卫星通信技术在电力行业中的应用场景分析

文 | 张涵 周鸿喜

国家电网信通公司

一、引言

近年来极端天气灾害频发，电力通信安全稳定运行面临重大挑战，作为光纤通信的重要补充手段，卫星通信技术在电力应急抢修、重大活动保障等方面得到了广泛的应用。另外，随着电网数字化转型以及新型电力系统建设步伐的持续加快，对电力通信的可靠性、灵活性、兼容性等提出了更高的要求。卫星通信作为电力行业“空天地”一体化通信体系中重要的一环，在电力行业内发挥着越来越重要的作用。本文通过分析卫星通信技术特点以及电力行业应用组网架构，并针对卫星通信技术应用新需求，对电力基建工程、输电线路巡检等场景下卫星通信技术应用的可行性进行了分析与探索，提出系统典型架构，为后续卫星通信技术规模化应用提供参考。

二、电力卫星通信系统技术特性分析

1.电力业务场景中通信需求特性分析

（1）电网应急抢险抢修

随着电网覆盖程度的增加，由于地震、暴雨、台风等极端灾害造成的大面积电网停电事故频繁发生，对国民经济造成了巨大损失。为更好应对灾害的发生，需要在灾情发生后，第一时间掌握电力设备设施损毁情况和覆盖范围，并以此指导应急抢险人员、物资调配。然而，电力设施的损毁将同步导致公网通信设施的失能，使得前线抢修人员无法及时回传各类有效信息，这对现有通信技术手段提出了新的需求。

（2）电网运行运营

电网运行运营主要包括电网基建工程以及电力设备及线路运行状态日常监控两个方面。在电网基建方面，电网基建项目建设现场存在点多、面广的特点，传统施工现场工程的质量监控主要受工程管理人员经验的影响，缺乏及时监测与监督的能力，难以完全满足现代工程施工现场的管理需求，且由于基建项目大部分在偏远地区，众多施工现场公网信号不够稳定，缺乏有效的通信手段。

在电力设备及线路运行状态方面，一是电网基础设施易受自然因素或人为因素的影响造成设备运行故障，对电网的正常运行造成较大的影响，需要有效的大范围、低成本、全天候的监测手段对电网基础设施进行全面监测，变“被动抢修”为“主动预防”，保障电网安全运行；二是电网巡检作业方面，传统人工巡检的方式存在偏远环境通信信号差，人员沟通困难，生命安全存在隐患等方面的问题，亟需有效通信手段，保障巡检人员安全，提升巡检作业效率，提升针对巡检人员的有效管控；三是数据采集方面，由于电力网络覆盖区域范围内存在大量的无信号地区，在无信号地区的电力运行数据信息缺乏有效的采集手段，需要有效手段实现无信号地区用电/发电信息全采集全覆盖，保障电网安全运行。

综上，结合卫星通信技术覆盖区域大、通信距离远、机动灵活、抗毁性强等技术特性，能极大补强现有电力通信手段技术短板，满足各类电力业务场景需求。

2.电力卫星通信系统组成

电力卫星通信系统主要由通信卫星、中心站（地面卫星主站）、远端站（地面卫星终端站）组成。其中，中心站作为卫星通信系统的重要汇聚点，主要负责汇集通信卫星传输的数据，并经地面电力光纤分发至电力调度大楼、电力厂站等；远端站分为地面固定站、便携站、车载站等多种类型，主要部署在各电力作业现场，负责将现场业务数据传输至通信卫星；通信卫星是卫星通信系统的空间部分，也是卫星通信系统的关键枢纽，主要负责转发无线电信号，实现卫星地面站点之间的通信，具体系统架构如图1所示。

图1 电力卫星通信系统架构图

三、电力行业卫星通信技术应用场景分析

考虑到电力业务具有高覆盖性、高可靠性、高安全性等需求特性，电力卫星通信通常选用传统大波束卫星甚小口径卫星终端站（VSAT）系统，采用SCPC/DAMA技术体制，系统架构为星型架构，通过建设自有中心站对系统内远端站进行统一管理、调用。中心站侧接入电力通信专网及互联网，主要承载专网高清视频会议、语音和专网数据等电力专网业务以及少量互联网业务，能提供上下行速率10Mbit/s以上的卫星通信链路。目前，在电力领域卫星通信技术主要应用在电力应急抢险现场、重大活动电力保障以及偏远水电站通信等电力业务场景，具体系统应用架构如图2所示。

图2 电力卫星通信系统应用架构图

1.应急抢修现场

为应对极端情况下输配电线路或变电站受损且局部区域公网信号中断的情况，利用卫星通信、自组网等技术建立并延伸卫星通道，通过接入应急单兵、视频会议终端等设备，实现前后方双向语音、视频和数据业务传输，以此保证应急指挥中心与受灾现场之间指令下达、信息上报的及时性和准确性。自2008年以来，在雅安地震、河南雨灾等重大灾害中，利用卫星通信开展各类应急通信保障百余次，极大地保障了应急现场通信需求，提升了电力应急抢险处置效率，具体架构如图3所示，电力应急通信指挥车如图4所示。

图3 应急抢修场景应用架构图

图4 电力应急通信指挥车示意图

2.重大活动通信保障

在各类重大活动期间，利用卫星通信通道作为电力保障现场备用通信手段，提高保障现场与后方指挥中心间通信链路的可靠性，并结合超短波通信等技术，满足现场保障人员通信联络需求，强化电力保障能力。近年来，在国家电网公司的大型活动、大型电网工程中，利用卫星通信技术提供通信保障十余次，投入人员百余人次，大大提高了重大活动的通信保障能力，具体架构如图5所示，现场应用情况如图6所示。

图5 重大活动保障场景应用架构图

图6 重大活动保障现场设备应用示意图

3.偏远水电站通信

用于偏远水电站业务传输。利用卫星通信技术建立省、市公司与偏远水电站的通信链路，实现双向语音、视频和数据传输业务，确保水电站常规业务运转正常，具体架构如图7所示。

图7 偏远水电站场景应用架构图

四、卫星通信技术在电力行业的应用场景探索

1.电力行业卫星通信新需求

我国能源分布具有“西富东贫、北多南少”的特点，随着近年来我国电力系统快速发展，特高压输电线路主要走向为“自西向东、自北向南”，将电能从西部、北部地区送往东部、南部等能源消耗密集区域，这样的特性也决定电力线将贯穿西部、北部的高原、山区、戈壁等偏远地区。目前部分电网一次线路或基建工程现场位于山林、无人区等未实现电力光纤及公网覆盖的区域，工程基建、运行维护难度较大。

目前，卫星通信技术已在电力应急抢修方面得到较大规模部署和成熟应用，偏远地区电力线路基建施工、线路巡检等应用领域仅有部分试点应用，卫星通信不受地域和时空限制、不依赖于地面通信网络覆盖水平的技术能力有待进一步发挥。同时，随着移动通信的迅速发展，电力行业各类应用均向手机、PAD等移动终端延伸，对卫星通信网的互联网高速接入能力提出迫切需求。

2.电力行业卫星通信应用场景探索

近年来，随着国内高通量点波束卫星通信技术的发展，卫星互联网接入速率得到极大提升，强化了多种通信技术融合的同时，也为偏远地区的基建施工、线路巡线等特殊电力业务场景提供了新的通信手段。

（1）电力基建工程应用场景

输变电工程建设期间，可利用传统大波束卫星通信以及高通量点波束卫星通信技术实现偏远地区工程现场与外界信息交互，主要包括工程现场数据访问、施工现场安全监测等。其中，工程现场数据访问是指工程现场专网以及互联网数据交互；施工现场安全监测是指施工作业现场监测信息回传。可利用大波束技术实现工程现场数据访问和施工现场安全监测，为项目部和工程现场提供专网视频会议、内线电话、监测等电力专网数据接入到电力专网；也可以采用点波束技术为工程现场提供互联网接入，实现更高速度的互联网数据传输，具体架构如图8所示，现场应用情况如图9所示。

图8 基建工程场景应用架构图

图9 基建工程现场应用示意图

（2）输电线路巡检应用场景

利用卫星通信技术，建立省市公司与偏远线路的卫星通信链路，实现双向语音、视频和数据传输，主要包括线路可视化监测、线路巡检数据回传等。其中，线路可视化监测是指实现偏远线路上监控装置视频图像实时回传；线路巡检数据回传是指对野外偏远线路提供网络信号覆盖，实现线路状态信息采集终端巡检数据实时回传。可利用大波束技术为偏远站点和线路的在线监测信息及定时图像监拍数据提供专网传输通道，并可配合山火监测系统等专用系统对回传图像进行分析，实现线路可视化监测；也可利用大波束或点波束技术为线路巡检定位信息（无人机或机器人等）提供信息传输通道，为巡线人员提供通信手段，满足线路巡检人员的对外通信需求，具体架构如图10所示。

图10 线路巡检场景应用架构图

五、结语

新型电力系统建设对通信技术支撑能力提出了新的更高的要求，随着卫星互联网技术与系统的快速发展，电力卫星通信网将以满足能源互联网发展需求为核心，以云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、区块链等新一代数字技术为核心驱动力，建立更大容量、高速实时、接入灵活、即插即用等突出特点的新型卫星通信网，服务范围将有大幅扩展，服务能力和保障质量将有巨大提升，并在电力行业取得更为广泛的应用，进一步支撑能源互联网、信息、社会系统深度融合。