一城一北斗 | 抗干擾型電力北斗授時裝置應用

申報單位：國能粵電臺山發電有限公司

聯合申報單位：

主要完成人：郭建強、張彬、肖華賓、靳阿妮、黃常抒、陳鵬飛

一、案例簡介

電力系統是時間強相關系統，無論電壓、電流、相角、功角變化，都是基于時間軸的波形。因此，為 實現電力系統保護、自動化、安穩、故障錄波、雷電定位、故障測距、信息化管理系統等裝置的穩定可靠 運行，多采用衛星授時裝置為上述設備或系統提供高精度的時間參考信號，其最高時間偏差要求小于1微 秒。對于發電廠而言，其站內的保護、測量、監控等設備同樣需要在統一精確時鐘源的基礎上，實現生產 及各種監測數據的實時同步采集，確保線路故障定位、相量和功角動態監測、機組和電網參數校驗等關鍵 過程的可靠性，進而實現發電及其輔助裝備的穩定可靠運行。為了提供精確的時間同步服務，雖然發電側 采用了北斗衛星授時系統作為精密時鐘源，但多沒有采取有效措施實現電磁攻擊以及偽基站誘騙條件下的 授時防護。通過電磁干擾或欺騙的手段實現北斗系統授時的攻擊，對發電側可造成如下影響：影響電網頻 率的檢測；影響實時數據的采集；影響歷史數據的記錄，導致電網事故難以分析；影響電網潮流的計算與 狀態判斷；影響輸電線路雷擊點定位。上述影響的直接后果甚至可能造成發電設備的突發性宕機，進而對

電網形成沖擊，并最終導致整個電力系統癱瘓。

北斗時空安全隔離裝置是一套安裝在衛星導航信號與授時系統之間的一道“防火墻”,可以在電力系 統設施授時系統原位進行安裝使用，實現授時安全防護加固。北斗時空安全隔離裝置通過衛星導航信號實 時異常監測與安全主動隔離，實現衛星信號異常、電磁環境(壓制干擾、欺騙干擾)等信號監測告警，并 提供主動風險隔離、授時保持等功能，大幅提高電力系統設施授時系統的安全性、穩健性和抗攻擊能力， 保障授時系統在各種復雜電磁環境下的連續工作。該設備能與現存授時系統無縫集成，接口完全兼容，即 插即用轉換為北斗授時系統以及提高授時系統安全防護性能。

二、技術方案

1、主要功能

1)原位加固功能：在不替換現有授時系統的條件下，實現電力系統設施原位安裝直接轉換為北斗授 時系統，以及實現電力系統設施授時系統原位進行安裝使用實現授時安全防護加固。

2)異常告警功能：具備對電力系統設施衛星導航授時信號的完好性自主檢測及異常監測，能夠實現 不觸發電力系統設施授時系統告警前提下提前實時異常告警，并能夠在確保電力系統設施授時正常條件下 提前預警和處理異常。

3)安全隔離功能：具備在電力系統設施衛星導航授時信號異常或授時系統受到外部信號攻擊時，能 夠從信號層面主動隔離外部異常，并持續保持電力系統設施授時系統正常工作。

4)抗干擾反欺騙：系統具備較強的抗干擾和反欺騙能力，能夠在復雜電磁環境或者對抗環境下維持 系統自身正常運轉，進而保證時空服務安全與穩定。

2、主要研究內容

1)主要研究內容：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頻、

相位、空間位置等特征為基礎，通過時間序列信號的時頻、時空、空頻、譜特征等分析技術，研究北斗信 號干擾及偽基站信號檢測算法，實現干擾及偽授時信號的精準檢測，為精密守時設備的工作提供基礎的決 策支撐。安全守時技術研究，針對廠站精密安全的授時需求，以針對北斗信號的干擾及欺騙檢測為前提， 研究基于多模態的安全守時技術。即在檢測到北斗授時信號受到干擾或欺騙的情況下，通過精密授時時鐘 的信號切換，實現廠站授時的連續及穩定性，確保廠站的生產安全。廠站安全授時/守時系統研發，在充分 考慮廠站授時實際需求的情況下，以基于北斗的安全守時技術為支撐，以GB/T 37911.1-2019、DL/T 1100.1-2018、IEEE 1588等規范為標準，研發基于北斗的廠站安全授時/守時系統，為廠站提供精密、高可 靠性的授時服務。

2)主要研究工作：借鑒國內外衛星授時裝置安全防護技術和解決方案，根據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，研究多種衛星授時系統抗欺騙干擾檢測和抑制技術方案，研究制定 衛星授時裝置的最佳安全防護方案。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產生的影響。開展多種信號檢

測試驗，評估并驗證衛星授時裝置安全防護結果，確定衛星授時裝置安全防護裝置的有效性和可用性。

三、創新亮點

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頻、空頻等多元特征，以動態貝葉斯模型為基礎，實現了北斗干擾及 偽基站信號的高效檢測，為守時系統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模型：以高精密本地時鐘、北斗授時時鐘為支撐，采用 鎖相及鎖頻技術在實現多源時鐘同步的基礎上，以北斗干擾及欺騙信號檢測為前提，實現了授時輸出從不 可靠時鐘源到可靠時鐘源的高速切換，確保了廠站授時的魯棒性。為克服現有技術的缺陷，本發明提供了 基于人工智能的北斗信號管理方法及系統，針對在北斗信號管理過程中，存在北斗信號欺騙數據樣本匱乏， 導致數據集不平衡，從而影響模型性能的技術問題，本方案采用合成少數類過采樣技術，通過合成欺騙樣 本，緩解數據集不平衡問題，增加樣本數量，提高模型泛化能力；針對在北斗信號管理過程中，存在由于 北斗信號環境復雜，易夾帶噪聲，從而導致模型準確性和魯棒性低的技術問題，本方案采用結合主成分分 析的一維卷積層進行特征提取，減少了冗余信息和噪聲，能夠自動學習數據特征，使得模型具有更強的適 應性；針對在北斗信號管理過程中，存在欺騙技術不斷變化，缺乏一種適應新型欺騙行為的欺騙檢測方法 的技術問題，本方案采用長短期記憶網絡進行欺騙檢測，能夠更好地學習數據潛在分布，從而提高對新型 欺騙行為的檢測能力。