CN103560843A - 电力线信息监测方法及其监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力线信息监测方法及监测装置，方法包括如下步骤：a.当电力通信线路上有电力载波通信信息传输时，接收该电力载波通信信息，并进行电子调谐处理和A/D转换；b.将A/D转换后的数字信号进行滤波和数字变频处理；c.将处理后的信号进行建模还原出数字基带信号，对数字基带信号进行相关特征提取，根据提取出的相关特征判断电力通信线路上是否存在通信行为。本发明可监测信息处理设备通过电源线传输信息，及时发现非正常通信，防止失泄密或重要信息设备遭“预埋”信息炸弹的攻击。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力线信息监测方法及其监测装置，主要用于220V低压电力线，对可能的利用电力线载波通信作为隐蔽通信信道进行技术窃密、泄密的行为进行有效监测。
背景技术
电力线是当今最普通、覆盖面最广的一种物理媒介，由其构成的电力网是一个近乎天然的物理网络。利用电力网的资源潜力，在不影响传输电能的前提下，将电力输送网和通讯网合二为一，使之成为继电信、电话、无线通讯、卫星通讯之后的又一通信网，是多年来国内外科技人员技术攻关的一个热点。电力线载波通讯就是在这种背景下产生的，它以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换。电力线作为载波信号的传输媒介，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。作为通讯技术的一个新兴应用领域，电力载波通讯技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为世界关注。
目前，窄带PLC的载波频率范围在不同国家、不同地区是不一样的，美国为 50kHz～450kHz，欧洲为 3kHz～148.5kHz(95kHz以下用于接入通信，95kHz以上用于户内通信)，中国为3kHz～500kHz，IEC61000-3-8规定的是3kHz-500kHz。宽带电力载波通信，各国也不一样，在美国为 4MHz～20MHz(HomePlug1.0版)，主要用于户内。欧洲ETSI规定为1.6MHz～10MHz(接入通信)和10MHz～30MHz(户内通信)，而欧盟CENELEC标准分界点为13MHz。
而我国从上世纪50年代开始从事电力线载波通讯技术的研究。90年代初期以后，电力线载波技术的需求随着我国经济的发展进一步扩大。目前，该技术开始应用于家居自动化、远程抄表、宽带上网等领域。专家介绍，在一些干扰大、布线困难的工业领域若要实现自动化控制，采用电力载波通讯方式能达到事半功倍的效果，因此，电力网又被喻为“未被挖掘的金山”。一根电力线就是一条“数据线”，在低压(220V)领域，电力载波技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，传输速率一般为1200bps或更低，称为低速PLC。近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术即为高速PLC，已得到应用，具有广泛推广之势。 在电力线载波通信日趋成熟的时代，由于绝大多数的数据存储、处理设备（如计算机、打印机、复印机、传真机，工厂的数控机床等）离不开电力线，如果电力载波通信信道是不为我们所知建立的一条隐蔽通道，那么这些设备间处理的所有数据的信息安全就无密可保，这必将带来极大的安全隐患。低压电力线泄密具有三大途径，一是通过电力载波上网，其数据很容易被别人截取，截取人只要通过电源线的任意点加上截取设备，就能轻而易举地获取信息，比起互联网线截取容易得多，并且，不容易别人发现。 二是国外敌对势力，完全有可能，在设备中预埋集成的电力载波通信芯片，通过电源线截取我党、政、军国家安全信息，或者在加工设备中截取资料，破环生产等，都可以通过这一途径实现。三是计算机信息通过电源线辐射，泄露有用信息。
申请人于2012年05月21日提出了一种电力线信息防泄密阻断方法及其装置，申请号“201210158089.5”，公开日为2012年09月19日，该技术主要是针对电源线辐射泄露有用信息。但随着电力载波通信技术的发展，基于电力线路的网络安全还需要进一步加强。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电力线载波通信技术存在的上述问题，提供一种电力线信息监测方法及其监测装置，本发明可监测信息处理设备通过电源线传输信息，及时发现非正常通信，防止失泄密或重要信息设备遭“预埋”信息炸弹的攻击。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电力线信息监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、当电力通信线路上有电力载波通信信息传输时，接收该电力载波通信信息，并进行电子调谐处理和A/D转换；
b、将A/D转换后的数字信号进行滤波和数字变频处理；
c、将处理后的信号进行建模还原出数字基带信号，对数字基带信号进行相关特征提取，根据提取出的相关特征判断电力通信线路上是否存在通信行为。
所述a步骤中，耦合电路接收电力通信线路上的窄带和宽带电力载波通信信息，并发送到模数转换器进行A/D转换。
所述b步骤中，A/D转换后的数字信号发送到现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA将接收到的通信信息进行滤波和数字变频处理，并传送到微处理器DSP。
所述c步骤中微处理器DSP建模包括如下步骤：
c1、假设在电力通信线路上传输信息的数字基带信号为S(t)，则：
S(t)=[1+kam(t)]cos(ωit+θi) （ 式1）
式中：ka为调幅波的调制指数，m(t)为调制信号，ωi为输入信号的角频率，θi为输入信号的相角；
c2、通信信息在电力通信线路信道中的衰减为A(t)，在电力通信线路传输中引入的噪声为N(t)，则电力通信线路本身的信号PL(t)为：
PL(t)=B cos(2 PI 50t+θi2) （式2）
式中，B为电力通信线路信号强度与接入到电力通信线路上的通信信号强度的比值 ，PI 为圆周率常数，θi2为市电的相位，t为时间；
c3、则在接收点接收到的信号R(t)为
R(t)=A(t) [1+kam(t)]cos(ωit+θi)+N(t)+ B cos(2PI 50t+θi2) （式3）
通过实验统计分析得到式中的A(t)和N(t)，通过滤波器滤掉Bcos(2PI50t+θi2)，通过式1、式2和式3计算还原出数字基带信号为S(t)。
所述通过实验统计分析获取通信信息在电力通信线路信道中的衰减A(t)参量的方法为：在一个拓扑结构的电力线路中，在电力线路的一端用信号发生器通过电磁耦合器装置将信号耦合到电力线路上，在电力线路的另一端将信号通过接收电磁耦合器装置处理后送往频谱仪分析，计算得出多个A(t)，取其平均值作为A(t)值。
所述通过实验统计分析获取在电力通信线路传输中引入的噪声N(t)参量的方法：在一个拓扑结构的电力线路中，在电力线路的一端用信号发生器通过电磁耦合器装置将信号耦合到电力线路上，电力线路的另一端将信号通过接收电磁耦合器耦合装置接收电力线上的信号送往频谱仪分析，由于电力通信线路传输中引入的噪声N(t)的频谱对信号发生器产生的频谱影响不大，去除信号发生器耦合到电力线路上信号的频谱带，剩下的频谱带即为引入的噪声N(t)。
所述c步骤中微处理器DSP对基带信号进行相关特征提取，其过程为：分析还原出的数字基带信号波形数据的周期性特征，若存在周期性特征则分析提取信号的频率特征、信号的包络特征、信号的帧长度特征和信号的帧间隔特征。
所述信号波形数据的周期性特征由微处理器DSP分析设定持续时间内信号波形的峰值和谷值，统计设定时间内信号的波形峰值和谷值出现的时间是否为特定值，分析其是否存在周期性，其时间值作为波形数据的周期性特征。
所述信号的频率特征由微处理器DSP定时计数器或傅里叶分析计算得出，频率值异于未加通信信息时测得的频率值，则将其频率值作为信号的频率特征。
所述信号的包络特征由数模转换器将模拟信号数字化后存储设定时间段的数据，分析该段时间内各个波峰和波谷的数值，其数值异于未加通信信号时测得的参数值，则将其参数值作为信号的包络特征。
所述信号帧长度特征由微处理器DSP内的计时器记录存在通信基带信号时帧长度的持续时间，该持续时间为信号帧长度特征。
所述信号帧间隔特征由微处理器DSP内的计时器记录存在通信基带信号时相邻持续两帧数据之间的持续时间，该持续时间为信号帧间隔特征。
所述c步骤中微处理器DSP判断电力通信线路上是否存在通信行为的过程为：
将提取出的相关特征属性与参考波形数据进行序列相减比对运算，同时对信号周期性、信号的包络、信号帧长度和信号帧的间隔参数进行统计，作为线路是否存在通信行为的判断依据。
所述c步骤中，将处理后的信号进行显示，如果发现监测到有通信行为，立即报警提示，并存储有用信息。
所述宽带信信号范围为1MHz～80MHz，所述窄带信号范围为1KHz～1MHz。
一种电力线信息监测装置，其特征在于：包括接收电磁耦合器、模数转换器ADC、可编程门阵列FPGA、微处理器DSP和显示器，所述接收电磁耦合器接收电力线上的通信信息后发送到模数转换器ADC，模数转换器ADC对通信信息A/D转换后发送到可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA将接收到的通信信息进行滤波和数字变频处理后发送到用于判断是否存在通信行为的微处理器DSP。
所述可编程门阵列FPGA由数字滤波处理器和基带处理器组成，数字滤波处理器将接收到的通信信息进行滤波处理后发送到基带处理器，基带处理器对接收到的通信信息进行数字变频处理后发送到微处理器DSP。
本发明还包括频点扫描匹配电路，所述频点扫描匹配电路位于接收电磁耦合器和模数转换器ADC之间。
所述的接收电磁耦合器包括并联设置的窄带耦合电路和宽带耦合电路，窄带耦合电路用于接收窄带电力载波通信信号，宽带耦合电路用于接收宽带电力载波通信信号。
本发明还包括电源和电源管理装置，所述电源连接到各电路，用于提供±15V、±12V、±9V、±5V、3.3V和1.2V电源。
所述微处理器DSP上设置有1个RS232口和1个USB口，RS232口用于装置组网监测，USB口用于与PC机连接互通数据。
采用本发明的优点在于：
一、采用本发明后，在整个1KHz～80MHz频段范围内的窄带、宽带信号可以同时捕获；无论电力线上是单独或同时有多个频点通信，都能无遗漏的进行实时监测。
二、本发明中，可以检测从1KHz~80MHz整个频段的电力载波信号，囊括了目前技术的电力载波通信的所有频段和频点。
三、本发明中，通过特征分析，能够检测电力载波通信的通信频点（频段）、信号强度、数据帧长度、数据帧间隔等重要特征信息。
四、本发明中，提取的特征信息，可以分析特征信号的调制方式；并且本发明中可以通过主动发送信息，再接收分析的方式，发现电力线上是否有其他设备的存在。
五、本发明中，采用彩色大屏幕液晶触摸屏和大存储量的SD卡，可以显示和存储检测信号特征波形和重要数据，采用RS232接口，可以多台装置互联，组网监测电力线上的通信信息，采用USB接口与PC机相连，可以将检测数据传输到PC机处理，同时也可以通过PC机向本装置传输参数，控制装置的运行。
六、本发明中，采用建模计算，是借助于实验或测量得到一批离散数据，通过对数据充分观察和分析，获得数据所含信息，揭示变量间的内在联系，并选择适当的数学式对变量的关系进行拟合，建立经验模型，通过经验模型，就能分析计算信息特征，方便快捷，实时性强；为电力线通信的实时监测打下了基础。
七、本发明提取相关特征进行对比，可以建立大量的特征数据库，提取相关特征与之进行对比，有利于完善和优化，不断提高特征识别的准确性和快速性。
附图说明
图1为本发明监测装置结构原理示意图。
具体实施方式
实施例1
一种电力线信息监测方法，包括如下步骤：
a、当电力通信线路上有电力载波通信信息传输时，接收该电力载波通信信息，并进行电子调谐处理和A/D转换；
b、将A/D转换后的数字信号进行滤波和数字变频处理；
c、将处理后的信号进行建模计算还原出数字基带信号，对基带信号进行相关特征提取，根据提取出的相关特征判断电力通信线路上是否存在通信行为。
所述a步骤中，耦合电路接收电力通信线路上的窄带和宽带电力载波通信信息，并发送到模数转换器进行A/D转换。
所述b步骤中，A/D转换后的数字信号发送到现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA将接收到的通信信息进行滤波和数字变频处理，并传送到微处理器DSP。
所述c步骤中微处理器DSP建模计算包括如下步骤：
c1、假设在电力通信线路上传输信息的基带信号为S(t)，则：
S(t)=[1+kam(t)]cos(ωit+θi) （ 式1）
式中：ka为调幅波的调制指数，m(t)为调制信号，ωi为输入信号的角频率，θi为输入信号的相角；
c2、通信信息在电力通信线路信道中的衰减为A(t)，在电力通信线路传输中引入的噪声为N(t)，则电力通信线路本身的信号PL(t)为：
PL(t)=B cos(2 PI 50t+θi2) （式2）
式中，B为电力通信线路信号强度与接入到电力通信线路上的通信信号强度的比值 ，PI 为圆周率常数，θi2为市电的相位，t为时间；
c3、则在接收点接收到的信号R(t)为
R(t)=A(t) [1+kam(t)]cos(ωit+θi)+N(t)+ B cos(2PI 50t+θi2) （式3）
通过实验统计分析得到式中的A(t)和N(t)，通过滤波器滤掉Bcos(2PI50t+θi2)，通过逆向运算计算还原出数字基带信号为S(t)。
通过实验统计分析获取A(t)参量的方法：在一个拓扑结构的电力线路中，在电力线路的一端用信号发生器通过电磁耦合器装置将信号耦合到电力线路上，在电力线路的另一端将信号通过接收电磁耦合器装置处理后送往频谱仪分析。
例如，在电力线路的一端用信号发生器产生一个功率电平为 x1 dBm的信号经电磁耦合器装置耦合到电力线路上，在电力线路的另一端将信号通过接收电磁耦合器耦合装置接收电力线上的信号送往频谱仪分析，测出此时收到的信号功率电平为x2 dBm。由此可以计算出A(t)= x2 dBm/x1 dBm。由于实验存在着一定的误差，经过多次反复实验统计，取其实验所得到的平均值作为A(t)的参考值。
通过实验统计分析获取在电力通信线路传输中引入的噪声N(t)参量的方法：同样在一个拓扑结构的电力线路中，在电力线路的一端用信号发生器通过电磁耦合器装置将信号耦合到电力线路上，电力线路的另一端将信号通过接收电磁耦合器耦合装置接收电力线上的信号送往频谱仪分析。由于电力通信线路传输中引入的噪声N(t)的频谱对信号发生器产生的频谱影响不大，去除信号发生器耦合到电力线路上信号的频谱带，剩下的频谱带即为引入的噪声N(t)。通过这样的实验获取了在电力通讯线路传输中引入的噪声N(t)参量。
本发明所述c步骤中微处理器DSP对基带信号进行相关特征提取的过程为：
分析还原出的数字基带信号波形数据的周期性特征，若存在周期性则分析提取信号的频率特征、信号的包络特征、信号的帧长度特征和信号的帧间隔特征，这些特征构成了通信基带信号的相关特征。
其中信号波形数据的周期性特征由微处理器DSP分析设定持续时间内信号波形的峰值和谷值，统计设定时间内信号的波形峰值和谷值出现的时间是否为特定值，分析其是否存在周期性，其时间值作为波形数据的周期性特征。
信号的频率由微处理器DSP定时计数器或傅里叶分析计算得出。其频率值将异于未加通信信息时测得的频率值，将其频率值作为信号的频率特征。
信号的包络特征由数模转换器将模拟信号数字化后存储设定时间内的数据，分析该段时间内各个波峰和波谷的数值，其数值将异于未加通信信号时测得的参数值，将其参数值作为信号的包络特征。
信号帧长度特征由微处理器DSP内的计时器记录存在通信基带信号时帧长度的持续时间，该持续时间为信号帧长度特征。
信号帧间隔特征同样由微处理器DSP内的计时器记录存在通信基带信号时相邻持续两帧数据之间的持续时间，该持续时间为信号帧间隔特征。
通过上述技术实现了对信号波形数据的周期性特征、信号的频率特征、信号的包络特征、信号帧长度特征和信号帧间隔特征所构成了通信基带信号的相关特征的提取。
本发明所述c步骤中微处理器DSP判断电力通信线路上是否存在通信行为的过程为：
将提取出的特征属性与参考波形数据进行序列相减比对运算，同时对信号周期性、信号的包络、信号帧长度和信号帧的间隔参数进行统计，作为线路是否存在通信行为的判断依据。
本发明所述c步骤中，将处理后的信号进行显示，如果发现监测到有通信行为，立即报警提示，并存储有用信息。
本发明中，所述宽带信信号范围为1MHz～80MHz，所述窄带信号范围为1KHz～1MHz。
实施例2
一种电力线信息监测装置，包括接收电磁耦合器、模数转换器ADC、可编程门阵列FPGA、微处理器DSP和显示器，所述接收电磁耦合器接收电力线上的通信信息后发送到模数转换器ADC，模数转换器ADC对通信信息A/D转换后发送到可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA将接收到的通信信息进行滤波和数字变频处理后发送到微处理器DSP，微处理器DSP判断是否存在通信行为。
所述可编程门阵列FPGA由数字滤波处理器和基带处理器组成，数字滤波处理器将接收到的通信信息进行滤波处理后发送到基带处理器，基带处理器对接收到的通信信息进行数字变频处理后发送到微处理器DSP。
本发明还包括频点扫描匹配电路，所述频点扫描匹配电路位于接收电磁耦合器和模数转换器ADC之间，用于从低频到高频扫频起到频率选择作用。从耦合电路接收到的信号是一个宽频带的信号，频点扫描匹配电路要从中选出所要接收的某一频点（段）的载波信号。同时，耦合电路接收到的信号有时会过强或过弱，这样的信号都要进行适当的衰减或放大。也就是说，从耦合电路接收到的信号需要进行一定的预处理，才能送到ADC进行数字化转换处理，本电路由混频滤波电路和信号程控放大电路组成，应用的现有技术。
所述的接收电磁耦合器包括并联设置的窄带耦合电路和宽带耦合电路，窄带耦合电路用于接收窄带电力载波通信信号，宽带耦合电路用于接收宽带电力载波通信信号。本电路主要由电源偶合变压器，滤波器，防浪涌二极管，过压/过流保护电路主成，应用的现有技术。
本发明还包括电源和电源管理装置，所述电源连接到装置中各电路，用于给装置提供±15V、±12V、±9V、±5V、3.3V和1.2V电源。电源管理装置用于对装置进行安全隔离、噪声隔离、短路保护、过压保护、过流保护、升压变换、降压变换、屏幕保护等。
本发明中，所述微处理器DSP提供1个RS232口、1个USB口；RS232口用于装置组网监测，USB口用于与PC机连接互通数据。
本发明中，显示屏用于显示，例如彩色大屏幕液晶触摸屏用于显示检测数据或信号波形，触摸屏用于装置的参数设置、人机对话。
Claims (10)
1.一种电力线信息监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、当电力通信线路上有电力载波通信信息传输时，接收该电力载波通信信息，并进行电子调谐处理和A/D转换；
b、将A/D转换后的数字信号进行滤波和数字变频处理；
c、将处理后的信号进行建模还原出数字基带信号，对数字基带信号进行相关特征提取，根据提取出的相关特征判断电力通信线路上是否存在通信行为。
2.根据权利要求1所述的电力线信息监测方法，其特征在于：所述a步骤中，耦合电路接收电力通信线路上的窄带和宽带电力载波通信信息，并发送到模数转换器进行A/D转换。
3.根据权利要求1所述的电力线信息监测方法，其特征在于：所述b步骤中，A/D转换后的数字信号发送到现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA将接收到的通信信息进行滤波和数字变频处理，并传送到微处理器DSP。
4.根据权利要求1、2或3所述的电力线信息监测方法，其特征在于：所述c步骤中微处理器DSP建模包括如下步骤：
c1、假设在电力通信线路上传输信息的数字基带信号为S(t)，则：
S(t)=[1+kam(t)]cos(ωit+θi) （ 式1）
式中：ka为调幅波的调制指数，m(t)为调制信号，ωi为输入信号的角频率，θi为输入信号的相角；
c2、通信信息在电力通信线路信道中的衰减为A(t)，在电力通信线路传输中引入的噪声为N(t)，则电力通信线路本身的信号PL(t)为：
PL(t)=B cos(2 PI 50t+θi2) （式2）
式中，B为电力通信线路信号强度与接入到电力通信线路上的通信信号强度的比值 ，PI 为圆周率常数，θi2为市电的相位，t为时间；
c3、则在接收点接收到的信号R(t)为
R(t)=A(t) [1+kam(t)]cos(ωit+θi)+N(t)+ B cos(2PI 50t+θi2) （式3）
通过实验统计分析得到式中的A(t)和N(t)，通过滤波器滤掉Bcos(2PI50t+θi2)，通过式1、式2和式3计算还原出数字基带信号为S(t)。
5.根据权利要求4所述的电力线信息监测方法，其特征在于：所述通过实验统计分析获取通信信息在电力通信线路信道中的衰减A(t)参量的方法为：在一个拓扑结构的电力线路中，在电力线路的一端用信号发生器通过电磁耦合器装置将信号耦合到电力线路上，在电力线路的另一端将信号通过接收电磁耦合器装置处理后送往频谱仪分析，计算得出多个A(t)，取其平均值作为A(t)值。
6.根据权利要求5所述的电力线信息监测方法，其特征在于：所述通过实验统计分析获取在电力通信线路传输中引入的噪声N(t)参量的方法：在一个拓扑结构的电力线路中，在电力线路的一端用信号发生器通过电磁耦合器装置将信号耦合到电力线路上，电力线路的另一端将信号通过接收电磁耦合器耦合装置接收电力线上的信号送往频谱仪分析，由于电力通信线路传输中引入的噪声N(t)的频谱对信号发生器产生的频谱影响不大，去除信号发生器耦合到电力线路上信号的频谱带，剩下的频谱带即为引入的噪声N(t)。
7.根据权利要求5或6所述的电力线信息监测方法，其特征在于：所述c步骤中微处理器DSP对基带信号进行相关特征提取，其过程为：分析还原出的数字基带信号波形数据的周期性特征，若存在周期性特征则分析提取信号的频率特征、信号的包络特征、信号的帧长度特征和信号的帧间隔特征。
8.根据权利要求7所述的电力线信息监测方法，其特征在于：所述信号波形数据的周期性特征由微处理器DSP分析设定持续时间内信号波形的峰值和谷值，统计设定时间内信号的波形峰值和谷值出现的时间是否为特定值，分析其是否存在周期性，其时间值作为波形数据的周期性特征；
所述信号的频率特征由微处理器DSP定时计数器或傅里叶分析计算得出，频率值异于未加通信信息时测得的频率值，则将其频率值作为信号的频率特征；
所述信号的包络特征由数模转换器将模拟信号数字化后存储设定时间段的数据，分析该段时间内各个波峰和波谷的数值，其数值异于未加通信信号时测得的参数值，则将其参数值作为信号的包络特征；
所述信号帧长度特征由微处理器DSP内的计时器记录存在通信基带信号时帧长度的持续时间，该持续时间为信号帧长度特征；
所述信号帧间隔特征由微处理器DSP内的计时器记录存在通信基带信号时相邻持续两帧数据之间的持续时间，该持续时间为信号帧间隔特征。
9.根据权利要求8所述的电力线信息监测方法，其特征在于：所述c步骤中微处理器DSP判断电力通信线路上是否存在通信行为的过程为：
将提取出的相关特征属性与参考波形数据进行序列相减比对运算，同时对信号周期性、信号的包络、信号帧长度和信号帧的间隔参数进行统计，作为线路是否存在通信行为的判断依据。
10.根据权利要求1所述的用于电力线信息监测方法的监测装置，其特征在于：包括接收电磁耦合器、模数转换器ADC、可编程门阵列FPGA、微处理器DSP和显示器，所述接收电磁耦合器接收电力线上的通信信息后发送到模数转换器ADC，模数转换器ADC对通信信息A/D转换后发送到可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA将接收到的通信信息进行滤波和数字变频处理后发送到用于判断是否存在通信行为的微处理器DSP。
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