周 全，周 柯，金慶忍，帥智康

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南省長沙市 410082；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西壯族自治區(qū)南寧市 530023）

0 引言

建設(shè)數(shù)字中國是推進(jìn)中國現(xiàn)代化和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會優(yōu)質(zhì)、高效發(fā)展的有力支撐和強(qiáng)大引擎［1］。作為能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵抓手，新型電力系統(tǒng)的信息化能力升級是數(shù)字中國建設(shè)的重要一環(huán)，將直接對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、新能源消納的高效可靠［2-3］以及電力服務(wù)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)生影響［4-5］。城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等人口密集區(qū)域的地面網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)性能可以基本滿足電力系統(tǒng)日常業(yè)務(wù)需要［6-7］，但是僅依賴現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和通信模式，新型電力系統(tǒng)全面可觀、精確可測、高度可控的信息化能力建設(shè)面臨覆蓋不全、性能不均、韌性不足、結(jié)合不深的體系性短板。

1）地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲點(diǎn)多，建設(shè)、運(yùn)維成本高。山區(qū)、邊區(qū)、高原、島礁等偏遠(yuǎn)地區(qū)的地面通信網(wǎng)絡(luò)受地形、氣候等因素影響，存在建設(shè)成本高、組網(wǎng)周期長、運(yùn)行維護(hù)難、拓展升級難等問題，導(dǎo)致大量信息覆蓋存在盲點(diǎn)［8-9］，且自然災(zāi)害、人因事故等會造成信息盲點(diǎn)擴(kuò)散，難以保障新型電力系統(tǒng)的廣域信息聯(lián)通。

2）地面網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能不均，難以支撐海量單元接入。新型電力系統(tǒng)中多類型新能源場站成為發(fā)電主體，大量聚集在沙漠、戈壁、荒漠、海洋等區(qū)域，而地面通信網(wǎng)絡(luò)主要覆蓋城鎮(zhèn)等人口密集區(qū)［10］，兩者的業(yè)務(wù)覆蓋面并不完全重合，并且發(fā)、輸、變、配、用電側(cè)的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能不均衡，難以滿足新型電力系統(tǒng)海量源網(wǎng)荷儲單元并發(fā)接入的高帶寬與實(shí)時數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)牡蜁r延要求。

3）地面通信網(wǎng)絡(luò)韌性不足，難以支撐應(yīng)急場景通信需求。地面通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量易受地震、洪澇、泥石流等自然災(zāi)害的影響，應(yīng)急突發(fā)事件造成的通信系統(tǒng)單點(diǎn)失效可能引發(fā)電力系統(tǒng)片區(qū)數(shù)據(jù)損毀或丟失［11］，進(jìn)而阻礙運(yùn)行調(diào)度、故障排查、恢復(fù)等電力業(yè)務(wù)的開展，亟需高可靠、易部署的衛(wèi)星寬/窄帶通信備份來保障新型電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)韌性。

4）衛(wèi)星服務(wù)性能受限，垂直業(yè)務(wù)應(yīng)用寬度深度不足。目前，電力系統(tǒng)主要采用中高軌衛(wèi)星服務(wù)，而中高軌衛(wèi)星傳輸時延、覆蓋重數(shù)、靈活部署等方面性能相對不足，如衛(wèi)星信號易受地形影響（南山效應(yīng)）［12］、北斗短報文通信服務(wù)吞吐量較小、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)信息時效性不強(qiáng)等，并且地球同步軌道軌位資源日漸枯竭，導(dǎo)致衛(wèi)星服務(wù)能力相對有限，難以滿足新型電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。

商業(yè)航天的迅猛發(fā)展推動衛(wèi)星單位通信成本降低了數(shù)個量級，加速了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展及其應(yīng)用推廣。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為地面通信網(wǎng)絡(luò)的拓展及補(bǔ)充，所具備的廣覆蓋、低時延、高帶寬、低成本的特征優(yōu)勢和全天候、全天時的通信、導(dǎo)航、遙感綜合信息服務(wù)能力將使其成為新型電力系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的重要新質(zhì)賦能力量，為規(guī)劃運(yùn)行、態(tài)勢感知、巡視檢修、防災(zāi)應(yīng)急等電力業(yè)務(wù)提供全方位、多維度的信息化支撐和保障。

新型電力系統(tǒng)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)分別是中國能源和通信領(lǐng)域的戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，是支撐數(shù)字中國建設(shè)的關(guān)鍵基石。推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用［13］，將賦予新型電力系統(tǒng)更多新特征和新場景。構(gòu)建廣域多維信息流引領(lǐng)優(yōu)化能量流和業(yè)務(wù)流，貫通源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)以支撐實(shí)現(xiàn)全面可觀、精確可測、高度可控數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)，使新型電力系統(tǒng)更加綠色高效、柔性開放、安全可靠，對中國能源低碳化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［14-16］。本文系統(tǒng)論述衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景、關(guān)鍵技術(shù)、安全模式等，以及構(gòu)建空天地全面一體、通導(dǎo)遙深度融合的新型電力系統(tǒng)實(shí)踐路徑和發(fā)展形態(tài)，旨在推動新型電力系統(tǒng)和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)深度融合發(fā)展。

1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵定義、發(fā)展歷程及能力特征

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通過規(guī)?；咧械蛙壭l(wèi)星組網(wǎng)、多元異構(gòu)衛(wèi)星星座協(xié)同，可以提供全域、全時的通信、導(dǎo)航、遙感等大時空尺度綜合信息服務(wù)，是極具發(fā)展?jié)摿蛣?chuàng)新動能的新質(zhì)賦能綜合應(yīng)用系統(tǒng)［17-19］。

1.1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵定義

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是以衛(wèi)星構(gòu)成的天基信息網(wǎng)絡(luò)為主體，以地面設(shè)施構(gòu)成的地基信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以航天、通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)等技術(shù)為支撐的立體化綜合信息網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)由不同軌道、不同類型、不同性能的星座組成，通過星間鏈路連接位于海、陸、空及近地空間的各種地面站和用戶終端，利用星上處理、交互、路由等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信息的獲取、儲存、傳輸、處理、融合、分發(fā)等，為多元業(yè)務(wù)場景提供全覆蓋、全天時、全天候的通信、導(dǎo)航、遙感等大時空尺度綜合信息服務(wù)。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將當(dāng)前僅覆蓋全球人口密集區(qū)域的地面寬帶通信網(wǎng)絡(luò)拓展到覆蓋空天地海全域，并通過巨型星座承載通信、導(dǎo)航、感知等有效載荷，結(jié)合地面大數(shù)據(jù)、云邊計(jì)算等新型支撐設(shè)施，面向各行業(yè)提供更加泛在、彈性、智能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和綜合信息保障服務(wù)［20］。如圖1 所示，作為天基復(fù)雜巨系統(tǒng)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有多種復(fù)合功能，憑借其廣覆蓋、高帶寬、低時延的通信能力特征優(yōu)勢，為串聯(lián)多類型衛(wèi)星所提供的傳輸、定位、感知等功能提供核心保障［21］。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)橫向協(xié)同各行業(yè)生產(chǎn)需求，提供優(yōu)質(zhì)可靠高效的賦能服務(wù)；縱向貫通產(chǎn)業(yè)鏈上下游業(yè)務(wù)，通過數(shù)據(jù)挖掘和傳感算一體實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的提質(zhì)增效。

圖1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能力特征與新型電力系統(tǒng)潛在賦能應(yīng)用領(lǐng)域Fig.1 Capability characteristics of satellite Internet and potential enabling application areas for new power system

典型軌道衛(wèi)星星座如圖2 所示。圖中:極軌道衛(wèi)星的軌道平面穿過地球極點(diǎn)，其組網(wǎng)星座可以實(shí)現(xiàn)南北極地區(qū)域的全球覆蓋；傾斜軌道衛(wèi)星的軌道平面與赤道成一定傾斜角度，其組網(wǎng)星座可以對中低緯度重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多重覆蓋和性能增強(qiáng)。

圖2 極軌道衛(wèi)星星座與傾斜軌道衛(wèi)星星座Fig.2 Satellite constellations of polar orbit and inclined orbit

1.2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在廣義上屬于第6 代無線通信技術(shù)（6G）范疇［22-23］，旨在推進(jìn)空天地海一體化通信體系。如圖3 所示，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程大致可以劃分為起步試點(diǎn)、加速發(fā)展、全面商用3 個階段［24］。

圖3 通信技術(shù)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程與趨勢Fig.3 Development history and trends of communication technology and satellite Internet

第1 階段:起步試點(diǎn)階段。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的概念在20 世紀(jì)90 年代被提出［25］，當(dāng)時低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)規(guī)模小、速率低，而高軌系統(tǒng)容量小、時延高，難以與同步興起的低成本地面移動通信競爭。

第2 階段:加速發(fā)展階段。2010 年前后，受軍民商衛(wèi)星通信用戶規(guī)模擴(kuò)大的影響，高通量、大容量衛(wèi)星系統(tǒng)單星服務(wù)容量實(shí)現(xiàn)幾十到上百倍的增長［26］，服務(wù)種類逐漸多樣化、多元化。

第3 階段:全面商用階段。在市場需求和技術(shù)進(jìn)步的雙重驅(qū)動下，近10 年來涌現(xiàn)出銥星二代、星鏈、一網(wǎng)等新型星座系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了天基通信的移動寬帶化和寬帶移動化［27］。

移動通信技術(shù)10 年一代，其首要目的是滿足人和社會的信息化需求，在需求驅(qū)動下技術(shù)革新呈現(xiàn)信號從模擬到數(shù)字，帶寬從低到高，覆蓋從點(diǎn)到線再到面的發(fā)展趨勢。不斷催生新應(yīng)用場景，新場景產(chǎn)生新需求，新需求驅(qū)動新技術(shù)，不斷往復(fù)進(jìn)化。

國外涌現(xiàn)出以星鏈、一網(wǎng)、柯伊柏等為代表的商業(yè)通信衛(wèi)星星座建設(shè)熱潮。截至2023 年9 月，星鏈累計(jì)發(fā)射低軌衛(wèi)星超5 000 顆，在63 個國家落地并提供寬帶通信服務(wù)，活躍用戶數(shù)量突破200 萬。中國提出了多個星座系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃，如鴻雁、虹云星座計(jì)劃等。銀河航天、國電高科、吉利集團(tuán)等民營公司也開始籌建商業(yè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座。中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司作為唯一從事衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營的中央企業(yè)，計(jì)劃建設(shè)高中低軌協(xié)同、極軌傾斜軌配合的由海量衛(wèi)星構(gòu)成的巨型衛(wèi)星星座，標(biāo)志著中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行和商業(yè)應(yīng)用步入高速發(fā)展軌道。

1.3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能力特征

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)由空間段、地面段、應(yīng)用段組成，如圖4 所示，為新型電力系統(tǒng)提供通信、導(dǎo)航、遙感等大時空尺度綜合信息服務(wù)［28］。

圖4 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的主要構(gòu)成Fig.4 Major components of satellite Internet

1.3.1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信是指利用無線電將通信衛(wèi)星作為中繼站在地面站之間高速率轉(zhuǎn)發(fā)信息［29］。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)大多利用衛(wèi)星建立物理連接通道。如圖5 所示，用戶終端將編碼成數(shù)字信號的數(shù)據(jù)用特定頻率通過地面站發(fā)送到衛(wèi)星，衛(wèi)星收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他預(yù)先確定的地面站。目前，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要工作模式有透明轉(zhuǎn)發(fā)模式和星上路由交換模式兩種。透明轉(zhuǎn)發(fā)模式是當(dāng)前商用主流模式，即應(yīng)用終端與信關(guān)站交互，衛(wèi)星只起到鏈路中的中繼功能，是天基的信號轉(zhuǎn)發(fā)單元，對于鏈路和傳播的信息內(nèi)容來說，衛(wèi)星是“透明”的，有效規(guī)避了隱私保護(hù)等敏感問題，如圖5 中的傳輸路徑1 所示。星上路由交換模式是在提供基礎(chǔ)中繼功能基礎(chǔ)上，賦予衛(wèi)星較強(qiáng)的星上數(shù)據(jù)交換能力，同時支持應(yīng)用終端并發(fā)接入鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)/信息的星上處理、交換、路由等功能，如圖5 中傳輸路徑2 和傳輸路徑3 所示。在星上路由交換模式下，傳輸路徑2 和3 的選擇主要由星上數(shù)據(jù)/信息處理能力決定，即傳輸路徑2 是當(dāng)前星上處理能力受限約束下的折衷，借助地面信關(guān)站的算力實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的分發(fā)路由；傳輸路徑3 是未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在具備高性能計(jì)算能力后，實(shí)現(xiàn)星間自主智能路由的方式。與傳輸路徑2 相比，傳輸路徑3 時效性更強(qiáng)、隱私性更好，有助于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的個性化、軟件化定義。在新型電力系統(tǒng)中，出于隱私保護(hù)和信息安全考慮，將采取透明轉(zhuǎn)發(fā)與星上路由交換的混合模式來平衡信息傳輸?shù)臅r效性和安全性［30-31］。圖中:傳輸路徑1 為①-②-③，即發(fā)出終端-衛(wèi)星1-信關(guān)站-外部網(wǎng)絡(luò)-接收終端1；傳輸路徑2 為①-②-④-⑥，即發(fā)射終端-衛(wèi)星1-信關(guān)站-衛(wèi)星2-接收終端2；傳輸路徑3 為①-⑤-⑥，即發(fā)射終端-衛(wèi)星1-衛(wèi)星2-接收終端2。

圖5 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信Fig.5 Communication of satellite Internet

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中大量低軌衛(wèi)星的引入可以實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域的多重信號覆蓋，并提供更高帶寬資源。同時，較低軌道位置使信號傳輸時延大幅減少，顯著提高通信實(shí)時性。與傳統(tǒng)高中軌衛(wèi)星星座相比，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以提供更廣覆蓋、更高帶寬、更低時延的語音通信、數(shù)據(jù)傳輸和寬帶接入等互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)，支撐新型電力系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測與智能控制。

1.3.2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航是通過在軌衛(wèi)星不斷向地面廣播、發(fā)送特定頻率，并加載一些特殊定位信息從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位、導(dǎo)航和授時，如圖6 所示。

圖6 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航Fig.6 Navigation of satellite Internet

衛(wèi)星上搭載精確的原子鐘和廣播設(shè)備，用于發(fā)送定位和時間信息，用戶終端設(shè)備通過其內(nèi)置的衛(wèi)星接收設(shè)備接收來自衛(wèi)星的信號。衛(wèi)星信號中包含了衛(wèi)星的時間戳和位置信息，通過計(jì)算不同衛(wèi)星信號的傳播時間，確定設(shè)備與每顆衛(wèi)星的距離，用戶終端設(shè)備通過距離信息進(jìn)行三角測量，以確定自身的位置。目前，全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）、美 國 的 全 球 定 位 系 統(tǒng)（global positioning system，GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（globalnaya navigatsionnaya sputnikovaya sistema，GLONASS）和歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。此外，天基增強(qiáng)系統(tǒng)通過大量位置已知的差分站獲得偽距、衛(wèi)星播發(fā)的相位等原始定位數(shù)據(jù)并發(fā)至主控站進(jìn)行計(jì)算，得到的定位修正信息發(fā)送給衛(wèi)星，再將修正信息播發(fā)給用戶，從而提高定位的精度。地基增強(qiáng)系統(tǒng)則是通過基準(zhǔn)站將采集到的觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，使用網(wǎng)絡(luò)實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)處理后向用戶發(fā)送修正數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)厘米級、亞米級的增強(qiáng)服務(wù)。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中大量低軌衛(wèi)星的引入可以彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在信號衰減和播發(fā)速率低的缺陷，利用傳輸距離短的優(yōu)勢減少信號損耗，并且將低軌通信衛(wèi)星作為中繼播發(fā)導(dǎo)航衛(wèi)星信息實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息的天基增強(qiáng)，聯(lián)合星載數(shù)據(jù)與地面觀測基站，為位置感知、導(dǎo)航領(lǐng)域提供更高定位精度，拓展新型電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用。

1.3.3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)遙感

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)遙感是通過搭載光學(xué)、雷達(dá)、紅外、微波等不同類型的有效載荷，將捕捉到的地球表面電磁輻射等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)降孛婵刂普净驍?shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)到達(dá)地面后，進(jìn)行糾正傳感器誤差、大氣校正、幾何校正等處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性［32］，可實(shí)現(xiàn)電力基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測、線路巡檢等，如圖7 所示。衛(wèi)星遙感系統(tǒng)分為遙感衛(wèi)星分系統(tǒng)、地面測控分系統(tǒng)、地面運(yùn)控分析圖、地面應(yīng)用分系統(tǒng)，其中，遙感衛(wèi)星分系統(tǒng)由有效載荷與支持平臺構(gòu)成，也被稱為空間段；地面測控分系統(tǒng)、地面運(yùn)控分系統(tǒng)和地面應(yīng)用分系統(tǒng)統(tǒng)稱為地面段，分別用來監(jiān)視在軌衛(wèi)星的工作狀態(tài)、綜合管理衛(wèi)星遙感任務(wù)、處理各類遙感數(shù)據(jù)并進(jìn)行質(zhì)量評定。

圖7 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)遙感Fig.7 Remote sensing of satellite Internet

在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中，大量低軌衛(wèi)星的引入可以實(shí)現(xiàn)快速、可靠、實(shí)時的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸、共享［33］，提升遙感數(shù)據(jù)分發(fā)速率和遙感任務(wù)的實(shí)時響應(yīng)速度，提高空間、時間分辨率。通過擁有強(qiáng)大星上智能處理能力的星間鏈路，將多星協(xié)同聯(lián)動，完成多顆衛(wèi)星同時處理多個任務(wù)，如對地觀測、收發(fā)信息、信息處理等任務(wù)，為地面集中處理數(shù)據(jù)節(jié)省時間，達(dá)到空間信息直達(dá)用戶的目的。

1.3.4 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙融合賦能應(yīng)用

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的通導(dǎo)遙融合是指同時提供定位、導(dǎo)航、授時、遙感、通信多種服務(wù)和功能的一體化天基信息服務(wù)系統(tǒng)［34］，通過一星多用、多星組網(wǎng)、天地互聯(lián)技術(shù)提升遙感信息粒度、導(dǎo)航定位精度、通信覆蓋范圍和服務(wù)能力。遙感信息可實(shí)現(xiàn)分米級空間分辨率、分鐘級時間分辨率；導(dǎo)航服務(wù)可實(shí)現(xiàn)分米級定位；通信可實(shí)現(xiàn)全球話音、圖像和視頻覆蓋。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的主要波段與各波段典型功能［35］如表1 所示，各業(yè)務(wù)所涉及波段存在交叉重疊，是地面通信網(wǎng)絡(luò)在偏遠(yuǎn)地區(qū)與特殊場景下的優(yōu)勢補(bǔ)充和有力競爭。表2 為通導(dǎo)遙融合的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在通信可靠性、精確性、時效性等性能指標(biāo)上與當(dāng)前電力系統(tǒng)所應(yīng)用的地面通信網(wǎng)絡(luò)的對比結(jié)果，凸顯了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。

表1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要頻率波段與業(yè)務(wù)Table 1 Main frequency bands and services of satellite Internet

表2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)的性能對比Table 2 Performance comparison of satellite Internet and terrestrial network

2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用

新型電力系統(tǒng)是信息物理耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，在廣域空間內(nèi)，新型電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)表現(xiàn)出顯著的數(shù)據(jù)異構(gòu)多元、時空尺度多樣、指控需求頻繁等特征。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基于衛(wèi)星構(gòu)建了有限帶寬、有限資源和有限功能的廣域信息采集和處理模式。然而，在海量分布式單元接入新型電力系統(tǒng)后，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的衛(wèi)星應(yīng)用范式與衛(wèi)星服務(wù)能力難以滿足新型電力系統(tǒng)的精細(xì)化運(yùn)行需求。

空天地一體化是新型電力系統(tǒng)精細(xì)運(yùn)行的重要支撐，而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)空天地一體化，將精細(xì)運(yùn)行貫徹至新型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)和控制的新質(zhì)賦能力量。如圖8 所示，在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙融合的支撐下，新型電力系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)廣域智慧無人作業(yè)體系升級迭代，代替現(xiàn)有人工執(zhí)行中的高危性、重復(fù)性、適應(yīng)性業(yè)務(wù)，支撐電力系統(tǒng)高效化、智能化運(yùn)行，即帶電作業(yè)等高危性業(yè)務(wù)、絕緣保護(hù)檢修等重復(fù)性業(yè)務(wù)和極端氣候下運(yùn)維等適應(yīng)性業(yè)務(wù)將由無人機(jī)、智能傳感器等無人裝備完成，促進(jìn)新型電力系統(tǒng)整體高效化、智能化轉(zhuǎn)型升級，為其迭代提質(zhì)增效。

圖8 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景Fig.8 Typical application scenarios of satellite Internet enabling new power system

2.1 衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前電力系統(tǒng)應(yīng)用的衛(wèi)星服務(wù)主要由中高軌衛(wèi)星提供，以導(dǎo)航授時為主，遙感業(yè)務(wù)次之，通信業(yè)務(wù)較少，通導(dǎo)遙應(yīng)用服務(wù)分立，雖已覆蓋電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用電等多個應(yīng)用環(huán)節(jié)，但仍處于試點(diǎn)試用階段［35-38］，尚未推廣滲透電網(wǎng)態(tài)勢感知、決策分析、巡視檢修、防災(zāi)應(yīng)急等新型電力系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)流程，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新能力與新型電力系統(tǒng)新需求未深度融合。

2.1.1 衛(wèi)星通信電力應(yīng)用現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)通過衛(wèi)星通信傳輸短報文信號，在輸電線路、桿塔監(jiān)測巡線等特殊場景下，目前已有部分地區(qū)為電力系統(tǒng)運(yùn)維檢修人員配備了北斗指揮機(jī)、北斗天通手機(jī)和北斗短報文平板終端等野外通信裝備作為常規(guī)地面通信的補(bǔ)充，借助北斗短報文通信功能實(shí)現(xiàn)通信的基礎(chǔ)備份［39］。2023 年4 月，云南電網(wǎng)有限公司在偏遠(yuǎn)山區(qū)通過衛(wèi)星通信終端實(shí)時傳輸輸電桿塔監(jiān)測視頻圖像信號，實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)監(jiān)控中心的準(zhǔn)實(shí)時通信。

新型電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電力業(yè)務(wù)通信需求仍舊強(qiáng)勁，大規(guī)模分布式、間歇性、隨機(jī)性的光伏、風(fēng)電等電源裝備與電動汽車充電樁、空調(diào)等柔性負(fù)荷以指數(shù)級增長態(tài)勢接入，新型電力系統(tǒng)的觀、測、調(diào)、控目標(biāo)參與主體和參數(shù)維數(shù)大幅增加，通信速率和帶寬需求成倍提升。目前，電力系統(tǒng)利用高軌衛(wèi)星通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單一、傳輸速率慢、數(shù)據(jù)量少、通信成本高，難以滿足新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行需求。

2.1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航電力應(yīng)用現(xiàn)狀

衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)包含定位和授時，在當(dāng)前電力系統(tǒng)中應(yīng)用有限［40-41］。授時功能為同步相量測量單元（phasor measurement unit，PMU）提供了廣域的時間同步信號，在定點(diǎn)監(jiān)測和巡視檢修業(yè)務(wù)中，基于BDS 提供的位置與時間信息，在地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的高危地帶輸電線路和桿塔布置傾斜傳感器以監(jiān)測姿態(tài)信息。對于輸電廊道的巡檢，基于衛(wèi)星導(dǎo)航通過與地面基準(zhǔn)站信號融合實(shí)現(xiàn)巡檢無人機(jī)的亞米級定位和自主起降。在配電網(wǎng)層面，衛(wèi)星導(dǎo)航提供的對時、授時服務(wù)為配電自動化系統(tǒng)提供時空信息基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對故障設(shè)備定位和告警。

隨著新型電力系統(tǒng)數(shù)字化、信息化程度的進(jìn)一步提升，無人作業(yè)、智慧作業(yè)需求激增。當(dāng)前的衛(wèi)星導(dǎo)航在提供精確服務(wù)時依賴實(shí)時動態(tài)差分（realtime kinematic，RTK）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)地面基準(zhǔn)站的信號校正與增強(qiáng)，容災(zāi)備份能力較弱。在缺乏地面基準(zhǔn)站信號的廣大海島、山區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位和授時精度難以保障無人智慧作業(yè)的需求。

2.1.3 衛(wèi)星遙感電力應(yīng)用現(xiàn)狀

衛(wèi)星遙感的電力應(yīng)用主要集中在規(guī)劃和監(jiān)控層面，包括電力線路設(shè)計(jì)、電力作業(yè)地址監(jiān)控、山火監(jiān)測、冰雪災(zāi)害預(yù)警等。衛(wèi)星遙感為電力系統(tǒng)提供了多種空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的對地觀測數(shù)據(jù)［42］，基于此進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)可有效避開泥石流、滑坡、洪澇等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，保證電力設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)行［37-38］。在電力系統(tǒng)運(yùn)行階段，衛(wèi)星遙感通過監(jiān)測電力設(shè)備和供電系統(tǒng)的熱紅外輻射，發(fā)現(xiàn)異常熱點(diǎn)、覆冰、山火等災(zāi)害，及時開展災(zāi)害預(yù)警處理工作［43-46］。

衛(wèi)星遙感視點(diǎn)高、視域廣、時間延續(xù)性好，然而，當(dāng)前衛(wèi)星遙感多來自極軌道衛(wèi)星，成像時間間隔長、衛(wèi)星數(shù)據(jù)下行速率慢、數(shù)據(jù)空窗期明顯。新型電力系統(tǒng)需要調(diào)度和控制大量靈活的源荷單元，目前的衛(wèi)星遙感服務(wù)能力難以滿足新型電力系統(tǒng)對遙感圖像隨用隨取的需求，將制約正常運(yùn)行場景下系統(tǒng)精細(xì)、高效運(yùn)行控制以及應(yīng)急防災(zāi)場景下系統(tǒng)的供電保障與快速恢復(fù)。

2.2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)典型場景

相比于傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，高中低軌協(xié)同、極軌傾斜軌配合的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，具有廣覆蓋、低延時、高帶寬、低成本等特征，具備前所未有的大時空新質(zhì)賦能潛力以支撐新型電力系統(tǒng)空天地一體、通導(dǎo)遙融合的信息化建設(shè)能力。廣覆蓋、低延時廣域衛(wèi)星通信能力之于導(dǎo)航，可擴(kuò)容單簇導(dǎo)航信號信息量、縮短導(dǎo)航信號傳輸延時，提高導(dǎo)航精度、速度與可用性；廣覆蓋、低延時衛(wèi)星通信能力之于遙感，基于星間/星地鏈路高帶寬、大容量的傳輸特點(diǎn)，可提高遙感圖像、視頻等信息傳輸效率與廣播分發(fā)能力。高精度、快速的衛(wèi)星導(dǎo)航能力之于通信，可以通過精準(zhǔn)授時同步傳輸數(shù)據(jù)，降低傳輸過程對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，通過精確衛(wèi)星定軌與地面終端定位實(shí)現(xiàn)天基中繼、傳輸鏈路、地面終端等資源合理配置；高精度、快速衛(wèi)星導(dǎo)航能力之于遙感，可提高遙感衛(wèi)星星上處理能力，降低其對地面測控站的依賴，縮短遙感賦能新型電力系統(tǒng)應(yīng)用的服務(wù)延時。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通過在新型電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)、預(yù)測調(diào)度和運(yùn)行控制等領(lǐng)域以中繼到站、區(qū)域回傳、移動通信、混合多播等方式實(shí)現(xiàn)多維度賦能，為新型電力系統(tǒng)態(tài)勢感知、巡視檢修、防災(zāi)應(yīng)急等典型場景提供全新視角及解決方案，如圖9 所示。新型電力系統(tǒng)建設(shè)過程中，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的賦能將主要針對極熱無風(fēng)、晚峰無光、大裝機(jī)、小電量等新能源固有屬性以及現(xiàn)有技術(shù)條件面臨的“傳不到、看不到、定不準(zhǔn)”的問題，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的賦能的過程是全面且漸進(jìn)的，實(shí)現(xiàn)各電力業(yè)務(wù)與性能“傳得好、看得清、定得精”的本質(zhì)提升，以支撐新型電力系統(tǒng)信息化能力轉(zhuǎn)型升級。

圖9 新型電力系統(tǒng)“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+”典型應(yīng)用場景Fig.9 Typical application scenarios of “satellite Internet+” for new power system

2.2.1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能電力系統(tǒng)規(guī)劃

在電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)發(fā)展和轉(zhuǎn)變的過程中，海量的新能源、柔性負(fù)荷接入系統(tǒng)，深刻改變了電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)的動態(tài)和整體系統(tǒng)的運(yùn)行模態(tài)，進(jìn)而促使新型電力系統(tǒng)在規(guī)劃時需要將新能源出力特性與地理位置信息相結(jié)合，并進(jìn)行綜合考慮，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的優(yōu)化［47-49］。借助衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙的融合服務(wù)能力，新型電力系統(tǒng)能夠積累包括衛(wèi)星遙感圖像、低空遙感圖像、新能源場站現(xiàn)場視頻等音視頻數(shù)據(jù)、高精度位置信息、廣域同步時間標(biāo)簽、輸配網(wǎng)線路拓?fù)涞葧r空標(biāo)識、細(xì)粒度高同步性發(fā)電數(shù)據(jù)、負(fù)荷用電數(shù)據(jù)等準(zhǔn)實(shí)時數(shù)據(jù)在內(nèi)的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)?；谛l(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)提供的分布在大時空尺度下的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)是推動新型電力系統(tǒng)規(guī)劃向需求智能化形成、方案自適應(yīng)生成、決策自動化迭代、人機(jī)簡易化協(xié)同［48］升級的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1）多元環(huán)境數(shù)據(jù)支撐規(guī)劃決策。新型電力系統(tǒng)在規(guī)劃不同類型的新能源場站和線路時面臨的主要挑戰(zhàn)是缺乏歷史數(shù)據(jù)，從而造成規(guī)劃決策缺乏可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。融合衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)提供的米級到百千米級分辨率氣象數(shù)據(jù)，新型電力系統(tǒng)能夠積累細(xì)粒度、高質(zhì)量時空數(shù)據(jù)，形成海量豐富優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)庫，支撐深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)方法的訓(xùn)練和應(yīng)用。在擬建設(shè)的新能源場站周圍布置邊坡檢測傳感器等裝備同時接收BDS 與低軌通信衛(wèi)星的定位授時信號，實(shí)現(xiàn)天基定位增強(qiáng)，實(shí)時監(jiān)控地質(zhì)變化。

2）動態(tài)數(shù)字地圖支撐線路選址。沙戈荒等偏遠(yuǎn)地區(qū)往往蘊(yùn)含著較為豐富的可再生能源資源，在偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)大規(guī)模新能源場站需要解決的重要問題是電能的可靠外送問題。在規(guī)劃外送線路的選址時，首先需要掌握詳細(xì)且精確的地理信息以規(guī)避自然災(zāi)害頻發(fā)地段。通過在候選線路附近部署地質(zhì)、氣象傳感器，借由衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對BDS 信號、GPS 信號進(jìn)行定位增強(qiáng)，形成時序的高精度地理信息，并通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的全域通信能力回傳，構(gòu)成點(diǎn)狀數(shù)據(jù)圖［50］，由此可以引入黏菌算法、深度學(xué)習(xí)算法等先進(jìn)工具計(jì)算計(jì)及區(qū)域內(nèi)氣象與地理?xiàng)l件差異的優(yōu)化線路選址［51］。

2.2.2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能電力態(tài)勢感知

廣覆蓋、低成本的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙服務(wù)是助力電力系統(tǒng)常規(guī)業(yè)務(wù)升級與優(yōu)化的新型手段。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙融合賦能新型電力系統(tǒng)，是負(fù)荷需求智能感知、新能源發(fā)電預(yù)測的輸入引擎，是構(gòu)建大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)全面感知的關(guān)鍵樞紐，是電力設(shè)備及平臺運(yùn)維全面實(shí)現(xiàn)智慧無人化管控的技術(shù)支點(diǎn)。

1）高可靠、高精度授時。融合低中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航能力的高可靠、高精度授時是數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)幕A(chǔ)前提。一方面，4 種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）、低軌導(dǎo)航衛(wèi)星、低軌通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)授時互為備用，形成“4+1+1”的多模高可靠授時模式，在新型電力系統(tǒng)需求側(cè)配置多系統(tǒng)導(dǎo)航信號接收終端。當(dāng)衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（radio navigation satellite service，RNSS）導(dǎo)航信號收發(fā)正常時，地面終端同時接收4 種典型GNSS 信號，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)多頻段聯(lián)合解算。當(dāng)授時對象上空無中高軌可見星、RNSS 導(dǎo)航信號因地貌遮擋不可達(dá)、RNSS 導(dǎo)航信號因云霧折反射衰減時，地面終端將迅速切換至低軌衛(wèi)星自主授時或低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)授時模式，避免單一模式授時失效，影響新能源場站數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、水電機(jī)組開停機(jī)同步性等性能。另一方面，基于GNSS 精密單點(diǎn)定位技術(shù)，形成納秒級鐘差解算精度授時方案，支撐新型電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層獲取時間同步誤差小的高可用性數(shù)據(jù)資源，數(shù)據(jù)傳輸層進(jìn)行分時隙數(shù)據(jù)吞吐與傳送，避免出現(xiàn)通信信道業(yè)務(wù)碰撞現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速回傳與轉(zhuǎn)送［52］。

2）新形態(tài)感知。作為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙服務(wù)融合賦能新型電力系統(tǒng)的產(chǎn)物，新形態(tài)感知覆蓋發(fā)、輸、配電等多個重要環(huán)節(jié)。在發(fā)電側(cè)，風(fēng)電、光伏等新能源逐漸成為新型電力系統(tǒng)的發(fā)電主體，除常規(guī)電壓、電流等電氣傳感網(wǎng)絡(luò)外，還需構(gòu)建面向新能源場站片區(qū)微氣象地理區(qū)域、地理環(huán)境監(jiān)測氣象傳感網(wǎng)絡(luò)，涉及風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、降雨、輻射等氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電安排、功率控制、預(yù)測、暫態(tài)穩(wěn)定趨勢等態(tài)勢的感知［53］。在輸變電側(cè)，一方面，基于高可靠授時的PMU 形成線路潮流、開關(guān)狀態(tài)、母線電壓幅值、相位等電氣信息采集層；另一方面，基于衛(wèi)星遙感終端、巡檢無人機(jī)、桿塔監(jiān)控終端等形成輸電線路走廊空天地協(xié)同信息采集層，實(shí)現(xiàn)線路覆冰、導(dǎo)線微風(fēng)振動、導(dǎo)線溫度與弧垂、輸電線路風(fēng)偏、桿塔傾斜、絕緣子污穢等狀態(tài)感知。在配電側(cè)，基于融合衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)高可靠授時與高帶寬、低延時通信技術(shù)，研發(fā)具備同步采樣、高吞吐通信、邊緣計(jì)算等能力的微型同步相量測量單元（micro-phasor measurement unit，μPMU），獲取配電側(cè)點(diǎn)、線、面不同維度的同步時標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)分布式電源、電動汽車、儲能等柔性設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測，以及配電臺區(qū)拓?fù)?、電能質(zhì)量等系統(tǒng)狀態(tài)的動態(tài)感知。

3）多維異構(gòu)廣域數(shù)據(jù)分析與智能決策。基于新型電力系統(tǒng)感知層獲取的電氣數(shù)據(jù)（如電壓、電流等）、環(huán)境數(shù)據(jù)（如場站所處微氣象、地理信息等）以及海量運(yùn)行數(shù)據(jù)（如設(shè)備狀態(tài)、臺賬、網(wǎng)架拓?fù)?、用戶用能信息等），衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可覆蓋全業(yè)務(wù)區(qū)域，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸與共享。將高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集成到分析系統(tǒng)中，使機(jī)器學(xué)習(xí)算法更好地處理這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能決策，構(gòu)建反映新型電力系統(tǒng)物理機(jī)制和數(shù)學(xué)原理的智能監(jiān)測、判別及預(yù)測技術(shù)體系。

人工智能監(jiān)測判別方面包括電力系統(tǒng)低頻振蕩、電壓或頻率越限、短路故障等大小擾動監(jiān)測、電網(wǎng)電壓、功率、頻率安全穩(wěn)定態(tài)勢感知等；預(yù)測方面包括母線負(fù)荷預(yù)測、系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測、新能源出力預(yù)測等功能模塊；調(diào)度方面包括故障恢復(fù)、秒級調(diào)度、機(jī)組組合等系統(tǒng)決策；交易方面包括電價預(yù)測、虛擬電廠調(diào)度、競價決策、電力市場用能分析、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等系統(tǒng)應(yīng)用［54］。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通過實(shí)時通信、數(shù)據(jù)高質(zhì)量傳輸和全球覆蓋，為多維異構(gòu)廣域數(shù)據(jù)分析與智能決策提供強(qiáng)有力支撐，提高電力系統(tǒng)的效率、安全性和可靠性。

2.2.3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能電力巡視檢修

新型電力系統(tǒng)巡視檢修是掌握電力設(shè)備運(yùn)行狀況、消除設(shè)備缺陷和異常情況的重要手段。目前，巡視工作仍依賴人工完成，對作業(yè)人員巡視經(jīng)驗(yàn)要求高，且在環(huán)境惡劣地區(qū)開展巡視工作難度大；帶電檢修作業(yè)安全防護(hù)智能化程度低，作業(yè)空間絕緣安全防護(hù)主要依賴于作業(yè)前安全距離校核，缺少作業(yè)中的實(shí)時安全監(jiān)測與預(yù)警，作業(yè)風(fēng)險高。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙服務(wù)能力有助于推動新型電力系統(tǒng)巡視檢修的智慧化發(fā)展，突破巡視無人化與帶電檢修安全防護(hù)智能化瓶頸，為新型電力系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定性及可靠性提升賦能。

1）無人化巡視作業(yè)?；谳旊娋€路巡視歷史數(shù)據(jù)，利用模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段挖掘巡視異常數(shù)據(jù)，依據(jù)風(fēng)險水平劃分高、中、低風(fēng)險巡視區(qū)域。不同風(fēng)險區(qū)域設(shè)定不同巡視周期，高風(fēng)險巡視區(qū)域巡視周期最短，中風(fēng)險巡視區(qū)域次之，低風(fēng)險巡視區(qū)域巡視周期最長。在作業(yè)過程中，利用無人機(jī)搭載攝像頭、紅外檢測儀、電場傳感器等設(shè)備，觀測、檢測線路本體、附屬設(shè)施及線路保護(hù)區(qū)出現(xiàn)的缺陷或隱患，掌握線路運(yùn)行狀況。利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)高精度定位功能模塊與地理信息系統(tǒng)提供精確實(shí)時位置信息的功能，規(guī)劃無人機(jī)巡視作業(yè)路徑，在實(shí)現(xiàn)無人機(jī)智能操控的同時也有助于提升巡視精度。在無通信基站或通信信號較弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)，利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)廣覆蓋通信的功能，構(gòu)建作業(yè)現(xiàn)場和遠(yuǎn)端控制中心的信息雙向傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)無人化巡視作業(yè)的操控和巡視數(shù)據(jù)的傳輸［13］。

2）帶電檢修安全防護(hù)智能化。利用三維點(diǎn)云技術(shù)構(gòu)建待檢修輸電桿塔與線路的三維模型，基于帶電作業(yè)間隙安全評估模型計(jì)算全工況下最大作業(yè)危險率，初步評估帶電作業(yè)的風(fēng)險。利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航能力，基于RTK 技術(shù)獲取作業(yè)過程中作業(yè)人員軀干及四肢的精確定位。基于位置測量數(shù)據(jù)，利用安全評估模型計(jì)算實(shí)時作業(yè)危險率，評估當(dāng)前狀態(tài)是否處于危險狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)帶電檢修作業(yè)過程中的實(shí)時安全監(jiān)測和預(yù)警，提升帶電作業(yè)的安全性。

2.2.4 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能電力防災(zāi)應(yīng)急

中國輸電線路覆蓋面積廣、輸送距離長，途經(jīng)地區(qū)地形復(fù)雜、高程懸殊、氣象多變，自然災(zāi)害導(dǎo)致輸電線路故障的事故時有發(fā)生。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)廣覆蓋的優(yōu)勢可以有效支撐輸電線路全域?yàn)?zāi)害監(jiān)測預(yù)警，并為自適應(yīng)應(yīng)急通信提供保障。

1）災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警。以輸電走廊地質(zhì)和山火災(zāi)害為例，中國西南地區(qū)喀斯特地質(zhì)地貌和復(fù)雜氣候環(huán)境導(dǎo)致的泥石流、山體塌方災(zāi)害頻發(fā)，對輸電線路基礎(chǔ)造成了嚴(yán)重威脅，近年來已發(fā)生多次地質(zhì)災(zāi)害造成的桿塔受損的事故。中國大量輸電線路穿過高山峻嶺地帶，部分地區(qū)因雷擊、春耕燒荒等因素導(dǎo)致山火頻發(fā)，輸電走廊山火對線路安全性造成了較大危害。近年來，由山火引發(fā)的輸電線路跳閘事故逐年增多，山火引起的特高壓線路跳閘事故也已發(fā)生多次。通導(dǎo)遙融合衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能下，新型電力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度電力山火預(yù)警與緊急控制以及強(qiáng)適應(yīng)物理信息網(wǎng)絡(luò)解列、重構(gòu)與恢復(fù)［55］。針對地質(zhì)和山火災(zāi)害的高風(fēng)險區(qū)域，基于災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)、無人機(jī)巡航時間等多維度數(shù)據(jù)合理部署無人機(jī)基站位置，利用自組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建無人機(jī)群監(jiān)測-通信一體化協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)監(jiān)測覆蓋效率最大化。針對地質(zhì)和山火災(zāi)害的特點(diǎn)，無人機(jī)裝備有用于地質(zhì)探測的三維建模采集設(shè)備或用于火點(diǎn)識別的紅外探測儀，通過三維模型結(jié)構(gòu)分析技術(shù)或火點(diǎn)圖像識別技術(shù)，評估輸電走廊受災(zāi)情況。利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的通導(dǎo)遙融合應(yīng)用能力，合理規(guī)劃無人機(jī)群作業(yè)路徑，并傳輸高帶寬圖像數(shù)據(jù)或低帶寬評估數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全天候無人化災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警。

2）自適應(yīng)應(yīng)急通信保障?？仗斓匾惑w化通信融合天基衛(wèi)星寬帶通信、空基無人機(jī)中繼和地面移動通信等多分立通信網(wǎng)絡(luò)，集成衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)覆蓋面廣、通信延時低、應(yīng)急反應(yīng)速度快等天然優(yōu)勢，可在地震、暴雪等嚴(yán)重自然災(zāi)害沖擊有線電力通信網(wǎng)絡(luò)終端或通信設(shè)備損害時，快速構(gòu)建應(yīng)急通信閉環(huán)，在電力搶修人員進(jìn)駐恢復(fù)供電過程中提供實(shí)時可靠的信息支撐，以最快速度完成災(zāi)區(qū)信息實(shí)時采集、傳輸、感知與處理，為電力供應(yīng)快速恢復(fù)提供高可靠的通信保障。

2.2.5 星地融合典型系統(tǒng)應(yīng)用

中國大陸、島嶼海岸線總長度超過32 600 km，海洋資源豐富，并且荒漠化土地面積占中國國土總面積的27%。由于其特殊地理環(huán)境與資源開發(fā)價值，海底科學(xué)觀測網(wǎng)、沙戈荒新能源場站將是未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)的“試驗(yàn)田”。

1）海底科學(xué)觀測網(wǎng)。如圖10 所示，面向海洋全方位綜合感知的海底科學(xué)觀測網(wǎng)包括空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)涵蓋衛(wèi)星通信、海上無線通信、岸基移動通信和水下無線通信等分立通信網(wǎng)絡(luò)。海底科學(xué)觀測網(wǎng)作為人類建立的第3 種地球科學(xué)觀測平臺，地面電力、通信不可達(dá)，需高價鋪設(shè)海底光電復(fù)合纜實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)、通信傳輸。海底直流供配電系統(tǒng)為海底觀測網(wǎng)的供能保障，其安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是以空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)為多層次感知載體的海底直流供配電系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測、維修保障［56］。

圖10 海底科學(xué)觀測網(wǎng)空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)Fig.10 Air-space-ground-sea integrated network for Seabed scientific observation network

海底直流供配電系統(tǒng)基于空基、天基、岸基、?；确至⒍帱c(diǎn)網(wǎng)狀通信架構(gòu)，形成“分支單元→海面浮標(biāo)→無人機(jī)中繼→衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)→地面運(yùn)控中心”數(shù)據(jù)傳輸閉環(huán)，并以此為“絲”，獲取海量多維系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地面運(yùn)控中心的“懸絲診脈”式故障實(shí)時診斷和短期預(yù)測。海面浮標(biāo)、空基中繼通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位自身位置并獲取相鄰中繼位置信息后進(jìn)行最優(yōu)自組網(wǎng)，可進(jìn)一步提升空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的韌性、抗擾性，確保系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)優(yōu)質(zhì)安全。判別并定位海底直流供配電系統(tǒng)故障后，地面運(yùn)控中心通過衛(wèi)星導(dǎo)航獲取運(yùn)維船只與人員位置等局部定點(diǎn)信息，結(jié)合衛(wèi)星遙感圖像獲取當(dāng)前時刻海面氣象信息與運(yùn)維設(shè)備、運(yùn)維人員的分布情況，制定安全快速的運(yùn)維建議和策略，縮短海底觀測網(wǎng)停電時長，為海底全天候、實(shí)時、高分辨率多維立體觀測提供電力保障。

2）沙戈荒新能源場站。沙戈荒地區(qū)多位于海拔高度1 000 m 以上，土地平坦，風(fēng)光資源條件優(yōu)越，具有得天獨(dú)厚的風(fēng)光儲綜合開發(fā)的資源條件，如圖11 所示。在電源側(cè)，沙戈荒大型新能源場站所在處自然條件惡劣，光照強(qiáng)、風(fēng)沙多、溫差大，已出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降、沙塵遮擋、設(shè)備衰減、組件熱斑、支架松動等系列問題，運(yùn)維成本高、難度大［57］；在電網(wǎng)側(cè)，輸電走廊橫跨東西，地理環(huán)境復(fù)雜，狀態(tài)監(jiān)測、智能檢修難度大。

圖11 沙戈荒新能源場站“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+”應(yīng)用Fig.11 “Satellite Internet+” application in desert-gobiwasteland new energy station

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能服務(wù)主要涵蓋強(qiáng)不確定性新能源出力快速準(zhǔn)確預(yù)測、數(shù)字化安全監(jiān)測檢修。一方面，依托衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)遙感、通信服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)場站周圍環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、太陽輻射等高分辨率氣象數(shù)據(jù)預(yù)測，結(jié)合大模型智慧學(xué)習(xí)能力，構(gòu)建面向中短期凈負(fù)荷預(yù)測的歷史氣象數(shù)據(jù)庫與高精度預(yù)測模型，以提升“雙高”新型電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃與調(diào)度響應(yīng)能力；另一方面，由于其所處自然條件惡劣，光照強(qiáng)、風(fēng)沙多、溫差大，容易出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降、沙塵遮擋、設(shè)備衰減、組件熱斑、支架松動等系列問題，依托衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)遙感、通信服務(wù)能力，融合物聯(lián)網(wǎng)傳感、圖像識別、移動互聯(lián)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)升壓站、太陽能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等站內(nèi)作業(yè)區(qū)域數(shù)字化監(jiān)控，提高場站寬范圍安全感知、交互與自主能力?；趫稣咎旎b感衛(wèi)星成像、空基無人機(jī)攝像、地面監(jiān)控等多維立體遙感觀測數(shù)據(jù)采集和云端分析結(jié)果，可指導(dǎo)場站級智能巡檢機(jī)器人完成常規(guī)巡視、故障巡視等智慧無人化作業(yè)，降低運(yùn)維成本和難度。

表3 總結(jié)了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)的典型應(yīng)用，梳理了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙服務(wù)在發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度等電力系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的典型業(yè)務(wù)場景。以輸電環(huán)節(jié)巡視檢修為例，在輸電業(yè)務(wù)區(qū)域，遙感衛(wèi)星提供了全域感測感知能力，監(jiān)測輸電走廊實(shí)時狀態(tài)；在隱患地區(qū)，搭載攝像頭、紅外檢測儀、電場傳感器等載荷的無人機(jī)借助衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的精確導(dǎo)航定位能力進(jìn)行定期無人化巡視作業(yè)，識別線路缺陷或隱患，掌握線路運(yùn)行狀況；在重點(diǎn)區(qū)域，長期部署的多元傳感器實(shí)時監(jiān)測線路運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)，并利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)廣覆蓋通信能力，構(gòu)建作業(yè)現(xiàn)場和遠(yuǎn)端控制中心的信息實(shí)時傳輸路徑。

表3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙服務(wù)在新型電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用Table 3 Typical application of satellite Internet communication-navigation-remote service in new power system

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、智能傳感裝備的深度結(jié)合共同構(gòu)建了如圖12 所示的空天地一體、通導(dǎo)遙融合的輸電環(huán)節(jié)分層協(xié)同巡視檢修新形態(tài)。

圖12 新型電力系統(tǒng)分層協(xié)同巡視檢修模式Fig.12 Hierarchical-collaborative inspection andmaintenance mode of new power system

3 新型電力系統(tǒng)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)安全融合

新型電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)眾多、網(wǎng)絡(luò)邊界泛化，隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)信息化增強(qiáng)易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅［58］，存在隱私泄露的風(fēng)險［59］。在新型電力系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用過程中，雖然推進(jìn)了能源、信息融合應(yīng)用進(jìn)程，但由于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)中時，其傳輸方式新、融合分界面多，容易成為新型電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攻擊的新對象，保障衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與新型電力系統(tǒng)深度安全融合面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隱私保護(hù)方面，借助衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以依賴現(xiàn)有電力系統(tǒng)隱私管理體系，通過所提安全體系增強(qiáng)新型電力系統(tǒng)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)融合的安全性。

3.1 新型電力系統(tǒng)星地融合網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險

自2010 年起，從電網(wǎng)到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，從工業(yè)小國到工業(yè)大國，網(wǎng)絡(luò)安全事件層出不窮。例如，2010年的“震網(wǎng)”事件使伊朗1 000 多臺離心機(jī)損毀；2015 年，烏克蘭遭惡意軟件入侵電網(wǎng)，導(dǎo)致近140 萬用戶失去供電長達(dá)6 h；2019 年美國猶他州的可再生能源電力公司遭受黑客發(fā)起的拒絕服務(wù)（denial of service，DoS）攻擊，導(dǎo)致當(dāng)?shù)匾约班徶荻鄠€地區(qū)出現(xiàn)停電事故；2022 年，黑客針對商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)注入潛伏性惡意軟件，導(dǎo)致烏克蘭與歐洲的網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)間歇性停滯，嚴(yán)重削弱了烏克蘭的通信能力。與上述傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全相比，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能下的新型電力系統(tǒng)將產(chǎn)生更加多樣化的攻擊暴露面，網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險呈現(xiàn)出多層次、多角度、高頻次的新態(tài)勢［60］。2022 年，針對商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同攻擊是電力系統(tǒng)星地融合網(wǎng)絡(luò)安全事件的典型案例，美國Viasat 公司在歐洲的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器遭受黑客攻擊，黑客借助衛(wèi)星終端作為跳板入侵衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理運(yùn)營系統(tǒng)，導(dǎo)致數(shù)萬個調(diào)制解調(diào)器被禁用，多個國家互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中斷，并使超過5 800 臺風(fēng)力渦輪機(jī)失效，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重?fù)p害。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)后將出現(xiàn)新型攻擊源和攻擊方式，其面臨的風(fēng)險來源與威脅方式主要針對現(xiàn)有靜態(tài)防護(hù)機(jī)制，如圖13 所示。

圖13 新型電力系統(tǒng)應(yīng)用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時面臨的典型網(wǎng)絡(luò)安全威脅Fig.13 Typical cyber security threats to new power system applying satellite Internet

3.2 新型電力系統(tǒng)星地融合網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)首要特征是天地一體化傳輸，公網(wǎng)、專網(wǎng)的融合應(yīng)用將為內(nèi)生安全的新型電力系統(tǒng)帶來新機(jī)遇和挑戰(zhàn)［61］。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)安全新挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全靜態(tài)防御邊界適應(yīng)性日漸降低，安全性能存在局限，在新型電力系統(tǒng)中將面臨三大新挑戰(zhàn)。

1）網(wǎng)絡(luò)安全邊界模糊淡化。電力網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)（衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、地面通信公網(wǎng)、氣象網(wǎng)絡(luò)等）的邊界愈發(fā)模糊，電力系統(tǒng)經(jīng)典的“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”安全邊界縱深防御結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)模糊的安全邊界［62］，海量分布式電源、傳感器、物聯(lián)終端的泛在接入直接擴(kuò)大了新型電力系統(tǒng)的攻擊面，高隱蔽性攻擊致使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靜態(tài)邊界安全機(jī)制檢測難等隱患逐漸暴露，進(jìn)一步侵蝕原有信息安全防御邊界［63］。

2）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制尚不完善。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、信號信道開放、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、星上網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通［64］，地面互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能的電力系統(tǒng)時，容易忽略天基網(wǎng)絡(luò)通信鏈路開放的特征，暴露大量防護(hù)短板和漏洞，難以實(shí)現(xiàn)全方位安全防護(hù)［65］。

3）多元網(wǎng)絡(luò)接入面臨主動性挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)被動防御能力包括隔離、查殺等，該方式主要針對已知的網(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)行有效防御［66］。隨著惡意軟件、病毒和新型主動對抗型網(wǎng)絡(luò)攻擊數(shù)量增長，攻擊方式演變呈現(xiàn)出多樣化、規(guī)?；?、智能化的特征，當(dāng)前防御方法整體缺乏自適應(yīng)、態(tài)勢感知、動態(tài)檢測并清除系統(tǒng)內(nèi)外各類已知和未知風(fēng)險的主動防御能力，難以滿足高度信息化的新型電力系統(tǒng)內(nèi)生安全需求［67］。

3.2.2 安全防護(hù)新趨勢

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全需要突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)縱深防御體系的適應(yīng)性和能力局限［68］，建設(shè)適應(yīng)電網(wǎng)和星網(wǎng)多元網(wǎng)絡(luò)融合、兼顧主動和被動防御能力的彈性動態(tài)安全防御體系。

1）安全防護(hù)體系化。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)手段多部署在控制中心、數(shù)據(jù)中心等重要性強(qiáng)、信息化程度高的區(qū)域。新型電力系統(tǒng)中位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的電力設(shè)施、通信終端、有線通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等將成為潛在攻擊目標(biāo)，安全隱患遍布整個系統(tǒng)。構(gòu)建從物理層到網(wǎng)絡(luò)層的立體防護(hù)體系，防御思路需要轉(zhuǎn)向主被動協(xié)同體系化防御。

2）安全防護(hù)智能化。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)安全防御通過風(fēng)險特征庫匹配的方式檢測網(wǎng)絡(luò)攻擊［69］，對新型攻擊的應(yīng)對能力較薄弱。新型電力系統(tǒng)的防御體系需借鑒零信任、擬態(tài)防御等理念，通過機(jī)器學(xué)習(xí)等方法挖掘系統(tǒng)大時間尺度下多層次行為隱含的信息（終端身份標(biāo)識和IP 變換、電力通信裝備上傳下載流量動態(tài)等），以此建立安全行為基準(zhǔn)線，動態(tài)智能檢測危險行為［70］。

3）安全防護(hù)自主化。傳統(tǒng)“發(fā)現(xiàn)風(fēng)險，警示風(fēng)險，解決風(fēng)險”的防御思路是被動遭受攻擊威脅進(jìn)而獲取威脅特征，再采取措施處理威脅，缺乏對電力網(wǎng)絡(luò)攻擊的動態(tài)檢測、主動發(fā)現(xiàn)、快速響應(yīng)和追蹤溯源等能力。新型電力系統(tǒng)的安全防護(hù)體系結(jié)合衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)、高效的通信服務(wù)能力，以海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)為支撐，推動新型電力系統(tǒng)向態(tài)勢預(yù)測、主動學(xué)習(xí)、快速響應(yīng)的積極主動防御轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)安全防御自主偵測、自主決策、自主遏制。

3.3 基于零信任的星地融合網(wǎng)絡(luò)信息安全體系

零信任的原則可以概括為“永不信任、時刻驗(yàn)證”，即遵循“以身份為基礎(chǔ)、以資源為核心、持續(xù)信任評估、動態(tài)訪問控制”的理念，本質(zhì)是在訪問主體和客體之間構(gòu)建基于主體身份驗(yàn)證、可信評估和動態(tài)權(quán)限分配的訪問控制體系［71］，包括網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)測、統(tǒng)一身份處理、可變信任評估和基于最小權(quán)限原則的訪問權(quán)限控制。

基于零信任的新型電力系統(tǒng)星地融合網(wǎng)絡(luò)安全體系具有兼容并蓄的特點(diǎn):1）通過建立統(tǒng)一的安全互聯(lián)互通機(jī)制和實(shí)施一致的安全措施，形成多元網(wǎng)絡(luò)體系化信息共享與安全防護(hù)機(jī)制；2）基于容納云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，形成新型電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的智能化關(guān)聯(lián)分析以及安全管控方案；3）通過制定面向新型電力系統(tǒng)用戶、業(yè)務(wù)和終端的身份健康管理和訪問控制策略，形成自主化的持續(xù)監(jiān)測、動態(tài)認(rèn)證和協(xié)同決策能力。借助高度包容性的優(yōu)勢，新型電力系統(tǒng)星地融合網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系能夠有效協(xié)調(diào)未來電力網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系化、智能化、自主化的需求，契合當(dāng)前安全防護(hù)趨勢發(fā)展，保障新型電力系統(tǒng)在不斷演化和復(fù)雜化的多元網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

新型電力系統(tǒng)星地融合網(wǎng)絡(luò)零信任安全體系如圖14 所示，由計(jì)算層（策略引擎）、控制層（策略管理）、執(zhí)行層（策略執(zhí)行）構(gòu)成，主要流程包括信息整合、身份評估以及授權(quán)控制3 個環(huán)節(jié)。

圖14 新型電力系統(tǒng)星地融合零信任安全體系Fig.14 Framework of zero-trust satellite-ground fusion security system

1）多元信息整合。安全架構(gòu)的執(zhí)行層匯聚整合新型電力系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（如融合電力節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址、終端設(shè)備型號、流量信息和日志及電氣特征量等多個維度的實(shí)體信息），并從中提取身份信息，傳遞到控制層中的身份管理模組，結(jié)合身份信息庫進(jìn)行統(tǒng)一辨識、身份匹配，突破了當(dāng)前利用賬號密碼、電子令牌、生物特征認(rèn)證等單一維度信息驗(yàn)證方式在數(shù)量、種類、可用性和針對性方面所面臨的困境［72］。

2）動態(tài)身份評估。計(jì)算層中的策略引擎利用身份管理模組中多維度統(tǒng)一身份標(biāo)識實(shí)現(xiàn)可變信任評估，即利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對多維度身份信息評估量化后，依據(jù)Bayesian 理論、Dempster-Shafer 等理論進(jìn)行多源信息融合綜合評估信任分［73］，并依靠網(wǎng)絡(luò)行為監(jiān)測機(jī)制，實(shí)時監(jiān)測主體身份狀態(tài)并傳遞回策略引擎，保證可變信任評估的實(shí)時性、有效性。最后，將信任分?jǐn)?shù)傳遞回控制層的權(quán)限管理模組，作為后續(xù)權(quán)限分配的依據(jù)。

3）最小權(quán)限控制。控制層依據(jù)最小權(quán)限原則，基于計(jì)算層的身份量化及信任評估結(jié)果控制訪問權(quán)限并向執(zhí)行層反饋。憑借對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)活動的監(jiān)察機(jī)制，可授予某次電力調(diào)度指令和指令發(fā)出方初始信任級，并持續(xù)監(jiān)控指令發(fā)出方的后續(xù)行為。若調(diào)度指令發(fā)出方后續(xù)行為可信，則施加“激勵”，準(zhǔn)許訪問更廣泛范圍的分布式電源發(fā)電信息與負(fù)荷數(shù)據(jù)；若錯誤授權(quán)導(dǎo)致攻擊者實(shí)施危險活動，則及時隔離制止并進(jìn)行“懲罰”，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的零信任安全管控閉環(huán)。

新型電力系統(tǒng)星地融合網(wǎng)絡(luò)零信任安全體系并非創(chuàng)造全新安全架構(gòu)，而是以新型電力系統(tǒng)實(shí)際的安全需求為出發(fā)點(diǎn)。該體系將零信任安全與傳統(tǒng)安全相結(jié)合，利用復(fù)雜系統(tǒng)工程思維和先進(jìn)安全防護(hù)理念構(gòu)建體系化安全架構(gòu)。通過利用現(xiàn)階段成熟的信息化技術(shù)進(jìn)行安全架構(gòu)強(qiáng)化升級，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)安全與零信任安全之間的協(xié)調(diào)和互動，為新型電力系統(tǒng)提供智能化、自主化的信息安全防御能力［74］。

4 “空天地全面一體、通導(dǎo)遙深度融合”新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢及全新形態(tài)

當(dāng)前新型電力系統(tǒng)建設(shè)存在的主要矛盾之一是打造空天地全面一體、通導(dǎo)遙深度融合的先進(jìn)信息化能力需求同性能不足、功能不全、結(jié)合不深的電力衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)實(shí)之間的矛盾，實(shí)質(zhì)是先進(jìn)的新型電力系統(tǒng)架構(gòu)理念同相對落后的信息化生產(chǎn)力之間的矛盾。隨著能源低碳轉(zhuǎn)型與數(shù)字中國建設(shè)的深入推進(jìn)，當(dāng)前主要任務(wù)是充分發(fā)揮衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新質(zhì)賦能潛力，推動“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+”新型電力系統(tǒng)垂直應(yīng)用新模式，為態(tài)勢感知、防災(zāi)應(yīng)急等多元電力場景提供安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效綜合信息服務(wù)［75］。

4.1 新型電力系統(tǒng)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)融合實(shí)踐路徑

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和實(shí)踐路徑如圖15 所示。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將攻關(guān)突破一系列核心技術(shù)，如星上處理、星間激光通信、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）路由、星地網(wǎng)絡(luò)安全、輕量化終端等，實(shí)現(xiàn)整體功能和性能的補(bǔ)全、躍升，從而具備面向多元電力業(yè)務(wù)場景的新質(zhì)賦能能力。

圖15 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)實(shí)踐路徑Fig.15 Practical pathways of satellite Internet enabling new power system

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)泛在覆蓋和多重覆蓋的泛在性、根據(jù)任務(wù)類型對系統(tǒng)進(jìn)行靈活動態(tài)調(diào)整的靈活性、協(xié)同空、天、地網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同工作的協(xié)作性等鮮明特征，這些特征使其能夠?qū)崿F(xiàn)對具體業(yè)務(wù)的快速高效處理。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能新型電力系統(tǒng)的實(shí)踐路徑為技術(shù)驗(yàn)證、試點(diǎn)應(yīng)用、推廣應(yīng)用3 步。

1）新型電力系統(tǒng)星地融合應(yīng)用技術(shù)驗(yàn)證。逐步突破全域覆蓋、隨遇接入的星地融合電力專網(wǎng)體系架構(gòu)、星地融合資源規(guī)劃調(diào)度、多元網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通及信息高效傳輸、輕量化衛(wèi)星終端及自組網(wǎng)模塊等關(guān)鍵核心技術(shù)，以零信任安全體系為總體原則構(gòu)建新型電力系統(tǒng)星地融合技術(shù)體系及發(fā)展實(shí)踐路徑，在基本電力業(yè)務(wù)場景中系統(tǒng)性測試衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的通信、導(dǎo)航、遙感等基本能力，為更廣泛的新型電力系統(tǒng)應(yīng)用場景提供先驗(yàn)實(shí)例。

2）新型電力系統(tǒng)星地融合場景試點(diǎn)應(yīng)用。將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能力與電力業(yè)務(wù)深度安全融合，逐步研發(fā)適配新型電力系統(tǒng)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝備，將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸、寬帶模組與電力逆變器、斷路器、智能開關(guān)、零信任安全模塊等裝備結(jié)合，形成系列直連衛(wèi)星的電力終端裝備，支撐電力單元的天地一體化信息能力。進(jìn)而，在全國新型電力系統(tǒng)示范區(qū)、整縣光伏示范區(qū)、邊境電網(wǎng)、海島電網(wǎng)等典型場景，探索衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用潛力并實(shí)踐多類型應(yīng)用方案，重點(diǎn)測試實(shí)際業(yè)務(wù)中衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能電力應(yīng)用能力及性能指標(biāo)。

3）“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+”新型電力系統(tǒng)全面實(shí)踐。通過技術(shù)驗(yàn)證和試點(diǎn)應(yīng)用，新型電力系統(tǒng)將全面開展星地融合信息化能力建設(shè)，將具有本質(zhì)安全的零信任安全體系融入小型化、高可靠的電力-衛(wèi)星裝備，推進(jìn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的電力業(yè)務(wù)固化與關(guān)鍵裝備定型，深化星地融合基礎(chǔ)設(shè)施改造升級，形成系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用推廣方案，構(gòu)建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)電力應(yīng)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)，新型電力系統(tǒng)星地融合新質(zhì)應(yīng)用進(jìn)入全面實(shí)踐階段。

4.2 新型電力系統(tǒng)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)融合全新形態(tài)

新型電力系統(tǒng)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的融合呈現(xiàn)螺旋式深化，即衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的空天地全面一體服務(wù)增量能力為新型電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)提質(zhì)增效，新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用需求、經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐催生上游的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、性能更新與服務(wù)模式的升級優(yōu)化。

1）空天地全面一體?？仗斓匾惑w化可全面促進(jìn)新型電力系統(tǒng)的信息物理覆蓋式和滴灌式融合，即在原有信息通聯(lián)的基礎(chǔ)上，空天地一體化“覆蓋”了新型電力系統(tǒng)的各個節(jié)點(diǎn)并伴隨信息物理的交互扁平化；同時，新型電力系統(tǒng)的末端在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的通信“滴灌”賦能下為主干網(wǎng)帶來聚少成多、由遠(yuǎn)及近的韌性。宏觀來看，新型電力系統(tǒng)從當(dāng)前近似二維的能量分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化為三維的立體網(wǎng)絡(luò)，借助衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)高速傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)服務(wù)于新型電力系統(tǒng)各級精細(xì)化運(yùn)行目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，而傳輸?shù)碾娔懿粌H是大量空天地一體化裝備的直接能量來源（衛(wèi)星終端、全電無人機(jī)等），更是天然的優(yōu)質(zhì)時序數(shù)據(jù)來源和實(shí)踐基地，通過大量應(yīng)用，新型電力系統(tǒng)進(jìn)一步成為大量新型空天技術(shù)策源地、驅(qū)動源和優(yōu)質(zhì)應(yīng)用場。

2）通導(dǎo)遙深度融合。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通導(dǎo)遙融合使得新型電力系統(tǒng)在信息感知、決策分析、巡視檢修、防災(zāi)應(yīng)急等方面均呈現(xiàn)“廣域智慧無人化”形態(tài)。在信息感知層，新型電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用等多環(huán)節(jié)采集單元分布密度高、長短序列時間尺度寬、多元異構(gòu)數(shù)據(jù)跨級跨域共享、電力數(shù)據(jù)資源豐富。在決策分析層，新型電力系統(tǒng)具備電壓/功角/頻率穩(wěn)定、寬頻振蕩等安全穩(wěn)定態(tài)勢實(shí)時分析以及靜態(tài)安全域、動態(tài)安全域、小擾動安全域等狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測等能力。在巡視檢修層，新型電力系統(tǒng)以生產(chǎn)控制中心和人工智能大模型為中樞核心，以無人機(jī)機(jī)巢、衛(wèi)星、監(jiān)測裝置、巡檢機(jī)器人等遠(yuǎn)程作業(yè)設(shè)備為虛擬班組，依托衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)逐步構(gòu)建面向巡視、檢修、作業(yè)、安監(jiān)等多場景智慧化無人化作業(yè)體系。在防災(zāi)應(yīng)急層，構(gòu)建面向?yàn)?zāi)區(qū)大面積停電場景的“星上云集中處理→精簡指令下發(fā)→地面低功率設(shè)備執(zhí)行”廣義云邊協(xié)同架構(gòu)，充分調(diào)動空天地計(jì)算處理資源，賦予救援車輛、人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)前的新型電力系統(tǒng)緊急響應(yīng)能力。

3）新質(zhì)賦能生產(chǎn)力。在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的賦能下，新型電力系統(tǒng)的空天地全面一體化網(wǎng)絡(luò)既是信息化、智能化和現(xiàn)代化社會的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，也是推進(jìn)科學(xué)發(fā)展、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動的重要手段和保障國家安全的重要支撐。促進(jìn)電力系統(tǒng)從單一的能源供應(yīng)商轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉?、?shù)據(jù)、信息三重驅(qū)動的服務(wù)商和創(chuàng)造者，能源與信息領(lǐng)域的兩大基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)動、共建與共享將助力全社會的資源集約利用，打通行業(yè)間壁壘，加速學(xué)科與行業(yè)交叉融合。

5 結(jié)語

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為高中低軌協(xié)同的全球全域全時新型網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施，將在新型電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)、態(tài)勢感知、巡視檢修、防災(zāi)應(yīng)急、特殊場景等方面提供新質(zhì)賦能綜合應(yīng)用，是新型電力系統(tǒng)空天地一體信息化建設(shè)的基礎(chǔ)支撐、通導(dǎo)遙融合信息化應(yīng)用的縱深拓展、安全高效信息化升級的關(guān)鍵動力以及新質(zhì)生產(chǎn)力的新時代科技探索與實(shí)踐。本文通過回顧衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程，總結(jié)了其能力特征，提出了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)賦能下新型電力系統(tǒng)新質(zhì)應(yīng)用形式、典型場景、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐路徑。針對應(yīng)用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時新型電力系統(tǒng)面臨的潛在安全風(fēng)險，提出了星地融合網(wǎng)絡(luò)零信任安全模式，為推動新型電力系統(tǒng)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)跨行業(yè)跨領(lǐng)域互聯(lián)互通深度融合、共建共享協(xié)同發(fā)展提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)參考。

在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的支撐賦能下，新型電力系統(tǒng)將建設(shè)成為高速泛在、天地一體、云網(wǎng)融合、綠色低碳、安全可控的典型信息物理系統(tǒng)，成為提高資源利用效率、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的重要引擎。在當(dāng)前強(qiáng)弱電耦合的基礎(chǔ)上，新型電力系統(tǒng)展現(xiàn)出多元蓬勃發(fā)展的潛力:在信息層面上，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等信息層通過深度介入新型電力系統(tǒng)的生產(chǎn)、服務(wù)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)從能源核心向提供能源供應(yīng)和信息服務(wù)并舉的轉(zhuǎn)型升級；在物理層面上，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的深度集成使得硬件裝備和控制指令能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)和高效的配合，不僅在發(fā)電效率、新能源供應(yīng)可靠性、源網(wǎng)荷儲協(xié)動、整體韌性提升等方面實(shí)現(xiàn)性能的顯著升級，更通過智能化、信息化的管理和優(yōu)化，推動新型電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)感傳算存一體、多時空尺度協(xié)同運(yùn)行，為“雙碳”戰(zhàn)略穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。