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基于BDS的電力安全管控云平臺設計

所屬分類:經濟論文 閱讀次 時間:2020-09-16 11:33

本文摘要:摘要:針對當前電力行業(yè)中人員及設備安全管控方式比較單一,且滯后性明顯的問題,提出 1 種基于北斗衛(wèi)星導航 系統(tǒng)(BDS)的高精度位置安全服務體系架構:以電力安全管控云平臺為核心,結合自主研發(fā)的智能安全帽及降雨等物聯 網監(jiān)測站點,對人員及設備安全進行

  摘要:針對當前電力行業(yè)中人員及設備安全管控方式比較單一,且滯后性明顯的問題,提出 1 種基于北斗衛(wèi)星導航 系統(tǒng)(BDS)的高精度位置安全服務體系架構:以電力安全管控云平臺為核心,結合自主研發(fā)的智能安全帽及降雨等物聯 網監(jiān)測站點,對人員及設備安全進行智能管控;設計出 BDS 衛(wèi)星實時監(jiān)測系統(tǒng)、電力安全管控云平臺、移動端智能安全 帽及前端業(yè)務系統(tǒng)等 3 個主要部分,并實現軌跡數據分析、遠程指揮協助、電子圍欄告警、沉降監(jiān)測預警等云平臺關鍵 技術。實驗結果表明,該方法能夠提供厘米級高精度定位服務,可實現人員及設備的自動監(jiān)測與實時管控。

  關鍵詞:北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng);高精度位置服務;電力人員安全;電力設備安全;安全管控云平臺

遙感信息

  0 引言

  電力安全是電力行業(yè)運行和發(fā)展的根本。我國 電網線路覆蓋范圍廣、覆蓋區(qū)域地形復雜并且自然 環(huán)境多樣,為了及時掌握線路的運行狀況,迅速排 除線路的潛在隱患,電力部門需要安排大量的人員及監(jiān)測設備用于安全巡線工作[1]。近年來,隨著無 人機技術的快速發(fā)展,采用無人機對輸配電線路進 行電力巡檢作業(yè),得到了研究人員的重視,但人工 定期巡線仍然是現階段運用最廣泛的巡線方法; 此外,面對眾多的輸電線路基站,無人機巡檢內容 仍不夠充分,對電力人員和設備實施安全管控成為 1 個備受關注的問題[2-3]。

  北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system, BDS)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系 統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS),時至 今日,BDS 已可為整個亞太區(qū)域提供全天候、全天 時、高精度的定位、導航、授時等服務[4-5]。全球定 位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)會因為某 些時段接收的衛(wèi)星數過少,而無法進行導航定位; 而 BDS 空間段采用地球靜止軌道(geostationary Earth orbit, GEO)、傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbits, IGSO )及中圓地球軌道 (medium Earth orbit, MEO)3 種軌道衛(wèi)星組成的 混合星座,與 GPS 等其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比,高 軌衛(wèi)星更多,抗遮擋能力強,尤其在低緯度地區(qū), 這個特點更具有優(yōu)勢。電力安全管控區(qū)域復雜,高 原、山區(qū)等屬常見地形,利用 BDS 對人員及設備 安全進行管控是非常合適的現有技術手段[6-8]。

  國 家電網公司和南方電網公司,近年來不斷推進 BDS 在電力行業(yè)的研究和應用,面向發(fā)電、輸電、 變電、配電、用電等多種不同場景,形成了“北斗 +電力”的多種應用方案,許多學者也為 BDS 在智 能電網中的應用進行了積極探索:文獻[9]對 BDS 地基增強技術在電網高精度地理位置服務中的可 用性進行了探討;文獻[10]分析了 BDS 高精度位置服務的數據誤差源;文獻[11]研發(fā)了巡檢人員 與車輛配置的 BDS 智能終端,用于實現配電網人 車導航定位;文獻[12]采用 BDS 精確定位技術, 監(jiān)測輸電線路桿塔基礎位移。

  然而,現有 BDS 高 精度地理位置服務的應用方式仍比較單一,缺少 與大數據、物聯網等新技術結合。就我國現有電 力安全管控技術而言,尚未形成與大范圍人員管 控、設備監(jiān)測相適應的技術體系,尚不能有效滿 足我國電力人員及電力設備安全管控所需要的高 精度、低時延、全方位的要求。為此,本文基于 BDS 高精度位置服務,構建了電力安全管控精準 服務體系架構,以期為從業(yè)人員及電力設備智能 化管控和監(jiān)測提供技術支撐。

  1 精準服務體系架構

  本文構建的面向智能電網的 BDS 高精度位置 服務體系,以電力安全管控云平臺為核心,將 BDS 衛(wèi)星導航、地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)、物聯網、大數據等技術與電網業(yè)務 深度融合,利用 BDS 精準定位數據,實現電力外 業(yè)作業(yè)人員精細化管理和合理調配,電力設備毫 米級監(jiān)測。該體系包括 3 個主要部分:BDS 衛(wèi)星 實時監(jiān)測系統(tǒng)、電力安全管控云平臺、移動端智能 安全帽及前端業(yè)務系統(tǒng)。

  2 云平臺關鍵技術研究

  2.1 軌跡數據分析

  電力配電線路基礎設施經常發(fā)生不同故障,由 于線路長、地形復雜,巡檢人員與車輛難以及時尋 找到故障地點。為保障巡檢人員、車輛安全,利潤 BDS 的高精度位置服務特點,將安全帽得到的實 時坐標通過網絡模塊回傳,使用天地圖、或自行發(fā)布 的符合開放地理空間信息聯盟(open geospatial consortium, OGC)協議的地圖,來實現故障、人員、 車輛位置實時監(jiān)控和厘米級的定位服務,并將結 果在地圖上清晰展示出來。

  為了實現人員的高精度定位監(jiān)測,平臺利用 BDS 定位模塊,首先獲取單基站差分數據或者 CORS 服務器差分數據,但不直接向智能安全帽等移動接收終端發(fā)送相關改正信息,而是將所有基 準站實時的原始數據發(fā)到云平臺控制中心進行解 算?刂浦行慕馑丬浖诮y(tǒng)一處理定位數據的同 時,接收由智能安全帽在工作前發(fā)送的 1 個單點 定位坐標,然后根據該點坐標信息,自動選擇 1 組 最佳的基準站,計算改正衛(wèi)星的軌道誤差、電離層 誤差、對流層和大氣折射引起的誤差等,然后將高 精度的差分信息發(fā)給外業(yè)前端。

  管理員可在 Web 端選擇特定外業(yè)人員進行軌 跡回放,并基于軌跡分布挖掘出作業(yè)人員在不同 時間段的工作情況,從而達到對現場作業(yè)人員進 行安全監(jiān)控、管理及績效考核的目的,其具體業(yè)務 邏輯如下:①利用 GNSS 模塊實現人員坐標定位; ②人員定位坐標回傳(回傳時間間隔可設置,如 1、 5、30 s);③對作業(yè)人員可以按時間及區(qū)域進行軌 跡查詢;④軌跡數據預處理及挖掘;⑤作業(yè)人員工 作情況分析結果。

  2.2 遠程指揮協助

  電網信息的獲取往往需要內外業(yè)協同工作, 為實現內外業(yè)協同作業(yè)研發(fā)了遠程連接功能,以 第一視角直觀反映現場狀況,方便管理人員進行 安全監(jiān)控和指揮調度。管理員或外業(yè)作業(yè)人員可 以遠程發(fā)起實時視頻對講請求,管理人員實時查 看了解現場情況,同時通過實時視頻對講與現場 人員進行交流,多視角查看現場,分析解決問題, 協助完成相關任務。通過地圖展示,可實時掌握 作業(yè)人員具體位置及工作區(qū)域,如遇突發(fā)狀況, 可快速查閱周邊相關作業(yè)人員位置,進而對人員進行及時合理的調度和工作安排,提升響應時間 和工作效率。

  2.3 電子圍欄告警

  “電子圍欄”是 1 項用于規(guī)避危險作業(yè)區(qū)的重 要安全管控和預警技術。管理人員首先在 GIS 地 圖上,虛擬劃定安全電子圍欄區(qū)域,并依據電力故 障、電壓等級、氣象環(huán)境等位置著重標注危險電子 圍欄區(qū)域。其次,在外業(yè)人員手持終端中安裝 BDS 定位和移動通信模塊,利用衛(wèi)星定位上傳數據,實現對進出電子圍欄區(qū)域的作業(yè)人員的安全進行管 控和預警。當人員離開安全電子圍欄區(qū)域或進入 危險電子圍欄區(qū)域時,系統(tǒng)會發(fā)出警告信息,要求 人員返回至指定區(qū)域。通過該技術,可在電力作業(yè) 中實時掌握作業(yè)區(qū)域內人員的數量、狀態(tài)、位置及 流量情況等信息,為人員調度和安全維護等提供 智能指引。在實驗過程中,該技術的告警平均響應 時間不大于 3 s。

  2.4 沉降監(jiān)測預警

  電力設備運行極易受到周邊發(fā)生的山體滑坡、 地表形變、沉降塌陷等地質災害影響,目前避免上 述影響的手段還是采用人工監(jiān)測為主,依賴人員的 經驗及周期性觀測進行防范。然而,這種方式滯后 性明顯,面對突發(fā)緊急情況更無法及時預警和實時 監(jiān)管。為實現電力設備地質災害防治的自動化和智 能化,將電力設備地質環(huán)境監(jiān)測與 BDS、云計算中 心、降雨等物聯網設備相結合,實現設備周邊毫米 級位置信息和位移變化量地質監(jiān)測,并實時將監(jiān)測 點位精確位置上傳給監(jiān)控中心,建立監(jiān)測預警模型, 一旦位移變化超過設定閾值,系統(tǒng)自動實現報警。

  針對累積式的地質災害,采用固定時間段采集 原始數據,使用后處理解算方式得到更高精度的 坐標,其精度可達毫米級,能更好地反映位移累積 變化;針對含水量,實時將監(jiān)測點的含水量上傳給 監(jiān)控中心,并自動上調含水量和實時 RTK 位置數 據上傳頻率,以達到更及時的監(jiān)控目的。實時 RTK (A1)、后處理解算(A2)、含水量(A3)3 種數據 共同構建地基沉降監(jiān)測的預警模型,其中實時 RTK 水平方向標記為 A11,垂直方向標記為 A12;后 處理軟件解算水平方向上連續(xù) 5 d 日平均位移速 率,標記為 A21,5 日累計位移標記為 A21,垂直方 向上連續(xù) 5 d 日平均位移速率標記為 A23,5 d 累計 位移標記為 A24;含水量程度標記為 A31。

  電力設備 沉降受所選單因子的影響,且各個因子影響不盡 相同,本文建立的監(jiān)測預警模型,實現了多因子定 量綜合評價。首先,通過專家打分法,對各因子的 原始信息進行定量化處理,經過十幾位學科專家 及經驗豐富作業(yè)人員的多次討論、修訂與綜合,最 后確定各單要素對設備安全性的影響“等級”按等 級劃為極危險、高危險、危險、安全 4 個等級,同 時分別賦值為 7、5、3 和 1。

  3 實驗與結果分析

  本文以廣東省某市為研究區(qū)域。管控云平臺部 署在廣東電力科學研究院內,可以對研究對象轄 區(qū)范圍內的電力人員及電力裝置進行安全監(jiān)測。該平臺以 2D、3D 基礎地理信息數據為地圖數據, 連接的其他信息包括:300 余座 CORS 站的數據, 1 000 多個溫度、降雨地面監(jiān)測站點的數據,行業(yè) 內全部電力人員手持終端信息、智能安全帽信息, 以及野外電力設備信息。 依托 BDS 高精度位置服務體系架構,在市內及郊區(qū)進行 2 項實時差分解算實驗,以驗證厘米 級服務的可靠性。

  電子論文投稿刊物:《遙感信息》(雙月刊)創(chuàng)刊于1986年,由科學技術部國家遙感中心、中國測繪科學研究院主辦。研討的內容涉及遙感、地理信息系統(tǒng)技術的新理論、新方法;交流推廣遙感與地理信息系統(tǒng)的新成果;介紹國內外發(fā)展動向;普及遙感與地理信息系統(tǒng)的科學技術知識。

  4 結束語

  電力安全是電力行業(yè)運行和發(fā)展的根本,其中, 人員及設備安全又是重中之重。針對當前電力行 業(yè)中對人員及設備安全管控方式比較單一且滯后 性明顯的問題,本文提出了 1 種基于 BDS 高精度 位置的安全服務體系架構,以電力安全管控云平 臺為核心,結合自主研發(fā)的智能安全帽、降雨等物聯網監(jiān)測站點獲取的信息,對電力人員及電力設 備安全進行智能管控。廣東的實際場景驗證表明, 本文所提方法具有合理性及較強的可用性。

  在未來的應用中,以我國第三代北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)即 北斗三號為基礎,基于歷史數據進行多因素、高精 度模型預測分析,可以將此模式擴展到包括電力 行業(yè)在內的其他國家重點行業(yè),為其提供高效、穩(wěn) 定的高精度位置服務。

  參考文獻

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  [4] 楊元喜, 李金龍, 王愛兵, 等. 北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)基本導航定位性能初步評估[J]. 中國科學: 地球科學, 2014, 44(1): 72-81

  作者:周恩澤 1 ,朱空軍 2 ,許海林 1 ,鄂盛龍 1 ,向 諄 1 ,吉麗婭 2 ,黎 淼 2

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