卫星技术和直升机航巡技术在电网中的融合应用

周强

（国网电力空间技术有限公司，北京 102200）

1 背景

全球现有四大卫星导航系统，分别为美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳斯系统以及中国的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）是我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，相比于GPS 的信号可靠性不能充分保障、易受“干扰”等弊端，北斗卫星导航系统具有抗遮挡能力强、服务精度更高、服务能力更强等特点。目前我国的北斗三号卫星导航系统也已正式开通，随着中国卫星事业的不断发展，其性能有很大提高空间，应用技术也迈进新时代，卫星通信、卫星定位导航和卫星遥感已逐步融入我国电力系统设施建设，为实现电力资源的优化配置、科学调度以及高效利用发挥不可或缺的作用，助力构建数字电网，支撑大电网安全稳定运行。

2 卫星技术在电网中的应用现状

目前卫星技术在电网的应用场景主要包括，利用北斗的精密授时授频、精准定位与导航、短报文通信功能，在服务大电网运行的基础支撑以及其他各个环节的探索，为智能电网建设提供支撑。

2.1 卫星技术对电网高精度授时的应用

近年来，随着北斗卫星技术大规模应用推广，结合考虑国家安全战略，已逐步采用北斗卫星导航系统作为电力系统的授时时间源，替代GPS 或兼容应用，电力系统的时间同步是智能电网、数字化电网应用的重要基础。相对于卫星定位技术来说，卫星的定时或授时技术在电力系统中的应用更加重要和普遍。目前，卫星授时技术的主要对象为新一代智能变电站系统，电力系统自动化、智能化的发展对时间精准度的要求更加严格。首先，电力调度控制系统、监控系统等各类系统和同步相量测量装置（PMU）、高精度定位系统、电网故障录波器、事件顺序记录（SOE）等设备对时间精度都有极高的要求；其次，电网全领域时间基准统一是电网各级调度机构、发电厂、变电站、集控中心等能够确保实时数据采集时间一致性的基础。随着人工智能、大数据等各类数字化产业的应用发展，智能电网对各类电网运行数据的时钟精度要求越来越高，此时北斗卫星的可靠性和20ns 授时精度显然就具备很大的优势，从而为智能电网健康稳定运行提供强有力的保障；最后，在电网故障分析方面，电网事故发生后，第一时间准确地找出原因、分析故障，对大电网的持续安全运行具有非常重要的意义，如因地域的差异，不同纬度、不同区域的保护行为和电网故障录波器所记录的时间会有一定误差，使得故障原因分析不够精准。而应用卫星时间授时技术，能够使保护动作和录波器达到时间上的精确，同步分辨率甚至可以达到微秒的程度，全面详细地展示出电网发生故障时刻的全系列行为、操作顺序，为故障的分析提供更加准确的信息，实现精确分析电网故障的类型及具体细节，从而助力大电网安全稳定运行。

2.2 卫星技术对电网精确定位和电网动态监测的应用

图1

利用卫星定位技术对特高压线路、重要输电线路及部分特殊地质条件（如山谷、河流沿岸）塔基的滑动位移情况进行24 小时不间断的监测，通过在输电线路杆塔关键位置安装卫星定位监测点设备或监测点附近建设卫星信号基准站的方式，快速、准确识别输电塔基的相对偏移量，实现厘米级甚至是毫米级精度的智能化电网定位，保障大电网输配电环节安全可靠运行。此外，还可充分发挥卫星定位技术的优势，为电网运行环节提供输变电设备状态的实时监测，首先在电网输电设备与变电设备上或附近安装状态监测装置，通过自动智能化采集电网输电、变电线路关键位置的气象数据、实时运行参数、外部环境数据等物理数据，同步传送到后方电网调控管理系统，通过后台大数据的分析运算，对重要输电线路状态和电网关键位置进行实时监测、预警、分析、诊断、评估和预测，如遇到台风、大雪等极端天气和地震、泥石流等地质灾害时，及时采取相应应急处置措施防止电网事故发生，有效提高输变电设备运行管理能力、应急处置能力和输电线路灾害预警能力，提升大电网精益化运行管理水平，服务支撑大电网稳定运行。

2.3 卫星技术对电网短报文通信的应用

我国地理幅员辽阔，地形特征复杂多样，对于部分偏远地区，这些地区往往没有公网信号覆盖，也没有光纤通信，一是由于输电线路多位于山坡、山谷等特殊地形，存在电网状态监测数据上传慢、回传实时性差问题；二是电力信息采集和传输问题会存在信息传送慢、服务响应慢等问题，偏远地区传统的人工抄表方式无可避免地会出现以上毛病，既费时又费力，无法实现用户用电信息“全覆盖、全采集、全费控”的目标。基于北斗卫星通信技术的数据传输系统，利用卫星系统特有的双向通信功能，在偏远地区构建了一条畅通的通信通道，将用户用电信息及用电服务需求无缝接入到用电信息采集系统主站，实时、有效、可靠地获得通信不发达地区的用电信息，解决了偏远地区用电数据采集问题，畅通群众用电服务“最后一公里”，体现电网企业作为大国重器的社会担当。

3 直升机航巡技术在电网中的应用现状

直升机航巡技术，是指通过直升机机身外搭载的红外高清探头实时捕捉输电线路运行情况和数据，在机载电脑中实现热成像[1]。飞行结束后，系统自动生成一份电网“体检报告”，及时将线路缺陷、故障等情况传送至地面电网运维部门，随后立即精确开展维护和修复工作，使得电网运行检修工作效率大大提高。直升机航巡输电线路主要包括两种作业形式：直升机可见光/红外巡查、直升机激光扫描。

直升机巡查是指直升机搭载航检员，配备光电吊舱、照相机、防抖望远镜设备，采集、记录输电线路本体和通道状态并在线下查找缺陷的作业方式，具体业务形态有输电线路常规可见光/红外巡查、通道专项巡查、基建验收巡查、应急巡查等。直升机激光扫描是指直升机搭载航检员，配备激光扫描吊舱（含激光扫描仪、惯性导航系统、可见光相机等部件）、防抖望远镜等设备，采集输电线路本体和通道三维点云、可见光影像的作业方式，利用每个地面反射点、可见光影像描绘输电线路通道三维场景。

直升机航巡相比于传统的人工巡检主要有以下两个方面的优势。一是直升机航巡更为可靠，能够发现很多传统的人工巡检方式难以发现的缺陷问题，由于直升机航巡时的空中视角，同时机上多种巡线设备结合使用，能够对输电线路杆塔、导线做近距离且非常直观可靠的观测和记录，传统人工巡检容易受到视线遮蔽等影响，导致线路巡视的准确性不高。二是直升机航巡能极大地提高输电线路巡视的效率，以普通500KV 线路为例，直升机航巡速度一般在每小时18 公里左右，一天飞行正常情况下工作6 小时，一天即可巡视100 公里左右，如果采用人工巡检的方式，在气象、地形条件良好的情况下，大约也需要10 个人满负荷工作12 天，同时，直升机航巡代替传统车马上山，也可减少对线路周边生态环境的破坏。现如今，直升机航巡技术在电网运维环节已深度应用多年，其他直升机电力作业类型比如直升机外载荷检修输电线路，直升机外载荷建设输电线路，直升机舱内运输人员与物资等科目在电网各个环节的应用场景也有多元化趋势，对电网安全稳定运行都发挥着不可替代的作用。

4 卫星技术和直升机航巡技术融合应用前景

直升机具有可短距离起飞、垂直爬升或下滑、空中悬停时间长、超低空飞行、机动操作灵活以及占用起降场面积小等优点，随着现代高新科技的发展,直升机已在各个民用领域包括电力行业都有了更广泛的应用，能够连续、精确提供航空器实时位置、速度和航向等信息的导航定位设备显得非常重要。目前现有几种主要机载导航定位设备包括无线电罗盘、无线电高度表、多普勒导航系统、惯性导航系统、全球定位系统（GPS）。GPS 系统是利用卫星定位技术进行导航的全球无线电导航，GPS 卫星定位的基本原理是利用3个以上卫星的已知空间位置，用空间距离交会法，求得地面待定点（接收机）的位置，GPS 系统也是目前世界上主流的利用卫星技术获取定位数据的主要来源[2]。但GPS 系统也有一定的局限性，由于GPS 存在授权限制、抗干扰能力差、导航数据更新频率低，当载体做大机动飞行或由地形遮蔽时，GPS 信号有可能中断或产生较大误差，所以不能完全依靠GPS 系统实现连续准确的定位，近期我国实现了北斗二代卫星导航在直升机上的首次应用，提高了直升机的自主导航能力，摆脱了对国外全球卫星定位系统的依赖，同时采用组合导航技术可以确保定位精度、稳定性达到更高水平。

因此，卫星技术在直升机导航定位环节发挥着不可或缺的作用，但是卫星技术的航天领域，与直升机的低空航空领域，并未实现有效联动发挥效能，如何将两者的航空航天技术优势有机结合，在空天技术应用方向有所突破，全方位应用空天数据资源，是一项值得深入研究探索的课题，更是战略新兴技术和产业的发展方向[3]。充分发挥空天全领域的数据资源平台，实现电网规划设计、建设运维、调度运行等环节空天数据的云管理、云应用，在此平台上建立大电网生产运行管理体系，对电网“健康状态”加以更全面、更多维的动态监测，在电网三维系统地图融合应用、激光扫描深化应用、输电通道典型地物智能识别等更多应用场景发挥其独特的作用。

5 总结与展望

综上所述，空天技术领域尤其是电网空天技术领域有着广阔的市场前景和应用价值，习近平总书记对“四个革命、一个合作”的能源发展新战略和构建以新能源为主体的新型电力系统、数字中国建设等都作出了明确的指示，为我们指明了一条发展道路。新能源的大规模发展，必将加速数字电源、数字电网的发展，同时对电网调度、运维、检修、应急等传统业务提出了更高的要求，卫星技术与直升机航巡技术融合应用将能发挥不可或缺的作用，空天技术与电力技术的融合应用更是蕴涵着巨大潜力，支撑服务电网规划设计、建设运维、调度运行、防灾减灾、应急处置等全流程业务，全力推动新型电力系统建设。