文∣薛安成 罗旷 徐飞阳 徐劲松

新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)

一、引言

20世纪后期，我国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路。2000年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2018年底，北斗三号基本系统完成建设，开始提供全球服务。北斗卫星导航系统作为国家重要的空间信息基础设施对于我国国防、电力、交通、测绘等领域有着重要意义。

新能源指传统能源之外的能源形势，具有资源可再生、分布广、间断式供应等特点。正由于新能源的这些特点，使新能源电力系统区别于传统电力，其对卫星导航系统的应用需求日益突出。

二、电力系统对卫星导航系统的需求

近年来，随着经济发展和能源需求日益增长与环境恶化和能源问题凸显，优化电源结构，提高新能源电源占比愈加重要。截至2017年底，我国风力发电装机容量达到163.25GW，太阳能发电装机容量达129.42GW，装机容量均为世界第一。且风电、太阳能发电装机容量占比已分别达到9.2%和7.3%。目前我国电力系统已经成为世界上规模最大、最为复杂的新能源电力系统。此外，在负荷侧，2017年，我国销售新能源乘用车55万辆，已成为全球第一大电动汽车市场。

我国采用大规模新能源接入和分布式能源并举的策略，给电网带来清洁能源。与此同时，随着新能源的接入，电网结构愈加复杂，系统特性发生根本性改变等一系列问题也给电力系统的安全监测和稳定运行控制带来了挑战。

与此对应的，系统的可观性、可控性亟待提高。系统对于卫星导航的需求愈加突出。我国自主研发的北斗卫星导航系统具有安全可靠的导航定位、授时和短报文通信等功能，可为加强新能源电力系统的安全稳定提供有效支撑。有鉴于此，下文将从空间定位、时间、通信、安全性四个方面展开说明电力系统卫星导航的需求。

1.空间定位需求

为方便电力生产管理，提高管理水平和工作效率，新能源电力系统需要对电力设备进行精确定位，并将电力设备设施信息、电网运行状态信息与地理及自然环境信息集中于统一系统，该系统即为电力地理信息系统（GIS）。随着北斗发展，GIS定位已从主要基于GPS发展到兼容北斗，目前，GIS系统正在向以北斗系统为主发展。结合GIS系统，导航卫星系统可提供电力设施（如输电线路，杆塔）的位移状况，实现远程监测。

2.时间信号和同步需求

新能源电力系统各级调度控制中心都建立了调控一体的智能电网调度技术支持系统，其调控涉及发电、输电、变电等电力生产的各个方面，调控分布广。目前，电力系统各电站一般通过综合自动化控制网络与主站连接。为了保证实时准确反映主站下达的信息和动作控制指令，保证主站和从站间的时间同步精度非常重要。因此，要实现调度主站内多个系统及主站间协调稳定的运行，主站系统均需建立在严格统一的时间系统上。

若在主站安装一台北斗授时装置，则理论上北斗授时装置能够保证各地的时间信号与协调世界时的相对误差小于20～100ns，实现各电站之间的同步。因此，在调度控制中心的时间基准传递上，采用北斗卫星同步技术，可以提供安全可靠的高精度时间信号，满足调度自动化系统对统一的高精度时间的需要。

3.通信需求

随着新能源发电技术的发展，以风电、光伏为代表的小型分布式电站的数量越来越多。现有的电力通信以载波通信、光纤通信和通用分组无线服务/码分多址（GPRS/CDMA）为主要方式，对大型发电厂、变电站以及中低压配网自动化系统，基本上都采用现有的通信技术。但是针对小水电、分布式光伏电站等电源点，通信网络大多数都不是很健全，加之地理位置偏远，大多数都不具备电力系统常规通信条件。

北斗作为全球首个在定位、授时之外还具有短报文通信功能的全球导航定位系统，具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心之间双向数字报文通信功能，可以为电力系统在通信薄弱的情况下提供及时有效的信息传输功能。例如，通过北斗短报文服务，可以弥补在现有通信网络不能覆盖的地区，实现与现场作业人员的信息交互，尤其是在紧急情况下，如野外山区、灾害抢险时，实现基于电力任务的联动和防护。

4.安全性需求

由于卫星信号是从20200km的高空传播到地面，当它被地面接收机所接收时，其信号功率已十分微弱，可能受到环境干扰；此外，因卫星授时信号对于电力系统监测控制至关重要，人为干扰、攻击卫星导航信号是一种代价小但后果严重的手段，卫星信号可能受到恶意攻击。其中，欺骗式攻击等对其应用的危害性更为明显。欺骗信号和真实信号在结构上组成一致，因此具有很强的隐蔽性。其能够在不被接收机轻易察觉的情况下，尝试引导目标接收时篡改它们的时间和位置信息，导致实际信号被拉偏，从而出现授时或定位错误,对电网安全构成威胁。

相比GPS、伽利略等导航系统，北斗卫星导航系统自主可控，信息安全程度高，可保障国家安全。

三、北斗卫星导航在新能源电力系统的应用

目前，北斗系统在新能源电力系统的应用已经覆盖了发电、输电、变电、配电、用电等电力生产的各个环节[1-2]（图1），北斗+电力应用也被列入涉及国家安全及国民经济发展的关键领域。

图1 北斗在新能源电力系统中的应用

1.新能源电源侧应用

以风电、光伏为代表的新能源具有储量无限、清洁无污染的优势，目前已成为智能电网的重要组成部分。基于北斗的高精度定位、授时技术，可以确定太阳位置等，实现光伏等新能源电源发电效率的提升。

有学者提出一种基于北斗授时定位的太阳能追光系统[3]，由嵌入式芯片与北斗模块通信获取太阳能板所在位置和当前时间，从而控制太阳能电池板以最大角度接收太阳能，提高太阳能在电力系统电源侧的转换效率。

2.新能源电力系统监控方面的应用

（1）新能源调控系统

如需求所述，新能源电力系统各级调度控制中心都建立了调控一体的智能电网调度技术支持系统，需要统一的同步时间信号。

在变电站，基于北斗卫星的时间同步系统使变电站自行接收时钟源信号并实现授时，以多种方式为现场设备提供时间同步。变电站的各种自动化设备，根据时间同步系统提供的精确时间同步信号，统一变电站、调度中心的时间基准。

在电厂，基于北斗卫星的时间同步系统为不同地点的电厂实时数据打上时标，然后送至厂级监控系统、管理信息系统，用于电厂内计算机监控。在电力系统发生故障后，基于北斗卫星的时间同步系统提高了事件顺序记录（SOE）的时间准确性，大大提高了电力系统的安全稳定性，为电网安全稳定监视和控制系统创造了良好的技术条件。

总体上，对新能源电力系统各级调控，我国逐步开展以北斗为主的电力授时体系，即将北斗卫星时钟作为主时钟源，为站端保护、稳控、自动化等终端设备提供授时。北斗卫星同步技术的全球性和高精度确保了电力系统对不受地理和气候条件限制下的时间精准度的要求，是时钟同步的理想方法。

（2）基于北斗的广域测量系统

同步相量测量装置（PMU）为基础的广域测量系统（WAMS）大规模互联电力系统的动态分析与控制带来了新的信息技术平台，是当前电力系统的前沿研究方向[4-6]。通过北斗同步时钟，PMU测量可在同一参考时间框架下捕捉到大规模互联电力系统各地点的实时稳态/动态信息，解决了高精度异地同步问题。

基于北斗技术的广域同步相量测量获得的数据，具有时间上同步以及空间上广域的特点，可实现对广域信息的实时监测和处理，满足电力系统全局动态过程监测、控制与保护的时间同步需要，为在大电网中实现广域同步测量铺平了道路。有鉴于此，WAMS在全网动态过程记录和事后分析、暂态稳定预测及控制、低频振荡分析及抑制、全局反馈控制、故障定位及参数辨识等方面有应用。

值得注意的是，将北斗卫星授时系统应用于电力系统同步相量测量技术中，可弥补长久以来使用GPS作为唯一同步时钟源而存在的风险性和不可依赖性，解决了将同步相量测量技术应用于广域监测的时钟源可靠性问题。

（3）态势感知方面的应用

态势感知指在特定的时间和空间下，对环境中各元素或对象的察觉、理解及预测，包括态势要素采集、实时态势理解和未来态势预测3个阶段。态势感知需要广泛的量测数据，随着WAMS技术已经日趋成熟以及我国PMU布点规模的增加及范围的扩大，基于北斗技术的PMU/WAMS可以提供高质量的数据源，具有很大发展和应用前景。

态势感知的内部数据涉及发电、输电、变电、配电、用电多个环节，通过对态势感知大数据进行处理，挖掘内部隐含信息，可实现发电与负荷预测、设备风险评估、电力系统稳定性分析以及电网拓扑结构变化辨识等功能；可指导机组出力调整、故障诊断和恢复、在线优化调度控制、电网稳定实时控制以及电网结构在线优化重构等工作[7]。结合北斗技术，开展态势感知方面的相关应用，可以为我国大规模新能源电力系统在线动态安全监测方面提供基础理论与关键技术，增强电力系统的安全性和稳定性。

（4）广域控制和保护方面

如前文所述结合北斗技术的WAMS为大规模新能源电力系统的运行和控制提供了全新的视角。基于WAMS数据对电力信号进行频谱分析可实现对次同步振荡的在线监测。另外，我国PMU已覆盖全部220kV及以上变电站、主力发电厂和新能源并网汇集站。得益于PMU的广泛部署，观测数据的完整性得到了保障，系统能够直观展示次同步振荡事件的发展过程。

动态监测作为WAMS的基本功能为调度中心实时地提供系统的运行状态，为系统安全稳定分析以及故障原因分析提供了重要的数据。进一步，基于WAMS实时数据可实现电力系统广域保护，利用WAMS快速收集全网信息，通过网络通信进行多点综合比较判断，可将电流差动保护和方向比较式保护的功能推广到后备保护中，实现快速、灵敏的后备保护，克服现有后备保护的不足，保证了新能源电力系统的安全性及自愈能力。此外，基于广域信息的自适应整定在电网运行方式发生变化的情况下，保护系统能够及时更正与其不相适应的保护定值并重新优化整定，从而提高保护适应电网运行方式变化的能力。

另外，基于北斗高精度同步授时技术的WAMS能够为系统提供时间上同步、空间上广域的量测数据，解决了传统上仅基于本地信息的阻尼控制器如（PSS、TCSC等)无法很好抑制电网大规模互联情况下区域间的低频振荡的问题。同时基于WAMS的全局信息可以解决各种控制器间的协调问题。

3.分布式新能源接入的配网调控应用

大量波动性、间歇性新能源以分布式的方式接入配电网，在提供更多调控手段的同时，也给配网带来一系列的可观、可控问题，增加了配网调控的难度。基于北斗授时的微型同步相量测量装置可以为配网监控提供具有精确同步时标的电力数据，服务于对配网实时监测、态势感知和调控。

（1）适用于配电网的各类微型PMU装置研发

基于北斗授时的微型PMU可安装在配电系统，将极大提高配网可观性、可控性。目前，国内外学者进行了大量适用于智能配电网的微型同步相量测量技术研究。最先开展配网侧同步量测技术研究的是美国田纳西大学的LiuYiLu教授团队，基于频率干扰记录仪（FDR）在终端用户侧实现高精度的频率测量，建立频率监测网络（FNET），并应用于美国、加拿大等国的电网；美国电力标准实验室与加州大学伯克利分校研发了微型PMU（µPMU）可实现配电网监控和双向通信；此外，山东大学、伊利诺伊大学香槟分校与中国台湾大学等研究机构也开发了类似的PMU Light装置。但上述装置多偏重与传统交流配电网的稳态和慢动态过程的测量，未考虑大规模分布式电源接入后对测量的影响，无法适用于智能配电网的监测与控制。为了克服这些问题，在国家重点研发计划资助下，国家电网、南方电网、四方公司、许继集团、清华大学、华北电力大学等正在开发新一代适用于配电网的高精度微型同步相量测量装置（DPMU）。

（2）态势感知方面的应用

与输电网不同，配电网具有区域化特征，且新能源发电、负荷等都以分布式的方式接入配电网，配电网的不确定性相比于输电网更强。所以，与输电网的态势感知不同，配电网的态势感知更聚焦于实时感知配电网的各种不确定性因素的变化，如负荷随机需求响应、电动汽车无序接入、分布式电源间歇性出力、外部灾害因素等，强调各参与方之间的互动与博弈[8]。

文献[8-9]中给出了智能配电网态势感知的框架，主要如图2所示。在基于北斗/GPS的微型PMU装置以及其他量测设备的基础上获取配电网中的实时信息，通过单/双向通信向配电网主站提供带北斗时标的信息。配电网主站结合其他气象要素，数据采集和监控（SCADA）量测，设备健康信息、设备检修计划等信息，在数据融合的基础上，挖掘要素之间的内在关联关系，利用状态估计等手段，实现配电网的深层次感知，并实时告警；甚至通过带有时标的信息，结合现有信息，实现预测层依据深层次的感知信息，利用分布式电源处理预测、负荷预测和电动汽车充放电等预测等技术手段，并生成配电网的多运行场景，实现并进行配电网安全风险分析与预警，形成深度的态势感知，为电网调度人员提供参考。

图2 智能配电网态势感知框架图

（3）控制和保护方面的应用

大量分布式新能源接入配电网，改变了配电网的网络结构、潮流分布，从原有的单电源、辐射状网络变为双电源或多电源，双向潮流网络，也带来了电压越限、非计划孤岛等一系列问题，为有源配电网的控制和保护带来了显著挑战。而基于北斗的微型PMU装置与高速通信网络相结合，可将高精度的微型PMU数据传输至主站，提升系统的可观可控性，支撑配电网保护与控制。

例如，针对配电网保护难以进行精确故障测距的问题，利用线路两侧微型PMU数据，可实现线路上故障点的精确测距，减轻故障检修时巡线负担；针对有源配电网非计划孤岛问题，利用微型PMU可通过相角差值量测实现实时孤岛检测；针对有源配电网电压优化控制问题，可以利用微型PMU两侧实现电压优化控制，解决了传统电压控制技术对于模型的依赖。

4.负荷侧应用

（1）GIS应用

通过北斗卫星导航可以为电网中的GIS提供实时的定位信息，以此实现电力设备设施信息的采集、更新与修正。将电力设备设施信息、电网运行状态信息与地理及自然环境信息集中于GIS系统，结合GIS独特的空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化手段，可以为电力系统提供实时高效的决策分析支持。目前，GIS在北京、上海、江苏等电网公司已经落地应用。

（2）电动汽车充电站智能定位

新能源电动汽车发展面临的主要问题之一是如何方便、快捷地找到就近的充电站。利用基于北斗/GPS的电动汽车充电站智能定位系统可以将接收到的充电站位置信息直接嵌入到内置电子地图中，实现对充电站的实时定位和路径规划，克服传统导航仪需要定期更新电子地图的缺点，为车主提供一种低成本、高性能的充电站定位方式。

（3）电动汽车电池状态远程监控

新能源电动汽车以动力电池作为动力源，对其电池运行状态和位置信息进行实时监控，可以保障电动汽车行驶过程的安全性和可靠性。利用基于北斗/GPS的远程监控系统的车载终端可实现电池状态的远程监测、电动汽车位置的跟踪、电池故障的诊断和电池特性的分析。

具体地，车载终端实时采集电池状态信息和汽车位置信息，并通过无线通信技术可将数据传送到远程监控中心，由远程监控中心实现对电池状态的监控、对电池状态信息进行分析、存储和故障诊断与报警；根据电动汽车定位、导航线路和电池剩余电量可判断电动汽车能否完成行驶任务。进一步，车主可通过手机终端和远程监控中心进行通信，获取电动汽车动力电池信息，实时监控电动汽车动力电池的运行状态。

5.电网一次装备监测应用

输电杆塔、传输线路等一次设备作为电力远距离输送的支撑，实时监测杆塔、线路的运行状态并进行安全预警对保证电网安全稳定运行意义重大，而传统人工巡检的方法存在效率低、无法全天候监测、准确性较差等问题。通过北斗高精度差分定位技术对输电杆塔、线路精确定位，获取其位置数据，利用高精度倾角传感器技术和形变算法技术，可以高精度获取杆塔倾斜、线路形变等信息，并通过卫星通信功能将信息传输到主站，实现电力工作人员远程实时监测输电杆塔、线路运行状态的应用。

6.电力应急通信应用

为提高电网应对各种突发事件的处置能力，电网公司会提前制定各类应急方案。其中，应急通信体系建设是重要一环。在此方面，在电力应急抢修车辆上安装北斗卫星数据接收机和发射机，相关车辆的实时位置信息就能自动传输到电力应急指挥中心，应用于应急指挥调度和决策支撑。同时，基于北斗卫星导航系统所独有的短报文通信传输功能，通过卫星导航终端设备的定位及数据处理，可及时报告所处位置和故障情况，确保应急抢修的时效性。

本文从新能源电力系统角度出发，对北斗在电力系统中的应用进行了综述与展望。北斗卫星导航系统正在建设当中，相比于运行多年的GPS仍存在不足之处。随着北斗系统的进一步完善，将改变电力系统长期依赖GPS的现状，未来将形成更加安全可靠的融合北斗卫星导航系统的新能源电力系统。