独立北斗定位终端与智慧电网建设

发布时间: 2025-04-13 11:52:19

我国发电产业作为全球电力市场的重要组成部分，其发展态势对国民经济和社会进步影响显著。随着经济快速增长和电力能源需求不断上升，发电产业面临着前所未有的机遇和挑战。我国电力生产结构中，火力发电仍占主导地位，但其比重逐年下降。与此同时，非化石能源发电增长迅速，风电和太阳能发电的装机容量显著增加。当前及今后一段时间，发电总量稳步增长、绿色低碳转型加速、科技创新驱动发展、国际合作不断深化的主旋律不变。其中，智能化和数字化是未来电力系统的重要发展方向，北斗时空、数字技术、大数据、物联网、人工智能等技术手段对于提升电力系统的运行效率和稳定性意义重大。

基于发电侧对高精度授时、时间同步、公网通信未覆盖区域的应急通信、人员车辆设备定位、巡检、形变监测等存在硬性需求，北斗技术已经在火力发电、水力发电、风力发电、太阳能发电、核能发电等领域的人车船定位、应急通信、水文气象和监测数据采集传输、形变监测（库区、坝体、边坡、船闸、风机叶片、地表沉降、杆塔、塔筒基座等）、水土保持等业务中广泛应用，并取得阶段性成果，成功赋能电力能源产业的智能化和数字化发展。

一、北斗在发电领域的应用现状

北斗卫星导航系统是我国自主研制、独立运行的全球卫星导航系统，具备一项基本服务功能（定位、导航、授时）、六项特色服务功能（地基增强、星基增强、精密单点定位、全球短报文通信、区域短报文通信、国际搜救），在发电侧的规划、建设、运营、维护等工作中，北斗基本服务和短报文服务具有广泛的应用场景（图1），其规模化应用也取得了显著成效，不仅提高了电力系统的运行效率和稳定性，还增强了电力系统的应急响应能力和管理水平。

图1 发电侧北斗技术的应用

1.火力发电领域聚焦于北斗室内外融合一体化应用

火电厂在建设和运营期间，可能会存在裂缝、沉降、变形等一些隐患，如果这些问题发现并处理不及时，容易引发严重事故，威胁到人民生命财产安全。目前，北斗技术已融合多源传感器，成熟应用于火电厂建筑物多维度实时动态监测（倾斜监测、裂缝监测、沉降监测等）、物料运输/输送等环节，并完成基础数据全面汇集、开展数字化巡检、隐患排查、风险评估等应用，实现三维可视化展示及全流程一站式服务等。火力发电领域多涉及封闭/半封闭环境，火电厂室内外不同场景下的定位是日常生产和安全管控的重要需求之一，北斗在该领域的应用特点主要体现在北斗+蓝牙/UWB/伪卫星等技术的室内外技术融合及应用创新（室外北斗+室内蓝牙/UWB/伪卫星等）。通过“北斗+”融合多种定位技术、物联网和系统集成等手段，实现安全性能升级，服务于场站室内外人员、设备精准定位、违规报警、规范化管理及应急支持等，有效提升了电厂数字化管理水平（图2）。

图2 火电厂站室内外综合定位

大唐高井电厂通过建立电厂高精度、等比例的三维模型，利用5G+北斗室外定位与UWB室内人员定位技术相结合，在生产过程中，对全厂人员实现电厂室内外一体的动态厘米级和静态毫米级的定位，通过重点区域覆盖的定位基站，以及现场人员所佩戴的定位标签，实现对整个生产区人员活动轨迹的监控及有效的安全生产管控。通过部署5G网络和定位基站，联动视频监控、授权智能门禁，结合智能两票系统，实时辨识作业人员、作业区域的风险，智能预警违章行为，动态风险实时联动，在数字孪生模型中实现人员厘米级定位，降低高空坠落、触电等安全事故的发生（图3）。

图3 高井电厂室内外北斗融合服务平台

2.水力发电行业“+北斗”助推水电业务全方位升级

新中国成立以来，我国水利水电建设经历了人推肩扛—现代化机械施工管理—信息化、数字化、智能化多领域融合的三个发展阶段。作为一种清洁、可再生能源，水电在国家能源结构中占据重要位置，水电站具有普遍地处偏僻、占地面积广、自然环境恶劣、传统通信手段受制约等显著特点，为北斗技术在该领域的应用提供了先天条件。近年来在大规模水电站的建设和管理上，水力调度优化、智能化以及数字化技术的应用极大提升了水电项目的效率和可靠性。其中，GNSS技术在水力发电领域的应用不仅提升了行业的安全性和效率，还推动了行业的智能化和现代化进程。在安全形变监测方面（大坝、闸门、坡体等），北斗技术及融合应用实现变形监测精度达到水平位移±2mm、垂直位移±3mm；针对无信号覆盖区，利用北斗短报文通信技术，实现水情水位的实时测量、短报文传输、后台存储和算法模型处理，提高了降水预报、水资源管理精度和效率，为暴雨洪水预报、预警、调度和抗洪抢险提供了及时准确的水文测报信息（图4）。北斗技术与智慧水电的融合发展对于解决感知层信息采集不足和模型准确性不高等问题也起到积极作用，提高了水电大坝的安全监测预警和风险防范能力。在水电领域的形变监测应用中，水电行业“+北斗”特色显著，通过主动引入北斗技术，提升水利设施性能、功效和服务质量。如将环境监测与北斗技术相结合，实现水电站智能化管理和运行，将各种传感器、终端设备等接入北斗模块，实现对个体实时定位和监控，提升物联网的可靠性和安全性。

图4 水力发电场景中北斗技术综合应用

围绕水力发电领域地质灾害防灾减灾、坝体及库区边坡形变的全天候、全自动化的实时监测、预警和库区水资源智慧监管等需求，中国大唐集团积极推动北斗技术规模化应用，在彭水、银盘、龙滩、亭子口等大型水电站运营管理中，通过北斗+5G+遥感等融合技术的应用，实现了基础设施形变实时监测、预警预报、人车船高精度定位、无人机高效巡检、气象水文数据实时回传，提升了水电站综合管理、安全应急处置和调度能力，提高了水电数字化和智能化水平。

3.风力发电领域中彰显北斗融终端、融网络、融数据价值

风电整个业务流涉及：风电场选址与规划（风能资源的精确测量、评估、风机布局设计等）、风机基础施工、安装、风机运行与维护以及风电场综合管理等环节，由于风电场（海上风电、陆地风电）多数处于偏僻地区，通信质量不稳定，数传受影响较大，此外风机组件易受到风机运行时的震动载荷、竖向载荷、水平载荷、地基变形等影响，使得基础承载力变化会影响风机作业安全，存在人员伤亡、风机倒塌等潜在危害。在该领域中体现了北斗技术融终端、融网络（智能穿戴、无人机、5G等）的应用特点及赋能效果，通过北斗高精度定位、短报文通信等技术及终端网络的集成能力，可以实时获取塔筒连续运行轨迹、航向角、基础沉降、气象因子等数据，对雷击、砂石击打、材料老化引起的裂缝等各种损伤进行跟踪监测，及时进行检修，延长风机运行寿命（图5），实现风电场的运行效率和安全性提升、运维成本降低，助力风电产业数字化发展。

图5 北斗技术在风力发电领域的应用

大唐赤峰达里风电场项目中，通过北斗技术对人员、设施、车辆等精准定位数据的采集、统计、分析，实现对生产环境中人员数量、位置、在场时间和车辆状态轨迹等信息进行有效的监测和记录（精准实时定位追踪、危险行为自动化预警、风险分区管理及电子围栏自动告警、历史轨迹查询、人员位置校验、访客入厂区域管理、巡检行为跟踪）；通过北斗+数字孪生技术，开展风险实时化、动态化、精细化辨识与控制，能够有效避免事故的发生，有效提升安全风险管控、消除事故隐患和应对险情的应急处置能力，有效提升区域及所属企业在系统安全生产、工程建设等领域的安全水平（图6）。

图6 达里风电场人员安全管控平台

4.北斗在软硬件融合方面对太阳能发电效率影响显著

北斗在太阳能发电领域的应用涉及产业的各个环节，如：电厂选址、规划、影响因子监测（风、光、温、水等）、光伏组件的安装（位置、角度）、无人机巡检、监控、变电站授时与同步、应急通信、数据传输（发电量、光照强度、温度等）、光伏板监测与管理等，这些环节都与北斗基础服务及短报文功能息息相关（图7）。在北斗应用特点方面，有别于水力发电的是，光伏发电中除了需要应用到高精度定位导航授时，北斗技术还需要结合天文算法和智能控制系统，以实现光伏板的精准追踪和温度控制。实际应用中，北斗技术与大数据分析、人工智能等技术融合，不仅节省大量人力成本，提高了光伏电站的建设、运维效率和数智化水平，还增强了系统的稳定性和安全性，实现了更加智能化的能源管理和分配，提高了能源利用效率。

图7 北斗技术在太阳能发电领域的应用

四川雅江县雅砻江两河口水电站水光互补一期项目、敦煌光伏产业园项目中，通过利用北斗高精度定位、北斗短报文、无人机、物联网、人工智能（AI）、5G、大数据等技术，对光伏基地项目的规划设计、建设实施、后期运维等环节的实现实时监测及诊断分析，解决该类工程项目进度监管滞后，人员、物资调度，车辆、施工安全等管理难、危险源感知难等难题，并为探索光伏开发新模式，利用北斗高精定位模块获取装置所在地的经纬度及协调世界时，通过天文算法计算出太阳高度角及方位角，确保光伏板垂直照射阳光，提高发电效率，为构建“绿色低碳，安全高效”的现代能源体系提供有效技术手段。

5.核能发电对北斗的稳定性、精准性、实时性要求更高

安全是核能发电产业的生命线，核电厂的安全运行、高质量和精细化管理准则，对核电厂人员车辆设备精准定位（室内外），线路与铀矿资源监督管理、物料存储与运输、车辆智能运管与调度、电站与核废料处理场所形变监测、应急通信与预警、放射源监控管理、设备时间同步等环节提出严格要求（图8）。目前，北斗与蓝牙、超宽带通信（UWB）、AI、地理信息系统（GIS）、建筑信息模型（BIM）等技术的融合应用已成熟应用于上述场景，并实现厂区实时监控跟踪、网格化管理、应急预警、一键报警、人员和设备作业安全管理等功能，有效提升了核电厂的运营安全管理水平。同为涉及室内外一体化定位需求的领域，与火力发电相比，核能发电涉及核设施安全运行和环保，该领域的北斗应用特点体现在：对室内外无缝衔接、连续定位的精度、技术稳定性、抗干扰能力、数据实时性和准确性等有极高要求，特别是在核电运行传感器网络中的“北斗+”的准确性和稳定性至关重要。

图8 北斗技术在核电领域的应用

福建省霞浦县中核集团霞浦核电项目中，依托北斗三号卫星导航系统，结合使用云计算、大数据、GIS、4G/5G、AI、UWB等技术，构建基于北斗的核工业时空基础设施和通信网络，自主研发工地全景实时可视、室内外人员定位、人员网格化管理、视频AI监控、核材料运输、核应急指挥、核设施保护、核电站沉降、核工程建造、放射源管控等领域的北斗应用系统；形成了大型核设施全生命周期的监管能力，助力核工程建造、核设施生产运行和安全监测等各环节的精细化管理，实现核工业的“降本增效”和“安全生产”，有效提升核电精细化管理和高质量发展水平。

二、北斗在发电领域应用面临的挑战与思考

目前，我国发电产业在装机容量、发电总量、绿色低碳转型升级、技术创新与智能化发展等方面均取得了显著成绩，为经济社会可持续发展作出巨大贡献。近年来，伴随发电领域数智化、智能化产业升级的需求，北斗基础服务（授时、定位、导航）应用范围十分广泛，涵盖了发电侧各个方面，但是当面对电力行业深层次/专业性强的业务场景时，有三个问题不得不面对：北斗如何应用？用得好不好？是否有必要应用？面对上述问题时，当前北斗技术稍显力不从心。究其原因在于：技术能力、融合创新能力、效能产出能力等尚需进一步攻坚克难、融合升级。

1.部分北斗技术难关未突破

北斗系统的高精度定位功能主要依赖于卫星信号，而在室内/封闭/水下/地下/高磁场/深山/密林等特殊环境中（坝体、厂房、大型变压器、大型发电机、施工设施、高磁场等场景），卫星信号可能会受到严重干扰或完全屏蔽，无法接收到正常北斗卫星信号，导致无法实现高精度定位或监测；发电侧对于上述环境中的高程定位精准度、实时毫米级感知能力、抗干扰/欺骗性能存在客观需求，但是由于技术原因，限制了北斗技术在上述作业场景的应用。

2.技术融合创新能力不足

伴随数字电厂、智能电厂及新兴技术的发展，电力行业的算法库和应用体系的建设也在不断升级，由于发电侧存在环境复杂度高、不确定因素多、应用场景多、地理时空跨度大、生产和监测环节涉及设备型号杂等客观因素，面对现阶段发电侧众多应用场景及需求，多领域融合创新机制、跨行业合作、数据整合与分析能力方面尚存短板，单一北斗技术、“北斗+”及融合技术（融网络、融终端、融数据）难以支撑现实发展需求。

3.北斗应用经济效能参差不齐

北斗应用的经济效能是用户自发性应用的重要驱动力之一，也是影响北斗技术在电力行业规模化应用的因素之一。虽然北斗技术可以降低部分运维成本，但初期的投入体量巨大（大规模基础服务建设、大规模软件硬件部署、规模化交互应用、人员培训等），综合电力行业对北斗技术应用的认知过程及需求相对零散（单体需求数量少、行业需求体量大）、具有需求种类多等特点，加上北斗产业内部存在的内卷和恶性市场竞争现象，使得部分经济效益差的发电企业北斗应用的投入产出比不高、经济效能不显著。

4.数据整合及利用率不高

目前，北斗技术与现有电力监测系统的整合，涉及到硬件兼容性、软件系统对接以及数据格式统一等多方面，整合工作困难重重。伴随监测数据量的增加，北斗时空数据与设备运行、环境监测、电能质量、故障报警、生产统计、视频监控、气象等数据的融合处理、高效分析、提取利用也是尚待解决的问题之一。如：发电侧的形变监测是确保电厂和变电站安全运行的关键环节，形变监测数据采集范围涉及坝体、坡体、气象、水文、植被、土壤含水量、时空、生产数据、设备运行数据等多源数据，如何实现海量数据的有效耦合、分析、预警等价值，还需要不断探索优化。

综合来看，北斗技术在发电侧的规模化应用正在快速延伸、亮点颇多，在项目勘察设计、工程实施、高精度授时与频率同步、实时监测与预警、巡检与灾害监测、智能运维与管理、数据融合与安全保障等多个领域展现出其独特的优势和应用潜力，但是北斗系统的部分服务功能在发电侧的应用深度（上天入地、封闭环境等）、广度（高程、低空等）、互联互通（AI、BIM、大型操控系统等）、终端集成等方面的能力和活力需要进一步激活。面向新时期及未来电力数字化、智能化发展的大方向，朝着北斗技术在发电侧精细领域能用、好用、用好的目标，北斗系统本身的技术屏障、应用深度、多学科融合、多数据融合及市场竞争规范性等方面的工作任重道远。

《“十四五”现代能源体系规划》中对北斗技术的应用给予了高度重视，提出要运用北斗系统加强能源行业的风险隐患治理和应急管控能力、推进重点企业电力北斗综合服务平台建设和终端应用试点、推动北斗与先进技术的融合应用，共同推动能源行业的数字化、智能化升级。截至2024年底，北斗技术应用为电力行业中的发、输、变、配、用、调各环节授时授频提供了有力保障，同时在发电侧基础设施布设控制与实时监测、发电效率提升、新能源场站的数字化和智能化管理、输电线路地质灾害监测、电网安全运行管理、杆塔变形监测、设备缺陷监测、变电站设备的实时监控和管理、地下电缆巡检、配电终端实时监控和故障定位、用电信息的采集效率及管理等方面发挥了重要作用，不仅提高了电网的安全性和管理效率，还促进了电网的智能化发展。

下一步，伴随北斗精度和可靠性的进一步提升、更广泛的应用及多技术的融合发展，北斗技术将深度融入电力行业各个环节，加速推动多元化和智能化的发展态势。如：发电侧的数字化、智能化建设及管理、输电侧的远程监控和智能巡检数智化发展、变电侧的实时感知和预警智能化提升、配电自动化水平提升、用电便捷性和个性化发展、电网调度自动化执行和精准性决策等。

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