北斗卫星在电力系统中的广泛运用及重要性分析

张海涛　赵雯莉　王灵贵　马娜娜　王睿

【摘 要】本文首先简单介绍了北斗卫星，其次分析了北斗卫星系统的工作原理，最后就北斗卫星在电力系统中的运用进行探究。

【关键词】北斗卫星；运用；电力系统

前言：

北斗卫星导航系统（COMPASS Navigation Satellite System）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，其具有定位、通信功能，是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后，第三个趋于成熟的卫星导航系统，它改变了我国长期缺少高精度、实时定位手段的局面，打破了美国和俄罗斯在这一领域的垄断地位。目前，该系统在我国测绘、电信、水利、气象、煤炭、公路交通、铁路交通、渔业生产、勘探、农业、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。第一代“北斗”卫星系统只有2颗工作卫星和1颗备用卫星，位于地球同步轨道，覆盖范围仅限于中国本土及周边地区，工作效率和精确度远不及美国的全球定位系统。第二代“北斗”卫星导航系统计划将组成一个集5颗同步轨道卫星、30颗中高轨卫星的庞大卫星网系，不但能覆盖全球，而且精确度也将大幅提高。

一、北斗导航系统工作原理及重要性分析

第一代北斗导航定位系统是双星有源定位体制，由两颗工作卫星和一颗备用卫星组成，可以全天候全天时的提供区域性卫星导航信息。它在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频段，上行为L频段（频率1610-1626.5MHZ），下行为S频段（频率为2483.5-2500MHZ）；登记的卫星位置为赤道面东经80度、140度和110.5度。北斗导航定位系统由2颗地球静止卫星（GEO）对用户双向测距，由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算。定位由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行位置结算后将定位信息发送给该用户。它的定位基于三球交会原理，即以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这两个球面交线的圆弧上。中心站电子高程地图库提供的是一个以地球为中心，以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的二维位置。

第一代“北斗”卫星导航系统的“有源工作方式”，需要用户要向卫星发射信号，经卫星转发送回地面控制中心系统，处理后再经卫星返回用户，如此反复多次才能完成定位，这就带来了诸多缺点，如延时多、无法在飞机上使用等，且精度只能达到20一30米。第二代“北斗”卫星导航系统将采用“无源工作方式”，即用户不需要发射信号，用户接收机只接收信号就能完成定位，且定位精度可以大大提高。

二、北斗系统在电力系统中的广泛运用

1.应用的可行性分析

要在我国电力系统中应用北斗卫星系统，首先要求其满足以下几个方面的要求：

（1）覆盖范围

北斗系统首先要保证能够覆盖我国的国土，以适应我国电网全国联网的需要。同时，为了实现我国电网和邻国的互联，还应该能够覆盖邻国的一部分领域。北斗系统提供定位和授时服务范围包括中国大陆及其相邻地区，能够满足互联电网的要求。

（2）同步授时精度

同步时间信号的精度是保证PMU进行同步采样的关键。北斗卫星系统可向用户提供20～100ns时间同步精度。其中单向授时精度为100ns，双向授时精度为20ns。考虑到北斗卫星系统的用户容量和PMU应用的广泛性，可以采用单向授时，虽然授时精度相对差了一些，但是对于50Hz的工频量来说，100ns产生的相角误差为0.0018°，已经能够满足PMU对同步信号的要求。

（3）通信功能

北斗卫星系统具有转发和收发双向数字报文的通信能力，而GPS系统本身不具备通信能力。因此，北斗系统在数据测量点和主站的数据通信方面将会具有独特的优势。例如，基于北斗卫星系统的PMU的通信模块可以提供多种通信接口，既可以经过光纤网与主站相连，也可以通过无线传输与主站以及其他PMU相互通信。

（4）安全可靠性

北斗卫星系统自从投入运行以来，一直工作稳定可靠，目前已经具备了推广应用的条件。在航空、航天、航海、铁路、交通、海洋等领域都有成功的应用范例。最后，也是最重要的方面，北斗卫星系统是我国自主开发的，不受他国的控制和限制，可靠性和安全性较有保证。美国GPS目前虽然取消了SA限制，但仍可随时掺人干扰信号降低定位精度，甚至可能对其他国家用户关闭使用权。因此，采用北斗卫星系统开发PMU在保障我国互联电网安全方面具有主动权。由以上分析可见，北斗系统在技术上已经完全满足电力系统使用的要求。

2.应用领域及研究对象

目前，广域测量系统WAMS在国内外已经得到了广泛的应用，在北美、日本、韩国、北欧、法国以及我国的一些系统都已装备了WAMS用于电网的动态监视。WAMS中的同步信号使用的是GPS授时信号。由于北斗系统已经完全具备在电力系统中应用的条件，因此在使用GPS信号作为授时信号或定位的场合，原理上都可以使用北斗系统进行替代或者作为备用。

北斗系统在电力系统中的应用领域主要有：稳态分析；全网动态过程记录及事故分析；电力系统动态模型辨识及模型校正；暂态稳定预测及控制；电压、频率稳定监视及控制；低频振荡分析及抑制；全局反馈控制；故障定位及线路参数测量。北斗系统还具有GPS所没有的通信功能，因此在数据测量点和主站的数据通信方面将会具有独特的优势。例如，基于北斗卫星系统的通信模块可以提供多种通信接口，既可以经过光纤网与主站相连，也可以通过无线传输与主站以及其他通信模块相互通信。需要引起重视的是信号的时滞问题。由于电力系统是一个大的互联电网，如果不考虑电磁波在长距离输电线上传输的延时，将引起较大的误差，从而导致所采集的系统信息失真。因此，需要重点研究远方信号的时滞问题及其修正方法。

3.目前北斗系统在电力系统中的应用实例

（1）在农村电力系统中的信息化应用

随着农网改造和大规模建设，农电使用电量逐年增加，为了尽量避免电力供应中断，农电公司必须依据各个变电所的电力使用情况，及时进行合理调度。但是由于许多变电所处于偏远山区，数据通过有线电路传输非常不现实。中国卫通充分利用北斗卫星通信的优势，进行了针对性电力系统数据传输特点，经过兰州农电公司运行，目前利用北斗系统成功实现对电力系统变电站实时数据监控，而且数据传输稳定，并通过了电力公司有关专家评估。

根据行业特点和需求，系统总共分为3个分系统组成：变电所数据采集系统、通信传输系统、监控中心系统。电站系统采集到各种数据利用北斗卫星将信息转发到中国卫通IISP平台，平台将信息送往应用数据中心，中心对数据进行处理后可提供两个数据通路：一路将信息经世广卫星轉发到用户指挥机，由指挥机将信息送到用户监控中心；而另一路可通过Internet经有线送到用户监控中心。用户监控中心对接收到的数据进行相应的存储、分析、处理、监控等，至此完成一次信息的上传工作。用户对变电所的指令则以相反的路由下达给变电所，完成远程遥控功能。

（2）基于北斗导航系统定位的PMU

目前，应用于我国电网中的PMU大都是基于GPS提供的授时信号来实现同步数据采集的，电网的稳定运行对PMU的依赖越来越强。将北斗卫星授时系统应用于电力系统同步相量测量技术中，可弥补长久以来使用GPS作为唯一同步时钟源而存在的风险性和不可依赖性，解决了将同步相量测量技术应用于广域监测的时钟源可靠性问题。

结语：

综上，随着我国经济与科技水平的不断发展与进步，北斗卫星系统在我国电力系统中取得了广泛的运用。总之，北斗系统是中国自主知识产权的全天候全天时提供卫星导航定位信息的区域导航系统，具有快速定位、简短通信和精密授时三大主要功能。因此，在电力系统中广泛的展开了应用。

参考文献：

[1]李丹.韩福坤.郭子明.等.华北电网广域实时动态监测系统[J].电网技术.2004.

[2]张文涛.邱宇峰.郑旭军.GPS及其在电力系统中的应用[J].电网技术.1996.