北斗衛星在電力系統中的廣泛運用及重要性分析

張海濤　趙雯莉　王靈貴　馬娜娜　王睿

【摘 要】本文首先簡單介紹了北斗衛星，其次分析了北斗衛星系統的工作原理，最后就北斗衛星在電力系統中的運用進行探究。

【關鍵詞】北斗衛星；運用；電力系統

前言：

北斗衛星導航系統（COMPASS Navigation Satellite System）是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，地面段包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。

北斗衛星導航系統是我國自主研發的衛星導航系統，其具有定位、通信功能，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后，第三個趨于成熟的衛星導航系統，它改變了我國長期缺少高精度、實時定位手段的局面，打破了美國和俄羅斯在這一領域的壟斷地位。目前，該系統在我國測繪、電信、水利、氣象、煤炭、公路交通、鐵路交通、漁業生產、勘探、農業、森林防火和國家安全等諸多領域逐步發揮重要作用。第一代“北斗”衛星系統只有2顆工作衛星和1顆備用衛星，位于地球同步軌道，覆蓋范圍僅限于中國本土及周邊地區，工作效率和精確度遠不及美國的全球定位系統。第二代“北斗”衛星導航系統計劃將組成一個集5顆同步軌道衛星、30顆中高軌衛星的龐大衛星網系，不但能覆蓋全球，而且精確度也將大幅提高。

一、北斗導航系統工作原理及重要性分析

第一代北斗導航定位系統是雙星有源定位體制，由兩顆工作衛星和一顆備用衛星組成，可以全天候全天時的提供區域性衛星導航信息。它在國際電信聯盟登記的頻段為衛星無線電定位業務頻段，上行為L頻段（頻率1610-1626.5MHZ），下行為S頻段（頻率為2483.5-2500MHZ）；登記的衛星位置為赤道面東經80度、140度和110.5度。北斗導航定位系統由2顆地球靜止衛星（GEO）對用戶雙向測距，由1個配有電子高程圖庫的地面中心站進行位置解算。定位由用戶終端向中心站發出請求，中心站對其進行位置結算后將定位信息發送給該用戶。它的定位基于三球交會原理，即以2顆衛星的已知坐標為圓心，各以測定的本星至用戶距離為半徑，形成2個球面，用戶機必然位于這兩個球面交線的圓弧上。中心站電子高程地圖庫提供的是一個以地球為中心，以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。求解圓弧線與地球表面交點，并已知目標在赤道平面北側，即可獲得用戶的二維位置。

第一代“北斗”衛星導航系統的“有源工作方式”，需要用戶要向衛星發射信號，經衛星轉發送回地面控制中心系統，處理后再經衛星返回用戶，如此反復多次才能完成定位，這就帶來了諸多缺點，如延時多、無法在飛機上使用等，且精度只能達到20一30米。第二代“北斗”衛星導航系統將采用“無源工作方式”，即用戶不需要發射信號，用戶接收機只接收信號就能完成定位，且定位精度可以大大提高。

二、北斗系統在電力系統中的廣泛運用

1.應用的可行性分析

要在我國電力系統中應用北斗衛星系統，首先要求其滿足以下幾個方面的要求：

（1）覆蓋范圍

北斗系統首先要保證能夠覆蓋我國的國土，以適應我國電網全國聯網的需要。同時，為了實現我國電網和鄰國的互聯，還應該能夠覆蓋鄰國的一部分領域。北斗系統提供定位和授時服務范圍包括中國大陸及其相鄰地區，能夠滿足互聯電網的要求。

（2）同步授時精度

同步時間信號的精度是保證PMU進行同步采樣的關鍵。北斗衛星系統可向用戶提供20～100ns時間同步精度。其中單向授時精度為100ns，雙向授時精度為20ns?？紤]到北斗衛星系統的用戶容量和PMU應用的廣泛性，可以采用單向授時，雖然授時精度相對差了一些，但是對于50Hz的工頻量來說，100ns產生的相角誤差為0.0018°，已經能夠滿足PMU對同步信號的要求。

（3）通信功能

北斗衛星系統具有轉發和收發雙向數字報文的通信能力，而GPS系統本身不具備通信能力。因此，北斗系統在數據測量點和主站的數據通信方面將會具有獨特的優勢。例如，基于北斗衛星系統的PMU的通信模塊可以提供多種通信接口，既可以經過光纖網與主站相連，也可以通過無線傳輸與主站以及其他PMU相互通信。

（4）安全可靠性

北斗衛星系統自從投入運行以來，一直工作穩定可靠，目前已經具備了推廣應用的條件。在航空、航天、航海、鐵路、交通、海洋等領域都有成功的應用范例。最后，也是最重要的方面，北斗衛星系統是我國自主開發的，不受他國的控制和限制，可靠性和安全性較有保證。美國GPS目前雖然取消了SA限制，但仍可隨時摻人干擾信號降低定位精度，甚至可能對其他國家用戶關閉使用權。因此，采用北斗衛星系統開發PMU在保障我國互聯電網安全方面具有主動權。由以上分析可見，北斗系統在技術上已經完全滿足電力系統使用的要求。

2.應用領域及研究對象

目前，廣域測量系統WAMS在國內外已經得到了廣泛的應用，在北美、日本、韓國、北歐、法國以及我國的一些系統都已裝備了WAMS用于電網的動態監視。WAMS中的同步信號使用的是GPS授時信號。由于北斗系統已經完全具備在電力系統中應用的條件，因此在使用GPS信號作為授時信號或定位的場合，原理上都可以使用北斗系統進行替代或者作為備用。

北斗系統在電力系統中的應用領域主要有：穩態分析；全網動態過程記錄及事故分析；電力系統動態模型辨識及模型校正；暫態穩定預測及控制；電壓、頻率穩定監視及控制；低頻振蕩分析及抑制；全局反饋控制；故障定位及線路參數測量。北斗系統還具有GPS所沒有的通信功能，因此在數據測量點和主站的數據通信方面將會具有獨特的優勢。例如，基于北斗衛星系統的通信模塊可以提供多種通信接口，既可以經過光纖網與主站相連，也可以通過無線傳輸與主站以及其他通信模塊相互通信。需要引起重視的是信號的時滯問題。由于電力系統是一個大的互聯電網，如果不考慮電磁波在長距離輸電線上傳輸的延時，將引起較大的誤差，從而導致所采集的系統信息失真。因此，需要重點研究遠方信號的時滯問題及其修正方法。

3.目前北斗系統在電力系統中的應用實例

（1）在農村電力系統中的信息化應用

隨著農網改造和大規模建設，農電使用電量逐年增加，為了盡量避免電力供應中斷，農電公司必須依據各個變電所的電力使用情況，及時進行合理調度。但是由于許多變電所處于偏遠山區，數據通過有線電路傳輸非常不現實。中國衛通充分利用北斗衛星通信的優勢，進行了針對性電力系統數據傳輸特點，經過蘭州農電公司運行，目前利用北斗系統成功實現對電力系統變電站實時數據監控，而且數據傳輸穩定，并通過了電力公司有關專家評估。

根據行業特點和需求，系統總共分為3個分系統組成：變電所數據采集系統、通信傳輸系統、監控中心系統。電站系統采集到各種數據利用北斗衛星將信息轉發到中國衛通IISP平臺，平臺將信息送往應用數據中心，中心對數據進行處理后可提供兩個數據通路：一路將信息經世廣衛星轉發到用戶指揮機，由指揮機將信息送到用戶監控中心；而另一路可通過Internet經有線送到用戶監控中心。用戶監控中心對接收到的數據進行相應的存儲、分析、處理、監控等，至此完成一次信息的上傳工作。用戶對變電所的指令則以相反的路由下達給變電所，完成遠程遙控功能。

（2）基于北斗導航系統定位的PMU

目前，應用于我國電網中的PMU大都是基于GPS提供的授時信號來實現同步數據采集的，電網的穩定運行對PMU的依賴越來越強。將北斗衛星授時系統應用于電力系統同步相量測量技術中，可彌補長久以來使用GPS作為唯一同步時鐘源而存在的風險性和不可依賴性，解決了將同步相量測量技術應用于廣域監測的時鐘源可靠性問題。

結語：

綜上，隨著我國經濟與科技水平的不斷發展與進步，北斗衛星系統在我國電力系統中取得了廣泛的運用?？傊?，北斗系統是中國自主知識產權的全天候全天時提供衛星導航定位信息的區域導航系統，具有快速定位、簡短通信和精密授時三大主要功能。因此，在電力系統中廣泛的展開了應用。

參考文獻：

[1]李丹.韓福坤.郭子明.等.華北電網廣域實時動態監測系統[J].電網技術.2004.

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