通过BDS短消息通信网络实现海量小数据的回传，有效解决山区输电线路信号盲区的问题。BDS定位技术和地基增强技术为电力设备状态感知、通信和位置服务提供了更加灵活的应用手段。研发基于BDS定位技术的智能可穿戴类设备，比如智能安全帽[31]，通过集成检修人员生理状态的采集单元、语音通信单元和视频采集单元，实现对现场检修人员的位置定位、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，有效提高检修工作效率。优化直升机、无人机和人工巡检的配置方式形成有效的协同立体化巡检，是提高输电线路的运维检修水平的大势所趋。研制支持高精度定位的无人机设备，才能满足无人机对杆塔的精细化自主巡检要求。要实现无人机巡检智能化，需要解决巡检数据智能化处理、无人机自主导航和续航三大核心问题。其中，自主导航是实现无人机自主巡检的核心技术，本质上需要高精度定位技术的支持。借助高精度北斗定位导航、GPS组合导航和定高控制功能[32]，使无人机在悬停时达到要求范围内的导航精度和高度，保证任一导航系统出现问题或信息屏蔽时的设备定位的有效性和无人机飞行的安全性。目前移动巡检机器人采用的定位导航技术主要有磁导航、轨道导航、惯性导航、GPS导航以及激光雷达导航等。GPS导航技术的定位精度通常为米级，无法满足定点精确测量的需求，而且GPS信号会受到电力设备的电磁扰动的影响，使得导航的可靠性受到制约。采用激光雷达和惯性导航组合的精确地形匹配的导航定位精度达到1cm。截至2019年年底，在中国范围内已建设155个框架网基准站和2200多个区域网基准站。充分利用北斗地基增强系统能够在系统服务区内提供实时米级、分米级、厘米级和后处理毫米级增强定位服务的能力，开展尝试探索BDS在巡检机器人的可行性研究。了融合存储、感知、通信等功能的智能感知标签（eRFID），借助北斗定位和加权四边测距定位算法使设备在电力仓库实际定位精度达到1.38m，实现电力设备室内外全方位定位，对电力资产全寿命周期的身份编码和状态感知的有机结合做出了有益探索。(4）卫星通信应用。除了利用短报文功能的用电信息采集终端、远程抄表等在偏远地区的信息化应用外，还可以在充电桩远程控制和应急通信终端方面深化研究。运用BDS安全可靠、全天候机制，不受任何台风、地质灾害等影响的优势，对建设在人员稀少、环境偏僻的充电站（桩）采用短报文一对一发送接收功能，实现充电桩运维系统远程控制是未来的发展趋势。基于Android等操作系统，结合BDS的定位导航功能和天通的卫星电话、数据传输功能，设计集卫星电话、定位导航、卫星数据为一体的电力应急通信终端，提高应急指挥调度的实时通信能力和效率。(5）时空信息支持平台提供的各类其他应用。时空信息支持平台可以汇聚大量时空信息，这些信息与传统电力系统数据的结合，蕴藏着大量内在价值，为大数据、人工智能等应用提供了基础。5与其他新兴技术的融合增强效应BDS在智能电网深化应用场景的实现不仅需要时空统一应用支撑框架的支撑，而且还要与大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能等新兴技术充分融合，才能更好地应用“北斗+电力”的模式。(1）与云计算。云计算为时空信息支持平台提供了可选的部署和应用模式。充分利用云计算的可靠性高、数据处理量巨大、灵活可扩展以及设备利用率高等优势，与BDS深度融合，有效支撑在智能电网建设过程中的落地应用。同时云计算对其他各类新兴技术应用具有广泛的支撑效应。(2）与物联网和移动互联网。围绕北斗+物联网核心，实现位置网和物联网的融合，搭建北斗+物联网的推广应用平台，构建新的产业生态圈。移动互联网的飞速发展和移动智能终端的普及使得对位置信息的需求量呈上升趋势，BDS完全能够满足移动互联网技术对定位导航功能的需求。二者之间互为促进和发展，BDS为移动互联网提供定位服务，而BDS的定位导航功能又延伸了移动互联网的应用范围。(3）与大数据。从大数据的角度来看，广泛部署在智能电网的各类传感器、能量管理系统、设备管理系统、WANS、调度自动化系统以及其他各类信息平台，积累了海量多源异构的电力大数据，这些大数据均关联了统一的时空信息，属于典型的时空大数据。挖掘数据的时间、空间、对象之间的复杂动态关联关系，需要研究一种全新的电网时空大数据应用模式。(4）与人工智能。从人工智能的角度看，时空信息支持平台中隐含了大量内在的关联性，通过大数据应用把时空信息与海量采集信息进行关联，也为人工智能的发展和应用提供了丰富的素材。(5）融合增强。“万物互联”的物联网应用中，存在大量授时、定位和通信的需求，与北斗应用、移动互联网应用有相互促进的作用。北斗与云计算、大数据、物联网、移动互联网和人工智能深度融合，构建时空信息支持平台，推动智能电网高质量发展。BDS的应用，一方面离不开云计算、物联网的支撑，另一方面也为大数据、移动互联网、人工智能提供了新的数据源和提升的基础，同时以上各