摘要：
北鬥衛星導航系統（Beidounavigationsatellitesystem,BDS）對於智能電網的發展具有重要的推動作用。從BDS的發展現狀和趨勢分析出發，結合智能電網的需求，對BDS在智能電網中的應用開展研究。構建基於BDS的統一時空信息支撐框架，從授時、定位導航和短報文通信等方面分析BDS在智能電網的相關典型應用，結果表明：BDS是未來智能電網發展的基礎支撐組件，大數據、雲計算、物聯網、移動網際網路、人工智慧等技術綜合應用會對BDS起到融合增強效果，而BDS在智能電網的深化應用還面臨成本、應用場景拓展、標準體系建設等挑戰。
引言
自1994年中國啟動北鬥一號系統的工程建設以來，從北鬥一號起初僅為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務，到北鬥二號面向亞太地區用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務，北鬥衛星導航系統（Beidounavigationsatellitesystem,BDS）歷經26年的持續發展，2020年6月全面建成的北鬥三號系統將為全球用戶提供授時、定位導航、全球短報文通信和國際搜救服務，同時可為中國及周邊地區用戶提供星基增強、地基增強、精密單點定位和區域短報文通信等服務。BDS作為著眼於國家安全和經濟社會發展需要的國家重要時空基礎設施，是中國戰略性新興產業發展的重要領域。
BDS已成為被聯合國衛星導航委員會認定的全球四大導航系統之一。相比於GPS的信號可靠性不能充分保障、易受「幹擾」等弊端,BDS具有抗遮擋能力強、服務精度更高、服務能力更強等特點。隨著中國衛星事業的發展，其應用功能和性能有很大提高空間。
2009年9月，中國確立「天地互備，以北鬥為主」的電力授時體系，開闢了智能電網建設的新紀元。目前，電力行業已經陸續開展了基於BDS的各類應用研究，集中體現在電力授時系統、輸電桿塔滑移監測及狀態監測預警、用電信息採集、新能源電廠調度數據安全採集與傳輸、應急終端等方面的應用。在國家電網公司經營區域內，要求新建/改造調度主站/變電站的時間同步裝置接收北鬥授時信號；各省公司電力通信頻率同步網的基準時鐘源全部接入北鬥信號，重要節點接收北鬥授頻信號；通過安裝形變監測設備、布置基準站的方式預計將在2022年實現對輸電線路杆塔的全覆蓋監測，為在電力行業的深化應用奠定了基礎。
雖然BDS已經在各個「點」和「線」取得了豐富成果，但相比於其在智能電網中的廣闊應用前景，與基於北鬥的時空信息綜合服務成為智能電網的基礎支撐、各環節可用的目標還有很大距離，需要從智能電網的長期發展進行全局化考慮，當前迫切需要系統化地開展BDS在智能電網應用的綜合體系設計和深入應用挖掘。
1北鬥導航系統服務現狀
北鬥二號系統通過發播B1Ⅰ和B2Ⅰ公開服務信號，免費向亞太地區提供公開服務，服務範圍覆蓋南北緯55°、東經55°～180°的區域，實現定位精度優於10m、測速精度優於0.2m/s、授時精度優於50ns的性能指標。
2智能電網建設對BDS的需求分析
智能電網以堅強網架為基礎，以信息通信平臺為支撐，需要集成各種先進傳感技術、信息通信技術和自動控制技術才能具備高度信息化、自動化、互動化特徵，是能源網際網路發展的重要基礎。建成安全可靠、開放兼容、雙向互動、高效經濟、清潔環保的智能電網體系，實現清潔能源的充分消納、提升輸配電網絡的柔性控制能力、滿足並引導用戶多元化負荷需求是智能電網的發展目標。隨著大規模新能源的併網以及分布式新能源的接入，電網結構變得越發複雜，新能源出力的不確定性也給電力系統的安全監測和穩定運行帶來了一定的困難。電力系統對於可觀性和可控性的需求也愈發突出。
在此背景下，智能電網對於BDS需求突出體現在基礎功能需求和應用需求2個方面。
2.1基礎功能需求
充分利用北鬥的精密授時授頻、精準定位與導航、短報文通信功能，進行「北鬥+電力」模式的應用和探索，為智能電網建設提供支撐。
(1）對高精度授時的需求。統一時間系統是智能電網應用的重要基礎。一方面，調度自動化系統、雷電定位系統、監控系統等各類系統和同步相量測量裝置（PMU）、事件順序記錄（SOE）、故障錄波器等設備對時間精度提出了更加嚴格的要求；另一方面，提供全網統一的時間基準是電網各級調度機構、發電廠、變電站、集控中心等能夠進行時間一致性的實時數據採集的基礎。雖然各類電力自動化系統對時鐘基準的需求也有差異（例如PMU要求時鐘偏差不能超過55μs，否則不能保證相位誤差在1°以內；而普通的變電站後臺監控系統精度在100～500ms），但隨著大數據、人工智慧等各類應用的發展，智能電網對各類數據的時鐘精度要求越來越高，BDS的20ns授時精度和可靠性都具有很大的優勢，可為智能電網安全穩定運行提供有力支撐。
(2）對精確定位和導航服務的需求。對特高壓線路、重要輸電通道及特殊地質條件的輸電線路杆塔塔基的滑移情況進行監測，是提高輸電線路災害預警能力的有效途徑，是保障智能電網輸電環節安全可靠運行的必要基礎。通過在輸電桿塔關鍵位置安裝北鬥監測點設備、監測點附近建設基準站的方式，可以實現釐米級、毫米級精度的塔基相對偏移量監測。
架空輸電線路的運維環境日趨複雜，僅僅依靠人工巡檢方式已不能滿足越來越嚴格的運維檢修要求，尋求提高線路巡檢工作自動化程度的智能化巡檢工作模式成為必然。有人直升機和無人機巡檢方式應運而生。無論是直升機還是無人機，除了通過機載的傳感設備（如相機、紅外成像儀等）對架空線路進行巡查外，還必須有導航定位系統的支持才能保證設備定位的有效性和無人機飛行的安全性。
電動汽車產業的發展和在運電動汽車數量的增長，使得充電站（樁）的實時定位和車輛導航需求也進一步增長。一方面，基於BDS/GPS的電動汽車充電站智能定位系統可以將接收到的充電站（樁）的位置信息嵌入內置電子地圖中，實現對充電站（樁）的實時定位和電動汽車充電路徑的規劃和優化[23]；另一方面，基於BDS/GPS的車載終端可以遠程監測電池狀態、跟蹤電動汽車位置，實現電池故障的診斷和電池特性的分析。
(3）對短報文通信的需求。對於部分既沒有公網信號覆蓋又沒有光纖通信鏈路而部署專網成本過高的偏遠地區而言，存在3類問題亟待解決。一是處於偏遠地區的輸電線路的狀態監測數據（傳感器類）上傳難、回傳實時性差問題；二是小水電、自備電廠、分布式光伏等非統調電廠的電力信息採集和傳輸問題；三是這類地區的用電信息採集長期以來依賴人工抄表，與用電信息採集系統要求的「全覆蓋、全採集、全費控」的目標相距甚遠。BDS的短報文通信實時性高、覆蓋範圍廣、傳輸安全可靠的優點，契合了各類數據傳輸的需求，通過輸電線路現場與主站間信息的實時傳遞，為線路巡檢人員提供定位和導航功能；解決非統調電廠信息採集應用需求；通過「北鬥+採集終端」模式完成無信號偏遠地區的用電信息採集。
2.2應用需求
BDS的應用還涉及眾多其他因素，客觀上決定了其應用的範圍和效果。
(1）成本限制。對所有設備/系統都配置BDS接口晶片以及配套的處理系統，雖然可以得到最好的時空信息服務，但是過高的成本也會限制BDS的廣泛應用。事實上，不同的應用對時空信息服務的精度要求是有區別的，同時考慮BDS信號的復用可以降低總體成本。
(2)ICT支撐。BDS應用並不僅僅限於接收到衛星信號。實際上，BDS的真正價值體現在基於ICT技術對衛星信號的進一步處理和挖掘。同時，ICT支撐也是BDS信號的共享和復用的基礎。
(3）部署便利性。限制BDS應用範圍和深度的一個重要因素是部署是否方便。如果BDS的應用需要對原有系統做大的改變或者較多的二次開發等，都難以使其大範圍推廣應用。
(4）標準體系。真正大範圍推廣BDS應用，離不開BDS在電力行業應用標準體系的建立。標準體系的建立，既是對已有成果應用經驗的總結和固化，也是進一步大範圍推廣和提升的基礎。
(5）安全保障體系。BDS在電力系統的應用，必須考慮到安全因素。作為高可靠性行業，必須對包括對時錯誤、定位錯誤、短報文通信的限制條件和故障率等問題建立應對預案，從事前預防、事中監控到事後處置，乃至事後補缺改進，形成閉環的安全保障體系。
3基於BDS的時空統一應用支撐框架
BDS作為智能電網應用中無處不在的基本支撐組件，為了使高精度授時、定位和導航、應急通信成為智能電網中隨處可用的服務。
(1）構建時空信息支持平臺。通過建立時空信息支持平臺，統一接受高精度衛星信息並處理，轉而基於網絡對各類智能電網設備/系統提供二次服務。
時空信息支持平臺在功能上主要包括：接受高精度衛星信號；通過網絡對智能電網中的各類設備和系統提供授時、定位等支持服務；匯總各類時空信息及其他相關信息，形成綜合數據平臺，並提供相關服務；根據應用需求，靈活提供各類綜合服務。
時空信息支持平臺在系統架構上主要包括5個方面。(1)衛星信號處理層：處理和引入高精度衛星信號；管理和維持以北鬥為主、GPS等其他衛星為輔的信號來源。(2)網絡互聯層：實現與電力系統其他各類應用、地基增強系統、星際增強系統等互聯互通和互補協作；時空信息支持平臺本身也可以是分布式部署，而通過網絡互聯層實現互聯。(3)時空綜合數據層：包括位置信息數據、地理信息數據、衛星應用數據等各類數據的採集、處理、存儲；維護和管理時空綜合資料庫；實時更新相關時空信息數據。(4)時空信息應用服務層：針對電力系統各類應用，提供各類專業服務，例如高精度網絡授時服務、短報文轉發、輸變電設備監視、防災減災定位、應急響應服務等。(5)時空服務接口層：各級各類應用需求，彈性提供各類服務接口，實現對時空信息應用服務的包裝。
時空信息支持平臺可以採用類似雲中心的方式部署，也可以直接部署為一個後臺服務系統，其應用範圍根據需要靈活設置。
(2）差異化的授時服務。根據成本、精度要求，提供差異化授時服務。直接通過晶片接受BDS/GPS授時、通過網絡從時空信息支持平臺獲取一定精度的授時服務，還可以綜合應用直接衛星授時、網絡授時，甚至以其他設備為時鐘源獲取授時信號。
(3）差異化的定位和導航服務。根據成本和精度要求，通過晶片直接接受BDS/GPS衛星信號，或者通過網絡接受時空信息支持平臺的二次服務，還可以在兩類服務間靈活切換，滿足不同應用需求。
(4）應急通信。BDS短報文通信作為一種特殊保障性通信手段，在原有的電力專網通信和電信公網通信之外，增加了電力應用的通信方式，拓展了應用範圍，提高了可靠性。
(5）與社會性支持系統的協同。從降低成本、提高利用率和服務質量的角度，電力時空信息支持平臺也可以考慮與社會性支持系統的協同，相互支撐提供相關服務。例如在有限條件下，電力時空信息平臺可以向應急處置之類的社會應用開放，而未來部分社會性時空應用服務（如社會性星際增強和地基增強系統），條件合適時也可以引入電力系統應用。當然，二者之間要通過隔離裝置並滿足相關的安全管理要求。
(6）應用提升。BDS的廣泛應用，相當於為大量電力應用增加了時空信息，這些數據資源為電力系統應用的數位化、自動化、智能化提升提供了有力支撐。
(7）成本靈活控制。並不是所有的授時和導航應用都需要直接獲取衛星信號，通過二次服務的方式，使得總體應用成本靈活可控，客觀上有利於BDS在電力系統的推廣應用。
(8)ICT的支撐。時空信息支持平臺的具體形式，可以是雲中心模式，也可以是一定範圍內的後臺服務系統（例如一個變電站範圍內），並提供簡單和通用的客戶端和服務接口。需要大數據、雲計算、人工智慧、區塊鏈等各類ICT技術的支撐。
(9）標準體系。標準體系對BDS在電力行業的應用推廣具有重要作用。實際上，目前相關機構正在積極制定電力北鬥標準體系[25]。電力行業與北鬥衛星導航領域建立統一協調推進機制，依據北鬥產品屬性（晶片、模塊、天線等基礎產品，終端設備、應用系統與應用服務等）、在電力行業的應用種類、電力業務場景拓展等分層級（基礎類、產品與設施類、應用類）、分階段（近期、中期、遠期）加快推進電力BDS體系建設，並實現與現有標準的有效銜接。
(10）安全保障體系。建立可靠的安全保障體系是BDS在電力行業廣泛應用的前提。BDS的應用必須符合各類電力系統應用安全管理規定，時空信息支持平臺本身的可靠性比單獨的電力設備/系統要高，網絡和衛星應用的結合提供了相互檢驗、相互支撐的保障。
4典型應用場景分析
隨著BDS在電力行業的授時、定位導航和短報文通信示範應用的日漸成熟，系統梳理BDS的主要功能在電力行業的應用場景，才能進一步拓展其應用的深度和廣度，有力推動BDS在智能電網的「發、輸、配、變、用、調度」等環節的推廣應用，支撐智能電網發展。
(1）基於時空信息支持平臺，通過網絡方式或者結合「網絡+衛星」的綜合方式為所有應用提供時空信息服務。
(2）根據不同的精度需求，提供授時服務。
目前中國在500kV及以上變電站、220kV重要變電站、100MW及以上的主力發電廠安裝了近3000套同步相量測量（PMU）裝置。以PMU為基礎的廣域相量測量系統（WAMS）對提升電力系統動態安全穩定的監測與控制能力已得到廣泛認可，成為電網監測與控制的有效手段。基於北鬥同步時鐘的PMU的同步相量數據，具有時間上同步、空間上廣域的特點，其全網同步時間標籤是根本特徵，也是基於PMU的WANS的基本監視類、安全穩定分析類以及辨識類等高級應用功能得以實現的基礎。分布式新能源發電、儲能與電動汽車大量接入配電網，給配電網的運行與控制帶來了更多的隨機性與不確定性，在配電網安裝基於高精度微型同步相量測量裝置（DPMU）的廣域量測系統成為應對這類挑戰的有效途徑之一。DPMU通過測量配電網節點電壓、電流等同步信息，為配電網提供精確同步時標的電力數據，進而服務於配電網實時監測、態勢感知和故障分析處理。相比於在發電側的PMU，由於配電網量測精度需求高，可以充分發揮BDS的精密授時功能，滿足DPMU對同步時鐘的授時精度與守時能力的較高要求。
DL/T1283—2013《電力系統雷電定位監測系統技術規程》的規定，雷電定位監測系統的時鐘同步的精度要滿足優於0.1μs的要求。相比於DL/T1100.1—2018《電力系統的時間同步系統》規定的要求，是所有電力應用中對時鐘同步要求最高的。雷電定位系統一般同時使用定向法和時差法實現雷電定位[29]。時鐘同步的精度決定了定位精度。利用北鬥高精度授時技術可以極大提高雷電定位系統時鐘同步的精度。
基於GPS/北鬥的秒脈衝同步採集的分布式無線高壓絕緣帶電測試系統，輔以軟體流程的時序協同控制，使介損測量誤差小於0.05%，能夠滿足變電站容性設備、避雷器的帶電測試的高精度要求。
(3）定位導航服務類的深化應用。包括結合BDS地基增強系統的高精度形變監測、智能巡檢、車載終端等。
除了通常在輸電桿塔關鍵位置安裝監測點設備、附近架設基準站的方式外，藉助BDS的地基增強系統，覆蓋更大範圍和不同電壓等級下的輸電桿塔，同時構建省級或區域級的輸電桿塔狀態的自動監測及預警平臺，實現輸電桿塔全天全時段集中監測、預警，突破目前局部於小範圍杆塔監測的局面，實現全網範圍內的全覆蓋監測。以天地協同方式構建輸電線路物聯網架構，空中採用遙感衛星對輸電線路山火、通道異物、杆塔傾斜等較大缺陷進行廣域高效監測，地面以輸電線路導線上監測裝置作為邊緣計算設備，再通過BDS短消息通信網絡實現海量小數據的回傳，有效解決山區輸電線路信號盲區的問題。BDS定位技術和地基增強技術為電力設備狀態感知、通信和位置服務提供了更加靈活的應用手段。
研發基於BDS定位技術的智能可穿戴類設備，比如智能安全帽[31]，通過集成檢修人員生理狀態的採集單元、語音通信單元和視頻採集單元，實現對現場檢修人員的位置定位、現場故障情況以及人員生理健康水平的實時監測、實時語音對講和視頻傳輸，有效提高檢修工作效率。
優化直升機、無人機和人工巡檢的配置方式形成有效的協同立體化巡檢，是提高輸電線路的運維檢修水平的大勢所趨。研製支持高精度定位的無人機設備，才能滿足無人機對杆塔的精細化自主巡檢要求。要實現無人機巡檢智能化，需要解決巡檢數據智能化處理、無人機自主導航和續航三大核心問題。其中，自主導航是實現無人機自主巡檢的核心技術，本質上需要高精度定位技術的支持。藉助高精度北鬥定位導航、GPS組合導航和定高控制功能[32]，使無人機在懸停時達到要求範圍內的導航精度和高度，保證任一導航系統出現問題或信息屏蔽時的設備定位的有效性和無人機飛行的安全性。
目前移動巡檢機器人採用的定位導航技術主要有磁導航、軌道導航、慣性導航、GPS導航以及雷射雷達導航等。GPS導航技術的定位精度通常為米級，無法滿足定點精確測量的需求，而且GPS信號會受到電力設備的電磁擾動的影響，使得導航的可靠性受到制約。採用雷射雷達和慣性導航組合的精確地形匹配的導航定位精度達到1cm。截至2019年年底，在中國範圍內已建設155個框架網基準站和2200多個區域網基準站。充分利用北鬥地基增強系統能夠在系統服務區內提供實時米級、分米級、釐米級和後處理毫米級增強定位服務的能力，開展嘗試探索BDS在巡檢機器人的可行性研究。
了融合存儲、感知、通信等功能的智能感知標籤（eRFID），藉助北鬥定位和加權四邊測距定位算法使設備在電力倉庫實際定位精度達到1.38m，實現電力設備室內外全方位定位，對電力資產全壽命周期的身份編碼和狀態感知的有機結合做出了有益探索。
(4）衛星通信應用。除了利用短報文功能的用電信息採集終端、遠程抄表等在偏遠地區的信息化應用外，還可以在充電樁遠程控制和應急通信終端方面深化研究。
運用BDS安全可靠、全天候機制，不受任何颱風、地質災害等影響的優勢，對建設在人員稀少、環境偏僻的充電站（樁）採用短報文一對一發送接收功能，實現充電樁運維系統遠程控制是未來的發展趨勢。
基於Android等作業系統，結合BDS的定位導航功能和天通的衛星電話、數據傳輸功能，設計集衛星電話、定位導航、衛星數據為一體的電力應急通信終端，提高應急指揮調度的實時通信能力和效率。
(5）時空信息支持平臺提供的各類其他應用。時空信息支持平臺可以匯聚大量時空信息，這些信息與傳統電力系統數據的結合，蘊藏著大量內在價值，為大數據、人工智慧等應用提供了基礎。
5與其他新興技術的融合增強效應
BDS在智能電網深化應用場景的實現不僅需要時空統一應用支撐框架的支撐，而且還要與大數據、雲計算、物聯網、移動網際網路、人工智慧等新興技術充分融合，才能更好地應用「北鬥+電力」的模式。
(1）與雲計算。雲計算為時空信息支持平臺提供了可選的部署和應用模式。充分利用雲計算的可靠性高、數據處理量巨大、靈活可擴展以及設備利用率高等優勢，與BDS深度融合，有效支撐在智能電網建設過程中的落地應用。同時雲計算對其他各類新興技術應用具有廣泛的支撐效應。
(2）與物聯網和移動網際網路。圍繞北鬥+物聯網核心，實現位置網和物聯網的融合，搭建北鬥+物聯網的推廣應用平臺，構建新的產業生態圈。
移動網際網路的飛速發展和移動智能終端的普及使得對位置信息的需求量呈上升趨勢，BDS完全能夠滿足移動網際網路技術對定位導航功能的需求。二者之間互為促進和發展，BDS為移動網際網路提供定位服務，而BDS的定位導航功能又延伸了移動網際網路的應用範圍。
(3）與大數據。從大數據的角度來看，廣泛部署在智能電網的各類傳感器、能量管理系統、設備管理系統、WANS、調度自動化系統以及其他各類信息平臺，積累了海量多源異構的電力大數據，這些大數據均關聯了統一的時空信息，屬於典型的時空大數據。挖掘數據的時間、空間、對象之間的複雜動態關聯關係，需要研究一種全新的電網時空大數據應用模式。
(4）與人工智慧。從人工智慧的角度看，時空信息支持平臺中隱含了大量內在的關聯性，通過大數據應用把時空信息與海量採集信息進行關聯，也為人工智慧的發展和應用提供了豐富的素材。
(5）融合增強。「萬物互聯」的物聯網應用中，存在大量授時、定位和通信的需求，與北鬥應用、移動網際網路應用有相互促進的作用。北鬥與雲計算、大數據、物聯網、移動網際網路和人工智慧深度融合，構建時空信息支持平臺，推動智能電網高質量發展。
BDS的應用，一方面離不開雲計算、物聯網的支撐，另一方面也為大數據、移動網際網路、人工智慧提供了新的數據源和提升的基礎，同時以上各類應用相互之間也提供了更豐富的應用場景，各類技術相互支撐，發揮著融合增強的效應。
6關鍵挑戰
BDS已經在電力系統獲得了一定程度的應用，未來的應用深度和廣度還面臨以下關鍵挑戰。
(1）成本。直接使用BDS服務是有成本的。實際上，同樣是直接處理北鬥衛星信號，也分為精密測量型和低成本導航型，其衛星信號的處理精度與成本密切相關。其實並非所有的應用都迫切需要時空信息的直接支持，通過時空信息支持平臺提供差別化的二次服務，有助於降低成本。成本的降低是北鬥系統大規模應用推廣的基礎。
(2）應用場景拓展。BDS在智能電網中的應用還有很大拓展空間。實際上，北鬥和5G技術一樣，未來具有廣闊的應用空間，目前只是起步階段，應該加大在電力行業的全領域應用場景的拓展力度。
(3）安全和可靠性。相比於GPS衛星導航系統，由於BDS使用新型導航信號體制、星間鏈路、高精度衛星鐘系統等技術，其系統的安全性與穩定性已大幅提高，在全球的服務可用率優於95%。從自主性、安全性與技術性的優勢考慮，BDS替代GPS應用於電力行業是必然趨勢。隨著晶片、模塊的可靠性和成熟度的提升，需要考慮與現有系統的兼容性，各種應用場景下的無縫、可靠的銜接與集成的需求。
(4）標準化。標準化有助於保障應用質量，降低融合成本，推動BDS在電力系統更廣泛的長期應用。但是BDS在電力行業的應用標準化涉及基礎支撐、產品設施、具體應用等不同的層次，面臨智能電網、能源網際網路不同的發展階段需求和各廠商差異化的技術路線和接口，存在面廣、量大、得到各方認同的難度較高的困難。
7結語
北鬥作為中國的重要戰略性技術，從長遠看基於BDS的時空信息服務應該是智能電網的一個重要基礎組件，實現智能電網中的時空信息服務「無處不在，需則可用」是大勢所趨。
對BDS服務的應用，需要全局化考慮和布局，dlzbcg.wang本文提出的「基於BDS的時空統一應用支撐框架」設想，就是一種集約化布局的思路，綜合衛星信號、網絡服務、互補支撐及各類其他支持系統，可以為各類電力設備和系統按需提供差別化的服務。
隨著BDS的發展，電力行業的應用場景挖掘是一個根本性的問題。在統一規劃時空信息服務支撐框架基礎上，恰當的應用場景是BDS切實助力中國電力技術發展的關鍵。