基于BDS的电力安全管控云平台设计

　　摘要：针对当前电力行业中人员及设备安全管控方式比较单一，且滞后性明显的问题，提出 1 种基于北斗卫星导航 系统(BDS)的高精度位置安全服务体系架构：以电力安全管控云平台为核心，结合自主研发的智能安全帽及降雨等物联 网监测站点，对人员及设备安全进行智能管控;设计出 BDS 卫星实时监测系统、电力安全管控云平台、移动端智能安全 帽及前端业务系统等 3 个主要部分，并实现轨迹数据分析、远程指挥协助、电子围栏告警、沉降监测预警等云平台关键 技术。实验结果表明，该方法能够提供厘米级高精度定位服务，可实现人员及设备的自动监测与实时管控。

　　关键词：北斗卫星导航系统;高精度位置服务;电力人员安全;电力设备安全;安全管控云平台

　　0 引言

　　电力安全是电力行业运行和发展的根本。我国 电网线路覆盖范围广、覆盖区域地形复杂并且自然 环境多样，为了及时掌握线路的运行状况，迅速排 除线路的潜在隐患，电力部门需要安排大量的人员及监测设备用于安全巡线工作[1]。近年来，随着无 人机技术的快速发展，采用无人机对输配电线路进 行电力巡检作业，得到了研究人员的重视，但人工 定期巡线仍然是现阶段运用最广泛的巡线方法; 此外，面对众多的输电线路基站，无人机巡检内容 仍不够充分，对电力人员和设备实施安全管控成为 1 个备受关注的问题[2-3]。

　　北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)是我国自主研发的全球卫星导航系 统(global navigation satellite system, GNSS)，时至 今日，BDS 已可为整个亚太区域提供全天候、全天 时、高精度的定位、导航、授时等服务[4-5]。全球定 位系统(global positioning system，GPS)会因为某 些时段接收的卫星数过少，而无法进行导航定位; 而 BDS 空间段采用地球静止轨道(geostationary Earth orbit, GEO)、倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbits, IGSO )及中圆地球轨道 (medium Earth orbit, MEO)3 种轨道卫星组成的 混合星座，与 GPS 等其他卫星导航系统相比，高 轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区， 这个特点更具有优势。电力安全管控区域复杂，高 原、山区等属常见地形，利用 BDS 对人员及设备 安全进行管控是非常合适的现有技术手段[6-8]。

　　国 家电网公司和南方电网公司，近年来不断推进 BDS 在电力行业的研究和应用，面向发电、输电、 变电、配电、用电等多种不同场景，形成了“北斗 +电力”的多种应用方案，许多学者也为 BDS 在智 能电网中的应用进行了积极探索：文献[9]对 BDS 地基增强技术在电网高精度地理位置服务中的可 用性进行了探讨;文献[10]分析了 BDS 高精度位置服务的数据误差源;文献[11]研发了巡检人员 与车辆配置的 BDS 智能终端，用于实现配电网人 车导航定位;文献[12]采用 BDS 精确定位技术， 监测输电线路杆塔基础位移。

　　然而，现有 BDS 高 精度地理位置服务的应用方式仍比较单一，缺少 与大数据、物联网等新技术结合。就我国现有电 力安全管控技术而言，尚未形成与大范围人员管 控、设备监测相适应的技术体系，尚不能有效满 足我国电力人员及电力设备安全管控所需要的高 精度、低时延、全方位的要求。为此，本文基于 BDS 高精度位置服务，构建了电力安全管控精准 服务体系架构，以期为从业人员及电力设备智能 化管控和监测提供技术支撑。

　　1 精准服务体系架构

　　本文构建的面向智能电网的 BDS 高精度位置 服务体系，以电力安全管控云平台为核心，将 BDS 卫星导航、地理信息系统(geographic information system，GIS)、物联网、大数据等技术与电网业务 深度融合，利用 BDS 精准定位数据，实现电力外 业作业人员精细化管理和合理调配，电力设备毫 米级监测。该体系包括 3 个主要部分：BDS 卫星 实时监测系统、电力安全管控云平台、移动端智能 安全帽及前端业务系统。

　　2 云平台关键技术研究

　　2.1 轨迹数据分析

　　电力配电线路基础设施经常发生不同故障，由 于线路长、地形复杂，巡检人员与车辆难以及时寻 找到故障地点。为保障巡检人员、车辆安全，利润 BDS 的高精度位置服务特点，将安全帽得到的实 时坐标通过网络模块回传，使用天地图、或自行发布 的符合开放地理空间信息联盟(open geospatial consortium, OGC)协议的地图，来实现故障、人员、 车辆位置实时监控和厘米级的定位服务，并将结 果在地图上清晰展示出来。

　　为了实现人员的高精度定位监测，平台利用 BDS 定位模块，首先获取单基站差分数据或者 CORS 服务器差分数据，但不直接向智能安全帽等移动接收终端发送相关改正信息，而是将所有基 准站实时的原始数据发到云平台控制中心进行解 算。控制中心解算软件在统一处理定位数据的同 时，接收由智能安全帽在工作前发送的 1 个单点 定位坐标，然后根据该点坐标信息，自动选择 1 组 最佳的基准站，计算改正卫星的轨道误差、电离层 误差、对流层和大气折射引起的误差等，然后将高 精度的差分信息发给外业前端。

　　管理员可在 Web 端选择特定外业人员进行轨 迹回放，并基于轨迹分布挖掘出作业人员在不同 时间段的工作情况，从而达到对现场作业人员进 行安全监控、管理及绩效考核的目的，其具体业务 逻辑如下：①利用 GNSS 模块实现人员坐标定位; ②人员定位坐标回传(回传时间间隔可设置，如 1、 5、30 s);③对作业人员可以按时间及区域进行轨 迹查询;④轨迹数据预处理及挖掘;⑤作业人员工 作情况分析结果。

　　2.2 远程指挥协助

　　电网信息的获取往往需要内外业协同工作， 为实现内外业协同作业研发了远程连接功能，以 第一视角直观反映现场状况，方便管理人员进行 安全监控和指挥调度。管理员或外业作业人员可 以远程发起实时视频对讲请求，管理人员实时查 看了解现场情况，同时通过实时视频对讲与现场 人员进行交流，多视角查看现场，分析解决问题， 协助完成相关任务。通过地图展示，可实时掌握 作业人员具体位置及工作区域，如遇突发状况， 可快速查阅周边相关作业人员位置，进而对人员进行及时合理的调度和工作安排，提升响应时间 和工作效率。

　　2.3 电子围栏告警

　　“电子围栏”是 1 项用于规避危险作业区的重 要安全管控和预警技术。管理人员首先在 GIS 地 图上，虚拟划定安全电子围栏区域，并依据电力故 障、电压等级、气象环境等位置着重标注危险电子 围栏区域。其次，在外业人员手持终端中安装 BDS 定位和移动通信模块，利用卫星定位上传数据，实现对进出电子围栏区域的作业人员的安全进行管 控和预警。当人员离开安全电子围栏区域或进入 危险电子围栏区域时，系统会发出警告信息，要求 人员返回至指定区域。通过该技术，可在电力作业 中实时掌握作业区域内人员的数量、状态、位置及 流量情况等信息，为人员调度和安全维护等提供 智能指引。在实验过程中，该技术的告警平均响应 时间不大于 3 s。

　　2.4 沉降监测预警

　　电力设备运行极易受到周边发生的山体滑坡、 地表形变、沉降塌陷等地质灾害影响，目前避免上 述影响的手段还是采用人工监测为主，依赖人员的 经验及周期性观测进行防范。然而，这种方式滞后 性明显，面对突发紧急情况更无法及时预警和实时 监管。为实现电力设备地质灾害防治的自动化和智 能化，将电力设备地质环境监测与 BDS、云计算中 心、降雨等物联网设备相结合，实现设备周边毫米 级位置信息和位移变化量地质监测，并实时将监测 点位精确位置上传给监控中心，建立监测预警模型， 一旦位移变化超过设定阈值，系统自动实现报警。

　　针对累积式的地质灾害，采用固定时间段采集 原始数据，使用后处理解算方式得到更高精度的 坐标，其精度可达毫米级，能更好地反映位移累积 变化;针对含水量，实时将监测点的含水量上传给 监控中心，并自动上调含水量和实时 RTK 位置数 据上传频率，以达到更及时的监控目的。实时 RTK (A1)、后处理解算(A2)、含水量(A3)3 种数据 共同构建地基沉降监测的预警模型，其中实时 RTK 水平方向标记为 A11，垂直方向标记为 A12;后 处理软件解算水平方向上连续 5 d 日平均位移速 率，标记为 A21，5 日累计位移标记为 A21，垂直方 向上连续 5 d 日平均位移速率标记为 A23，5 d 累计 位移标记为 A24;含水量程度标记为 A31。

　　电力设备 沉降受所选单因子的影响，且各个因子影响不尽 相同，本文建立的监测预警模型，实现了多因子定 量综合评价。首先，通过专家打分法，对各因子的 原始信息进行定量化处理，经过十几位学科专家 及经验丰富作业人员的多次讨论、修订与综合，最 后确定各单要素对设备安全性的影响“等级”按等 级划为极危险、高危险、危险、安全 4 个等级，同 时分别赋值为 7、5、3 和 1。

　　3 实验与结果分析

　　本文以广东省某市为研究区域。管控云平台部 署在广东电力科学研究院内，可以对研究对象辖 区范围内的电力人员及电力装置进行安全监测。该平台以 2D、3D 基础地理信息数据为地图数据， 连接的其他信息包括：300 余座 CORS 站的数据， 1 000 多个温度、降雨地面监测站点的数据，行业 内全部电力人员手持终端信息、智能安全帽信息， 以及野外电力设备信息。 依托 BDS 高精度位置服务体系架构，在市内及郊区进行 2 项实时差分解算实验，以验证厘米 级服务的可靠性。

　　电子论文投稿刊物：《遥感信息》(双月刊)创刊于1986年，由科学技术部国家遥感中心、中国测绘科学研究院主办。研讨的内容涉及遥感、地理信息系统技术的新理论、新方法;交流推广遥感与地理信息系统的新成果;介绍国内外发展动向;普及遥感与地理信息系统的科学技术知识。

　　4 结束语

　　电力安全是电力行业运行和发展的根本，其中， 人员及设备安全又是重中之重。针对当前电力行 业中对人员及设备安全管控方式比较单一且滞后 性明显的问题，本文提出了 1 种基于 BDS 高精度 位置的安全服务体系架构，以电力安全管控云平 台为核心，结合自主研发的智能安全帽、降雨等物联网监测站点获取的信息，对电力人员及电力设 备安全进行智能管控。广东的实际场景验证表明， 本文所提方法具有合理性及较强的可用性。

　　在未来的应用中，以我国第三代北斗卫星导航系统即 北斗三号为基础，基于历史数据进行多因素、高精 度模型预测分析，可以将此模式扩展到包括电力 行业在内的其他国家重点行业，为其提供高效、稳 定的高精度位置服务。

　　参考文献

　　[1] 刘福锁, 李威, 方勇杰, 等. 计及电力安全事故责任的稳定控制系统风险管理[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(22): 106-110.

　　[2] 何艳丽. 对电力安全生产的思考[J]. 电力安全技术, 2012, 14(12): 48-50.

　　[3] 彭向阳, 刘正军, 麦晓明, 等. 无人机电力线路安全巡检系统及关键技术[J]. 遥感信息, 2015, 30(1): 51-57.

　　[4] 杨元喜, 李金龙, 王爱兵, 等. 北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J]. 中国科学: 地球科学, 2014, 44(1): 72-81

　　作者：周恩泽 1 ，朱空军 2 ，许海林 1 ，鄂盛龙 1 ，向 谆 1 ，吉丽娅 2 ，黎 淼 2

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