一城一北斗 | 抗干擾型電力北斗授時(shí)裝置應(yīng)用

申報(bào)單位：國能粵電臺山發(fā)電有限公司

聯(lián)合申報(bào)單位：

主要完成人：郭建強(qiáng)、張彬、肖華賓、靳阿妮、黃常抒、陳鵬飛

一、案例簡介

電力系統(tǒng)是時(shí)間強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)，無論電壓、電流、相角、功角變化，都是基于時(shí)間軸的波形。因此，為 實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)保護(hù)、自動化、安穩(wěn)、故障錄波、雷電定位、故障測距、信息化管理系統(tǒng)等裝置的穩(wěn)定可靠 運(yùn)行，多采用衛(wèi)星授時(shí)裝置為上述設(shè)備或系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間參考信號，其最高時(shí)間偏差要求小于1微 秒。對于發(fā)電廠而言，其站內(nèi)的保護(hù)、測量、監(jiān)控等設(shè)備同樣需要在統(tǒng)一精確時(shí)鐘源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn) 及各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步采集，確保線路故障定位、相量和功角動態(tài)監(jiān)測、機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)校驗(yàn)等關(guān)鍵 過程的可靠性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電及其輔助裝備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。為了提供精確的時(shí)間同步服務(wù)，雖然發(fā)電側(cè) 采用了北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)作為精密時(shí)鐘源，但多沒有采取有效措施實(shí)現(xiàn)電磁攻擊以及偽基站誘騙條件下的 授時(shí)防護(hù)。通過電磁干擾或欺騙的手段實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)授時(shí)的攻擊，對發(fā)電側(cè)可造成如下影響：影響電網(wǎng)頻 率的檢測；影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集；影響歷史數(shù)據(jù)的記錄，導(dǎo)致電網(wǎng)事故難以分析；影響電網(wǎng)潮流的計(jì)算與 狀態(tài)判斷；影響輸電線路雷擊點(diǎn)定位。上述影響的直接后果甚至可能造成發(fā)電設(shè)備的突發(fā)性宕機(jī)，進(jìn)而對

電網(wǎng)形成沖擊，并最終導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)癱瘓。

北斗時(shí)空安全隔離裝置是一套安裝在衛(wèi)星導(dǎo)航信號與授時(shí)系統(tǒng)之間的一道“防火墻”,可以在電力系 統(tǒng)設(shè)施授時(shí)系統(tǒng)原位進(jìn)行安裝使用，實(shí)現(xiàn)授時(shí)安全防護(hù)加固。北斗時(shí)空安全隔離裝置通過衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí) 時(shí)異常監(jiān)測與安全主動隔離，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號異常、電磁環(huán)境(壓制干擾、欺騙干擾)等信號監(jiān)測告警，并 提供主動風(fēng)險(xiǎn)隔離、授時(shí)保持等功能，大幅提高電力系統(tǒng)設(shè)施授時(shí)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)健性和抗攻擊能力， 保障授時(shí)系統(tǒng)在各種復(fù)雜電磁環(huán)境下的連續(xù)工作。該設(shè)備能與現(xiàn)存授時(shí)系統(tǒng)無縫集成，接口完全兼容，即 插即用轉(zhuǎn)換為北斗授時(shí)系統(tǒng)以及提高授時(shí)系統(tǒng)安全防護(hù)性能。

二、技術(shù)方案

1、主要功能

1)原位加固功能：在不替換現(xiàn)有授時(shí)系統(tǒng)的條件下，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)設(shè)施原位安裝直接轉(zhuǎn)換為北斗授 時(shí)系統(tǒng)，以及實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)設(shè)施授時(shí)系統(tǒng)原位進(jìn)行安裝使用實(shí)現(xiàn)授時(shí)安全防護(hù)加固。

2)異常告警功能：具備對電力系統(tǒng)設(shè)施衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)信號的完好性自主檢測及異常監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn) 不觸發(fā)電力系統(tǒng)設(shè)施授時(shí)系統(tǒng)告警前提下提前實(shí)時(shí)異常告警，并能夠在確保電力系統(tǒng)設(shè)施授時(shí)正常條件下 提前預(yù)警和處理異常。

3)安全隔離功能：具備在電力系統(tǒng)設(shè)施衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)信號異常或授時(shí)系統(tǒng)受到外部信號攻擊時(shí)，能 夠從信號層面主動隔離外部異常，并持續(xù)保持電力系統(tǒng)設(shè)施授時(shí)系統(tǒng)正常工作。

4)抗干擾反欺騙：系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗干擾和反欺騙能力，能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境或者對抗環(huán)境下維持 系統(tǒng)自身正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而保證時(shí)空服務(wù)安全與穩(wěn)定。

2、主要研究內(nèi)容

1)主要研究內(nèi)容：欺騙干擾信號檢測研究，針對大功率電磁壓制干擾，以及偽基站欺騙信號的時(shí)頻、

相位、空間位置等特征為基礎(chǔ)，通過時(shí)間序列信號的時(shí)頻、時(shí)空、空頻、譜特征等分析技術(shù)，研究北斗信 號干擾及偽基站信號檢測算法，實(shí)現(xiàn)干擾及偽授時(shí)信號的精準(zhǔn)檢測，為精密守時(shí)設(shè)備的工作提供基礎(chǔ)的決 策支撐。安全守時(shí)技術(shù)研究，針對廠站精密安全的授時(shí)需求，以針對北斗信號的干擾及欺騙檢測為前提， 研究基于多模態(tài)的安全守時(shí)技術(shù)。即在檢測到北斗授時(shí)信號受到干擾或欺騙的情況下，通過精密授時(shí)時(shí)鐘 的信號切換，實(shí)現(xiàn)廠站授時(shí)的連續(xù)及穩(wěn)定性，確保廠站的生產(chǎn)安全。廠站安全授時(shí)/守時(shí)系統(tǒng)研發(fā)，在充分 考慮廠站授時(shí)實(shí)際需求的情況下，以基于北斗的安全守時(shí)技術(shù)為支撐，以GB/T 37911.1-2019、DL/T 1100.1-2018、IEEE 1588等規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)基于北斗的廠站安全授時(shí)/守時(shí)系統(tǒng)，為廠站提供精密、高可 靠性的授時(shí)服務(wù)。

2)主要研究工作：借鑒國內(nèi)外衛(wèi)星授時(shí)裝置安全防護(hù)技術(shù)和解決方案，根據(jù)電廠可能遭受到的各種 攻擊手段與接收欺騙干擾信號源情況，研究多種衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)抗欺騙干擾檢測和抑制技術(shù)方案，研究制定 衛(wèi)星授時(shí)裝置的最佳安全防護(hù)方案。研究并評估電廠可能遭受到的各種攻擊手段與接收欺騙干擾信號源情 況；研究電廠可能遭受到的各種攻擊手段與接收欺騙干擾信號等對電力生產(chǎn)產(chǎn)生的影響。開展多種信號檢

測試驗(yàn)，評估并驗(yàn)證衛(wèi)星授時(shí)裝置安全防護(hù)結(jié)果，確定衛(wèi)星授時(shí)裝置安全防護(hù)裝置的有效性和可用性。

三、創(chuàng)新亮點(diǎn)

1)提出了一種基于多特征融合的北斗信號干擾及欺騙檢測算法：該算法通過傅里葉變換、小波分析、 譜分析等方法提取北斗接受信號的時(shí)頻、空頻等多元特征，以動態(tài)貝葉斯模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了北斗干擾及 偽基站信號的高效檢測，為守時(shí)系統(tǒng)的后繼工作提供了基本的決策支持。

2)提出了一種基于多模框架的廠站安全守時(shí)模型：以高精密本地時(shí)鐘、北斗授時(shí)時(shí)鐘為支撐，采用 鎖相及鎖頻技術(shù)在實(shí)現(xiàn)多源時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)上，以北斗干擾及欺騙信號檢測為前提，實(shí)現(xiàn)了授時(shí)輸出從不 可靠時(shí)鐘源到可靠時(shí)鐘源的高速切換，確保了廠站授時(shí)的魯棒性。為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了 基于人工智能的北斗信號管理方法及系統(tǒng)，針對在北斗信號管理過程中，存在北斗信號欺騙數(shù)據(jù)樣本匱乏， 導(dǎo)致數(shù)據(jù)集不平衡，從而影響模型性能的技術(shù)問題，本方案采用合成少數(shù)類過采樣技術(shù)，通過合成欺騙樣 本，緩解數(shù)據(jù)集不平衡問題，增加樣本數(shù)量，提高模型泛化能力；針對在北斗信號管理過程中，存在由于 北斗信號環(huán)境復(fù)雜，易夾帶噪聲，從而導(dǎo)致模型準(zhǔn)確性和魯棒性低的技術(shù)問題，本方案采用結(jié)合主成分分 析的一維卷積層進(jìn)行特征提取，減少了冗余信息和噪聲，能夠自動學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)特征，使得模型具有更強(qiáng)的適 應(yīng)性；針對在北斗信號管理過程中，存在欺騙技術(shù)不斷變化，缺乏一種適應(yīng)新型欺騙行為的欺騙檢測方法 的技術(shù)問題，本方案采用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行欺騙檢測，能夠更好地學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)潛在分布，從而提高對新型 欺騙行為的檢測能力。