低軌衛(wèi)星通信在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

王周虹 屠雨夕 解慧力

摘要：低軌衛(wèi)星通信是一種經(jīng)濟(jì)的通信方案，使用衛(wèi)星鏈路進(jìn)行信息傳輸，可構(gòu)建無移動(dòng)公網(wǎng)信號(hào)覆蓋地區(qū)的電力信息采集網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信盲區(qū)的電力數(shù)據(jù)采集。低軌衛(wèi)星通信作為傳統(tǒng)電力通信模式的補(bǔ)充，為海上作業(yè)、偏遠(yuǎn)山區(qū)電站信息采集以及遠(yuǎn)距離輸電線路運(yùn)維、應(yīng)急搶險(xiǎn)通信等電力業(yè)務(wù)信息傳輸提供解決方案。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星;電力系統(tǒng);應(yīng)用

1、低軌衛(wèi)星通信現(xiàn)狀

1.1低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)

低軌衛(wèi)星通信是通過低軌衛(wèi)星作中繼，轉(zhuǎn)發(fā)移動(dòng)用戶間或移動(dòng)用戶與固定用戶間用于進(jìn)行通信的無線電波，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)間的通信，可以提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和通信等多種服務(wù)。低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)由衛(wèi)星星座、關(guān)口地面站、系統(tǒng)控制中心、網(wǎng)絡(luò)控制中心和用戶單元等組成。

1.2低軌衛(wèi)星通信特點(diǎn)

低軌衛(wèi)星通信與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信相比，主要具有以下特點(diǎn)：

1）低時(shí)延，低軌衛(wèi)星距離地球較近，通信系統(tǒng)鏈路傳播損耗小，傳輸延時(shí)小，實(shí)時(shí)性較好;

2）信號(hào)接收方便，低軌通信衛(wèi)星對(duì)用戶終端的要求低，可以直接與手持用戶終端通信，不需要復(fù)雜的地面接收系統(tǒng);

3）冗余組網(wǎng)，小衛(wèi)星制造和發(fā)射成本低，發(fā)射靈活，網(wǎng)絡(luò)的快速部署能力和抗毀能力強(qiáng)。

4）使用費(fèi)用低，低軌通信衛(wèi)星可使用的頻率、數(shù)據(jù)帶寬都遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信，用戶使用費(fèi)用低廉。

當(dāng)然，目前已完成發(fā)射的低軌衛(wèi)星數(shù)量不多，未組成覆蓋全球的通信網(wǎng)絡(luò)，商用或民用業(yè)務(wù)還無法大規(guī)模普及。

2、低軌衛(wèi)星通信技術(shù)

2.1低軌衛(wèi)星的通信方式

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)空間段由若干個(gè)衛(wèi)星組成，衛(wèi)星相對(duì)與地面的位置會(huì)時(shí)刻發(fā)生改變。低軌衛(wèi)星通信過程是：當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過地面發(fā)送站上空時(shí)，接收發(fā)送站發(fā)出的信息并存儲(chǔ)數(shù)據(jù);當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過地面接收站上空時(shí)，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到地面接收站;地面站接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)后通過地面網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給管理主站或客戶端。衛(wèi)星工作在全透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，即衛(wèi)星對(duì)數(shù)據(jù)不作任何處理，只作為無線信號(hào)的中繼站。因?yàn)槟壳暗蛙壭l(wèi)星數(shù)量較少，不能滿足實(shí)時(shí)通信，現(xiàn)階段低軌衛(wèi)星通信是非實(shí)時(shí)的。

2.2低軌衛(wèi)星通信的調(diào)制解調(diào)

低軌衛(wèi)星通信時(shí)采用雙信道調(diào)制解調(diào)方式的CDMA系統(tǒng)，系統(tǒng)中傳輸?shù)膱A極化信號(hào)由兩個(gè)互相正交的線極化成分組成，兩個(gè)信號(hào)間相位相差90度，兩個(gè)信號(hào)分別用不同的擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻，但只有一個(gè)被信號(hào)調(diào)制，這樣就出現(xiàn)了由擴(kuò)頻碼和數(shù)據(jù)所標(biāo)志的左旋或者右旋圓極化信號(hào)。在接收端，這兩個(gè)線性成分通過匹配濾波器被送到一個(gè)IQ解碼器。兩個(gè)成分有同樣的由多普勒頻移和傳輸端或接收端本地振蕩器不穩(wěn)定所帶來的頻率變化。這個(gè)頻率變化通過雙信道處理的方法很容易去除，由于不再需要復(fù)雜的載波恢復(fù)回路和導(dǎo)頻信號(hào)傳輸，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。使用互相正交的PN碼擴(kuò)頻的目的是避免極化耦合所引起的信噪比的降低，2PSK/DS/CDMA信號(hào)的形成過程如圖1所示：

2.3低軌衛(wèi)星通信的信道安全監(jiān)測

由于衛(wèi)星通信方式的特殊性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與系統(tǒng)的弱點(diǎn)，面臨著來自于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的各種安全威脅。針對(duì)這種問題，根據(jù)衛(wèi)星通信信道監(jiān)測與安全防護(hù)技術(shù)，可采用基于Spark和Adaboost算法的衛(wèi)星信道安全檢測算法，實(shí)現(xiàn)信道的安全監(jiān)測，同時(shí)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過安全隔離，采取數(shù)據(jù)加密、終端加固、身份認(rèn)證等安全措施，保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全、可靠傳輸。提升衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的安全性和完整性。

為了保證信息在無線通道傳輸過程中的安全，除了通道自帶的信息保密機(jī)制外，還需要加入端到端的加密。增加報(bào)文加密處理芯片，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信短報(bào)文的數(shù)據(jù)加密及解密功能，保障基于低軌衛(wèi)星通信信息的安全性。

3、低軌衛(wèi)星通信在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場景

3.1偏遠(yuǎn)地區(qū)分布式電源數(shù)據(jù)采集

近幾年，浙江分布式電源增長迅速，已經(jīng)成為浙江電網(wǎng)電能的重要來源。很多分布式小水電建在偏僻山區(qū)，無移動(dòng)公網(wǎng)信號(hào)覆蓋，電力電量數(shù)據(jù)無法采集傳輸。基于低軌衛(wèi)星通信，通過衛(wèi)星通信協(xié)議與電力通信協(xié)議的格式轉(zhuǎn)換，建立一個(gè)短報(bào)文通信的上傳與下發(fā)信息的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建通信盲區(qū)的電力信息采集網(wǎng)絡(luò)，直接使用衛(wèi)星鏈路進(jìn)行信息傳輸，無需建設(shè)專用地面通訊設(shè)施，實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)山區(qū)的電力數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

3.2 輸電線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

輸電線路的安全運(yùn)行是電網(wǎng)可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。輸電線路需要在線檢測線路的環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速，導(dǎo)線的覆冰、溫度、舞動(dòng)情況，桿塔的傾斜度等參數(shù)。線路智能巡檢終端采集這些傳感器的值，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器并進(jìn)行處理分析，從而掌握各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的輸電線路的具體狀況。無移動(dòng)公網(wǎng)覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)輸電線路信息采集可利用低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集終端與智能巡檢終端結(jié)合，可進(jìn)行山區(qū)、林區(qū)輸電線路的智能巡檢，當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)告警，同時(shí)可以精確定位故障點(diǎn)，以保障偏遠(yuǎn)地區(qū)輸電線路的安全運(yùn)行。

4、結(jié)束語

近年來，低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，建設(shè)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，使之成為地面物聯(lián)網(wǎng)的補(bǔ)充和延伸，可為電力物聯(lián)網(wǎng)信息采集與交互提供新的通信方案。今后，衛(wèi)星通信系統(tǒng)將與 5G 相互融合，取長補(bǔ)短，共同構(gòu)建全球無縫覆蓋的海、陸、空一體化綜合通信網(wǎng)，滿足用戶無處不在的多種業(yè)務(wù)需求[12]。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與 5G融合通信技術(shù)也將在電力行業(yè)中獲得更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1].趙歡，司華奇，鄭志興，李宗元.淺談5G與低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的同步衛(wèi)星通信運(yùn)營——以老撾一號(hào)衛(wèi)星為例[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2021（03）：56-60.

[2].楊荔琴.基于傳播時(shí)延的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星間多址接入?yún)f(xié)議研究[D].西安電子科技大學(xué)，2020.