基于北斗差分定位的导线舞动监测实用性关键技术研究

2021-03-16李昊林魏术丰秦志军籍永峰

通信电源技术 2021年19期

杨松，李昊林，刘明，曹琪，魏术丰，卢扬，秦志军，籍永峰

（国网吉林省电力有限公司白山供电公司，吉林白山 134300）

0 引言

北斗系统由于其强大的功能受到电力行业的大力关注，在电力业务领域中的应用方案日益广泛[1]。然而，因为电力业务本身所具有的特殊性，北斗系统在实际应用中依然需要不断对其进行完善。本文将针对基于北斗差分定位的导线舞动监测实用性关键技术展开更深入的研究。

1 技术研究框架

本文研究一种基于北斗差分定位的导线舞动监测系统，如图1所示为研究框架，以北斗动态差分定位技术完成对导线舞动的监测和报警。该系统具有测量精度高、无累计误差、安全可靠、智能化等优点。

图1 研究框架

2 整体设计方案

在利用北斗差分定位的基础上，基于北斗差分定位的导线舞动监测系统进行了低功耗的改进处理，根据国家电网公司规范要求，每35 min进行一次导线状态的监测，时长2 min，其余时刻设备均处于断电或休眠状态，监测状态整个系统的功耗低至50 mAh（休眠状态时电流只有几百微安），加上系统配备较大功率的太阳能电能补给，能够做到电能自给自足。设备一次安装，长期使用，可以满足特高压输电线路上的使用要求。

2.1 前端北斗定位设备

通过将RT-Thread物联网操作系统应用到低能耗的芯片上，可以有效增强电池的使用年限，降低系统功耗，并利用对采样周期的配置以及各种任务的灵活开关，在非测量阶段对舞动监测仪的各种任务予以关闭，能够使系统实现低功耗休眠。一般来说，采取专用研制的高速目标动RTK全频解算综合型北斗定位模块可以进行舞动数据的采集，将采集后得到的数据利用SPI1接口传输至STM32L5主芯片上，在运用一系列技术，获取舞动频率以及相关幅值等参数。同时，可通过SPI2口对舞动数据信息进行加密，利用加密芯片提高数据传输的安全程度，并随后向数据接收基站传输加密后的数据，此过程可通过LoRa芯片来实现。在后台服务器构建在线监测专业系统时，可以利用振动、线温以及气象等相关数据信息，更进一步分析舞动数据，以此来及时预防舞动现象[2]。

2.2 北斗基准站

在北斗监测点以外的山体基岩上，或变电站、配电所的楼顶，或电力铁塔上安装北斗基准站。图2展示的是在山体基岩上设置的基准站。基准站坐标已知，并长期保持稳定。基准站接收北斗卫星数据，并通过电台或4G通信模块将差分数据发送至导线上的北斗监测点装置，供差分定位解算，以得到导线的高精度坐标。基准站采用太阳能供电，配备200 Ah磷酸铁锂蓄电池和400 W太阳能板，以保证在连续阴雨情况下，可持续20天以上稳定供电。

图2 北斗基准站

2.3 气象传感网络辅助应用

风速风向测量采用微差压传感器，同时为尽可能地采集其他监测点气象状态数据，针对该应用场景，采用全方位测风速风向一体化传感设备，同时得到监测点处风向、风速大小、温湿度、气压综合数据，对后期数据处理、各运动状态的判定、运动发生原因预测有非常大的实际支撑意义。

如图3所示为超声波风速风向温湿度高精度一体化气象站，超声测风是气体介质方面超声波检测技术被有效应用的一种方法，运用空气中空气流动量对超声波传播速度造成的影响来得到风速数据。超声波检测方法与以往其他方法相比属于无惯性测量，系统中并没有相关机械转动零件，在对自然风中阵风脉动的高频予以测量时更加准确。在应用超声波进行测量时，主要利用4个探头在二维平面接收和发送超声波，这种行为需要循环进行，利用空气中超声波的传播差异性准确得到风向与风速信息[3]。

图3 超声波风速风向温湿度高精度一体化气象站

特点：（1）全方位测量，空间任意方向风向测量；（2）获得风速、风向、环境温度、湿度、气压5个气象指标，单个模块集成多传感构成传感网络，便于数据关联性分析。

2.4 组网方案

系统组网方案如图4所示。现场北斗监测点装置将舞动监测数据按照“输电线路状态监测装置数据传输规约”进行打包，经过加密芯片加密后，通过4G通信模块发送至国家电网公司统一状态监测主站。监测数据采用APN数据专网接入，4G数据设备经过服务器认证，整个数据传送过程得到了加密保护，安全性比较高，可充分保障网络服务质量。

图4 系统组网方案

2.5 安全措施

（1）APN数据专网模式：国家电网公司内部网络中配置APN服务器，现场监测设备使用APN数据专网，由于采用数据专网，服务器与公网Internet隔离，可以有效避免非法入侵。

（2）内网卡SIM卡的唯一性：采用内网卡授权，在网络侧对卡号和APN进行绑定，划定用户可接入系统的范围，只有属于国家电网公司的SIM卡才能访问专用APN网络。

（3）数据加密：可对整个数据传送过程进行加密保护。舞动监测数据按照规约打包后，进一步采用南瑞或普华加密芯片加密后，通过4G方式发送至国家电网公司统一状态监测主站。

（4）网络接入安全鉴定机制：采用防火墙软件，设置网络鉴权和安全防范功能，保障系统安全。

3 主要技术难点

3.1 实现对北斗系统与电力业务多维度适配性精准分析

难点：此前暂无针对北斗系统与电力业务场景之间性能参数关联性分析，并综合考虑场景、业务需求、性能指标等多重因素。同时，北斗技术在国家电网公司系统的应用还处于起步过程，技术体系和应用经验还处于进一步摸索积累阶段，因此进行北斗系统与电力业务的适配性分析是本项目需解决的难点之一。

解决思路：利用适配性分析技术，从传输时延、传输带宽、传输可靠性、用户容量、定位精度和时间精度等多个性能维度，对用电信息采集、配电自动化通信、电力杆塔变形监测、车辆管理、授时授频等典型电力业务需求与北斗三代系统的实际性能进行全面的适配性研究分析，形成北斗系统应用性能和安全指标体系等研究成果。

3.2 建立面向电力业务多场景应用的北斗系统电力行业应用技术体系

难点：目前北斗系统在电力行业的应用处于大规模推广阶段，电力各业务场景中的北斗终端种类和梳理将急剧增加，且性能要求和业务需求各异，不同北斗终端与各业务原有主站之间的交互方式、接口标准、数据格式、供电特性等方面差异化明显，因此开展北斗系统电力行业应用技术体系研究困难较大。

解决思路：本项目基于对现有各类型北斗终端主要指标参数的梳理及对未来北斗电力业务发展趋势的分析，综合考虑电力应用场景、关键指标要求以及北斗与电力业务适配度分析结果，总结出需要梳理的关键指标，从北斗系统在电力业务所涉及的定位、短报文通信、授时3个方面需开展重点研究：研究北斗协议和电力各业务主要规约协议转换模型、通信性能的优化，达到业务间应用的准确匹配和高效兼容；研究北斗终端接口标准，分析BD-ICD卫星数据解析方法和北斗在电力授时应用接口；研究RINEX、NMEA-0183、RTCM等主要数据格式及相关协议，便于电力业务应用的适配及定制开发，建立北斗系统基于行业应用的技术体系[4]。