周恩澤,朱空軍,許海林,鄂盛龍,向 諄 ,吉麗婭,黎 淼
(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院,廣州 510620;2. 廣東滿天星云信息技術(shù)有限公司,廣州 510130)
電力安全是電力行業(yè)運(yùn)行和發(fā)展的根本。我國(guó)電網(wǎng)線路覆蓋范圍廣、覆蓋區(qū)域地形復(fù)雜并且自然環(huán)境多樣,為了及時(shí)掌握線路的運(yùn)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(cè)設(shè)備用于安全巡線工作[1]。近年來(lái),隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,采用無(wú)人機(jī)對(duì)輸配電線路進(jìn)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(xiàn)階段運(yùn)用最廣泛的巡線方法;此外,面對(duì)眾多的輸電線路基站,無(wú)人機(jī)巡檢內(nèi)容仍不夠充分,對(duì)電力人員和設(shè)備實(shí)施安全管控成為1 個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題[2-3]。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system, BDS)是我國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS),時(shí)至今日,BDS 已可為整個(gè)亞太區(qū)域提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)[4-5]。全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)會(huì)因?yàn)槟承r(shí)段接收的衛(wèi)星數(shù)過(guò)少,而無(wú)法進(jìn)行導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)相比,高軌衛(wèi)星更多,抗遮擋能力強(qiáng),尤其在低緯度地區(qū),這個(gè)特點(diǎn)更具有優(yōu)勢(shì)。電力安全管控區(qū)域復(fù)雜,高原、山區(qū)等屬常見(jiàn)地形,利用BDS 對(duì)人員及設(shè)備安全進(jìn)行管控是非常合適的現(xiàn)有技術(shù)手段[6-8]。國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司,近年來(lái)不斷推進(jìn)BDS 在電力行業(yè)的研究和應(yīng)用,面向發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等多種不同場(chǎng)景,形成了“北斗+電力”的多種應(yīng)用方案,許多學(xué)者也為BDS 在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了積極探索:文獻(xiàn)[9]對(duì) BDS地基增強(qiáng)技術(shù)在電網(wǎng)高精度地理位置服務(wù)中的可用性進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)[10]分析了BDS 高精度位置服務(wù)的數(shù)據(jù)誤差源;文獻(xiàn)[11]研發(fā)了巡檢人員與車輛配置的BDS 智能終端,用于實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)人車導(dǎo)航定位;文獻(xiàn)[12]采用 BDS 精確定位技術(shù),監(jiān)測(cè)輸電線路桿塔基礎(chǔ)位移。然而,現(xiàn)有BDS 高精度地理位置服務(wù)的應(yīng)用方式仍比較單一,缺少與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)結(jié)合。就我國(guó)現(xiàn)有電力安全管控技術(shù)而言,尚未形成與大范圍人員管控、設(shè)備監(jiān)測(cè)相適應(yīng)的技術(shù)體系,尚不能有效滿足我國(guó)電力人員及電力設(shè)備安全管控所需要的高精度、低時(shí)延、全方位的要求。為此,本文基于BDS 高精度位置服務(wù),構(gòu)建了電力安全管控精準(zhǔn)服務(wù)體系架構(gòu),以期為從業(yè)人員及電力設(shè)備智能化管控和監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。
本文構(gòu)建的面向智能電網(wǎng)的BDS 高精度位置服務(wù)體系,以電力安全管控云平臺(tái)為核心,將BDS衛(wèi)星導(dǎo)航、地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與電網(wǎng)業(yè)務(wù)深度融合,利用BDS 精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)電力外業(yè)作業(yè)人員精細(xì)化管理和合理調(diào)配,電力設(shè)備毫米級(jí)監(jiān)測(cè)。該體系包括 3 個(gè)主要部分:BDS 衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電力安全管控云平臺(tái)、移動(dòng)端智能安全帽及前端業(yè)務(wù)系統(tǒng),如圖1 所示。
圖1 精準(zhǔn)服務(wù)體系架構(gòu)
如圖1 所示,BDS 精準(zhǔn)服務(wù)體系包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電力安全管控云平臺(tái)以及移動(dòng)端/業(yè)務(wù)系統(tǒng)3 部分。其中,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為BDS 衛(wèi)星及地面站點(diǎn)構(gòu)建的定位監(jiān)測(cè)網(wǎng),利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分(real - time kinematic, RTK)等技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù);電力安全管控云平臺(tái)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層,數(shù)據(jù)層匯聚基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星解算數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)接入數(shù)據(jù)、2 維(2D)/三維(3D)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù),存儲(chǔ)于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù),并基于Web Server 提供數(shù)據(jù)及功能服務(wù);移動(dòng)端系統(tǒng)服務(wù)于電力人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),裝載于自主研發(fā)的“智能安全帽”,此外,前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)與電力安全管控云平臺(tái)具有雙向通信、無(wú)縫銜接功能。
“智能安全帽”是精準(zhǔn)服務(wù)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員的全新部件,主要組成部分有GNSS 模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、系統(tǒng)級(jí)芯片(system on chip,SOC)主控系統(tǒng)、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)。其中:GNSS 模塊采用 Ublox ZEDF9P 模塊,該模塊支持GPS、日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(quasi-zenith satellite system, QZSS)、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GLONASS)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system, Galileo)及 BDS 5 種系統(tǒng),支持雙頻天線;SOC 主控系統(tǒng)采用海思的Hi3516EV300 平臺(tái)。在充分調(diào)研用戶多元化操作需求的基礎(chǔ)上,該部件主要涵蓋以下性能:揚(yáng)聲器,為用戶提供聲音服務(wù),如報(bào)警、狀態(tài)提示等;螺旋天線方案,有效降低產(chǎn)品尺寸;圓柱電池,擁有防反插的功能,電池容量4 800 mAh,單節(jié)可提供8 h 以上的作業(yè)時(shí)間;擁有高精度定位模塊,提供穩(wěn)定可靠的厘米級(jí)定位;擁有4G 網(wǎng)絡(luò)功能,提供設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)交互的能力(如衛(wèi)星定位服務(wù)連續(xù)運(yùn)行參考站( continuously operating reference stations, CORS)數(shù)據(jù)的獲取、服務(wù)器之間的交互等),提供 1 個(gè)用戶身份識(shí)別卡(subscriber identification module, SIM)插槽,用戶可使用自己的網(wǎng)絡(luò)卡;擁有藍(lán)牙功能,用戶可在手機(jī)端的軟件通過(guò)藍(lán)牙方式連接設(shè)備,進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;擁有1 個(gè)USB Type-C 接口,提供充電、設(shè)備配置等功能。
電力配電線路基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常發(fā)生不同故障,由于線路長(zhǎng)、地形復(fù)雜,巡檢人員與車輛難以及時(shí)尋找到故障地點(diǎn)。為保障巡檢人員、車輛安全,利潤(rùn)BDS 的高精度位置服務(wù)特點(diǎn),將安全帽得到的實(shí)時(shí)坐標(biāo)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊回傳,使用天地圖、或自行發(fā)布的符合開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟(open geospatial consortium, OGC)協(xié)議的地圖,來(lái)實(shí)現(xiàn)故障、人員、車輛位置實(shí)時(shí)監(jiān)控和厘米級(jí)的定位服務(wù),并將結(jié)果在地圖上清晰展示出來(lái)。
為了實(shí)現(xiàn)人員的高精度定位監(jiān)測(cè),平臺(tái)利用BDS 定位模塊,首先獲取單基站差分?jǐn)?shù)據(jù)或者CORS 服務(wù)器差分?jǐn)?shù)據(jù),但不直接向智能安全帽等移動(dòng)接收終端發(fā)送相關(guān)改正信息,而是將所有基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)的原始數(shù)據(jù)發(fā)到云平臺(tái)控制中心進(jìn)行解算??刂浦行慕馑丬浖诮y(tǒng)一處理定位數(shù)據(jù)的同時(shí),接收由智能安全帽在工作前發(fā)送的 1 個(gè)單點(diǎn)定位坐標(biāo),然后根據(jù)該點(diǎn)坐標(biāo)信息,自動(dòng)選擇1 組最佳的基準(zhǔn)站,計(jì)算改正衛(wèi)星的軌道誤差、電離層誤差、對(duì)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(jìn)行軌跡回放,并基于軌跡分布挖掘出作業(yè)人員在不同時(shí)間段的工作情況,從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行安全監(jiān)控、管理及績(jī)效考核的目的,其具體業(yè)務(wù)邏輯如下:①利用GNSS 模塊實(shí)現(xiàn)人員坐標(biāo)定位;②人員定位坐標(biāo)回傳(回傳時(shí)間間隔可設(shè)置,如1、5、30 s);③對(duì)作業(yè)人員可以按時(shí)間及區(qū)域進(jìn)行軌跡查詢;④軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理及挖掘;⑤作業(yè)人員工作情況分析結(jié)果。
電網(wǎng)信息的獲取往往需要內(nèi)外業(yè)協(xié)同工作,為實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)協(xié)同作業(yè)研發(fā)了遠(yuǎn)程連接功能,以第一視角直觀反映現(xiàn)場(chǎng)狀況,方便管理人員進(jìn)行安全監(jiān)控和指揮調(diào)度。管理員或外業(yè)作業(yè)人員可以遠(yuǎn)程發(fā)起實(shí)時(shí)視頻對(duì)講請(qǐng)求,管理人員實(shí)時(shí)查看了解現(xiàn)場(chǎng)情況,同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)視頻對(duì)講與現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行交流,多視角查看現(xiàn)場(chǎng),分析解決問(wèn)題,協(xié)助完成相關(guān)任務(wù)。通過(guò)地圖展示,可實(shí)時(shí)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(guān)作業(yè)人員位置,進(jìn)而對(duì)人員進(jìn)行及時(shí)合理的調(diào)度和工作安排,提升響應(yīng)時(shí)間和工作效率。
“電子圍欄”是1 項(xiàng)用于規(guī)避危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)的重要安全管控和預(yù)警技術(shù)。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(jù)電力故障、電壓等級(jí)、氣象環(huán)境等位置著重標(biāo)注危險(xiǎn)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(dòng)通信模塊,利用衛(wèi)星定位上傳數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出電子圍欄區(qū)域的作業(yè)人員的安全進(jìn)行管控和預(yù)警。當(dāng)人員離開(kāi)安全電子圍欄區(qū)域或進(jìn)入危險(xiǎn)電子圍欄區(qū)域時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告信息,要求人員返回至指定區(qū)域。通過(guò)該技術(shù),可在電力作業(yè)中實(shí)時(shí)掌握作業(yè)區(qū)域內(nèi)人員的數(shù)量、狀態(tài)、位置及流量情況等信息,為人員調(diào)度和安全維護(hù)等提供智能指引。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,該技術(shù)的告警平均響應(yīng)時(shí)間不大于3 s。
電力設(shè)備運(yùn)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(zhì)災(zāi)害影響,目前避免上述影響的手段還是采用人工監(jiān)測(cè)為主,依賴人員的經(jīng)驗(yàn)及周期性觀測(cè)進(jìn)行防范。然而,這種方式滯后性明顯,面對(duì)突發(fā)緊急情況更無(wú)法及時(shí)預(yù)警和實(shí)時(shí)監(jiān)管。為實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備地質(zhì)災(zāi)害防治的自動(dòng)化和智能化,將電力設(shè)備地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)與BDS、云計(jì)算中心、降雨等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)設(shè)備周邊毫米級(jí)位置信息和位移變化量地質(zhì)監(jiān)測(cè),并實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位精確位置上傳給監(jiān)控中心,建立監(jiān)測(cè)預(yù)警模型,一旦位移變化超過(guò)設(shè)定閾值,系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警。
針對(duì)累積式的地質(zhì)災(zāi)害,采用固定時(shí)間段采集原始數(shù)據(jù),使用后處理解算方式得到更高精度的坐標(biāo),其精度可達(dá)毫米級(jí),能更好地反映位移累積變化;針對(duì)含水量,實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的含水量上傳給監(jiān)控中心,并自動(dòng)上調(diào)含水量和實(shí)時(shí)RTK 位置數(shù)據(jù)上傳頻率,以達(dá)到更及時(shí)的監(jiān)控目的。實(shí)時(shí)RTK(A1)、后處理解算(A2)、含水量(A3)3 種數(shù)據(jù)共同構(gòu)建地基沉降監(jiān)測(cè)的預(yù)警模型,其中實(shí)時(shí)RTK 水平方向標(biāo)記為A11,垂直方向標(biāo)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(biāo)記為A21,5 日累計(jì)位移標(biāo)記為A21,垂直方向上連續(xù)5 d 日平均位移速率標(biāo)記為A23,5 d 累計(jì)位移標(biāo)記為A24;含水量程度標(biāo)記為A31。電力設(shè)備沉降受所選單因子的影響,且各個(gè)因子影響不盡相同,本文建立的監(jiān)測(cè)預(yù)警模型,實(shí)現(xiàn)了多因子定量綜合評(píng)價(jià)。首先,通過(guò)專家打分法,對(duì)各因子的原始信息進(jìn)行定量化處理,經(jīng)過(guò)十幾位學(xué)科專家及經(jīng)驗(yàn)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(duì)設(shè)備安全性的影響“等級(jí)”按等級(jí)劃為極危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)、危險(xiǎn)、安全4 個(gè)等級(jí),同時(shí)分別賦值為7、5、3 和1,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。
表1 設(shè)備安全監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
為充分利用評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)提供的信息,避免主觀賦權(quán)的局限性,本文采用客觀賦權(quán)即變異函數(shù)法確定各單要素的權(quán)值,計(jì)算公式為
式中:w為評(píng)價(jià)因子的權(quán);v為評(píng)價(jià)因子變異系數(shù);S為評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)差;為評(píng)價(jià)因子均值;i為評(píng)價(jià)因子數(shù),i=1,2,3,4;Si為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)差;為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子均值。
采用自然斷點(diǎn)法將預(yù)警狀態(tài)劃分為3 類,紅色預(yù)警、黃色預(yù)警及藍(lán)色預(yù)警。紅色預(yù)警屬于報(bào)警級(jí),表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)需及時(shí)處理;黃色預(yù)警屬于預(yù)防級(jí),表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在風(fēng)險(xiǎn)需排查預(yù)防;藍(lán)色預(yù)警屬于提醒級(jí),表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的可能,需重點(diǎn)關(guān)注。
本文以廣東省某市為研究區(qū)域。管控云平臺(tái)部署在廣東電力科學(xué)研究院內(nèi),可以對(duì)研究對(duì)象轄區(qū)范圍內(nèi)的電力人員及電力裝置進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。該平臺(tái)以2D、3D 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為地圖數(shù)據(jù),連接的其他信息包括:300 余座CORS 站的數(shù)據(jù),1 000 多個(gè)溫度、降雨地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù),行業(yè)內(nèi)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(shè)備信息。
依托BDS 高精度位置服務(wù)體系架構(gòu),在市內(nèi)及郊區(qū)進(jìn)行 2 項(xiàng)實(shí)時(shí)差分解算實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證厘米級(jí)服務(wù)的可靠性。
1)首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)模式下定位精度的測(cè)試。選取空曠田間路段,將嵌有衛(wèi)星接收機(jī)設(shè)備的智能安全帽交與電力作業(yè)人員佩戴,并要求其以 1.2 m/s 的速度沿路段行駛,設(shè)置測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為30 min,共獲取850 個(gè)歷元,動(dòng)態(tài)定位測(cè)試效果如圖2 所示。
圖2 動(dòng)態(tài)模式下定位測(cè)試軌跡
2)其次進(jìn)行靜態(tài)模式下定位精度測(cè)試。同樣選取空曠區(qū)域,將衛(wèi)星接收裝置靜置于地面,設(shè)置其數(shù)據(jù)更新率為1 s,當(dāng)獲取歷元數(shù)達(dá)到3 000 個(gè)時(shí),停止測(cè)試。設(shè)接收數(shù)據(jù)在3D 空間坐標(biāo)X、Y、Z分量的內(nèi)符合精度為σ1、σ2、σ3,其計(jì)算數(shù)學(xué)函數(shù)為
式中:Δi為數(shù)據(jù)在3D 空間坐標(biāo)X、Y、Z3 個(gè)分量上的實(shí)際計(jì)算值與數(shù)據(jù)平均值之差;n為觀測(cè)值個(gè)數(shù)。利用 MATLAB 對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,依據(jù)式(2)可以計(jì)算出X、Y、Z3 個(gè)分量上的精度利用MATLAB 對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到水平和垂直方向的內(nèi)符合精度如表2 所示。
表2 水平和垂直方向的內(nèi)符合精度 單位:m
圖3 為人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程可視化對(duì)講界面。由圖3 中可以看到,野外作業(yè)人員的位置、軌跡及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境都可以由后臺(tái)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為人員安全、作業(yè)分配及作業(yè)質(zhì)量提供了保障。
圖3 人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)講界面
圖4 為野外設(shè)備沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警界面。由圖4 可以看到該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的即時(shí)及歷史信息,并直觀顯示安全級(jí)別,實(shí)現(xiàn)安全信息的智能化分析及可視化展示。
圖4 野外設(shè)備沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警界面
電力安全是電力行業(yè)運(yùn)行和發(fā)展的根本,其中,人員及設(shè)備安全又是重中之重。針對(duì)當(dāng)前電力行業(yè)中對(duì)人員及設(shè)備安全管控方式比較單一且滯后性明顯的問(wèn)題,本文提出了1 種基于BDS 高精度位置的安全服務(wù)體系架構(gòu),以電力安全管控云平臺(tái)為核心,結(jié)合自主研發(fā)的智能安全帽、降雨等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取的信息,對(duì)電力人員及電力設(shè)備安全進(jìn)行智能管控。廣東的實(shí)際場(chǎng)景驗(yàn)證表明,本文所提方法具有合理性及較強(qiáng)的可用性。在未來(lái)的應(yīng)用中,以我國(guó)第三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即北斗三號(hào)為基礎(chǔ),基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素、高精度模型預(yù)測(cè)分析,可以將此模式擴(kuò)展到包括電力行業(yè)在內(nèi)的其他國(guó)家重點(diǎn)行業(yè),為其提供高效、穩(wěn)定的高精度位置服務(wù)。