基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

高云嵩 陳 健

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)絡(luò)隨著電網(wǎng)脈絡(luò)同步敷設(shè)電力通信光纜至地處偏遠(yuǎn)的變電站、電廠及配電站，給電力通信的運(yùn)維工作帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。

目前，電力通信光纜的運(yùn)維方式通常是在光纜受損中斷出現(xiàn)業(yè)務(wù)告警時(shí)，運(yùn)維人員至光纜兩端站點(diǎn)使用光時(shí)域反射儀（OTDR）對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行粗略定位，再派搶修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶修。整個(gè)搶修過(guò)程根據(jù)距離遠(yuǎn)近往往需要2～8 h才能完成“先搶通，后修復(fù)”的工作，所耗費(fèi)的人力、物力較大。并且在光纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)和主動(dòng)維護(hù)方面存在手段單一，時(shí)效性不高，智能化、國(guó)產(chǎn)化程度低等問(wèn)題。

隨著新型電力系統(tǒng)大力建設(shè)，電力光纜所承載的業(yè)務(wù)愈發(fā)重要。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位電力光纜故障或隱患點(diǎn)，為電力通信網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行提供充分的保障維護(hù)，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行具有重要意義。通過(guò)搭建基于北斗系統(tǒng)的光纜定位與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)故障快速響應(yīng)與故障點(diǎn)精確定位，極大提高了光纜線路排障的整體反應(yīng)能力。

1 基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介及優(yōu)勢(shì)

基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，借助北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具備光纜故障快速響應(yīng)告警、故障點(diǎn)精確定位等功能。與傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比，基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)備便攜、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精準(zhǔn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

2 基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

2.1 北斗定位原理

衛(wèi)星定位通過(guò)建立偽距觀測(cè)方程將其線性化，利用卡爾曼濾波模型或最小二乘法對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并采用差分定位，對(duì)偽距、精確位置、接收機(jī)鐘差進(jìn)行差分結(jié)算或偽距雙差運(yùn)算。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由靜止軌道衛(wèi)星、中地球軌道衛(wèi)星、傾斜同步軌道衛(wèi)星等數(shù)十顆衛(wèi)星組成，并以一個(gè)固定的周期繞地球運(yùn)行。因此，在任何時(shí)候，在地面上的任意一點(diǎn)，都可以同時(shí)觀測(cè)到四顆以上的衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星定位原理如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星定位原理圖

由于三個(gè)衛(wèi)星定位精確，使用距離公式s=vt形成三個(gè)方程來(lái)求解觀測(cè)點(diǎn)的位置（X，Y，Z）。

式中：R為衛(wèi)星與用戶之間的距離；c為光速常數(shù)；tr和ts分別為衛(wèi)星信號(hào)接收時(shí)間和衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)間。

R1、R2、R3形成三個(gè)方程為：

衛(wèi)星的時(shí)鐘和觀測(cè)點(diǎn)接收器的時(shí)鐘之間存在誤差，除了X、Y和Z這三個(gè)未知數(shù)之外，還有一個(gè)未知的時(shí)鐘差。因此，需要引入第四顆衛(wèi)星，形成四個(gè)方程求解，以獲得接收器的位置。而在現(xiàn)實(shí)情況下，接收器通?？梢枣i定4個(gè)以上的衛(wèi)星。在這種情況下，接收機(jī)可以根據(jù)衛(wèi)星的位置分為幾個(gè)組，每組有4顆衛(wèi)星，再利用算法選擇誤差最小的組進(jìn)行定位，從而提高精度。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分定位技術(shù)，定位精度可提高到米級(jí)[1]。

2.2 北斗短報(bào)文原理

北斗短報(bào)文是相較于其他衛(wèi)星系統(tǒng)所獨(dú)有的功能，不依靠移動(dòng)通信信號(hào)，利用衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信，能夠提供全覆蓋、全天候、無(wú)盲區(qū)服務(wù)[2]。與傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，北斗短報(bào)文系統(tǒng)具備覆蓋范圍廣、服務(wù)不間斷、不受地形條件和環(huán)境氣候影響等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在森林防火、應(yīng)急搜救甚至民用信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

通常情況下，北斗短報(bào)文的長(zhǎng)度限制為120個(gè)漢字或240個(gè)英文字符以內(nèi)。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和安全性，數(shù)據(jù)應(yīng)嚴(yán)格符合北斗短報(bào)文的格式要求，并經(jīng)過(guò)調(diào)制和編碼處理，同時(shí)加入校驗(yàn)碼，發(fā)送到指定的北斗地面站。北斗地面站接收到短報(bào)文后，自動(dòng)進(jìn)行解碼和校驗(yàn)參數(shù)的運(yùn)算。在得到正確信息后，便會(huì)將它轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的北斗衛(wèi)星，再通過(guò)北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播和轉(zhuǎn)發(fā)。接收方設(shè)備通過(guò)北斗衛(wèi)星接收并解碼接收到的短報(bào)文，接收方可依據(jù)系統(tǒng)約定的操作步驟，通過(guò)北斗短報(bào)文終端對(duì)該信息進(jìn)行處理或回復(fù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由終端設(shè)備和后臺(tái)管理中心組成，利用北斗短報(bào)文通信及定位技術(shù)，并結(jié)合溫度傳感器，把光纜定位數(shù)據(jù)及溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)短報(bào)文形式傳輸?shù)胶笈_(tái)管理中心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)變化?；诒倍返墓饫|定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)作流程如圖2所示。

圖2 基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)作流程圖

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，光纜溫度升高，溫度監(jiān)測(cè)模塊產(chǎn)生告警信息，故障定位模塊接收機(jī)向北斗衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)。北斗中心收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的故障定位模塊接收機(jī)通信服務(wù)申請(qǐng)，根據(jù)短報(bào)文接收終端接收信號(hào)情況，擇優(yōu)選擇衛(wèi)星下行通道，將光纜定位模塊接收機(jī)短報(bào)文原文向接收終端轉(zhuǎn)發(fā)。

3.1 終端設(shè)備

基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端設(shè)備集北斗三號(hào)短報(bào)文通信、定位功能、藍(lán)牙通信等功能于一體，具備雙向短報(bào)文通信、位置報(bào)告、定位授時(shí)等功能。終端設(shè)備采用一體化設(shè)計(jì)，全向天線無(wú)須對(duì)星，為適應(yīng)電力通信光纜所處的野外、山林、高空等惡劣環(huán)境，終端的設(shè)計(jì)充分考慮了防水、防腐蝕等要求。

終端設(shè)備如圖3所示。終端設(shè)備同時(shí)支持4G全網(wǎng)通通信、LoRa自組網(wǎng)通信等功能，可與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)同時(shí)使用，滿足電力通信光纜運(yùn)維的多元化使用需求。

圖3 終端設(shè)備示意圖

終端設(shè)備的北斗短報(bào)文和北斗定位主要參數(shù)如表1、表2所示。

表1 北斗短報(bào)文主要參數(shù)

表2 北斗定位主要參數(shù)

3.2 后臺(tái)管理中心

基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后臺(tái)管理中心可實(shí)現(xiàn)臺(tái)賬管理、定位展現(xiàn)、北斗設(shè)備管理、電子圍欄、庫(kù)存管理和工單流程等功能。運(yùn)維人員可通過(guò)后臺(tái)管理中心獲取故障點(diǎn)定位，并將定位進(jìn)行可視化展示。后臺(tái)管理中心管理界面如圖4所示。

圖4 后臺(tái)管理中心

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于北斗的光纜定位及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位及短報(bào)文功能，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與電力通信光纜運(yùn)維作業(yè)深度融合，得以快速準(zhǔn)確判斷光纜故障點(diǎn)，有效提升了電力通信光纜運(yùn)維搶修效率。同時(shí)，在電力行業(yè)之外，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也可用于電信、鐵路、石油、公安等各行業(yè)、各領(lǐng)域。