电力北斗应用及商业化运营展望

李 静，赵 光，宋新艳，龙 强，马 胜，潘 飚

(1.国网思极位置服务有限公司，102200，北京；2. 国网雅安电力(集团)公司，625000，四川，雅安)

0 引言

北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System，BDS,以下简称北斗系统)是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务(Positioning Navigation and Timing, PNT)的国家重要时空基础设施[1]，也是继GPS、GLONASS之后的第3个在全球范围提供PNT服务的卫星导航系统。

2020年6月23日，随着最后一颗北斗导航卫星的成功发射，北斗三号30颗卫星全部部署到位，北斗三号全球卫星导航系统星座建设完成。北斗系统融合了导航与通信能力，具有定位导航授时、全球短报文通信、国际搜救、精密单点定位、星基增强、区域短报文通信等六大功能[2]。北斗系统运行稳定、持续为全球用户提供优质服务，服务能力步入世界一流行列[3]。中国BDS和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO是全球卫星导航系统国际委员会(International Committee on Global Navigation Satellite System，ICG)公布的全球四大卫星导航系统供应商。

近年来，我国卫星导航与位置服务产业以年均23.1%的增速快速发展，2020年产值达到4 033亿元，行业衍生带动的关联产值由2016年的1 310亿元增长至2 738亿元，占比由61.9%提高至67.9%，下游运营服务市场规模达到1 879.38亿元，占比由31%提高至46.6%，但在成熟国家，运营服务可以占到其导航产业的70%以上[4]，由此可见，我国北斗运营服务市场的占比相对较低。未来，随着时空服务和“+北斗”新业态、新模式的发展以及投资推动，北斗运营服务市场还有加速发展的空间，有望成为最大产值环节，预期下游运营服务产值仍将保持快速增长，成为主要增长点。

2020年，随着我国北斗系统的全面建成，国家电网公司启动以大数据中心、工业互联网、5G、人工智能、北斗应用等技术为主的“数字新基建”十大重点建设任务[5]，全面推进北斗在电力运检、营销、基建和安监等业务领域的深入应用，并取得了显著的经济和社会效益。

目前为止，电力北斗在电力行业内以及面向其他行业的商业化运营过程中的服务模式尚未确立，本文主要介绍了电力北斗系统的建设、服务能力及其在电力行业的典型应用，对电力北斗商业化运营的前景进行展望分析，为北斗系统在电力行业内的发展和商业化运营提供参考。

1 电力北斗卫星导航系统建设

1.1 电力北斗两网一平台建设

为满足电力业务对北斗PNT服务的巨大需求，2019年开始，国家电网公司建设了电力北斗精准时空服务网、电力北斗时频服务网和北斗时空智能综合服务平台，简称“两网一平台”。两网一平台的建设，为电力系统构建了天空地一体化的全时空感知体系，实现时空信息的精准匹配，为电力各业务领域的智慧应用提供基础支撑。

电力北斗精准时空服务网主要为采用多基站网络RTK技术构建的地基增强系统，项目一期建设了1200座北斗地基增强站，也称为北斗基准站或连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)，分布示意图如图1所示，覆盖国家电网公司服务范围内约700万km2区域。电力北斗地基增强站的站址选择主要以国家电网公司的变电站、电网营业厅等场所为主，充分利用变电站和营业厅的建筑、供电和通信等资源[6]，初步形成稳定可靠、分布合理、覆盖广泛的电力北斗精准时空服务网络，电力北斗精准时空服务网的总体架构如图2所示。

图1 电力北斗精准时空服务网基准站布设示意图

图2 电力北斗精准时空服务网总体架构图

电力北斗时频服务网是国家电网的时频基准系统，采用“两级标准溯源，三级节点网络”的总体设计架构，如图3所示，时钟源由3台铯钟和3台氢钟构成，系统基于国网公司已有的通信网络资源，通过北斗卫星共视授时技术和地面通信光纤链路向国网公司和国家两级标准时间溯源，形成天地互备的电力北斗时频服务体系。电力北斗时频服务网建设国网公司总部、省公司、地市公司三级节点时频网络，为电网调度、基建、运检、营销等业务应用以及全网范围内的各类电力末端用户提供统一的高性能时频服务。

图3 电力北斗时频服务网总体技术架构图

电力北斗时空智能综合服务平台接入和管理1 200座北斗地基增强站，对接收到的北斗卫星原始观测数据进行解算，同时提供监测和运维服务，向接入平台的用户终端提供播发服务。北斗时空智能综合服务平台按照数据层、平台层、服务层、应用层的架构模式进行设计,总体架构设计如图4所示，具备高精度位置解算、短报文信息传输分发、时频处理三大核心服务能力以及运维管理、运营管理两大关键配套功能模块，可为各类业务应用提供高精度解算播发、短报文通信、终端设备接入与管理等服务。

1.2 电力北斗服务能力介绍

依托于两网一平台的基础服务能力，电力北斗已向各专业用户提供多种商业化服务和产品，主要包括PNT服务、短报文通信、平台接口、数据及分析等。

1.2.1 PNT服务 电力北斗精准时空服务网以有线(包括电力光纤、电力专线、有线互联网等)或无线(包括NB-IoT、GPRS及3G4G5G等)网络的形式为用户提供差分定位改正数服务，满足实时米级、分米级、厘米级及后处理毫米级导航定位服务[7-9]，经第3方权威机构的检测，电力北斗精准时空服务网内符合精度为：水平1 cm、高程1 cm；外符合精度为：水平3 cm、高程5 cm；后处理定位精度达到5～10 mm。同时，电力北斗精准时空服务网还提供卫星精密轨道、钟差、区域电离层、对流层、相位偏差、码偏差等多种精密数据，满足星基地基融合增强、精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)、PPP-RTK定位、A-GNSS等定位需求，实现全天时、全天候的PNT服务能力。

图4 北斗时空智能综合服务平台总体架构图

在授时方面，基于电力北斗时频服务网的授时授频功能，为用户终端或系统输出标准时间频率基准参考源，同时具备一定的授时功能，实现电力北斗时频服务网的高可靠服务。时频同步网节点提供卫星共视、光纤授时、网络授时、站内直连等多种授时方式，不同的方式实现的精度不同：卫星共视授时精度优于5 ns；光纤授时精度优于1 ns；网络PTP授时精度优于5 μs，NTP授时精度优于10 ms；站内直连IRIG-B码提供100 ns的授时精度，以满足不同业务场景对授时精度的要求。

1.2.2 北斗短报文通信 北斗作为全球首个在定位、授时之外还具有短报文通信功能的全球卫星导航系统，具有用户终端之间、用户终端与地面控制中心之间双向短报文通信功能。北斗二号系统短报文通信服务最多支持120个汉字/条、北斗三号系统区域短报文通信服务最多支持1 000个汉字/条[10]。

在电力系统，北斗短报文通信实现位置报告及窄带物联网数据的回传，解决无公网覆盖区域的用电信息采集、小水电监测以及应急通信等需求。

1.2.3 平台接口服务 北斗时空智能综合服务平台向第3方用户提供接口服务及SDK开发服务，可集成至第3方用户应用平台，用户可以根据特定的业务需求，开发“北斗核心技术+应用领域”解决方案。平台提供从需求分析、开发实施、用户体验到系统运维等全方位软件技术和硬件集成的时空信息服务整体解决方案。实现高性能、高可靠、高并发接入，进行高精度定位解算，满足个性化的二次开发需求。

1.2.4 数据及分析服务 在电力北斗精准时空服务网长期运行的过程中，积累了大量的原始观测数据、卫星精密轨道数据、钟差数据、电离层数据、对流层数据及其它时空信息数据，可开展大数据分析与数据挖掘服务。例如，借助大数据计算及分析能力，通过对原始观测数据中的电离层数据、对流层数据进行深度挖掘，可以确定多模GNSS观测的原始电离层延迟信息，确定多模GNSS卫星与接收机差分码偏差的精准度，建立全球/区域电离层TEC模型，提供中短期全球电离层信息的可靠预报；再如，通过对流层数据的深度挖掘，反演出区域可降水汽的含量，为短期的气象预报提供精准建模参考等。

2 北斗在电力行业的应用

2.1 电力北斗应用架构设计

电力北斗应用以电力北斗精准时空服务网和电力北斗时频服务网为基础和支撑，参考物联网体系架构进行设计，核心业务应用聚焦时空位置服务，包括高精度导航定位服务、高精度授时服务、全球范围内短报文通信服务、依托于基准站的数据服务、整体解决方案和应用业务等，总体技术架构如图5所示，包括基础层、感知层、网络层、平台层和应用层。

图5 电力北斗技术应用总体架构

基础层：主要包括电力北斗精准时空服务网和电力北斗时频服务网，是电力北斗的时空基础设施，为北斗时空智能综合服务平台提供基础时空数据。

感知层：统筹输电、配电、变电等泛在物联和深度感知需求，通过无线、有线、卫星通信等方式实现导航定位终端、授时终端、短报文终端接入平台，服务于电网业务。

网络层：使用无线公网、无线专网、卫星通信、电力光纤等传输通道，实现应用终端与北斗时空智能综合服务平台互联互通。

平台层：主要是国家电网企业中台的北斗时空智能综合服务平台，为企业中台和各类业务应用提供开放、标准的服务，充分发挥数据资产价值。

应用层：通过北斗时空智能综合服务平台以及SDK开发接口服务，实现各类业务的统一运维、统一运营等，提高应用服务的持续性和安全性。

2.2 电力北斗的典型应用

国家电网公司早在2010年就开始探索北斗技术在电力行业的落地应用[5]，经过10多年的融合发展，北斗定位、导航、授时、短报文通信服务以及对应的各类硬件终端在电网基建、运检、安质、调度、营销等多个业务领域的典型场景得到广泛的应用。

北斗高精度定位方面，基于电力北斗精准时空服务网和北斗时空智能综合服务平台，为电力北斗高精度定位终端提供实时亚米级、厘米级以及静态毫米级的高精度定位服务。截至2021年中，电力行业北斗高精度定位终端的应用数量超过1.3万台[11]，主要包括电力勘测工程的测量测绘、车辆调度管理、电网输电线路无人机自主巡检、线路杆塔形变监测、地质灾害监测、导线舞动监测、变电站机器人巡检、基建工程现场作业人员安全管控、施工机械操作高精度数据监测、电网大型重点物资在途运输管理、营配设备资产管理和地理信息采集、水电站大坝沉降和形变监测等应用场景[12-18]，提升了电力设施设备运行状态在线监测能力，提高了新型电力系统精益化管理水平。

北斗普通定位方面，利用电力北斗卫星导航或辅助定位系统，为定位终端提供实时米级的定位与导航服务，主要应用于人员、车辆、设备等实时定位、导航与轨迹监控，终端形态包括工卡、手环、手持终端、车载终端等，在电力行业的应用数量已达20余万台套[11]。

北斗授时授频应用方面，电网调度系统利用北斗高精度授时服务实现全站(网)的时间同步，保障电力系统的安全、稳定、可靠运行，应用终端数量超过2.9万套[11]。同时，通过北斗同步时钟，同步相量测量装置在同一参考时间框架下捕捉到大规模互联电力系统各地点的实时稳态/动态信息，解决了高精度时间异地同步问题[19-20]，实现对广域信息的实时监测和处理，满足电力系统全局动态过程监测、控制与保护的时间同步需要，为大电网实现广域同步测量提供技术支撑，在全网动态过程记录和事后分析、暂态稳定预测及控制、低频振荡分析及抑制、全局反馈控制、故障定位及参数辨识等方面有广泛的应用。

北斗短报文通信方面，在电力行业，目前已经应用北斗短报文通信终端1.7万余台[9]。通过北斗短报文通信服务，可以在无通信网络覆盖的地区，开展用电信息等计量数据远程集抄、输电线路监测数据回传、基建工程现场人员应急保障、小水电/光伏电站数据回传等应用[21-23]。在应急救灾场景下，利用北斗短报文通信服务，可实现指挥中心与现场作业人员的信息交互[24]，达成基于电力任务的联动和防护目的。

近年来，随着电力业务对北斗PNT服务需求的增加，国家电网公司开发多种“电力+北斗”智能终端产品，包括基于北斗定位的可穿戴设备、杆塔形变监测设备、移动作业终端、无人机高精度定位终端、室内外一体化定位终端等，基于北斗授时的电力线故障定位及时间同步装置，以及短报文通信终端等，在输电线路灾害预警监测、线路风偏舞动监测等多个基建、运检场景推广应用，部署实施1.5万余套电力北斗终端，提早发现并处置重要输电线路地质灾害隐患，保障电力系统的安全运行。

3 电力北斗商业化运营分析及展望

3.1 北斗在电力行业内外的商业化运营服务分析

国家电网公司服务范围广，各省公司及地市公司存在较大的地域性差异，由于“放管服”政策的施行，各单位存在个性化的管理模式。因此，电力北斗在运营服务过程中，面向电力行业内的业务提供PNT服务时，运营服务管理模式需要具备较强的兼容性和灵活性，以实现区域化、分批次的服务模式。对于普通定位、基于地基增强的高精度定位、授时和短报文通信等服务采用先行统推的方式实现标准化的服务模式，对于具有定制化需求的服务，如星基地基融合增强、高精度后处理、大数据分析等可采用非标准的服务模式，满足用户不同层次的需求。在电力行业外，早在北斗卫星导航系统建设完成之前，包括国土资源部门在内的多个政府和企业单位已建设了地基增强系统，开展基于GPS和GLONASS双模融合的PNT服务，在地质测绘、工程建设、地质形变观测、交通出行监控、农业管理、公共安全、气象预报、防灾减灾、海空港管理等业务活动中有着广泛的应用，并取得了一定的社会和经济成效[25-26]。电力北斗作为PNT服务的新进入者，在做好电力行业内运营服务的基础上稳步推动向行业外“走出去”的战略，开发在能源、交通、水利及应急等领域的潜在用户。

在电力行业内和电力行业外，电力北斗时空位置服务的商业运营模式和运营机制存在区别。

电力行业内，电力北斗运营服务主要以赋能电力主业为主，保障电力安全生产，实现能源的安全供应，以B2B运营和服务模式为主，主要应用于作业人员和设备的高精度定位服务、电力系统的高精度时频同步服务等，市场推动主要依靠技术发展、行业监管和系统内推广。同时，由于电力行业对北斗应用的技术可靠性和安全性要求较高，对参与该行业的服务商的服务能力、服务质量和响应速度等也有较高的要求。

电力行业外，电力北斗运营服务将面对着完全不同的市场环境，虽然存在着多样化的业务需求，包括众多行业的B2B服务、面向大众的海量的B2C服务，但由于已经存在多个PNT服务商，以及各运营服务商之间的竞争，使得电力北斗运营在服务质量、产品宣传、市场营销、产品价格和服务体系等方面将存在较大的压力，需做灵活适配和服务调整，以适应市场的竞争。

3.2 电力北斗商业化运营服务体系架构

电力北斗商业化运营服务体系涵盖电力北斗的基础设施支撑、运营服务模块、运营的产品和服务等核心内容、体系搭建和业务场景，电力北斗商业运营服务体系框架如图 6所示。

图6 电力北斗商业运营服务体系框架图

电力北斗商业化运营服务主要包括运营策划、市场推广、用户服务、营销支撑等，依托“两网一平台”基础构建商业运营服务体系，实现运营和服务支撑。电力北斗精准时空服务网和电力北斗时频服务网提供全天候、全天时、高精度的定位、导航、授时和短报文通信等服务，并以此积极探索、拓展融合发展和应用。电力北斗运营服务系统需实现用户管理、营帐计费、用户服务、用户画像等营销支撑，同时，通过运营端和营销端不断反馈用户需求，实现用户的触达和深耕运营，不断推动电力北斗“两网一平台”服务能力和服务水平的持续改进与提升。

3.3 电力北斗商业化运营服务展望

电力北斗是国家电网公司投资建设的重要时空基础设施，以服务于本行业内各业务领域的需求为主要目标，相对于电力行业外的北斗运营服务商而言，电力北斗在信息安全、网络覆盖范围、建设和运营成本方面存在一定的优势，在满足电力行业需求的前提下，提升产品适应能力，探索北斗时空智能综合服务运营思路，适时扩大运营服务范围，拓展电力行业外更加广泛的市场。

未来，随着人类活动范围的拓展和社会经济的发展，对定位、导航和授时服务的需求也在不断增加和深入，例如，智慧城市、自动驾驶、个人精准导航服务等领域将存在巨大的发展空间，也将推动GNSS及相关服务进一步发展。

4 结束语

电力北斗是支撑国家双碳目标和新型电力系统建设的重要时空基础设施，是国家电网公司的战略新兴产业。在电力行业，电力北斗是赋能电力物联网、保障电力安全、助力电力服务升级的重要技术力量。

随着国家电网公司数字化建设工作的推进，电力各专业领域对时空智能业务的需求逐年增加，电力北斗两网一平台的建设和运营，全面提升了电力各专业应用的数字化、智能化水平，激发了“北斗+”和“+北斗”在电力行业内的智慧化应用。同时，电力北斗在满足电力行业需求的前提下也将积极拓展，加强科技创新、商业模式创新和运营机制创新，促进电力北斗在各行业的普适、共享和规模化应用。