用于电网的大范围可调速率真随机源实现系统及相关方法
技术领域
本发明属于智能电网领域,具体涉及一种用于电网的大范围可调速率真随机源实现系统及相关方法。
背景技术
随机源在数值计算、MonteCarlo模拟、随机抽样、预测、检测、密码学、通信安全和信息安全等方面发挥着重要作用,在电网的分析、仿真、建模、预测预报、监测与检测、运维和控制、加密及防灾减灾等很多领域有着重要的应用。
利用数学方法通过计算机算法产生的随机源,其随机序列输出能够预测,所以称为伪随机数发生器(Pseudo-RandomNumberGenerator,PRNG)。选取真实世界随机性,利用物理方法产生的随机源,其随机序列输出不可预测(即随机不确定性,具有不可预知性)、不能重复产生(即非周期性),所以称为真随机数发生器(TrueRandomNumberGenerator,TRNG)。
很多应用领域对真随机源提出了越来越多的需求,真随机源成为国内外的研究热点。
发明内容
为了实现高速率、宽范围可变的真随机源,本发明提供了一种用于电网的大范围可调速率真随机源实现系统及相关方法,多个真随机源集成,通过跨时钟域缓存技术,以电信号的形式输出可变速率的真随机源;满足了电力生产控制类和管理类业务的需求,为智能电网的建设和运行维护提供技术保障。
为实现上述目的,本发明提供一种用于电网的大范围可调速率真随机源实现系统,其改进之处在于,所述系统包括:N个真随机源(1)、异步先进先出双端口循环存储器(2)和输出控制单元(3);N个并列设置的真随机源通过所述异步先进先出双端口循环存储器(2),在输出控制单元(3)的控制下,产生可调速率真随机源。
本发明提供的优选技术方案中,所述异步先进先出双端口循环存储器(2)为各个真随机源分配各自的存储空间,还包括:Gray编码单元和接收其信号数据的标志位信号判断单元。
本发明提供的第二优选技术方案中,所述异步先进先出双端口循环存储器(2)为真随机源分配存储空间依次为:其中表示进位取整;整个存储空间大小为: 单位为kbits;各个存储空间都有各自的读指针和写指针;其中,fi和fN分别表示随机源i和随机源N所对应的随机源输出码速率,m表示参考存储空间的大小。
本发明提供的第三优选技术方案中,所述Gray编码单元基于Gray编码,对各个真随机源存储空间的读指针和写指针的二进制码进行Gray编码,产生读空标志位信号和写满标志位信号。
本发明提供的第四优选技术方案中,所述标志位信号判断单元对接收到的信号数据进行判断,如果接收到读空标志位信号则作异常报警;如果接收到写满标志位信号,则丢弃全部已写数据,写指针复零;否则将接收到的真随机数据传输到所述输出控制单元。
本发明提供的第五优选技术方案中,所述输出控制单元包括依次连接的数据读取模块、数据并转串模块和数据输出模块;所述数据读取模块同时读出N个并列设置的真随机源各自读指针指向的真随机数据,传输到所述数据并转串模块进行并转串,所述数据输出模块将并转串后的真随机数据作为真随机源的数据输出。
本发明提供的第六优选技术方案中,提供一种大范围可调速率的真随机源实现方法,其改进之处在于,所述方法包括如下步骤:
(1).N个真随机源分别向所述异步先进先出双端口循环存储器(2)发出真随机数据;
(2).所述异步先进先出双端口循环存储器将得到的数据存储并处理后,传输到所述输出控制单元;
(3)所述输出控制单元对数据进行并转串处理后输出。
本发明提供的第七优选技术方案中,输出的真随机信号最大码速率为可控制输出的真随机信号码速率范围是0到
本发明提供的第八优选技术方案中,所述步骤2包括如下步骤:
(2-1).所述异步先进先出双端口循环存储器(2)为真随机源分配存储空间;
(2-2).利用各个真随机源存储空间的读指针和写指针的二进制码产生读空标志位信号和写满标志位信号;
(2-3).所述标志位信号判断单元对接收到的信号数据进行判断,若是读空标志位信号则作异常报警;若是写满标志位信号则丢弃全部已写数据,写指针复零,返回步骤2-2;否则进行步骤2-4;
(2-4).所述标志位信号判断单元将接收到的真随机数据传输到所述输出控制单元。
本发明提供的第九优选技术方案中,在所述步骤2-2中,基于Gray编码,产生读空标志位信号和写满标志位信号。
本发明提供的第十优选技术方案中,所述步骤3包括如下步骤:
(3-1).同时读出N个并列设置的真随机源各自读指针指向的真随机数据;
(3-2).对读取的真随机数据进行并转串;
(3-3).将并转串后的数据作为真随机源的数据输出。
本发明提供的较优选技术方案中,所述异步先进先出双端口循环存储器(2)采用型号为XC4VFX60或者CY7C421-20JXI。
本发明提供的第二较优选技术方案中,所述真随机源是基于光量子偏振特性、放射性衰变特性、电子电路噪声特性、大气噪声特性或电子振荡器的频率抖动特性的真随机源。
与现有技术比,本发明提供的一种用于电网的大范围可调速率真随机源实现系统及相关方法,通过异步先进先出双端口循环存储器及其输出控制逻辑,解决跨时钟域且抑制亚稳态、提高输出码速率的问题,产生码速率可控制变化的真随机信号,可以实现高速率、大范围可变的真随机源,保障智能电网的应用需求。
附图说明
图1为真随机源实现系统的实施例结构图。
图2为异步先进先出双端口循环存储器读指针和写指针的控制逻辑图。
图3为异步先进先出双端口循环存储器输出真随机源的控制逻辑图。
具体实施方式
从智能电网的发电、输电、变电、配电、用电、调度、信息和通信等8个环节角度,本发明可以解决的具体应用技术问题举例如下:
智能电网的发电环节应用
利用本发明的大范围可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在常规发电技术领域火电、水电和核电的经济运行的预测和仿真、新能源发电及接入技术领域的预测预报技术、储能技术领域的运行、监控、检修和维护技术、分布式供电技术领域的运行与控制、试验与检测等方面,可以改善计算精确度与速度相互制约的问题,相对于伪随机数序列,真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的输电环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在大电网安全分析与规划技术领域的大电网建模与仿真、分析与智能决策技术、输电网安全控制与保护技术领域的电网安全稳定分析和试验技术、电网运行管理技术领域的检测与监控/故障诊断与状态评估/可靠性与风险评估技术/状态检修策略/设备寿命周期成本管理与安全运行技术等方面,可以改善计算精确度与速度相互制约的问题,相对于伪随机数序列,真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的变电环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在变电站自动化测量与控制技术中的随机性的建模、仿真、分析预测、风险评估与决策等方面,可以改善计算精确度与速度相互制约的问题,相对于伪随机数序列,真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的配电环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在配电网技术领域随机性的建模、仿真、分析预测、风险评估与决策技术等方面,可以改善计算精确度与速度相互制约的问题,相对于伪随机数序列,真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的用电环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在用电服务技术领域的用电互动信息的安全与隐私保护等方面,可以增强用电互动信息的机密性及改善其完整性。
智能电网的调度环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在调度自动化测量与控制技术中的随机性的建模、仿真、分析预测、风险评估与决策等方面,可以改善计算精确度与速度相互制约的问题,相对于伪随机数序列,真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的电力信息环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在电力信息的随机性建模与仿真等方面,可以改善计算精确度与速度相互制约的问题,相对于伪随机数序列,真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在电力专用纵向加密认证装置、电力安全拨号网关、利用公网专用安全通信网关、利用公网专用安全通信装置中的专用密码与认证技术和电力调度数字证书系统等方面,可以增强其机密性改善其完整性。
智能电网的电力通信环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在SDH/OTN等设备随机测试序列等方面,相对于伪随机数序列,真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的其他应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列,应用在以下三个方面,电网防灾减灾技术领域的防雷、防污、防冰、防地震、防风技术中的建模与仿真、预测预警、风险评估与决策,电网节能技术领域的节能控制、.电能质量等的随机性建模、仿真与分析,电力市场技术领域的随机性的建模、仿真、分析预测、风险评估与决策技术,可以改善计算精确度与速度相互制约的问题,相对于伪随机数序列,真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
本发明的技术方案举例如下:
如图1所示,本发明根据电力生产控制类和管理类业务需求,多个真随机源通过异步先进先出双端口循环存储器,在输出控制逻辑控制下,可以产生高速率、宽范围可变的真随机源。输出的真随机信号最大码速率为可控制输出的真随机信号码速率范围是0到
所述真随机源是基于光量子偏振特性、放射性衰变特性、电子电路噪声特性、大气噪声特性或电子振荡器的频率抖动特性的真随机源。
例如1,对64(kbps)以太网接口的继电保护或故障信息管理系统(继电保护远方修改定值、远方投退等控制功能)信号进行一次一密加密时,所需要的真随机源要求如下,只需要1个真随机源,即N=1;m取值为6(kbits),实际选取的异步先进先出双端口循环存储器的存储空间为8*1024(bits);异步先进先出双端口循环存储器输出的真随机信号最大码速率约为200(kbps),可控制输出的真随机信号码速率范围是0到200(kbps)。
例如2,对2048(kbps)以太网接口的能量管理系统(EMS)或广域相量测量系统(PMU)信号进行一次一密加密时,所需要的真随机源要求如下,只需要11个真随机源,即N=11;m取值为6(kbits),实际选取的异步先进先出双端口循环存储器的存储空间为8*11*1024(bits);异步先进先出双端口循环存储器输出的真随机信号最大码速率约为2200(kbps),可控制输出的真随机信号码速率范围是0到2200(kbps)。
如图2、3所示,异步先进先出双端口循环存储器,各个真随机源分配的存储空间,都有各自的读指针和写指针。
将N个真随机源,作为N个输入信号源。对此N个输入信号源分配存储空间为其中表示进位取整,例如[6.2]表示进位取整为7。整个存储空间大小的下限值为:单位为(kbits)。
当要求真随机信号时延≤30ms时,m取值为6(kbits);时延≤10ms时,m取值为2(kbits)。
将异步先进先出双端口循环存储器读指针和写指针的二进制码,采用Gray码编码技术产生读空标志位信号和写满标志位信号。若出现读空标志位信号则作异常报警。若写入满时,丢弃全部已写数据,写指针复零,继续正常工作。
异步先进先出双端口循环存储器输出真随机源控制逻辑。
某时刻,同时读出N个并列真随机源各自读指针指向的数据,进行并转串后,作为真随机源的数据输出。读完N个并列真随机源各自读指针的数据后,各个读指针自动加1,指向下一个读出地址。
需要声明的是,本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用,不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下,可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。