一城一北斗 | 抗干扰型电力北斗授时装置应用

申报单位：国能粤电台山发电有限公司

联合申报单位：

主要完成人：郭建强、张彬、肖华宾、靳阿妮、黄常抒、陈鹏飞

一、案例简介

电力系统是时间强相关系统，无论电压、电流、相角、功角变化，都是基于时间轴的波形。因此，为 实现电力系统保护、自动化、安稳、故障录波、雷电定位、故障测距、信息化管理系统等装置的稳定可靠 运行，多采用卫星授时装置为上述设备或系统提供高精度的时间参考信号，其最高时间偏差要求小于1微 秒。对于发电厂而言，其站内的保护、测量、监控等设备同样需要在统一精确时钟源的基础上，实现生产 及各种监测数据的实时同步采集，确保线路故障定位、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验等关键 过程的可靠性，进而实现发电及其辅助装备的稳定可靠运行。为了提供精确的时间同步服务，虽然发电侧 采用了北斗卫星授时系统作为精密时钟源，但多没有采取有效措施实现电磁攻击以及伪基站诱骗条件下的 授时防护。通过电磁干扰或欺骗的手段实现北斗系统授时的攻击，对发电侧可造成如下影响：影响电网频 率的检测；影响实时数据的采集；影响历史数据的记录，导致电网事故难以分析；影响电网潮流的计算与 状态判断；影响输电线路雷击点定位。上述影响的直接后果甚至可能造成发电设备的突发性宕机，进而对

电网形成冲击，并最终导致整个电力系统瘫痪。

北斗时空安全隔离装置是一套安装在卫星导航信号与授时系统之间的一道“防火墙”,可以在电力系 统设施授时系统原位进行安装使用，实现授时安全防护加固。北斗时空安全隔离装置通过卫星导航信号实 时异常监测与安全主动隔离，实现卫星信号异常、电磁环境(压制干扰、欺骗干扰)等信号监测告警，并 提供主动风险隔离、授时保持等功能，大幅提高电力系统设施授时系统的安全性、稳健性和抗攻击能力， 保障授时系统在各种复杂电磁环境下的连续工作。该设备能与现存授时系统无缝集成，接口完全兼容，即 插即用转换为北斗授时系统以及提高授时系统安全防护性能。

二、技术方案

1、主要功能

1)原位加固功能：在不替换现有授时系统的条件下，实现电力系统设施原位安装直接转换为北斗授 时系统，以及实现电力系统设施授时系统原位进行安装使用实现授时安全防护加固。

2)异常告警功能：具备对电力系统设施卫星导航授时信号的完好性自主检测及异常监测，能够实现 不触发电力系统设施授时系统告警前提下提前实时异常告警，并能够在确保电力系统设施授时正常条件下 提前预警和处理异常。

3)安全隔离功能：具备在电力系统设施卫星导航授时信号异常或授时系统受到外部信号攻击时，能 够从信号层面主动隔离外部异常，并持续保持电力系统设施授时系统正常工作。

4)抗干扰反欺骗：系统具备较强的抗干扰和反欺骗能力，能够在复杂电磁环境或者对抗环境下维持 系统自身正常运转，进而保证时空服务安全与稳定。

2、主要研究内容

1)主要研究内容：欺骗干扰信号检测研究，针对大功率电磁压制干扰，以及伪基站欺骗信号的时频、

相位、空间位置等特征为基础，通过时间序列信号的时频、时空、空频、谱特征等分析技术，研究北斗信 号干扰及伪基站信号检测算法，实现干扰及伪授时信号的精准检测，为精密守时设备的工作提供基础的决 策支撑。安全守时技术研究，针对厂站精密安全的授时需求，以针对北斗信号的干扰及欺骗检测为前提， 研究基于多模态的安全守时技术。即在检测到北斗授时信号受到干扰或欺骗的情况下，通过精密授时时钟 的信号切换，实现厂站授时的连续及稳定性，确保厂站的生产安全。厂站安全授时/守时系统研发，在充分 考虑厂站授时实际需求的情况下，以基于北斗的安全守时技术为支撑，以GB/T 37911.1-2019、DL/T 1100.1-2018、IEEE 1588等规范为标准，研发基于北斗的厂站安全授时/守时系统，为厂站提供精密、高可 靠性的授时服务。

2)主要研究工作：借鉴国内外卫星授时装置安全防护技术和解决方案，根据电厂可能遭受到的各种 攻击手段与接收欺骗干扰信号源情况，研究多种卫星授时系统抗欺骗干扰检测和抑制技术方案，研究制定 卫星授时装置的最佳安全防护方案。研究并评估电厂可能遭受到的各种攻击手段与接收欺骗干扰信号源情 况；研究电厂可能遭受到的各种攻击手段与接收欺骗干扰信号等对电力生产产生的影响。开展多种信号检

测试验，评估并验证卫星授时装置安全防护结果，确定卫星授时装置安全防护装置的有效性和可用性。

三、创新亮点

1)提出了一种基于多特征融合的北斗信号干扰及欺骗检测算法：该算法通过傅里叶变换、小波分析、 谱分析等方法提取北斗接受信号的时频、空频等多元特征，以动态贝叶斯模型为基础，实现了北斗干扰及 伪基站信号的高效检测，为守时系统的后继工作提供了基本的决策支持。

2)提出了一种基于多模框架的厂站安全守时模型：以高精密本地时钟、北斗授时时钟为支撑，采用 锁相及锁频技术在实现多源时钟同步的基础上，以北斗干扰及欺骗信号检测为前提，实现了授时输出从不 可靠时钟源到可靠时钟源的高速切换，确保了厂站授时的鲁棒性。为克服现有技术的缺陷，本发明提供了 基于人工智能的北斗信号管理方法及系统，针对在北斗信号管理过程中，存在北斗信号欺骗数据样本匮乏， 导致数据集不平衡，从而影响模型性能的技术问题，本方案采用合成少数类过采样技术，通过合成欺骗样 本，缓解数据集不平衡问题，增加样本数量，提高模型泛化能力；针对在北斗信号管理过程中，存在由于 北斗信号环境复杂，易夹带噪声，从而导致模型准确性和鲁棒性低的技术问题，本方案采用结合主成分分 析的一维卷积层进行特征提取，减少了冗余信息和噪声，能够自动学习数据特征，使得模型具有更强的适 应性；针对在北斗信号管理过程中，存在欺骗技术不断变化，缺乏一种适应新型欺骗行为的欺骗检测方法 的技术问题，本方案采用长短期记忆网络进行欺骗检测，能够更好地学习数据潜在分布，从而提高对新型 欺骗行为的检测能力。