北斗在电力领域的应用

北斗在电力领域的应用在电力系统运营过程中，难免会有接地、短路等故障，因此需要电力工人进行故障位置确定和巡线。然而变电站之间的距离较大，稍远一点的两个站点之间就有几百公里，因此在平原地区的巡线工作相对较为容易，但在如西南山区等地区较为困难。八十年代电力系统进行了一次故障测试实验，发现时间同步的问题有待解决，从而引入了GPS系统；90年代初全世界均采用了同步向量测量系统（PMU），也称为电力系统的健康体检系统。在从80年代到90年代的这段时期内，我国电力领域主要依赖GPS的时间同步技术。但由于GPS系统受美国控制，安全隐患始终难以消除，为了防止其影响我国电力设备的正常工作，进而避免电力系统工作紊乱等灾难性后果，满足电力生产及管理业务等方面的时间精度需求，尤其是我国提出时间的自主性、安全性和可靠性要求后，单一GPS授时已经不能适应电力行业发展的要求。我国自主建立的北斗系统发展迅速，技术日渐成熟，安全性明显优于GPS，对保障电网运行控制的安全可靠及电力系统的安全稳定运行具有重大意义。北斗卫星导航系统在电力行业的推广应用可以大大提高未来国家能源建设的可靠性。一、北斗在电力领域的示范应用（一）总体情况2010年，国家电网公司开始大力推进北斗系统在电力行业的应用，目前主要应用包括高精度授时、授频、车辆定位导航以及短报文通信应用。截止2016年底，在北斗授时方面，电网控制领域90%的调度主站自动化系统和20%的变电站时间同步装备均已接收北斗授时信号（66KV及以下变电站配置时间同步系统较少），新建和改造调度主站自动化系统/变电站时间同步装置100%接收北斗授时信号；管理信息领域100%应用北斗授时信号。随着电力系统自动化的发展，调度自动化、变电站雷电定位、功角测量单元、行波测距等装置对时间精度提出了更加严格的要求。在北斗授频方面，电力通信频率同步网中14%的重要节点已接收北斗授频信号；在北斗定位方面，国家电网公司总部及所属各单位85%的公务生产用车辆均安装了基于北斗定位的车载终端，全部统建的应急指挥通信车也都配置了北斗卫星导航系统。高精度定位功能在输电线路杆塔形变监测、配电终端故障定位方面发挥着重要作用。除此之外，在电力工程测绘、电力智能巡检、充电桩管理、地质灾害监测等领域也有示范性应用。在北斗短报文通信方面，部门省公司通信公网未覆盖地区已采用北斗短报文通信，解决了业务数据远程回传问题。（二）标准制定2009年，国家能源局发布《DL/T1100.1-2009电力系统的时间同步系统第1部分：技术规范》中明确要求，应用电力的时间同步设备应配置北斗授时模块；2010年，国家电网公司发布《十二五发展规划》中强调了电力时间同步系统建设的基本原则，其中对“北斗授时为主”的授时原则进行了描述，同年国家质检总局和国标委联合印发的《GBT26866-2011电力系统的时间同步系统检测规范》也对北斗在电力应用进行了规范；2013年，国家电网公司发布了《关于加强电力系统时间同步运行管理工作的通知（调自[2013]82号）》文件，对时间同步装置的以北斗为主的多元判决机制、监控机制等做了详细的要求。此外，《国家电网公司通信频率同步网建设指导意见》、《国家电网公司智能运检技术发展规划》、《国家电网公司“十三五”运检专业规划》以及充电站、充电桩、机器人和无人机等行业标准均将北斗列入重点技术和资金支持领域。（三）示范应用1.北斗授时电网控制领域90%的调度主站自动化系统和20%的变电站（66KV以下变电站配置时间同步系统较少）时间同步装置已接收北斗授时信号，新建和改造调度主站自动化系统/变电站时间同步装置100%接收北斗授时信号；管理信息领域100%应用北斗授时信号。在北京、上海、西安三地灾备中心分别建设完成了3个安全稳定可靠的一级时间源节点，该时间源节点以北斗信号为主、GPS信号为辅溯源到统一的标准时间。截止2017年底，国家电网110KV以上变电站时间同步系统北斗应用近12000台/套，覆盖率近95%。2013年后，新建及改造变电站北斗卫星授时介入率达100%，在电网生产运行过程中发挥了很好的作用。2.导航定位2008年，国网公司在应急通信指挥系统建设之初即采用了北斗一代卫星导航系统，统建的全部应急通信车均安装了北斗定位终端。公司已建设统一车辆管理平台，覆盖公司生产和公务用车16.8万辆。2015年12月，完成车载终端的应用数量约为41046个。2016年12月，在全国范围开展平台的推广应用，已完成国网北京、冀北、天津、河北、山西、上海、江苏与浙江等27家省电力公司、6个分部及直属单位，约计4万台北斗车载终端的安装工作。国网正在积极推进无人机、机器人巡检试点应用，积极推广充电站、充电桩和配网设设备定向应用。3.短报文通信目前北斗短报文用电信息采集装置已在青海、宁夏、浙江、冀北、重庆和四川等电力公司通信公网未覆盖地区投入使用，应用规模为2725套；在配网终端检测方面，目前国网冀北电力正在开展北斗卫星系统支撑配网智能化建设示范应用，实现通信公网未覆盖地区的故障定位与抢修，共使用北斗短报文终端70套，北斗手持终端5台，北斗指挥机2台；应急通信方面，目前已在统建的13辆应急通信车上安装使用了北斗短报文终端，利用北斗系统定位车辆位置并回传。4.发展目标以国家北斗安全发展战略为指导，以实际业务求满足为任务，采用“统一建设、分步实施、逐级应用”的原则，构建具有电力特色的北斗应用体系，健全完备的北斗电力行业标准制度、检测体系等，全面实现与公司生产体系和业务体系的深度融合。到2020年，依据公司自身技术和业务积累，结合北斗产业总体发展环境和外部趋势，立足电力生产业务扩大北斗应用规模，建成基于北斗等卫星通信的电力应用服务网，力争实现北斗系统应用全覆盖，构建自主可控的安全体系，完善电力行业北斗应用标准体系，推动北斗系统国际化，全面支撑全球能源互联网和“一带一路”发展战略。5.重点领域与主要任务1）建设位置、短报文、时频服务网依托公司变电站资源和电力专网光纤链路，建设“位置、短报文、时频”综合服务网；建设北斗地基增强站，构建国家北斗精准位置服务网电力专网。2）建立电力行业北斗数据中心负责电力行业北斗系统数据管理运行，开展数据信息挖掘与应用，推进高密度数据流处理与分析，提供精密、精准数据服务，提升用户位置信息的准确性和及时性，形成电力行业自主可控的导航与位置服务能力，并组织开展电力行业数据分析发展战略与规划研究。3）建设基于北斗的行业应用软硬件设施开展电力北斗芯片技术研究，设计电力行业专用基带芯片、射频芯片和SoC芯片，实现基带信号和定位信息处理，北斗卫星高频信号上下变频、滤波和放大处理等功能。4）完善北斗业务应用服务体系鼓励传统业务北斗应用，开拓北斗应用新领域，借助北斗系统实现对无人区、深林覆盖区域电力设备的监控和灾害预警，研究无人巡检和自动告警技术，有效提升电网管理精益化程度。6.应用展望：互联网+北斗+智能电网根据国家能源局电力“十三五”规划预测，构建“互联网+北斗+智能电网”电力运营模式，全面推动北斗在“发、输、配、变、用、调度”等领域的推广应用，推动智能电网发展。2016-2018年电力时间同步系统新建站需求北斗设备5830台套，改造152台套，预计至2020年，将建设集中式换电站1.2万座，充电桩480万个。配网自动化作为十三五工作重点，各设备间均需要位置和时间信息，但应用模式需要开发。北斗在配网自动化领域有着上亿级用户体量，并在电力设备状态检测（无人机、机器人、杆塔形变等领域）有着的广阔应用空间。7.落实一带一路政策，加强国际合作近年来，国家电网公司积极开展对外业务，扩展电力装备出口，积极推进高效火电、水电、核电、输变电等大型成套设备出口，积极推动对外电力服务，带动电力设计、标准等技术服务国际合作，先后参与巴西、葡萄牙、俄罗斯等国家地区的电力建设项目。中国北斗可以跟随电力的国际化，走出中国，进入海外；同时北斗也为电力国际化提供了支撑和保障。二、北斗对大电网测量与控制的意义当下我国电力系统在能源革命背景下面临新的挑战。目前我国电力总装机容量13亿KW，位居世界第一，其中西电东送4亿KW；拥有2条1000KV特高压（世界最高电压等级），4条±800KC特高压直流（HVDC），以及31条常规直流线路。我国已形成世界上服务人口最多、覆盖区域范围最广、输电电压等级最高、可再生能源装机容量最大的大型互联电网。主要用电区域集中在华北和华中地区，而电力供给较为分散，如分布在东北的新能源、西北的风电和西南的水电。由于电力不能大规模储存，因此保证电力的并网和时间同步，维护电网的稳定性非常重要，实现如此复杂系统的实时能量平衡是一项世界性难题。大停电事故会造成严重的社会影响和经济损失。上世纪90年代PMU诞生后，其同步性和快速性使大电网动态过程监测与控制成为可能，在历次大停电事故中发挥了巨大作用，目前已在世界范围内推广应用，国内现在已拥有超过2500台PMU。我国电网的大电网动态过程监测与控制在较长一段时期内主要依赖全球卫星定位系统GPS时间同步技术。北斗授时精度完全可以满足电力系统广域相量测量系统对时间同步的需求，从而摆脱了对GPS的依赖。三、电力领域相关实验检测情况2017年2月，国网电力科学研究院全资成立独立法人检测机构“国网电科院检测认证技术有限公司”。中心/实验室具有国家级资质认定CMA和国家实验室认可CNAS资质，可以向社会出具具有证明作用的数据和结果。中心/实验室是2个公司重点实验室和1个公司实验室的依托单位，同时也是“智能电网保护和运行控制国家重点实验室”公共实验研究室依托单位。2014年，中心通过美国安全检测实验室（UL）的实验能力、设备及人员审核，成为其授权实验室，具备充电产品对美标、UL标准开展实验测试的能力；2017年4月取得国际电工委员会电工产品合格测试与认证组织（IECEE）授权的CB实验室证书。实验室近3000平米，具备完整的EMC和环境可靠性等方面的全套检测平台，能够对电子产品的物理特性和可靠性进行全面的考核与评估。北斗授时系统在智能电网中的应用前景基于北斗一代系统、北斗二代系统、GPS系统的高精度授时系统在智能电网建设过程中具有广泛的应用前景，特别是目前北斗授时系统得到了国家的大力扶持，得到了空前的发展。1）北斗卫星导航系统是我国自主知识产权、自主建设的独立系统。开展北斗高精度授时技术在智能电网中的应用，一方面可以摆脱对GPS系统的技术依赖，另一方面可以提升北斗卫星系统在国际授时应用领域的技术水平和地位。北斗授时系统指标2）目前大量电力业务(系统)需要准确的时间基准，而且不同业务的要求不尽相同(见表1)。为有效保障电力系统运行的安全性和稳定性，需要引入高精度的授时基准。3）同步时间信号的精度是保证PMU进行同步采样的关键，我公司生产的北斗授时系统，其精度完全可以满足电力应用需求。测试结果显示，通道一授时精度可达15ns(rms)，通道二授时精度可达20ns(rms)，守时精度可达1us/h，可保持12h。4）北斗卫星系统具有转发和收发双向数字报文的通信能力，而GPS系统本身不具备通信能力，北斗系统在数据测量点和主站的数据通信方面将会具有独特的优势。5）采用北斗卫星系统授时方案作为GPS系统授时的备选方案，一方面可以提升整体系统的授时精度，从而保障全电网系统的时基统一性；另一方面可以依靠自主系统实现高可靠性和高安全性，大幅提升智能电网的坚强性。随着智能电网的建设和自动化水平的逐步提升，统一的时间基准成为智能电网建设中不可忽视的重要课题。