北斗“触电”：让大国重器更给力

北斗，为中国能源导航

古时，借助北斗七星，中国人学会为自己测定方位。当下，借助五十五颗北斗卫星，中国人开始为全球导航。2020年7月31号，由我国自主建设独立运行的全球卫星导航系统北斗 导航全面建成，中国成为了世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统 的国家。当下，无论是手机芯片，还是共享单车，处处都有北斗技术参与，我 们也随时可以感受到它给我们带来的便利。这张精密的“天网”，同样在为中国能源的前路导航。

新疆和贵州，虽然相隔千里，却有一个共同的烦恼——每年冬季，冻雨天气容易导致输电线路表面结冰，承重增加，导致线断塔倒。众所周知，准确监测是防止线断塔倒的关键，但是，两地覆冰区域往往地理条件恶劣、气象环境复杂，基本的通信都难以保证，精准监测更是存在难度。

目前，困扰两地的难题终于得以解决。由于引入北斗通信和定位技术，输电线路的监控数据可直接传送到电网生产指挥中心。一旦被检测出存在覆冰危险，预警系统会直接对终端进行定位，实时为防冰提供有效指导。

这正是北斗技术的力量，这种力量，正在推动电力行业发生改变。在青海，借助北斗定位技术，光伏发电系统运行后台可实时计算出太阳方位角与高度角，调整太阳能电池板的角度，让太阳能电池板实现“追光”，尽量多发电。在浙江，基于北斗通信技术建成的平台，可以及时采集和监测电厂等环节的信息，为高弹性电网提供数据支撑，帮助沿海城市建起一张“不怕台风的电网”。

在北京，北斗技术为用户提供充电桩定位信息，引导电动汽车及时有序充电。在必要时，北斗技术可对电动汽车等移动负荷进行定位监测，并与充电桩、电网信息整合，引导电动汽车更加科学有序充电。更快、更稳、更安全、更经济，在北斗技术的加持下，电力正越发给力。

三大功能  全面布局

2008年，汶川大地震导致部分震区通信设备瘫痪，我国应用了尚未全面建成的北斗系统，借助独一无二的短报文功能，让抢险指挥部与在灾区抢险的武警部队建立了联系，这也成为提高救援效率的关键。

这次精彩亮相，让北斗技术受到关注。2009年后，这项技术被引入能源电力行业。10多年后的今天，北斗的定位、授时、短报文三大功能已经在电力调度、发电、输变电、配用电、电力建设、应急保障等环节落地。

在电力调度方面，北斗技术的授时功能应用最为广泛。作为电力控制中枢的“能量管理系统”，电力生产管理系统、保护和控制系统等都必须在同一时间基准下运行。2009年9月，国家就确立了“天地互备，以北斗为主的电力授时体系”。调度系统采用北斗授时信号，确定全系统的时间基准。精确的时间可实现对发电机、新能源并网的精准控制，减小系统和发电机所受到的冲击。基于北斗授时的同步相量测量单元（PMU）可应用于电网的实时用电监控。通信功能可实现调度中心与变电站、发电厂间的应急通信。

在发电方面，北斗技术可为发电厂及二次设备提供直接或间接授时。同时，利用北斗定位功能，可对水电站坝体位移进行精确监测，对海上风电场进行定位、太阳能发电实现“追光”。利用北斗通信功能，可在偏远无公网信号覆盖的区域，实现对小水电、光伏电站、风电场的实时数据采集。

在输变电方面，具备北斗定位功能的设备，可对输电杆塔塔基位移、姿态、线路风偏舞动、变电站地基沉降等进行监测。同时，北斗还支持变电站的智能巡检机器人运行、输电线的高精度无人机自主精益化巡检。以浙江省为例，目前，浙江已建成40座电力北斗地基增强网基准站，形成的精准服务网覆盖了浙江省95%以上区域。得益于上述技术，有效减轻了人工巡视输电杆塔、线路、变电站的难度和工作量。在偏远或无人地区，北斗通信功能实现了输电线路状态监测数据回传。此外，北斗通信功能也可用于变电站应急通信。

在配用电方面，除电动汽车和充电桩应用外，北斗技术可以为微型同步相量测量装置授时，其短报文通信功能还可为远程北斗双向通信远程采集（抄表）系统、北斗配网一体化终端提供通信支持。2017年，该功能已应用到广东肇庆、韶关、清远，海南白沙供电局，实现了偏远无公网覆盖地区电表数据低成本采集，减少了人力成本，并实现了配电终端（FTU/DTU等）设备的电气量三遥（遥信、遥测和遥控）数据以及故障指示器的双遥（遥信、遥测）数据上传与命令下发，极大地提升了配网在线监测与控制水平。

在电力建设方面，北斗定位可协助精准测绘定位。2020年疫情期间，借助基于北斗技术的“网上电网”地理图，供电员工直观地看到火神山医院周边电力设施情况，并在线对比线路负载。这项技术帮助其迅速敲定了供电改造方案测量，终端被应用于火神山、雷神山医院的高精度定点定位，确保了两座医院工地放线，测量高效推进，为迅速施工争取了宝贵时间。人员的北斗安全头盔可实时定位施工现场作业人员，提高了基建安全管理水平。比如在西藏日喀则聂拉木220千伏输变电项目施工中，北斗安全头盔就发挥了重要的作用。

在应急保障方面，北斗的精准定位可提供抢险车辆、人员的位置，支撑抢修调度；北斗的短报文功能，可在各种通信手段缺失的情况下，提供通信服务。

如何打通“最后一公里”

在完成全球组网后，“北斗+”融合应用正在加快。要实现“天上好用、地上用好”的应用目标，北斗技术不仅需要继续创新，而且亟需打通“最后一公里”。

在“北斗+电力”应用中，我们需要关注安全和标准。

在安全方面，和GPS一样，北斗卫星信号暴露在空气当中，易受卫星信号攻击的影响。而能源电力是特殊的行业，需要构建统一安全防护体系。特别是在一些攻防战中，一旦对方切入假信号，让系统的某个环节获得错误信息，可能会导致其他环节连续错判，影响系统的安全稳定运行。

在标准方面，“北斗+电力”的应用在应用初期大多是逐个探索，缺乏顶层规划设计。标准缺失在应用初期引发了兼容性不佳的问题。比如，不同厂家去解析同样的北斗信号，但由于缺乏标准，同一类信号的解析输出会存在差异，这种差异，会影响到后续环节的应用。所以，2018年5月，电力行业申请成立了电力行业信息标准化技术委员会电力北斗标准工作组，从行业角度对北斗标准进行顶层策划，引导“北斗+电力”的总体发展规划、实施和部署。2020年4月发布的《电力北斗标准体系白皮书》显示，整个标准体系由99项标准组成，遵照国标、电力行业标准以及北斗专项标准的有46项标准，53项标准待制定。

标准的不足，也间接地带出了北斗应用的另一个短板：商业模式缺失。相对于GPS，北斗的应用时间短，应用范围小，导致整体应用的成本相对较高。加上不少环节仍然缺失统一标准等问题，应用势必会增加更多的额外成本。

没有一项技术是诞生即成熟的，即便是今天已经非常成熟的Windows，也经历了不断试错、不断打补丁、不断提高性能的过程。“北斗+电力”应用同样如此。面对问题，我们需要不断优化技术、建立应用标准、完善安全体系，在应用上稳步向前，打通技术的“最后一公里”，驱动其实现价值的生产、传输及分配。

首先，按照“一环节一措施”的原则，打造安全体系。

能源是现代社会的重要基础设施，电力安全是国家安全的重要组成部分。然而，能源电力系统设备类型多、分布范围广，不同对象如发电、输电、变电、配电、用电和调度重要程度不同，其安全防护程度也不同。同一设备安装在不同地点，其安全等级也不同。

因此，需要打造具有针对性的安全防护体系。如接收北斗授时信号的同步相量测量装置。安装在变电站内和户外杆塔，其安全防护程度不同，相应的安全防护措施也需有所区分。同时，应适时开展攻防演练，暴露缺点，及时消除安全漏洞。

第二，借助“迭代升级”方式，不断提升核心芯片的可靠性、成熟度、兼容性。电力北斗通常被应用于较为恶劣、复杂的电磁环境中，这对芯片要求较高，而在芯片应用初期一般对这些问题考虑不足，导致少数产品的电磁兼容等可靠性不能完全满足电力需求。因此，相关芯片的可靠性需要提升。同时，相关自主可控芯片需要根据在实际使用中发现的问题，不断地进行迭代优化升级，提高成熟度，加强兼容性，提升北斗芯片和产品的竞争力。

第三，尝试“以优惠换市场”等模式，实现大规模应用。据报道，GPS 垄断国内导航产业95% 以上，北斗卫星导航系统要挤入市场，必须考虑降低推广成本、提升用户黏性。

可以参考GPS应用推广初期，以优惠换市场的方式，利用北斗在短报文通信方面的优势，用相对低廉甚至免费的价格向用户开放，提高普及程度以及用户黏性，进而推动基于北斗短报文通信、导航定位芯片等技术不断升级。

在推广应用方面，国家层面的政策支持、能源电力企业的响应推进、电力设备厂商主动跟进，都是不可或缺的一环。

（作者系华北电力大学电气与电子工程学院教授）