彈性系統(tǒng)助力北斗提升電力運行安全水平

文/程明睿 高宏

（本文作者單位系中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院安全產(chǎn)業(yè)所）

編輯 朱麗晶

電網(wǎng)一景

作為“十三五”期間重大科技創(chuàng)新成果之一，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗”）立足“服務全球、造福人類”，對推動構(gòu)建人類命運共同體具有重大意義。

電力行業(yè)作為與北斗結(jié)合最為緊密的行業(yè)，北斗失能失效對電力行業(yè)穩(wěn)定運行影響嚴重。彈性PNT（Positioning，Navigation and Timing，定位、導航與授時）系統(tǒng)能夠在北斗受到干擾或失效時，為電力系統(tǒng)提供定位、導航與授時數(shù)據(jù)，從而降低失效損失、保障系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行；在平常還可通過提供參考信號，提升以北斗為中心的PNT服務精度。研究如何發(fā)揮彈性PNT系統(tǒng)安全保障作用，在加快北斗推廣的過程中持續(xù)提升電力行業(yè)安全水平十分必要。

彈性PNT系統(tǒng)助力北斗發(fā)揮效能

北斗、GPS等GNSS系統(tǒng)均面臨干擾問題，干擾手段簡便，預期損失嚴重

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）等天基PNT系統(tǒng)信號源于太空，到達地面后信號較弱，容易被遮蔽、屏蔽、干擾和欺騙，室內(nèi)、涵洞、地下均難以直接收到信號，需要借助接收機、地基增強及偽衛(wèi)星基站等實現(xiàn)。對北斗、GPS等信號的屏蔽與干擾易于實現(xiàn)。

2021年10月，GPSPatron在一篇文章中給出了4種針對GPS的攻擊方法，其成本不超過480美元，攻擊時間僅需15～300 s。作者同時指出，采用多種PNT來源能夠有效防范上述方法。

在我國，以“北斗屏蔽器”為關(guān)鍵詞在百度上搜索，其首頁鏈接即指向數(shù)十種宣稱能夠屏蔽或干擾北 斗、GPS、GLONASS的 產(chǎn) 品，價格在75元到800元不等。這些產(chǎn)品多針對“兩客一?！保◤氖侣糜蔚陌?、三類以上班線客車和運輸危險化學品、煙花爆竹、民用爆炸物品的道路專用車輛）的GPS/北斗定位系統(tǒng)，屏蔽距離最高可達50m，且產(chǎn)品最小僅為U盤大小，便于隱藏，對北斗定位乃至4G、5G基站的潛在危害嚴重。

英國皇家航海學會在對美國交通部彈性導航和授時基金會的評論中指出，GPS/北斗等GNSS系統(tǒng)的全面失效，將造成重大經(jīng)濟損害：僅失效5天，就將為英國造成總計約52億英鎊的損失，合計10.2億英鎊/天（約90億人民幣/天），其中以物流領域損失居多。

電力行業(yè)是北斗應用最深入、最全面的行業(yè)，北斗授時、定位、導航、短報文功能在電力行業(yè)建筑、調(diào)度、發(fā)電、輸電、變電、配電、維護、用電等全領域均有應用，且基站分布廣、受干擾影響大。

我國彈性PNT系統(tǒng)理念先進，美國自稱還處于理論階段

我國楊元喜院士于2016年提出了“綜合PNT體系”，并以北斗系統(tǒng)為核心，低地球軌道(LEO)的PNT星座、天基及地基增強系統(tǒng)、室內(nèi)導航、水下導航、天空導航、Loran-C、慣性傳感器、以及尚未開發(fā)的量子導航為輔助，形成的綜合PNT體系，預期將在2035年建成。

美國早在2004年就制定了國家天基PNT政策(NSPD-39)，提出建設備用PNT能力，以在GPS中斷期間確保國家經(jīng)濟和國家安全；2008年發(fā)布了“國家定位、導航和授時架構(gòu)研究”，但幾乎未采取實際行動實施；2021年1月發(fā)布了總統(tǒng)備忘錄《空間政策指令備忘錄7》，針對GPS干擾和被攻擊問題明確了響應體制機制，同月交通部向國會提交了有關(guān)PNT備份的報告，認為有必要建立一個“GPS備份”體系。

然而2021年5月，美國蘭德公司發(fā)布了《對更具彈性的國家定位、導航與授時(PNT)能力的分析》，給出了幾種能夠提升PNT彈性的相關(guān)技術(shù)，并指出：當前美國已經(jīng)建立了應用多種替代性、補充性PNT能力的綜合體系；體系應急能力強、GPS反欺騙經(jīng)驗及手段豐富；GPS大規(guī)模中斷持續(xù)時間通常較短，造成的每天數(shù)千萬/數(shù)億美金的損失并非不可承受，對GPS備用系統(tǒng)進行大規(guī)模投資反而是不可接受的。

在美國政治體系下，宣傳到位且工作成效顯著才能得到撥款，愈顯老舊的GPS系統(tǒng)客觀上已經(jīng)具有一定彈性，但美國是否需要建立備份體系仍在激烈辯論中。

芯片和終端質(zhì)量是北斗系統(tǒng)有效工作的關(guān)鍵

首先，我國電力領域北斗應用水平還有待提升，作為北斗大規(guī)模推廣前的主要GNSS系統(tǒng)，GPS仍是電力領域應用最廣的授時系統(tǒng)之一，且與北斗同為天基GNSS系統(tǒng)，易被類似手段同時干擾。

其次，北斗系統(tǒng)在電力領域中，常被應用在電磁環(huán)境較為復雜甚至惡劣的環(huán)境中，對芯片抗干擾能力、電磁兼容可靠性要求較高，需要進行針對性的研發(fā)升級。

最后，隨著北斗產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速擴大，需警惕社會資本涌入可能造成的地方保護主義、劣幣驅(qū)逐良幣等現(xiàn)象，以免電力北斗終端質(zhì)量向車載終端發(fā)展，后者在交通運輸部2020年抽檢中的合格率僅有70.4%。

GNSS失效為電力安全增添隱患

智能電網(wǎng)的正常運行離不開精密授時，北斗等GNSS系統(tǒng)中長期失效將帶來嚴重影響

智能電網(wǎng)的可靠性、自愈能力、兼容性和安全性，以及電力調(diào)度、數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障分析等功能均離不開精密授時，系統(tǒng)全網(wǎng)時鐘不同步將導致線路行波故障測距和雷電定位系統(tǒng)失準、同步向量失靈、數(shù)據(jù)和信息丟失、SOE事件（Sequence of Event，事件順序記錄系統(tǒng)。當電力設備發(fā)生遙信變位，如開關(guān)變位時，電力保護設備或智能電力儀表會自動記錄下變位時間、變位原因、開關(guān)跳閘時相應的遙測量值，形成SOE記錄供事后分析，SOE分辨率一般要求低于1 ms）信息邏輯混亂、某些工作站死機或系統(tǒng)癱瘓等，嚴重情況下甚至導致電網(wǎng)波動。

由于發(fā)電廠、變電站、調(diào)度中心等系統(tǒng)的時鐘設備品牌不同，精度及產(chǎn)品質(zhì)量、老化程度有別，需要進行定時校準保證全網(wǎng)同步運行。其主要校準方式有以下幾種：采用GPS/北斗或互為參考進行校準；采用電力調(diào)度控制中心時鐘信號校準；采用無線報時信號校準；4G、5G+量子保密通信的授時技術(shù)等。

其中，調(diào)度中心時鐘依靠GPS/北斗方式校準；無線報時受氣候、地理環(huán)境影響較大；量子通信仍處于示范應用階段，中繼距離、介質(zhì)研發(fā)、運行成本等產(chǎn)業(yè)化問題仍待解決。因此，GPS/北斗仍是當前電網(wǎng)授時主要的參考基準。

由于GPS授時在我國電網(wǎng)應用廣泛，北斗短期失效對電網(wǎng)運行影響較?。欢倍分虚L期失效往往伴隨著GPS的停止服務，屆時完全依靠GPS授時的相關(guān)系統(tǒng)將無法工作，誤差的累積效應將降低電網(wǎng)工作效率、大幅提升配網(wǎng)故障定位時間，威脅智能電網(wǎng)的長期穩(wěn)定安全運行。

電力行業(yè)北斗導航、定位應用逐漸深入，減人無人趨勢或成為“雙刃劍”

目前，國家電網(wǎng)已初步建成了電力北斗時空智能服務體系，在18萬車輛、150多條輸電線路、13家省電力公司基建現(xiàn)場，累計推廣應用北斗終端20余萬套，并在山東、江蘇等六省開展北斗應用綜合示范區(qū)試點建設，相關(guān)服務體系已經(jīng)提升了46.8%的輸電線路災害巡檢效率，實現(xiàn)了重要線路地質(zhì)災害隱患預警。

2021年7月，國網(wǎng)信通為支援河南極端暴雨救災，提供北斗高精度定位服務，僅28日即響應相關(guān)服務請求1萬3 872次，且為25處洪區(qū)桿塔進行了傾斜實時監(jiān)測。

廣東電網(wǎng)機巡中心深度開發(fā)無人機巡檢潛力，2019年作業(yè)量21萬多千米，實現(xiàn)每周約1 000架次無人機作業(yè)采用自動飛行方案，自動化巡視占比50%以上，預計2025年可在廣東省全境實現(xiàn)全部無人機自動駕駛。

在“北斗+”系統(tǒng)應用帶來的減人效應影響下，巡檢崗位數(shù)量有望縮減50%。而短期北斗失效將極大提升工人對線路、重要電力基礎設施的巡檢強度，可能需要從其他崗位臨時調(diào)配員工參與巡檢工作，巡檢質(zhì)量也將相應降低；中長期失效將對系統(tǒng)安全性造成長期影響，使“北斗+無人機”實現(xiàn)的線路巡檢、北斗精確定位實現(xiàn)的基礎設施沉降監(jiān)控、北斗+4G實現(xiàn)的覆冰監(jiān)測等應用失效，偏遠地區(qū)電力基礎設施地質(zhì)沉降、設備老化問題將產(chǎn)生積累效應，冰雪覆蓋、線路損壞等季節(jié)性、常規(guī)維護工作將回歸人力巡檢時代，進而消耗大量工時。

短報文系統(tǒng)聯(lián)結(jié)偏遠地區(qū)，北斗失效將造成不便

北斗短報文系統(tǒng)在公網(wǎng)信號薄弱的地面應用優(yōu)勢明顯，廣泛應用在偏遠地帶的電網(wǎng)基建項目聯(lián)絡、無公網(wǎng)地段作業(yè)巡檢報送需求、小型水電發(fā)電量采集、偏遠地段用戶用電數(shù)據(jù)采集等方向上。

項目聯(lián)絡及巡檢報送，短報文可提供的主要信息包括信息匯報、故障報送、人員定位位置報送等；在北斗短報文采集電量方面，國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團已在陜西145座無公網(wǎng)信號覆蓋的小水火電站上實現(xiàn)了相關(guān)應用；在偏遠地段用戶電表數(shù)據(jù)采集方面，北斗短報文通信能夠協(xié)助判斷地區(qū)電力供給是否正常、電表是否有損壞，以供電力公司及時提供服務。

北斗失效會降低通信質(zhì)量，延長反饋周期，降低電網(wǎng)服務質(zhì)量，為偏遠地區(qū)人民正常生活造成不便。

加快彈性PNT系統(tǒng)在電力領域的推廣應用

一是進一步加快北斗與GPS角色互換，形成北斗為主、GPS為輔的彈性電力綜合服務體系。進一步提升北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的重要性，依據(jù)實際需要引入GLONASS等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)協(xié)助GPS授時，提升天基授時可靠性；加快以北斗為主、GPS為輔的電力授時系統(tǒng)構(gòu)建，依托SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）、量子通信等地面?zhèn)鬏敿夹g(shù)，結(jié)合Loran-C、光纖授時等多種地面授時源，形成電力授時保障彈性PNT系統(tǒng)，降低區(qū)域北斗及GPS衛(wèi)星失聯(lián)導致對時中斷的影響。

二是進一步探索“北斗+”裝備在電力行業(yè)中的應用，利用彈性PNT保障無人化、智能化安全應用安全性。加快北斗+4G、北斗+5G應用，依托公網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)自身的PNT能力，結(jié)合GPS、GLONASS等天基PNT系統(tǒng)，與北斗形成PNT互備體系，實現(xiàn)以北斗為核心的、具有自校正能力的彈性PNT體系，提升自動巡檢、輸電線路覆冰、輸電線路風偏舞動監(jiān)測、重點設施沉降監(jiān)測等“北斗+”應用在北斗信號受干擾情形下的工作能力，降低無人機等設備因北斗信號受干擾而失聯(lián)、失控的可能性。

三是進一步完善電力領域彈性PNT終端技術(shù)標準，增強終端抗干擾能力，保障重點設施安全需求。國家標準GB/T 36050—2018《電力系統(tǒng)時間同步基本規(guī)定》規(guī)定，電力系統(tǒng)時間同步系統(tǒng)應以天基為主、地基為輔；應以北斗為主、GPS為輔；宜利用現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻率同步資源，實現(xiàn)地基授時。在此標準基礎上，宜借鑒國家綜合PNT體系構(gòu)建模式，梳理發(fā)電、輸電、配電、用電、調(diào)度等各類電力活動特點和安全保障需求，將低地球軌道PNT星座、Loran-C、慣性導航、量子導航等PNT技術(shù)或系統(tǒng)按需納入電力領域PNT應用中，以平衡電力領域PNT系統(tǒng)對北斗、GPS的依賴程度，通過多信號輸入提升系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力。