基于BDS的電力安全管控云平臺設計

　　摘要：針對當前電力行業中人員及設備安全管控方式比較單一，且滯后性明顯的問題，提出 1 種基于北斗衛星導航 系統(BDS)的高精度位置安全服務體系架構：以電力安全管控云平臺為核心，結合自主研發的智能安全帽及降雨等物聯 網監測站點，對人員及設備安全進行智能管控;設計出 BDS 衛星實時監測系統、電力安全管控云平臺、移動端智能安全 帽及前端業務系統等 3 個主要部分，并實現軌跡數據分析、遠程指揮協助、電子圍欄告警、沉降監測預警等云平臺關鍵 技術。實驗結果表明，該方法能夠提供厘米級高精度定位服務，可實現人員及設備的自動監測與實時管控。

　　關鍵詞：北斗衛星導航系統;高精度位置服務;電力人員安全;電力設備安全;安全管控云平臺

　　0 引言

　　電力安全是電力行業運行和發展的根本。我國 電網線路覆蓋范圍廣、覆蓋區域地形復雜并且自然 環境多樣，為了及時掌握線路的運行狀況，迅速排 除線路的潛在隱患，電力部門需要安排大量的人員及監測設備用于安全巡線工作[1]。近年來，隨著無 人機技術的快速發展，采用無人機對輸配電線路進 行電力巡檢作業，得到了研究人員的重視，但人工 定期巡線仍然是現階段運用最廣泛的巡線方法; 此外，面對眾多的輸電線路基站，無人機巡檢內容 仍不夠充分，對電力人員和設備實施安全管控成為 1 個備受關注的問題[2-3]。

　　北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system, BDS)是我國自主研發的全球衛星導航系 統(global navigation satellite system, GNSS)，時至 今日，BDS 已可為整個亞太區域提供全天候、全天 時、高精度的定位、導航、授時等服務[4-5]。全球定 位系統(global positioning system，GPS)會因為某 些時段接收的衛星數過少，而無法進行導航定位; 而 BDS 空間段采用地球靜止軌道(geostationary Earth orbit, GEO)、傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbits, IGSO )及中圓地球軌道 (medium Earth orbit, MEO)3 種軌道衛星組成的 混合星座，與 GPS 等其他衛星導航系統相比，高 軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區， 這個特點更具有優勢。電力安全管控區域復雜，高 原、山區等屬常見地形，利用 BDS 對人員及設備 安全進行管控是非常合適的現有技術手段[6-8]。

　　國 家電網公司和南方電網公司，近年來不斷推進 BDS 在電力行業的研究和應用，面向發電、輸電、 變電、配電、用電等多種不同場景，形成了“北斗 +電力”的多種應用方案，許多學者也為 BDS 在智 能電網中的應用進行了積極探索：文獻[9]對 BDS 地基增強技術在電網高精度地理位置服務中的可 用性進行了探討;文獻[10]分析了 BDS 高精度位置服務的數據誤差源;文獻[11]研發了巡檢人員 與車輛配置的 BDS 智能終端，用于實現配電網人 車導航定位;文獻[12]采用 BDS 精確定位技術， 監測輸電線路桿塔基礎位移。

　　然而，現有 BDS 高 精度地理位置服務的應用方式仍比較單一，缺少 與大數據、物聯網等新技術結合。就我國現有電 力安全管控技術而言，尚未形成與大范圍人員管 控、設備監測相適應的技術體系，尚不能有效滿 足我國電力人員及電力設備安全管控所需要的高 精度、低時延、全方位的要求。為此，本文基于 BDS 高精度位置服務，構建了電力安全管控精準 服務體系架構，以期為從業人員及電力設備智能 化管控和監測提供技術支撐。

　　1 精準服務體系架構

　　本文構建的面向智能電網的 BDS 高精度位置 服務體系，以電力安全管控云平臺為核心，將 BDS 衛星導航、地理信息系統(geographic information system，GIS)、物聯網、大數據等技術與電網業務 深度融合，利用 BDS 精準定位數據，實現電力外 業作業人員精細化管理和合理調配，電力設備毫 米級監測。該體系包括 3 個主要部分：BDS 衛星 實時監測系統、電力安全管控云平臺、移動端智能 安全帽及前端業務系統。

　　2 云平臺關鍵技術研究

　　2.1 軌跡數據分析

　　電力配電線路基礎設施經常發生不同故障，由 于線路長、地形復雜，巡檢人員與車輛難以及時尋 找到故障地點。為保障巡檢人員、車輛安全，利潤 BDS 的高精度位置服務特點，將安全帽得到的實 時坐標通過網絡模塊回傳，使用天地圖、或自行發布 的符合開放地理空間信息聯盟(open geospatial consortium, OGC)協議的地圖，來實現故障、人員、 車輛位置實時監控和厘米級的定位服務，并將結 果在地圖上清晰展示出來。

　　為了實現人員的高精度定位監測，平臺利用 BDS 定位模塊，首先獲取單基站差分數據或者 CORS 服務器差分數據，但不直接向智能安全帽等移動接收終端發送相關改正信息，而是將所有基 準站實時的原始數據發到云平臺控制中心進行解 算。控制中心解算軟件在統一處理定位數據的同 時，接收由智能安全帽在工作前發送的 1 個單點 定位坐標，然后根據該點坐標信息，自動選擇 1 組 最佳的基準站，計算改正衛星的軌道誤差、電離層 誤差、對流層和大氣折射引起的誤差等，然后將高 精度的差分信息發給外業前端。

　　管理員可在 Web 端選擇特定外業人員進行軌 跡回放，并基于軌跡分布挖掘出作業人員在不同 時間段的工作情況，從而達到對現場作業人員進 行安全監控、管理及績效考核的目的，其具體業務 邏輯如下：①利用 GNSS 模塊實現人員坐標定位; ②人員定位坐標回傳(回傳時間間隔可設置，如 1、 5、30 s);③對作業人員可以按時間及區域進行軌 跡查詢;④軌跡數據預處理及挖掘;⑤作業人員工 作情況分析結果。

　　2.2 遠程指揮協助

　　電網信息的獲取往往需要內外業協同工作， 為實現內外業協同作業研發了遠程連接功能，以 第一視角直觀反映現場狀況，方便管理人員進行 安全監控和指揮調度。管理員或外業作業人員可 以遠程發起實時視頻對講請求，管理人員實時查 看了解現場情況，同時通過實時視頻對講與現場 人員進行交流，多視角查看現場，分析解決問題， 協助完成相關任務。通過地圖展示，可實時掌握 作業人員具體位置及工作區域，如遇突發狀況， 可快速查閱周邊相關作業人員位置，進而對人員進行及時合理的調度和工作安排，提升響應時間 和工作效率。

　　2.3 電子圍欄告警

　　“電子圍欄”是 1 項用于規避危險作業區的重 要安全管控和預警技術。管理人員首先在 GIS 地 圖上，虛擬劃定安全電子圍欄區域，并依據電力故 障、電壓等級、氣象環境等位置著重標注危險電子 圍欄區域。其次，在外業人員手持終端中安裝 BDS 定位和移動通信模塊，利用衛星定位上傳數據，實現對進出電子圍欄區域的作業人員的安全進行管 控和預警。當人員離開安全電子圍欄區域或進入 危險電子圍欄區域時，系統會發出警告信息，要求 人員返回至指定區域。通過該技術，可在電力作業 中實時掌握作業區域內人員的數量、狀態、位置及 流量情況等信息，為人員調度和安全維護等提供 智能指引。在實驗過程中，該技術的告警平均響應 時間不大于 3 s。

　　2.4 沉降監測預警

　　電力設備運行極易受到周邊發生的山體滑坡、 地表形變、沉降塌陷等地質災害影響，目前避免上 述影響的手段還是采用人工監測為主，依賴人員的 經驗及周期性觀測進行防范。然而，這種方式滯后 性明顯，面對突發緊急情況更無法及時預警和實時 監管。為實現電力設備地質災害防治的自動化和智 能化，將電力設備地質環境監測與 BDS、云計算中 心、降雨等物聯網設備相結合，實現設備周邊毫米 級位置信息和位移變化量地質監測，并實時將監測 點位精確位置上傳給監控中心，建立監測預警模型， 一旦位移變化超過設定閾值，系統自動實現報警。

　　針對累積式的地質災害，采用固定時間段采集 原始數據，使用后處理解算方式得到更高精度的 坐標，其精度可達毫米級，能更好地反映位移累積 變化;針對含水量，實時將監測點的含水量上傳給 監控中心，并自動上調含水量和實時 RTK 位置數 據上傳頻率，以達到更及時的監控目的。實時 RTK (A1)、后處理解算(A2)、含水量(A3)3 種數據 共同構建地基沉降監測的預警模型，其中實時 RTK 水平方向標記為 A11，垂直方向標記為 A12;后 處理軟件解算水平方向上連續 5 d 日平均位移速 率，標記為 A21，5 日累計位移標記為 A21，垂直方 向上連續 5 d 日平均位移速率標記為 A23，5 d 累計 位移標記為 A24;含水量程度標記為 A31。

　　電力設備 沉降受所選單因子的影響，且各個因子影響不盡 相同，本文建立的監測預警模型，實現了多因子定 量綜合評價。首先，通過專家打分法，對各因子的 原始信息進行定量化處理，經過十幾位學科專家 及經驗豐富作業人員的多次討論、修訂與綜合，最 后確定各單要素對設備安全性的影響“等級”按等 級劃為極危險、高危險、危險、安全 4 個等級，同 時分別賦值為 7、5、3 和 1。

　　3 實驗與結果分析

　　本文以廣東省某市為研究區域。管控云平臺部 署在廣東電力科學研究院內，可以對研究對象轄 區范圍內的電力人員及電力裝置進行安全監測。該平臺以 2D、3D 基礎地理信息數據為地圖數據， 連接的其他信息包括：300 余座 CORS 站的數據， 1 000 多個溫度、降雨地面監測站點的數據，行業 內全部電力人員手持終端信息、智能安全帽信息， 以及野外電力設備信息。 依托 BDS 高精度位置服務體系架構，在市內及郊區進行 2 項實時差分解算實驗，以驗證厘米 級服務的可靠性。

　　電子論文投稿刊物：《遙感信息》(雙月刊)創刊于1986年，由科學技術部國家遙感中心、中國測繪科學研究院主辦。研討的內容涉及遙感、地理信息系統技術的新理論、新方法;交流推廣遙感與地理信息系統的新成果;介紹國內外發展動向;普及遙感與地理信息系統的科學技術知識。

　　4 結束語

　　電力安全是電力行業運行和發展的根本，其中， 人員及設備安全又是重中之重。針對當前電力行 業中對人員及設備安全管控方式比較單一且滯后 性明顯的問題，本文提出了 1 種基于 BDS 高精度 位置的安全服務體系架構，以電力安全管控云平 臺為核心，結合自主研發的智能安全帽、降雨等物聯網監測站點獲取的信息，對電力人員及電力設 備安全進行智能管控。廣東的實際場景驗證表明， 本文所提方法具有合理性及較強的可用性。

　　在未來的應用中，以我國第三代北斗衛星導航系統即 北斗三號為基礎，基于歷史數據進行多因素、高精 度模型預測分析，可以將此模式擴展到包括電力 行業在內的其他國家重點行業，為其提供高效、穩 定的高精度位置服務。

　　參考文獻

　　[1] 劉福鎖, 李威, 方勇杰, 等. 計及電力安全事故責任的穩定控制系統風險管理[J]. 電力系統自動化, 2013, 37(22): 106-110.

　　[2] 何艷麗. 對電力安全生產的思考[J]. 電力安全技術, 2012, 14(12): 48-50.

　　[3] 彭向陽, 劉正軍, 麥曉明, 等. 無人機電力線路安全巡檢系統及關鍵技術[J]. 遙感信息, 2015, 30(1): 51-57.

　　[4] 楊元喜, 李金龍, 王愛兵, 等. 北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能初步評估[J]. 中國科學: 地球科學, 2014, 44(1): 72-81

　　作者：周恩澤 1 ，朱空軍 2 ，許海林 1 ，鄂盛龍 1 ，向 諄 1 ，吉麗婭 2 ，黎 淼 2

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.cnzjbx.cn/jjlw/24226.html