張靜偉，張 川，徐 奇，于長祿，任瑞樵，李 超，王石巖，彭海超

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司松原供電公司，吉林 松原 138000）

0 引 言

北斗系統(tǒng)建設(shè)的意義在于定位系統(tǒng)自主化、智能化，如何將該系統(tǒng)穩(wěn)定高效地應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展各個(gè)領(lǐng)域尤為重要，這對于國家戰(zhàn)略安全同樣具有重要的意義[1]。電網(wǎng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定直接關(guān)系到國家戰(zhàn)略安全，因此國家電網(wǎng)公司有責(zé)任也有義務(wù)加快推廣北斗系統(tǒng)在電力安全監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，這既為國家電網(wǎng)安全提供了一個(gè)高性能、高保障的新方案，同時(shí)也符合國家安全戰(zhàn)略要求[2]。基于北斗定位技術(shù)，本文對電力鐵塔倒伏監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)展開了研究。

1 項(xiàng)目研究

1.1 定位理論

1.1.1 靜態(tài)定位

又稱絕對定位，用戶天線在跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星的過程中固定不動(dòng)，衛(wèi)星接收機(jī)高精度測量導(dǎo)航衛(wèi)星信號的傳播時(shí)間，根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星在軌的已知位置，從而算得固定不動(dòng)的用戶天線的三維坐標(biāo)[3]。

1.1.2 動(dòng)態(tài)定位

用導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)測定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體，它可以是陸地車輛、河海船艦、空中飛機(jī)、航天飛行器等。按照這些載體的運(yùn)行速度之快慢，又將動(dòng)態(tài)定位分成秒速為幾米到幾十米的低動(dòng)態(tài)，秒速為一百米到幾百米的中等動(dòng)態(tài)和秒速為幾千米的高動(dòng)態(tài)等3種形式。所謂“動(dòng)態(tài)定位”，就是載體上的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)天線在跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星的過程中相對地球而運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)用導(dǎo)航衛(wèi)星信號實(shí)時(shí)地測得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)[4]。

1.2 導(dǎo)航定位原理

衛(wèi)星定位基本原理是三球交會測量定位。由MCC實(shí)現(xiàn)距離測量，衛(wèi)星無需高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。MCC借助衛(wèi)星S1和S2發(fā)射，用于詢問的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號，用戶收到此信號時(shí)，發(fā)射應(yīng)答信號，經(jīng)衛(wèi)星S1和S2，分別回到MCC，通過MCC分別測量出由衛(wèi)星S1與S2返回的信號時(shí)間延遲量。衛(wèi)星S1和S2在每個(gè)時(shí)刻的位置是已知的，數(shù)據(jù)處理匯總，考慮上述信號傳輸過程中衛(wèi)星S1、S2的相對運(yùn)動(dòng)及MCC、衛(wèi)星S1、S2轉(zhuǎn)發(fā)器的傳輸延遲、用戶機(jī)的傳輸延遲、電離層、對流層的影響，從而得到用戶到兩顆衛(wèi)星間的距離量，計(jì)算出用戶坐標(biāo)位置，便于分析和說明。如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)信號流向框圖

構(gòu)成的基本觀測量和數(shù)學(xué)模型可用如下的公式表示。

式中，下標(biāo)c表示MCC；下標(biāo)u表示用戶站；t1為衛(wèi)星S1接收地面MCC詢問信號并轉(zhuǎn)發(fā)信號的時(shí)刻；t2為用戶節(jié)接收衛(wèi)星S1的詢問信號時(shí)刻；t3為衛(wèi)星S1轉(zhuǎn)發(fā)用戶應(yīng)答信號時(shí)刻；t4為衛(wèi)星S2轉(zhuǎn)發(fā)用戶應(yīng)答信號時(shí)刻；Δtc1I為衛(wèi)星出站轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)備時(shí)延；Δts1為衛(wèi)星S1的入站轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)備時(shí)延；Δts2為衛(wèi)星S2的入站轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)備時(shí)延；Δtu為用戶機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)信號的時(shí)延；Δtc1O為MCC至衛(wèi)星S1出站鏈路設(shè)備時(shí)延；Δtc1I為MCC至衛(wèi)星S1入站鏈路設(shè)備時(shí)延；Δtc2I為MCC至衛(wèi)星S2入站鏈路設(shè)備時(shí)延；Dc1為光速；dc1為第一顆衛(wèi)星S1至MCC的距離；D1u為第一顆衛(wèi)星S1至用戶的距離；du1為由用戶機(jī)返回第一顆衛(wèi)星S1的距離；du2為用戶返回衛(wèi)星S2的距離；dc2為用戶返回MCC時(shí)，衛(wèi)星S2至MCC的距離。

信號在設(shè)備中的時(shí)延可以精確測定，所以對信號的接收與發(fā)射的時(shí)差為已知。信號經(jīng)衛(wèi)星出站再經(jīng)用戶入站的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)刻在幾百毫秒級，考慮衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，在圖2中衛(wèi)星S1的位置相對拉開了。將各級距離用坐標(biāo)表示如下：

式中，上標(biāo)表示衛(wèi)星號；下標(biāo)c表示MCC；下標(biāo)u表示用戶站。

準(zhǔn)確描述用戶機(jī)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為：

式中，S3表示距離；r表示夾角；hcosθ表示大地高。r為用戶機(jī)在參考橢球面上的投影到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；h為用戶機(jī)所在點(diǎn)的大地高；cosθ為用戶機(jī)所在點(diǎn)的矢徑與參考橢球法線的夾角。

關(guān)系式如下：

以上給出了用戶相應(yīng)衛(wèi)星S1的詢問信號，并向兩顆衛(wèi)星發(fā)送應(yīng)答信號的情況。

同樣可以給出用戶相應(yīng)衛(wèi)星S2的詢問信號，并向兩顆衛(wèi)星發(fā)送應(yīng)答信號的表達(dá)式，只不過將衛(wèi)星S1的標(biāo)號與衛(wèi)星S2的標(biāo)號互相調(diào)換而已。

為了將用戶的發(fā)射信號控制到合適的水平，即將既能滿足MCC測量及解調(diào)需要，又能使CDMA系統(tǒng)用戶間干擾為最小，用戶可接收兩顆衛(wèi)星的詢問信號進(jìn)行時(shí)差測量，按最低功率響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號。此時(shí)，只能有一顆衛(wèi)星的返回信號構(gòu)成測距方程。同樣，可以恢復(fù)出可供定位的方程組。式（1）、式（2）、式（4）構(gòu)成用戶定位求解方程。

基于式（1）、式（2）、式（4）進(jìn)行線性化后，得：

式中，上標(biāo)s1表示衛(wèi)星號； 下標(biāo)u表示用戶站；下標(biāo)x表示緯度；下標(biāo)y表示經(jīng)度；下標(biāo)t表示傳輸延時(shí)。

為在t3時(shí)刻衛(wèi)星S1對x軸的方向余弦，其他類推；δx為用戶機(jī)所在位置的經(jīng)度；δy為用戶機(jī)所在位置的緯度；δts1為按其上下標(biāo)為設(shè)備的傳輸時(shí)延；F為以參數(shù)C1為參變量的表達(dá)式。根據(jù)式（6）可解用戶機(jī)的坐標(biāo)，經(jīng)化簡為

2 項(xiàng)目研究內(nèi)容和實(shí)施方案

2.1 研究基于北斗三代系統(tǒng)的精確定位技術(shù)

采用北斗三代定位測量技術(shù)對電力鐵塔倒伏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，用4G或北斗短報(bào)文通信技術(shù)將鐵塔倒伏數(shù)據(jù)發(fā)送至云監(jiān)控平臺，平臺根據(jù)鐵塔倒伏測量數(shù)據(jù)，應(yīng)用智能信息處理技術(shù)，對鐵塔安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評估與預(yù)測。該系統(tǒng)能夠及早發(fā)現(xiàn)鐵塔安全事故隱患，通知電力相關(guān)人員及時(shí)處理隱患，以免鐵塔倒伏、傾斜、倒塌、斷線等危害事故的發(fā)生，確保電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，降低因故障停電事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失?；诒倍啡到y(tǒng)的高精度定位是利用北斗監(jiān)測點(diǎn)（流動(dòng)站）和北斗基準(zhǔn)站（參考站）分別接收北斗衛(wèi)星信號，采用載波相位差分技術(shù)解算兩個(gè)天線之間的基線向量，結(jié)合基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)，計(jì)算出北斗監(jiān)測點(diǎn)的高精度坐標(biāo)。

2.2 研制電力鐵塔塔倒伏監(jiān)測的北斗終端

（1）使用測量型衛(wèi)星天線，接收北斗系統(tǒng)衛(wèi)星信號，天線的相位中心直接影響最終監(jiān)測結(jié)果，因此需要對天線的相位中心進(jìn)行對準(zhǔn)和標(biāo)定。

（2）研究利用衛(wèi)星導(dǎo)航模塊獲取載波相位測量值。高精度定位技術(shù)使用載波相位雙差觀測方程，并采用相應(yīng)算法解算雙天線構(gòu)成的基線位置。

（3）高精度定位算法需要大量的計(jì)算，包括矩陣運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算。而嵌入式處理器計(jì)算性能、內(nèi)存等資源有限，需要優(yōu)化算法使其運(yùn)行在ARM嵌入式處理器上。

（4）研究監(jiān)測點(diǎn)高壓傳輸線下抗干擾設(shè)計(jì)，包括節(jié)點(diǎn)布置策略、屏蔽技術(shù)及探測周跳和修復(fù)工作等。

（5）研究北斗精確定位模塊及終端，包括天線模塊、接收機(jī)模塊、供電模塊三位一體[5]；監(jiān)測點(diǎn)供電子系統(tǒng)優(yōu)化；保護(hù)機(jī)箱小型化等內(nèi)容，提高設(shè)備普適性滿足不同類型桿塔安裝要求。

2.3 在輸電線路上試點(diǎn)應(yīng)用和測試

選取某輸電線路的多個(gè)有倒伏隱患的電力鐵塔，在塔基位置布設(shè)多套北斗倒伏監(jiān)測終端，通過“載波相位差分定位技術(shù)”解算監(jiān)測點(diǎn)倒伏信息，上述數(shù)據(jù)通過無線公網(wǎng)4G發(fā)送至遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器平臺，從而實(shí)現(xiàn)對每座電力鐵塔塔基的倒伏監(jiān)測和可視化。當(dāng)檢測到異常情況時(shí)及時(shí)通知有關(guān)部門采取措施，以保障電力傳輸系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

2.4 安全措施

（1）APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)模式：國家電網(wǎng)公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置APN服務(wù)器，現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備使用APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)專網(wǎng)，服務(wù)器與公網(wǎng)Internet隔離，可以有效避免非法入侵。

（2）內(nèi)網(wǎng)卡SIM卡的唯一性：采用內(nèi)網(wǎng)卡授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對卡號和APN進(jìn)行綁定，劃定用戶可接入系統(tǒng)的范圍，只有屬于國家電網(wǎng)公司的SIM卡才能訪問專用APN網(wǎng)絡(luò)。

（3）數(shù)據(jù)加密：可對整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過程進(jìn)行加密保護(hù)。舞動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)按照規(guī)約打包后，進(jìn)一步采用南瑞或普華加密芯片加密后，通過4G方式發(fā)送至國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一狀態(tài)監(jiān)測主站[6]。

（4）網(wǎng)絡(luò)接入安全鑒定機(jī)制：采用防火墻軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。

3 結(jié) 論

北斗系統(tǒng)經(jīng)過若干年的發(fā)展，目前技術(shù)相當(dāng)成熟，隨著北斗三代系統(tǒng)建設(shè)的開展，系統(tǒng)整體性能還將有質(zhì)的飛躍，但北斗技術(shù)在電力系統(tǒng)監(jiān)測中的應(yīng)用基礎(chǔ)還比較薄弱。在智能電網(wǎng)中推廣應(yīng)用北斗系統(tǒng)，將該技術(shù)在電力行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用趨于針對化、成熟化，具有非常可觀的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。