本文属于类型a，即单一原创研究论文的学术报告。
本文的作者为Yang Shen、Quan Zhou、Yao Wen、Zhikang Shuai以及Z. John Shen。其中，Yang Shen、Quan Zhou、Yao Wen和Zhikang Shuai来自中国湖南大学电气与信息工程学院，Z. John Shen来自加拿大西蒙弗雷泽大学机电系统工程学院。通讯作者为Quan Zhou。该研究发表于期刊《ieee transactions on smart grid》第15卷第5期，出版时间为2024年9月，论文编号为pesl-00001-2024，数字对象标识符为10.1109/tsg.2024.3424150。论文的投稿日期为2024年1月1日，修订日期为2024年5月13日，接收日期为2024年6月26日，在线发布日期为2024年7月5日。该研究得到了中国国家重点研发计划（资助号2023yfc3321703）和中国国家自然科学基金（资助号52125705）的部分资助。
该研究属于智能电网与卫星互联网交叉领域，聚焦于下一代智能电网（next generation smart grid, ngsg）的通信网络架构设计。随着信息通信技术的发展，下一代智能电网能够集成大量配备信息通信模块的可再生能源（renewable energy sources, ress），从而使电网更加智能化和数字化，并具有更广泛的覆盖能力和更优质的服务。然而，仅依赖传统地面通信网络支撑下一代智能电网面临两大关键挑战。其一，下一代智能电网将越来越多地集成位于偏远地区的可再生能源，而地面网络在这些区域存在大量盲区或性能较差的覆盖，如果仅依靠地面网络解决覆盖问题，则需要承受极高的建设和维护成本。其二，地面网络难以满足下一代智能电网的弹性、精细化和高效运行需求，极端天气、地震和恶意网络攻击等事件可能通过破坏或瘫痪地面网络而严重威胁下一代智能电网的运行。与此同时，商业航天的发展已显著降低了卫星通信的单位成本，推动了诸如starlink等卫星互联网的广泛应用。截至2023年11月，starlink已发射5420颗低地球轨道（low-earth orbit, leo）卫星，可提供上传速率最高10mbps、下载速率最高100mbps的宽带卫星通信服务，通信时延低于100毫秒。未来，低轨卫星互联网有望实现全球低时延、高带宽通信，时延甚至可低于20毫秒。卫星互联网不仅可作为地面通信网络的扩展和补充，还能提供通信、导航以及遥感等综合信息服务，从而增强下一代智能电网的韧性、可靠性和灵活性。基于这一背景，本文提出了一种面向下一代智能电网的星地一体化网络（integrated satellite-terrestrial network, istn）框架。该研究的核心目标是系统性地协调空间与地面网络资源，为下一代智能电网提供多源异构数据，增强电网的韧性、安全性和稳定性，并利用信息熵理论定量协调卫星互联网与地面网络，实现网络资源的高效利用。
研究的具体工作流程包括框架设计、运行模式划分、信息熵协调机制构建以及案例验证四个主要环节。
在框架设计环节，作者构建了包含物理层、信息与数据层以及网络层的星地一体化网络总体结构。物理层包含发电侧、输配电侧和用电侧。发电侧包括多种形式的发电资源，因此其通信与控制需求也相应发生变化。输配电部分包括电力变换、输电和配电环节，传感器和监测装置被部署在下一代智能电网的关键节点上，用以采集多源异构数据，例如毫秒级电压信号和覆盖数百公里范围的气象数据。用电侧由于包含电动汽车、空调等可调负荷，其灵活性比传统电网更高。网络层由现有地面通信网络、卫星互联网以及电力设备附属的通信模块组成，在透明转发（transparent forwarding）模式下形成星地协同网络。该网络包括移动q/v频段网关站、服务质量系统以及卫星互联网终端。直接连接的设备通过窄带周期性传输监测数据，地面物联网数据首先通过地面网络汇聚，然后通过宽带卫星终端和卫星互联网发送至网关站。网关站是连接互联网和电网运营商的入口。信息与数据层负责在网络层与物理层之间传递运行测量数据和控制信号，同时还包括遥感图像、导航信号和高精度时间戳，其内容会随着电网运行状态的变化而动态调整。
在运行模式划分环节，研究将下一代智能电网的星地一体化网络运行过程划分为正常状态、异常状态和紧急状态三种模式。正常状态下，数据被分为低频、中频和高频三类。气象条件、局部温度和地理信息属于月采或日采的低频数据，所需带宽为384kbps至2mbps，这些数据通过卫星物联网传输，研究以超低功耗和长续航为主要目标。中频数据主要指计划性事件，例如维护人员的户外通信需求，要求低于2mbps带宽和125毫秒时延，地面网络与卫星互联网均可用于中频数据传输。高频数据如scada系统中的电气数据，则使用地面网络传输，服务质量要求为时延不超过50毫秒、带宽不低于1.1mbps。异常状态下，各类传感器和监测装置提供准实时异构数据，包括视频、图片、故障信号和网络安全信息等，以帮助评估电网状态。这些传感器和监测装置采用定制通信协议，可在地面网络与卫星互联网之间无缝切换，两个网络互为备份，确保持续连接和及时告警。紧急状态下，星地一体化网络可调度卫星波束集中覆盖特定应急区域，提供不低于1.1mbps带宽和不高于10毫秒时延的通信服务，并同时提供实时图像以持续监测受影响区域的电网状态。卫星互联网直连设备以超高频率采样系统动态，使电网运营商能够实现对信息层和物理层的全面、精确和及时评估，从而协调紧急抢修、移动资源和应急物资，加快供电恢复。
在信息熵协调机制构建环节，研究采用近似熵（approximate entropy, apen）作为协调卫星互联网与地面网络的定量指标。虽然网络拥塞和时延也可作为指标，但直接使用这些指标可能因过多并发接入请求而导致意外后果，并可能暴露于潜在网络安全风险。近似熵用于衡量信号中新模式产生的概率，能够有效度量下一代智能电网时间序列数据的复杂度。计算近似熵时，首先确定时间序列数据的长度n、嵌入维数m和容差r，然后计算平均自然对数φ(m)以及φ(m+1)，两者之差即为近似熵。复杂度越高，表示传输的数据可能越紧迫，需要更可靠和及时地传输。当apen低于预设阈值tr1时，仅激活地面网络；当apen处于[tr1, tr2]区间时，激活卫星网络；当apen高于tr2时，星地一体化网络将通过两种网络同时传输信息。
在案例验证环节，研究使用ieee 38节点系统，并结合starlink当前能力以及银河航天公司真实测试星座的数据进行了仿真验证。仿真考虑了三种情形：仅使用地面网络、在卫星星座拥有4896颗卫星的条件下部署所提出的星地一体化网络框架、以及未来成熟卫星互联网条件下部署该框架。研究中设置了多种扰动，包括2秒时并网开关跳闸、5秒至7.5秒期间1.0p.u.负荷切换、10秒时0.3p.u.负荷切除，以及12秒时发生严重三相接地故障。图3展示了频率动态的对比结果。图3中的f表示母线频率偏差，额定频率设定为50赫兹。标注为(x.1)的子图展示了小扰动下的频率轨迹，仿真时间为0秒至12秒；标注为(x.2)的子图展示了大扰动下的频率动态。结果表明，仅使用地面网络时，由于无法及时执行二次控制，频率偏离额定值。当前卫星互联网能够支持二次控制，但在严重故障期间仍无法有效协调资源和负荷。而采用所提出的星地一体化网络框架后，系统在所有扰动下均保持稳定和安全。
研究的主要结论是，所提出的星地一体化网络框架能够充分探索并最大化卫星互联网在下一代智能电网中的潜力，同时考虑到地面网络的局限性和多样化需求。在星地一体化网络的支撑下，下一代智能电网在可用性、效率、可靠性、韧性和可持续性方面均得到显著增强。该框架整合现有地面基础设施，利用来自不同时间和空间尺度的异构数据，为电网运营商、用户和公共事业部门带来效益，并全面利用来自太空、天空和地面的多种资源，实现下一代智能电网的广域实时态势感知、控制和保护。
本研究的核心亮点在于：第一，提出了面向下一代智能电网的星地一体化网络框架，系统性地协调空间与地面网络资源，为电网提供多源异构数据；第二，引入了近似熵作为协调卫星互联网与地面网络的定量机制，实现了网络资源的精准调度；第三，利用真实低轨卫星互联网测试星座的数据进行了信息物理平台验证，揭示了该框架的优越性和应用前景。此外，研究还说明了在下一代智能电网实施初期，卫星互联网将优先采用透明转发模式，以保证隐私保护和传输时延要求，为后续实际部署提供了工程参考。