北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)技術(shù)在國(guó)土、測(cè)繪部門(mén)已廣泛應(yīng)用，在交通出行領(lǐng)域也在推行，但在電力系統(tǒng)中尚未形成大規(guī)模、系統(tǒng)化的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)已有的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)主要覆蓋人口眾多的城市地區(qū)，在人口密集的大城市還會(huì)加密部署基準(zhǔn)站，在廣大的山區(qū)及遠(yuǎn)郊地區(qū)覆蓋率不足，直接影響定位精度及結(jié)果。

電力系統(tǒng)的變電站和輸電線路大量分布在遠(yuǎn)郊野外地區(qū)，因此市面上現(xiàn)有的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)無(wú)法直接為一個(gè)完整的省級(jí)電力系統(tǒng)提供高精度定位服務(wù)。電力行業(yè)需要自行建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。

針對(duì)電力行業(yè)建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，涉及到基準(zhǔn)站部署環(huán)境、基準(zhǔn)站長(zhǎng)期穩(wěn)定性、利用電力通信網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)的延時(shí)、數(shù)據(jù)解算以及移動(dòng)站可靠性等問(wèn)題。上述問(wèn)題與測(cè)繪領(lǐng)域面臨的嚴(yán)重程度完全不同，應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)方案并不完全適用于電力行業(yè)。針對(duì)電力行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)和建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)就顯得十分必要。

北斗系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有較高的安全性。已有大量研究將北斗系統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)。本文在研究北斗地面基準(zhǔn)站的選址方案的基礎(chǔ)上，在廣東電網(wǎng)范圍內(nèi)選取65個(gè)位置，并進(jìn)行了地面增強(qiáng)基準(zhǔn)站建設(shè)；設(shè)計(jì)了以虛擬專有撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)（virtual private dial network, VPDN）為核心的通信組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)了北斗監(jiān)測(cè)終端采集信息的可靠上傳；通過(guò)高精度位移平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠達(dá)到毫米級(jí)定位精度。

基于本文建設(shè)的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一套輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為輸電桿塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的在線監(jiān)測(cè)提供了借鑒；以某110kV輸電桿塔為實(shí)施對(duì)象，驗(yàn)證了系統(tǒng)毫米級(jí)在線監(jiān)測(cè)精度，驗(yàn)證了建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性。

1 北斗地面基準(zhǔn)站選址

基準(zhǔn)站位置需要滿足連續(xù)運(yùn)行、觀測(cè)環(huán)境要求。為便于設(shè)備維護(hù)，選址位置應(yīng)位于交通便利地帶，附近較近處有穩(wěn)定電源、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施較近。為便于點(diǎn)位長(zhǎng)期使用，基準(zhǔn)站選址應(yīng)未納入建設(shè)規(guī)劃，便于點(diǎn)位長(zhǎng)期保存與使用。

基準(zhǔn)站可選在交通便利、觀測(cè)環(huán)境安全僻靜的地帶?；鶞?zhǔn)站應(yīng)遠(yuǎn)離鐵路200m，公路100m以上。點(diǎn)位優(yōu)先選在地面，不宜選在建筑物上，便于水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

基準(zhǔn)站選址的過(guò)程中還要考慮抗干擾問(wèn)題。對(duì)于基準(zhǔn)站而言，信號(hào)干擾可能有多種原因。干擾的強(qiáng)度主要與干擾源頻率、發(fā)射臺(tái)功率以及發(fā)射臺(tái)至干擾源的距離相關(guān)。改正這些影響沒(méi)有實(shí)際意義，唯一可行的方法是選點(diǎn)時(shí)仔細(xì)注意，盡量削弱電磁波的輻射干擾。應(yīng)遠(yuǎn)離大功率的無(wú)線電發(fā)射裝置、電視臺(tái)、微波站、通信基站和附近雷擊區(qū)，距離應(yīng)在300m以上；遠(yuǎn)離高壓輸電線路和微波、無(wú)線電信號(hào)傳輸通道，距離應(yīng)在150m以上。

多路徑誤差是定位測(cè)量中最為嚴(yán)重的誤差，取決于天線周?chē)沫h(huán)境。多徑誤差一般為5cm，高反射環(huán)境下可達(dá)19cm。目前很難將多徑誤差和天線相位中心的變化區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此，在基準(zhǔn)站選點(diǎn)時(shí)需要通過(guò)一些措施來(lái)削弱多徑誤差。選擇地形開(kāi)闊、沒(méi)有反射面的點(diǎn)位，點(diǎn)位周?chē)粦?yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號(hào)的物體，如大面積玻璃墻、大型金屬?gòu)V告牌和大面積水域等。此外，要求點(diǎn)位視野開(kāi)闊，并且在視場(chǎng)內(nèi)不宜有高度角大于10°的、成片的障礙物。

點(diǎn)位應(yīng)選在穩(wěn)定地質(zhì)塊體上，點(diǎn)位地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定地區(qū)（如斷裂帶、易發(fā)生滑坡與沉陷等局部變形地區(qū)）和易受水淹或地下水位變化較大的地區(qū)，以便于長(zhǎng)期保存點(diǎn)位測(cè)量標(biāo)志。點(diǎn)位不應(yīng)設(shè)立在易發(fā)生滑坡、沉陷、隆起、潮濕或地下水位較高等地面局部變形的地點(diǎn)，也不應(yīng)設(shè)立在距鐵路200m，距公路100m內(nèi)或其他受劇烈振動(dòng)的地點(diǎn)。

實(shí)地采用北斗/全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）雙模雙頻接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)。以1s采樣間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間不少于連續(xù)24h。采用TEQC軟件分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)記錄得到觀測(cè)的數(shù)據(jù)導(dǎo)航定位衛(wèi)星跟蹤數(shù)量、通信信號(hào)信噪比、傳輸數(shù)據(jù)可用率等指標(biāo)進(jìn)行處理和分析。

如果不能滿足相關(guān)規(guī)范的要求，應(yīng)進(jìn)行重新選址，并重新觀測(cè)。當(dāng)載波相位數(shù)據(jù)利用率小于80%時(shí)，應(yīng)變更站址。如果多路徑指標(biāo)MPl與MP2分別超過(guò)0.3和0.42，應(yīng)當(dāng)重新選址。

由于廣東電網(wǎng)地處低緯度地區(qū)，所以在參考站的分布設(shè)計(jì)中，相鄰參考站之間的距離以20～50km左右為較合適的距離控制。另外考慮到廣東電網(wǎng)各地區(qū)自然地理情況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及建設(shè)需求，按照這個(gè)參考站分布設(shè)計(jì)原則，選定65個(gè)站點(diǎn)。

圖1 北斗地面基準(zhǔn)站選址

根據(jù)測(cè)算，當(dāng)定位點(diǎn)所在區(qū)域的地面增強(qiáng)基站間距小于20～50km時(shí)，可以達(dá)到毫米級(jí)定位精度。按照上述方案對(duì)北斗定位增強(qiáng)基站進(jìn)行補(bǔ)充建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)廣東電網(wǎng)范圍內(nèi)毫米級(jí)北斗定位。

2 傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

傳輸網(wǎng)絡(luò)采用扁平化廣域網(wǎng)設(shè)計(jì)。省級(jí)綜合處理中心作為核心節(jié)點(diǎn)，下聯(lián)地市級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)。各地市各基準(zhǔn)站通過(guò)多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（multi-service transport platform, MSTP）上聯(lián)至省級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)。省級(jí)匯聚區(qū)域采用兩臺(tái)三層交換機(jī)同時(shí)運(yùn)行，將基準(zhǔn)站的接入站點(diǎn)分組，單線分別接入到兩臺(tái)交換機(jī)上。

用T3或T4級(jí)別機(jī)房的機(jī)柜作為匯聚節(jié)點(diǎn)，放置一臺(tái)2U匯聚交換機(jī)設(shè)備，并部署一臺(tái)同型號(hào)交換機(jī)作為備份。將省內(nèi)站點(diǎn)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商MSTP 2M通信專線交叉匯聚到一個(gè)匯聚點(diǎn)，并通過(guò)兩條運(yùn)營(yíng)商通信專線 MSTP 10M連接到北京核心匯聚設(shè)備上。

衡量基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈路的指標(biāo)包括以下兩方面：

1）新構(gòu)建的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)傳輸所使用的數(shù)據(jù)鏈路通信線路應(yīng)能夠可靠、穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2）基準(zhǔn)站與系統(tǒng)控制中心站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄W(wǎng)絡(luò)延時(shí)不應(yīng)超過(guò)500ms。

圖2 傳輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

廣東電網(wǎng)北斗衛(wèi)星地面增強(qiáng)系統(tǒng)通信組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)VPDN專有通信鏈路與有線鏈路進(jìn)行混合組網(wǎng)的方式。在條件成熟地區(qū)通過(guò)有線方式接入廣東電網(wǎng)信息內(nèi)網(wǎng)。在有線鏈路無(wú)法覆蓋地區(qū)，通過(guò)VPDN專有通信鏈路將基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

基準(zhǔn)站VPDN網(wǎng)絡(luò)租用高速寬帶IP網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上定位為IP優(yōu)化的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，以光纖作為主要的信息傳輸介質(zhì)，以IP為主要通信協(xié)議。主干層可以承載2.5Gbit/s帶寬，設(shè)備的無(wú)阻塞交換容量為80Gbit/s，具有足夠的能力來(lái)滿足高速端口間的無(wú)丟包線速交換。

各個(gè)基準(zhǔn)站分處各地，采用多協(xié)議標(biāo)簽交換（multi protocol label switching, MPLS）實(shí)現(xiàn)VPDN?；鶞?zhǔn)站、數(shù)據(jù)中心接入點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分別以10M/100M/ 1 000M寬帶速率接入。

基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心構(gòu)建一個(gè)環(huán)形的VPDN專用網(wǎng)絡(luò)。基準(zhǔn)站接入帶寬為512kbit/s，數(shù)據(jù)中心接入帶寬為2Mbit/s，網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間可以互相訪問(wèn)。數(shù)據(jù)中心配光纖分線盒、光纖收發(fā)器設(shè)備。光纖分線盒分出光纜的兩芯，一芯接入光纖收發(fā)器設(shè)備，另一芯作為系統(tǒng)擴(kuò)展備用。光纖收發(fā)器接入機(jī)房交換機(jī)設(shè)備。

基準(zhǔn)站的接收機(jī)分配獨(dú)立的網(wǎng)際互連協(xié)議（internet protocol, IP）地址，通過(guò)路由器非對(duì)稱數(shù)字用戶線路（asymmetric digital subscriber line, ADSL）撥號(hào)的方式與VPDN網(wǎng)絡(luò)連接。數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配獨(dú)立的IP地址，通過(guò)交換機(jī)，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)管理由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一負(fù)責(zé)。

網(wǎng)絡(luò)安全方面，通過(guò)基于標(biāo)記交換的轉(zhuǎn)發(fā)，采用MPLS標(biāo)簽機(jī)制克服傳統(tǒng)路由技術(shù)上存在的地址欺騙隱患；MPLS VPDN的邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（border gateway protocol, BGP）保證了用戶路由表和公網(wǎng)路由之間的有效隔離，客戶僅僅能接觸到自己的路由表，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶信息安全。

用戶服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)播網(wǎng)絡(luò)通過(guò)兩種方式向外界用戶發(fā)播數(shù)據(jù)，即以4G-APN方式向流動(dòng)用戶發(fā)播實(shí)時(shí)差分改正數(shù)據(jù)，并通過(guò)因特網(wǎng)（Isnternet）以超文本傳輸協(xié)議（hyper text transfer protocol, HTTP）服務(wù)形式向用戶提供事后下載基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的界面。

3 輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括感知層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用控制層。

感知層由傳感器構(gòu)成。在具體的應(yīng)用中包括了安裝在輸電桿塔上的北斗短報(bào)文傳輸傾角傳感器和北斗高精度定位傳感器，以及地面工作基站。

數(shù)據(jù)傳輸層為移動(dòng)4G-APN網(wǎng)絡(luò)，將導(dǎo)航衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)以10s一次上傳。基站以有線專網(wǎng)接入，采用運(yùn)營(yíng)商專線，帶寬為10Mbit/s。

應(yīng)用控制層包括數(shù)據(jù)處理中心和可視化界面。數(shù)據(jù)處理中心的功能包括：①根據(jù)北斗傳感器定位信息和基站信息得到北斗高精定位信息；②綜合分析傳感器提供的信息，根據(jù)變化趨勢(shì)、變化量等數(shù)據(jù)為用戶提供預(yù)警信息?？梢暬缑鎸?shù)據(jù)中心得到的歷史/實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息以及告警信息呈現(xiàn)給用戶。

圖3 輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

輸電桿塔北斗監(jiān)測(cè)終端安裝方式如圖4所示。監(jiān)測(cè)終端包括北斗導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)天線、太陽(yáng)能電池板、控制箱和蓄電池箱。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)天線用于與導(dǎo)航衛(wèi)星之間的通信。太陽(yáng)能電池板。蓄電池箱主要用于安裝蓄電池。蓄電池用于對(duì)光伏組件出力的波動(dòng)性與間歇性能量供應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充。

控制箱安裝有數(shù)據(jù)處理終端、能量管理單元和通信單元。數(shù)據(jù)處理終端用于解算導(dǎo)航衛(wèi)星天線數(shù)據(jù)。能量管理單元用于管理太陽(yáng)能電池板與蓄電池，為測(cè)量終端提供能源。通信單元用于測(cè)量終端將數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

圖4 北斗監(jiān)測(cè)終端安裝

北斗監(jiān)測(cè)終端通過(guò)北斗定位天線實(shí)現(xiàn)桿塔傾角、位移監(jiān)測(cè)。北斗定位天線直接固定于桿塔本體上，其通過(guò)角鋼構(gòu)建的三角形支架突出桿塔本體，以便于接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)。另外，監(jiān)測(cè)終端與輸電線路帶電部分需要根據(jù)輸電線路電壓等級(jí)，保持足夠的安全距離。

4 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

選取某建筑物屋頂為天線基礎(chǔ)，對(duì)北斗高精定位系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。本文選取的位置基礎(chǔ)穩(wěn)固，上方無(wú)遮擋物。北斗接收機(jī)天線距離地面10m左右，與輸電桿塔天線安裝位置接近，能夠有效模擬輸電桿塔北斗定位天線實(shí)際情況。

將北斗接收機(jī)天線安裝在高精度位移平臺(tái)上。高精度位移平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在3個(gè)坐標(biāo)軸上±12.5mm的位移。測(cè)量誤差小于3 m。性能驗(yàn)證裝置如圖5所示。

圖5 性能驗(yàn)證裝置

分別在XYZ 3個(gè)坐標(biāo)軸方向上調(diào)整高精度位移平臺(tái)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。北斗高精定位系統(tǒng)水平方向上定位誤差為3mm±0.5ppm，垂直方向上定位誤差為5mm±0.5ppm。北斗高精定位系統(tǒng)可以達(dá)到毫米級(jí)的定位精度。

后臺(tái)毫米級(jí)定位數(shù)據(jù)測(cè)量頻率為每小時(shí)一次。不能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，難以滿足桿塔或?qū)Ь€風(fēng)擺定位的要求。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

某110kV線路桿塔位于丘陵地帶半山坡處。根據(jù)市政部門(mén)規(guī)劃，該桿塔東北方向50m處有道路施工作業(yè)，需要進(jìn)行隧道的開(kāi)挖且伴隨爆破工作。桿塔地理位置圖如圖6所示。

圖6 桿塔地理位置

輸電桿塔位于丘陵地帶且降水量較大，施工作業(yè)有可能引發(fā)桿塔滑移與傾斜。輸電線路運(yùn)維單位將該桿塔作為重點(diǎn)管控對(duì)象，并為其配套了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。塔身和邊坡各設(shè)一個(gè)北斗高精度定位傳感器，用于監(jiān)測(cè)塔身和邊坡的位移、沉降趨勢(shì)。

北斗監(jiān)測(cè)終端測(cè)量數(shù)據(jù)如圖7所示。圖中3條曲線分別代表相互垂直的3個(gè)方向上的測(cè)量終端位移量數(shù)據(jù)。在應(yīng)用實(shí)例中，3個(gè)方向分別為垂直方向、垂直導(dǎo)線水平方向、平行導(dǎo)線水平方向。

由于本系統(tǒng)測(cè)量精度為水平方向上定位誤差為3mm± 0.5ppm，垂直方向上定位誤差為5mm±0.5ppm，圖中數(shù)據(jù)變化的主要來(lái)源為測(cè)量誤差。根據(jù)北斗高精度定位傳感器得到的數(shù)據(jù)，輸電桿塔塔身及邊坡定位數(shù)據(jù)變化量小于5mm，塔身和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。

6 結(jié)論

通過(guò)針對(duì)電力系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，可以解決邊遠(yuǎn)地區(qū)輸電桿塔難以實(shí)現(xiàn)北斗高精定位的問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化選址方案，可以實(shí)現(xiàn)地面基站長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，滿足連續(xù)觀測(cè)需求。通過(guò)VPDN專有通信鏈路與有線鏈路進(jìn)行混合組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，并將電網(wǎng)公司內(nèi)網(wǎng)作為一種有線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)了可靠的信息交互。結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用，證明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輸電桿塔毫米級(jí)的形變監(jiān)測(cè)。

本文基于廣東電網(wǎng)建設(shè)了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，對(duì)地面基準(zhǔn)站分布、通信組網(wǎng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證了所建立的系統(tǒng)可以為電網(wǎng)提供毫米級(jí)的定位服務(wù)。本文提出的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)方法具有較大的參考意義。

本文編自2021年第2期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“廣東電網(wǎng)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)方案及應(yīng)用分析”，作者為焦炯、陳泓名。