周全,周柯,金庆忍,帅智康/卫星互联网赋能新型电力系统创新应用/2024,48(6):42-61.
研究背景
卫星互联网是全球、全域、全时新型网络信息基础设施，相比传统卫星网络具有广覆盖、低时延、高带宽、低成本等优势，是提升新型电力系统信息化能力的重要一环。本文聚焦卫星互联网赋能新型电力系统的典型应用场景、关键技术、安全模式等方面，讨论了卫星互联网在电力规划、态势感知、巡视检修、防灾应急等业务领域应用的方式和潜力，为构建“天空地全面一体、通导感深度融合”的新型电力系统提供实践路径参考与发展形态展望。
研究内容
2.1 卫星互联网的内涵定义
卫星互联网通过规模化高中低轨卫星组网、多元异构卫星星座协同，可以提供全域、全时的通信、导航、遥感等大时空尺度综合信息服务。卫星互联网由不同轨道、不同类型、不同性能的星座组成，通过星间链路连接位于海、陆、空及近地空间的各种地面站和用户终端，利用星上处理、交互、路由等技术，为多元业务场景提供全覆盖、全天时、全天候的通信、导航、遥感等大时空尺度综合信息服务。如图1所示，作为天基复杂巨系统，卫星互联网具有多种复合功能，凭借其广覆盖、高带宽、低时延通信能力的特征优势，为串联多类型卫星所提供的传输、定位、感知等功能提供核心保障。
图1 卫星互联网能力特征与新型电力系统潜在赋能应用领域
2.2 卫星互联网赋能新型电力系统创新应用
卫星互联网通过在新型电力系统规划建设、预测调度和运行控制等领域以中继到站、区域回传、移动通信、混合多播等方式实现多维度赋能，为新型电力系统态势感知、巡视检修、防灾应急等典型场景提供全新视角及解决方案，如图2所示。
图2 新型电力系统“卫星互联网+”典型应用场景
借助卫星互联网通导遥的融合服务能力，新型电力系统能够积累包括卫星遥感图像、低空遥感图像、新能源场站现场视频等音视频数据、位置信息、同步时间标签、输配电网线路拓扑等多元异构数据。在缺乏历史数据的新能源场站和电力线路规划中，卫星互联网提供的高质量时空数据支持了基于深度学习等先进技术的决策过程，如天基定位增强和实时地质变化监控。此外，借由卫星互联网对北斗卫星导航系统（BDS）信号、全球定位系统（GPS）信号进行定位增强，有助于自然灾害风险高的偏远地区优化新能源场站和输电线路的选址。
通过融合低中高轨卫星导航系统，实现高可靠、高精度的授时，为数据采集和传输提供基础。4种全球导航卫星系统、低轨通信卫星、地面网络授时互为备用，这种“4+1+1”的多模式授时保证了数据采集质量和同步性；利用卫星互联网覆盖发电、输电、配电各环节，实现对新能源发电条件、电网状态、环境因素等的实时监测和感知；卫星互联网支持的数据实时传输和共享，使得机器学习算法能够有效处理电气数据、环境数据和运行数据，从而实现智能监测、判别、预测和决策，提高电力系统的效率、安全性和可靠性。
通过分析输电线路的历史巡视数据，基于模式识别和机器学习技术，将巡视区域按风险等级划分，并设定相应的巡视周期，利用无人机搭载的摄像头、红外检测仪、电场传感器等设备，配合卫星互联网的高精度定位和广覆盖通信功能，实现对线路的精确观测、检测和智能操控；通过三维点云技术构建输电设施的三维模型，并结合带电作业安全评估模型，计算作业风险，实时监测和预警作业中的安全状态，利用卫星互联网导航能力，基于实时动态差分（RTK）技术精确定位作业人员位置，提高带电检修作业的安全性。
以输电走廊地质和山火灾害为例，新型电力系统利用通导遥技术实现高精度的电力灾害监测预警。通过合理部署无人机基站和使用自组网技术，结合无人机装备的地质探测和火点识别技术，有效评估和监测输电走廊的受灾情况，实现全天候无人化灾害监测预警；在面对地震、暴雪等严重自然灾害导致的通信网络损害时，通过天基卫星、空基无人机中继和地面移动通信的融合，卫星互联网能快速构建应急通信闭环，不仅提供实时可靠的信息支持，还能确保电力抢修人员快速恢复供电，为灾区提供高可靠的通信保障。
依托空天地海一体化通信网络，实现海底科学观测网的电力供应和通信传输，基于多点网状通信架构，通过数据传输闭环，实现故障实时诊断和短期预测，保障海底观测网全天候、实时、高分辨率的多维立体观测；面对自然条件恶劣的沙戈荒地区，卫星互联网提供的遥感、通信服务能力，能够实现高分辨率气象数据的预测和新能源出力的快速准确预测，融合物联网传感、图像识别技术，实现站内作业区域的数字化监控，通过多维立体遥感观测数据采集和分析，指导智能巡检机器人完成智慧无人化作业，降低运维成本和难度。
2.3 新型电力系统与卫星互联网安全融合
新型电力系统在卫星互联网信息化增强的背景下，面临网络攻击和隐私泄露的风险，其安全挑战随着网络边界的泛化和节点众多变得更加复杂。历史上多次网络安全事件已经展示了从电网到卫星网络的安全威胁，强调了新型电力系统在星地融合网络中的安全风险，包括多样化的攻击暴露面和高频次的新态势。新型电力系统面临的主要网络安全挑战包括安全边界的模糊化、卫星网络安全机制的不完善，以及多元网络接入面临的主动性挑战。
为应对这些挑战，采用基于零信任的星地融合网络信息安全体系，其原则是“永不信任、时刻验证”。新型电力系统星地融合网络零信任安全体系如图3所示，该体系通过3个主要环节实施：多元信息整合、动态身份评估和最小权限控制，以实现智能化、自主化的安全防御。新型电力系统星地融合网络安全体系的建立，旨在通过统一的安全互联互通机制、智能化关联分析以及自主化的持续监测和动态认证，来有效协调电力网络安全防护的体系化、智能化、自主化需求。
图3 新型电力系统星地融合零信任安全体系
2.4 “空天地全面一体、通导遥深度融合”新型电力系统发展趋势及全新形态
卫星互联网系统将攻关突破一系列核心技术，如星上处理、星间激光通信、组网结构设计、服务质量路由、星地网络安全、轻量化终端等，实现整体功能和性能的补全、跃升，从而具备面向多元电力业务场景的新质赋能能力。卫星互联网赋能新型电力系统的发展趋势和实践路径如图4所示。
图4 卫星互联网赋能新型电力系统实践路径
新型电力系统与卫星互联网的融合展现出螺旋式深化的发展趋势，通过“空天地全面一体、通导遥深度融合”的高度整合，不仅显著提升了新型电力系统的业务效率和质量，还促进了上游卫星互联网技术的研发和服务模式的创新。促进电力系统从单一的能源供应商转变为能源、数据、信息三重驱动的服务商和创造者，能源与信息领域的两大基础设施联动、共建与共享将助力全社会的资源集约利用，打通行业间壁垒，加速学科与行业交叉融合。
结语
卫星互联网作为高中低轨协同的全球、全域、全时新型网络信息基础设施，将在新型电力系统规划建设、态势感知、巡视检修、防灾应急、特殊场景等方面提供新质赋能综合应用，是新型电力系统空天地一体信息化建设的基础支撑、通导遥融合信息化应用的纵深拓展、安全高效信息化升级的关键动力以及新质生产力的新时代科技探索与实践。本文通过剖析新型电力系统在广域覆盖、抗毁顽存、垂直应用等信息化能力建设方面的挑战，凝练高中低轨协同的卫星互联网内涵定义与能力特征，提出卫星互联网在电力规划、态势感知、巡视检修、防灾应急等业务领域赋能新型电力系统的实践路径。提出基于零信任的星地融合网络信息安全体系，为建设、运行及发展空天地全面一体、通导遥深度融合的新型电力系统提供基础参考，进一步提升新质生产力水平。
/ 引文信息
周全,周柯,金庆忍,等.卫星互联网赋能新型电力系统创新应用[J].电力系统自动化,2024,48(6):42-61. DOI:10.7500/AEPS20231113005.
ZHOU Quan, ZHOU Ke, JIN Qingren, et al. Novel Applications of Satellite Internet Enabling New Power System[J]. Automation of Electric Power Systems, 2024, 48(6):42-61. DOI:10.7500/AEPS20231113005.
主要作者简介
Introduction to the Main Authors
周 全
湖南大学电气与信息工程学院教授、博士生导师，国家级青年人才计划获得者，岳麓学者，电能高效高质转化全国重点实验室、空天科学与应用联合研究中心等国家级/省部级科研平台技术骨干，IEEE Transactions on Smart Grid等权威期刊编委。长期从事卫星互联网系统及应用、天地一体化电力信息技术、星地融合网络信息安全等领域相关研究，已发表高水平学术论文60余篇，ESI高被引4篇，近五年主持国家重点研发计划、高端外国专家引进计划等国家级项目多项。
帅智康
湖南大学电气与信息工程学院院长，岳麓学者特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，湖南大学空天科学与应用联合研究中心主任、电能高效高质转化全国重点实验室核心骨干。长期从事大功率电能变换控制与装备、电能质量先进控制技术、空天数字信息技术及应用等领域研究工作，发表高水平学术论文200余篇，授权国内/国际专利50余项，先后主持十余项国家级/省部级重点项目。
湖南大学空天科学与联合应用研究团队是一支由国家杰青帅智康教授领衔，海外优青、湖南省杰青等数十名青年学术骨干组成的科研攻关队伍。团队紧密围绕国家重大战略需求，在极端环境特种电能变换控制技术、卫星互联网系统及多元应用技术、全电无人飞行器高效推进电机与能量管理技术、新型电力系统主动安全防御与稳定控制、新能源配电系统数学仿真与智慧管控等方面开展了系统性深入研究。
团队成员已相继主持国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金（海外）、国家自然科学基金面上基金等30余项国家级项目，湖南省杰出青年基金等20余项省部级项目，获得国家级科技奖励2项、省部级和各级学术学会科技奖励17项，授权发明专利60余项，发表IEEE汇刊论文100余篇，ESI高被引10余篇，学术专著1本。
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