文/程明睿 高宏

（本文作者单位系中国电子信息产业发展研究院安全产业所）

编辑 朱丽晶

电网一景

作为“十三五”期间重大科技创新成果之一，北斗卫星导航系统（以下简称“北斗”）立足“服务全球、造福人类”，对推动构建人类命运共同体具有重大意义。

电力行业作为与北斗结合最为紧密的行业，北斗失能失效对电力行业稳定运行影响严重。弹性PNT（Positioning，Navigation and Timing，定位、导航与授时）系统能够在北斗受到干扰或失效时，为电力系统提供定位、导航与授时数据，从而降低失效损失、保障系统正常稳定运行；在平常还可通过提供参考信号，提升以北斗为中心的PNT服务精度。研究如何发挥弹性PNT系统安全保障作用，在加快北斗推广的过程中持续提升电力行业安全水平十分必要。

弹性PNT系统助力北斗发挥效能

北斗、GPS等GNSS系统均面临干扰问题，干扰手段简便，预期损失严重

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）等天基PNT系统信号源于太空，到达地面后信号较弱，容易被遮蔽、屏蔽、干扰和欺骗，室内、涵洞、地下均难以直接收到信号，需要借助接收机、地基增强及伪卫星基站等实现。对北斗、GPS等信号的屏蔽与干扰易于实现。

2021年10月，GPSPatron在一篇文章中给出了4种针对GPS的攻击方法，其成本不超过480美元，攻击时间仅需15～300 s。作者同时指出，采用多种PNT来源能够有效防范上述方法。

在我国，以“北斗屏蔽器”为关键词在百度上搜索，其首页链接即指向数十种宣称能够屏蔽或干扰北 斗、GPS、GLONASS的 产 品，价格在75元到800元不等。这些产品多针对“两客一危”（从事旅游的包车、三类以上班线客车和运输危险化学品、烟花爆竹、民用爆炸物品的道路专用车辆）的GPS/北斗定位系统，屏蔽距离最高可达50m，且产品最小仅为U盘大小，便于隐藏，对北斗定位乃至4G、5G基站的潜在危害严重。

英国皇家航海学会在对美国交通部弹性导航和授时基金会的评论中指出，GPS/北斗等GNSS系统的全面失效，将造成重大经济损害：仅失效5天，就将为英国造成总计约52亿英镑的损失，合计10.2亿英镑/天（约90亿人民币/天），其中以物流领域损失居多。

电力行业是北斗应用最深入、最全面的行业，北斗授时、定位、导航、短报文功能在电力行业建筑、调度、发电、输电、变电、配电、维护、用电等全领域均有应用，且基站分布广、受干扰影响大。

我国弹性PNT系统理念先进，美国自称还处于理论阶段

我国杨元喜院士于2016年提出了“综合PNT体系”，并以北斗系统为核心，低地球轨道(LEO)的PNT星座、天基及地基增强系统、室内导航、水下导航、天空导航、Loran-C、惯性传感器、以及尚未开发的量子导航为辅助，形成的综合PNT体系，预期将在2035年建成。

美国早在2004年就制定了国家天基PNT政策(NSPD-39)，提出建设备用PNT能力，以在GPS中断期间确保国家经济和国家安全；2008年发布了“国家定位、导航和授时架构研究”，但几乎未采取实际行动实施；2021年1月发布了总统备忘录《空间政策指令备忘录7》，针对GPS干扰和被攻击问题明确了响应体制机制，同月交通部向国会提交了有关PNT备份的报告，认为有必要建立一个“GPS备份”体系。

然而2021年5月，美国兰德公司发布了《对更具弹性的国家定位、导航与授时(PNT)能力的分析》，给出了几种能够提升PNT弹性的相关技术，并指出：当前美国已经建立了应用多种替代性、补充性PNT能力的综合体系；体系应急能力强、GPS反欺骗经验及手段丰富；GPS大规模中断持续时间通常较短，造成的每天数千万/数亿美金的损失并非不可承受，对GPS备用系统进行大规模投资反而是不可接受的。

在美国政治体系下，宣传到位且工作成效显著才能得到拨款，愈显老旧的GPS系统客观上已经具有一定弹性，但美国是否需要建立备份体系仍在激烈辩论中。

芯片和终端质量是北斗系统有效工作的关键

首先，我国电力领域北斗应用水平还有待提升，作为北斗大规模推广前的主要GNSS系统，GPS仍是电力领域应用最广的授时系统之一，且与北斗同为天基GNSS系统，易被类似手段同时干扰。

其次，北斗系统在电力领域中，常被应用在电磁环境较为复杂甚至恶劣的环境中，对芯片抗干扰能力、电磁兼容可靠性要求较高，需要进行针对性的研发升级。

最后，随着北斗产业规模的快速扩大，需警惕社会资本涌入可能造成的地方保护主义、劣币驱逐良币等现象，以免电力北斗终端质量向车载终端发展，后者在交通运输部2020年抽检中的合格率仅有70.4%。

GNSS失效为电力安全增添隐患

智能电网的正常运行离不开精密授时，北斗等GNSS系统中长期失效将带来严重影响

智能电网的可靠性、自愈能力、兼容性和安全性，以及电力调度、数据监控、故障分析等功能均离不开精密授时，系统全网时钟不同步将导致线路行波故障测距和雷电定位系统失准、同步向量失灵、数据和信息丢失、SOE事件（Sequence of Event，事件顺序记录系统。当电力设备发生遥信变位，如开关变位时，电力保护设备或智能电力仪表会自动记录下变位时间、变位原因、开关跳闸时相应的遥测量值，形成SOE记录供事后分析，SOE分辨率一般要求低于1 ms）信息逻辑混乱、某些工作站死机或系统瘫痪等，严重情况下甚至导致电网波动。

由于发电厂、变电站、调度中心等系统的时钟设备品牌不同，精度及产品质量、老化程度有别，需要进行定时校准保证全网同步运行。其主要校准方式有以下几种：采用GPS/北斗或互为参考进行校准；采用电力调度控制中心时钟信号校准；采用无线报时信号校准；4G、5G+量子保密通信的授时技术等。

其中，调度中心时钟依靠GPS/北斗方式校准；无线报时受气候、地理环境影响较大；量子通信仍处于示范应用阶段，中继距离、介质研发、运行成本等产业化问题仍待解决。因此，GPS/北斗仍是当前电网授时主要的参考基准。

由于GPS授时在我国电网应用广泛，北斗短期失效对电网运行影响较小；而北斗中长期失效往往伴随着GPS的停止服务，届时完全依靠GPS授时的相关系统将无法工作，误差的累积效应将降低电网工作效率、大幅提升配网故障定位时间，威胁智能电网的长期稳定安全运行。

电力行业北斗导航、定位应用逐渐深入，减人无人趋势或成为“双刃剑”

目前，国家电网已初步建成了电力北斗时空智能服务体系，在18万车辆、150多条输电线路、13家省电力公司基建现场，累计推广应用北斗终端20余万套，并在山东、江苏等六省开展北斗应用综合示范区试点建设，相关服务体系已经提升了46.8%的输电线路灾害巡检效率，实现了重要线路地质灾害隐患预警。

2021年7月，国网信通为支援河南极端暴雨救灾，提供北斗高精度定位服务，仅28日即响应相关服务请求1万3 872次，且为25处洪区杆塔进行了倾斜实时监测。

广东电网机巡中心深度开发无人机巡检潜力，2019年作业量21万多千米，实现每周约1 000架次无人机作业采用自动飞行方案，自动化巡视占比50%以上，预计2025年可在广东省全境实现全部无人机自动驾驶。

在“北斗+”系统应用带来的减人效应影响下，巡检岗位数量有望缩减50%。而短期北斗失效将极大提升工人对线路、重要电力基础设施的巡检强度，可能需要从其他岗位临时调配员工参与巡检工作，巡检质量也将相应降低；中长期失效将对系统安全性造成长期影响，使“北斗+无人机”实现的线路巡检、北斗精确定位实现的基础设施沉降监控、北斗+4G实现的覆冰监测等应用失效，偏远地区电力基础设施地质沉降、设备老化问题将产生积累效应，冰雪覆盖、线路损坏等季节性、常规维护工作将回归人力巡检时代，进而消耗大量工时。

短报文系统联结偏远地区，北斗失效将造成不便

北斗短报文系统在公网信号薄弱的地面应用优势明显，广泛应用在偏远地带的电网基建项目联络、无公网地段作业巡检报送需求、小型水电发电量采集、偏远地段用户用电数据采集等方向上。

项目联络及巡检报送，短报文可提供的主要信息包括信息汇报、故障报送、人员定位位置报送等；在北斗短报文采集电量方面，国网信息通信产业集团已在陕西145座无公网信号覆盖的小水火电站上实现了相关应用；在偏远地段用户电表数据采集方面，北斗短报文通信能够协助判断地区电力供给是否正常、电表是否有损坏，以供电力公司及时提供服务。

北斗失效会降低通信质量，延长反馈周期，降低电网服务质量，为偏远地区人民正常生活造成不便。

加快弹性PNT系统在电力领域的推广应用

一是进一步加快北斗与GPS角色互换，形成北斗为主、GPS为辅的弹性电力综合服务体系。进一步提升北斗卫星导航系统在电力系统中的重要性，依据实际需要引入GLONASS等全球导航卫星系统协助GPS授时，提升天基授时可靠性；加快以北斗为主、GPS为辅的电力授时系统构建，依托SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）、量子通信等地面传输技术，结合Loran-C、光纤授时等多种地面授时源，形成电力授时保障弹性PNT系统，降低区域北斗及GPS卫星失联导致对时中断的影响。

二是进一步探索“北斗+”装备在电力行业中的应用，利用弹性PNT保障无人化、智能化安全应用安全性。加快北斗+4G、北斗+5G应用，依托公网、内网自身的PNT能力，结合GPS、GLONASS等天基PNT系统，与北斗形成PNT互备体系，实现以北斗为核心的、具有自校正能力的弹性PNT体系，提升自动巡检、输电线路覆冰、输电线路风偏舞动监测、重点设施沉降监测等“北斗+”应用在北斗信号受干扰情形下的工作能力，降低无人机等设备因北斗信号受干扰而失联、失控的可能性。

三是进一步完善电力领域弹性PNT终端技术标准，增强终端抗干扰能力，保障重点设施安全需求。国家标准GB/T 36050—2018《电力系统时间同步基本规定》规定，电力系统时间同步系统应以天基为主、地基为辅；应以北斗为主、GPS为辅；宜利用现有通信系统的频率同步资源，实现地基授时。在此标准基础上，宜借鉴国家综合PNT体系构建模式，梳理发电、输电、配电、用电、调度等各类电力活动特点和安全保障需求，将低地球轨道PNT星座、Loran-C、惯性导航、量子导航等PNT技术或系统按需纳入电力领域PNT应用中，以平衡电力领域PNT系统对北斗、GPS的依赖程度，通过多信号输入提升系统可靠性和抗干扰能力。