CN108650216B - 基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法 - Google Patents

基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法，依次包括以下步骤：获取用于登录的信息，选取登录信息中的身份信息进行加密处理；对加密的身份信息进行验证，根据验证信息得到登录结果；如果登录成功，则将变电站信息以无线传输的方式发送至监控后台。本发明的优点是：先通过验证核对操作人员身份，然后通过加密传送的方式，以防不法分子侵入，让合法的操作人员可以远程查看变电站的后台信息，只要在检修现场就能直接查看到主控室内的监控后台信号状态，三遥信息核对流程相对于传统流程大幅提升工作效率，缩短了工作用时，从原先的71.9分钟降低至现在的44.6分钟。

Description

基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法
技术领域
本发明涉及基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法。
背景技术
随着变电站数量逐年增加，变电站设备缺陷消除、C类检修、技改工程及竣工验收等工作亦日益繁重。其中三遥信息核对是以上工作的主要组成部分之一。传统的三遥信息核对流程为：两组二次检修人员分别在检修现场与主控室两个工作地点，对监控后台三遥信息进行核对。因此，采用传统的三遥信息核对流程至少需要三人，而且核对环节沟通繁琐，影响工作效率。在检修人员数量基本不变的情况下，无法适应新形势下的变电站检修工作。目前有两种方法可以远程浏览后台监控系统，一种是利用智能变电站技术，将画面远传至调度中心的功能，增强站端设备运行的监视能力，另一种是通过KVM延长器实现后台信息远传，但是都无法满足在任一现场浏览监控后台画面的需求。
目前，二次检修人员在变电站现场进行后台三遥信息核对时，涉及检修现场与主控室后台两个工作地点。位于检修现场的作业人员负责模拟遥信或遥测信号，而位于主控室的检修人员负责查看监控后台信号状态。当现场作业人员完成信号模拟时，通过对讲机或手机汇报操作结果，此时监视后台系统的人员根据监控画面动作信号反馈信息，如果试验结果正确则进行下一项核对项目。
鉴于班组检修压力大、工作任务重、人员紧缺的情况，该作业流程降低了班组工作检修效率与备班裕量。如果只派一组人进行三遥信息核对工作，则检修人员需要往返于作业现场和主控室，大幅增加核对用时，延迟恢复供电，同时也加大检修人员体力消耗，易使人员疲惫而导致安全隐患问题。
发明内容
本发明的目的在于提供基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法，能够有效解决传统变电站三遥信息核对需要人数多，检修人员工作繁琐的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法，依次包括以下步骤：
获取用于登录的信息，选取登录信息中的身份信息进行加密处理；
对加密的身份信息进行验证，根据验证信息得到登录结果；
如果登录成功，则将变电站信息以无线传输的方式发送至监控后台。
优选的，所述获取用于登录的信息，包括：获取用户手机号，接收验证码后进行加密发送，解密后与数据库信息进行匹配验证，如验证通过则进行数据传输，如果未通过返回获取用户手机号。
优选的，在验证码进行加密后通过TCP协议传输后再解密。
优选的，登录成功后，变电站信息进行加密后通过无线传输发送到监控后台解密。
优选的，所述变电站信息进行加密后通过UDP协议无线传输发送到监控后台解密。
优选的，在将变电站信息以无线传输的方式发送至监控后台前，先判断是否为首次连接，所述步骤包括：如果是首次连接，则验证登录信息及基本参数；如果不是首次连接，则直接将变电站信息无线传输到监控后台，然后判断是否结束通讯，如果是，则通讯结束；如果否，回到判断是否为首次连接。
与现有技术相比，本发明的优点是：采用本方法后，先通过验证核对操作人员身份，然后通过加密传送的方式，以防不法分子侵入，让合法的操作人员可以远程查看变电站的后台信息，只要在检修现场就能直接查看到主控室内的监控后台信号状态，三遥信息核对流程相对于传统流程大幅提升工作效率，缩短了工作用时，从原先的71.9分钟降低至现在的44.6分钟。
将无线通讯技术运用到其中，提高工作效率、减少人员需求，同时通过引入加密算法、手机验证等多种方法在保证通讯流畅性的基础上强化信息安全，降低信息泄露风险。该装置已在多所变电站中应用，实际调试结果证明该装置运行稳定、可靠，具有很高的推广价值。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中无线延伸器的结构框图；
图3为本发明中无线数据传输流程图；
图4为本发明中应用数据加密流程图；
图5为本发明中人机互动模块操作流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法，依次包括以下步骤：
获取用于登录的信息，选取登录信息中的身份信息进行加密处理；
对加密的身份信息进行验证，根据验证信息得到登录结果；
如果登录成功，则将变电站信息以无线传输的方式发送至监控后台。
采用本方法后，先通过验证核对操作人员身份，然后通过加密传送的方式，以防不法分子侵入，让合法的操作人员可以远程查看变电站的后台信息，只要在检修现场就能直接查看到主控室内的监控后台信号状态，三遥信息核对流程相对于传统流程大幅提升工作效率，缩短了工作用时，从原先的71.9分钟降低至现在的44.6分钟。
将无线通讯技术运用到其中，提高工作效率、减少人员需求，同时通过引入加密算法、手机验证等多种方法在保证通讯流畅性的基础上强化信息安全，降低信息泄露风险。该装置已在多所变电站中应用，实际调试结果证明该装置运行稳定、可靠，具有很高的推广价值。
具体的，基于无线传输的变电站监控后台信息核对装置包括无线延伸器、信息传输模块和人机互动模块，无线延伸器安装于监控主机处，作为数据传输的首端；信息传输模块以软件的形态分布在无线延伸器与人机互动模块中，负责两个模块之间的沟通；人机互动模块位于移动终端，为检修人员呈现监控画面信息。
如图2所示，无线延伸器：无线延伸器负责变电站后台主机监控画面的数据采集与发送。为不影响监控后台的正常运作，无线延伸器需串接于监控主机与显示器之间。由于变电站监控主机多采用VGA显示接口，故无线延伸器需配置两个VGA显示接口，其中一个用于接收监控主机输出的显示信息，另一个用于将视频信号转接输出至显示器。
VGA接口为视频传输接口，与主机显卡相连，只具备单向信息传输功能，无法向主机发送指令，所以可以实现装置与监控主机的物理隔离，避免不法分子借助本装置对监控主机输入遥控指令，恶意破坏电网安全稳定。
DSP芯片是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，支持单时钟周期的"乘-加"运算，并行计算能力强，同时具有很高的编译效率和指令的执行速度，适合图像处理与数据加密。因此，本发明选择DSP作为无线延伸器的处理器模块，对输入装置的VGA视频信号进行处理后传输至通讯模块。TI(TexasInstruments)公司是最大的DSP芯片供应商，并且提供开放的、功能强大的CCS集成开发软件，选择TI公司的TMS320C系列可以降低本次开发成本。变电站监控主机输出的画面多为1080p 60帧，其每秒传输像素总数为：
1920×1080×60
＝124416000≈124.4兆
所以DSP处理频率需大于124.4兆。TMS320C6748的工作频率为375/456MHz(定点/浮点)，可以满足视频采集要求，综合考虑加密、通讯等处理性能和裕度，本发明最终选择TMS320C6748芯片作为无线延伸器的处理单元。
4G通信技术相对于WiFi、蓝牙具有传输速度基本不受距离影响、传输速度快等优点，成为通讯模块的优选方案。无线延伸器通过4G芯片与移动终端进行通信。
VGA模拟信号经A/D采样临时存储在FIFO数据缓冲器，TMS320C6748通过DMA通道读取FIFO数据缓冲器中的数据块，同时对视频数据进行运算处理。由于三遥信息核对工作对画面色彩要求不高，只需要几种常见颜色，因此DSP对画面信息进行压缩，将原先24位色彩深度转换为8位色彩深度，节省画面传输占用带宽，提升画面流畅度。另外，本发明通过在无线延伸器嵌入HDbitT协议、TCP/IP协议，实现现场图像和数据传输与互联网络的无缝对接。TCP/IP控制协议与4G芯片相互配合，保证现场图像和数据顺利加载到4G无线通讯信道中。
信息传输模块：本装置中信息传输模块承担着无线数据传输和应用数据加密两大任务，其实现方式主要依赖于TCP/IP协议。TCP/IP协议分为应用层、传输层、网络层和网络设备接口层。本发明主要涉及应用层，即传输优化和信息加密均在应用层中实现，其他协议层由硬件决定。
(1)无线数据传输优化
传输层是所有协议层中最重要、最关键的一层，是唯一负责总体的数据传输和数据控制的一层，TCP协议和UDP协议均属于该协议层。本次对无线信息传输的优化，体现在应用层对TCP协议和UDP协议的调用上。
TCP协议是面向连接的传输协议，具有拥塞控制，传输可靠性高，但是报文首部占用空间大(20个字节)，建立连接和关闭连接均需要多次确认，而且传输数据过程中接收方必须时刻确认发送方的数据，因此传输速度慢，在网络条件不理想的情况下容易频繁发生断线重连。
UDP协议是无连接协议，即发送数据之前不需要建立连接，传输可靠性低，报文首部开销小(8个字节)，只包含端口信息和差错检测功能，但是效率高、速度快、占用资源少。
三遥信息核对涉及变电站信息，需要高安全性，而三遥信息核对过程中对监控画面的传输帧数要求不高，但不允许出现断线重连的现象。因此，本发明所设计的方案是采用TCP协议进行首次连接，相互验证无线延伸器和人机互动模块的信息，并通过公钥加密传输对称加密的密钥。在完成身份认证和密钥传输后，通过UDP协议传输对称加密后的视频信息。充分结合两者的优势，提升在弱4G信号地区的信息传输成功率。
如图3所示，在将变电站信息以无线传输的方式发送至监控后台前，即在人机互动模块与无线延伸器建立通讯时，先判断是否为首次连接，如果是则通过TCP协议传输验证信息及基本参数，如果不是首次连接，则直接将变电站的视频信息通过UDP协议无线传输到监控后台，然后判断是否结束通讯，如果是则通讯结束，如果否回到判断是否为首次连接。进行首次通讯的判定是为了保证传输的安全性，需要对操作人员的身份进行判定，防止信息外泄，而在操作人员操作的设备在一定时间内需要连续查看多个设备的视频信息时，在判定过操作人员符合身份验证后，就无需再次验证身份，加快操作流程，减少不必要的步骤。
(2)应用数据加密
应用数据加密分为两大类：对称加密和非对称加密(公钥加密)。对称加密算法是使用同一个密钥实现加密与解密，它的优点是速度快、效率高，缺点是密钥一旦泄露，加密信息不再安全，如果每次使用不同密钥，需要耗费大量资源管理密钥。对称加密算法通常在需要加解密大量数据时使用，常见的有DES算法和AES算法等。
由于DES算法密钥长度短，容易被破译，无法适应当前时代需求，因此本发明采用AES算法作为加密算法之一。
非对称加密算法使用一对唯一性密钥(公钥和私钥)对数据进行加密、解密。对外公开的密钥为公钥，不公开的密钥为私钥。传输加密数据时，应采用公钥加密，私钥解密。验证身份时，宜采用私钥加密，公钥验证签名。使用最广泛的非对称加密算法是RSA算法。
本发明采用RSA算法和AES算法共同实现应用数据加密。人机互动模块通过内置私钥加密身份信息，发送至无线延伸器，无线延伸器通过公钥验证数字签名，同时向人机互动模块发送经过公钥加密的对称密钥。完成首次连接后，无线延伸器不断采集监控画面信息，经优化、压缩后，用对称密钥对数据进行加密，通过UDP协议传输数据到人机互动模块，人机互动模块解密数据后，将监控画面信息呈现给检修人员。应用数据加密流程如图4所示，具体为人机互动模块获取身份信息，进行私钥加密，通过TCP协议传输到无线延伸器，无线延伸器内用公钥解密，进行身份验证；然后无线延伸器的AES密钥进行公钥加密，通过TCP协议传输到人机互动模块，人机互动模块进行私钥解密后，记录密钥。在人机互动模块下达指令后，通过前面获得的密钥进行AES加密，通过UDP协议传输到无线延伸器，无线延伸器内进行AES解密，接收到指令；然后无线延伸器将指令中需要的视频信息通过AES加密，利用UDP协议传送到人机互动模块，人机互动模块通过AES解密后获得视频信息。
AES加密算法的密钥长度分为128bits、192bits和256bits，对应的加密轮数分别为10轮、12轮和14轮。由于本发明已采用RSA算法对AES密钥进行加密，安全性高，故为了数据高效率传输，采用128bits密钥对数据块进行十轮加密运算。初始密钥通过每一轮的密钥扩展得到下一轮要用的密钥。
其中轮变换的C语言示意代码如下所示：
Figure BDA0001604004410000091
RSA加密算法的大致描述如下：
a)选择两个互异的大素数p和q(保密)；
b)计算n＝p*q(公开)，
Figure BDA0001604004410000102
c)选择一个随机整数
Figure BDA0001604004410000103
(公开)，并满足/>
Figure BDA0001604004410000104
d)计算
Figure BDA0001604004410000105
(保密)；
e)公钥KU＝{e,n}，私钥KR＝{d,n}；
f)密文＝明文emod(n)，明文＝密文dmod(n)。
RSA加解密包含模幂运算，而先进行幂运算再取模对处理器开销太大，因此需将模幂运算转化成模乘运算A*B(mod N)和模方运算A*A(mod N)，并借助Montgomery算法简化计算过程，调用方式如下所示：
Figure BDA0001604004410000101
Figure BDA0001604004410000111
人机互动模块：人机互动模块负责接收无线延伸器发出的信息，并对加密信息进行解密，最后把监控画面呈现给用户。现在，每个人身上都会携带手机，查看视频、图像方便，而且手机的性能强劲，可以满足接收处理信息的要求，因此人机互动模块选择手机作为平台。
为进一步增强三遥信息核对装置的安全性，软件模块加入手机号码验证机制，只有和软件内部数据库中存储的手机号码相同的手机才能登录软件，查看传输的监控画面信息。操作流程如图5所示，具体为打开软件，输入手机号，接收验证码，然后软件识别手机号是否与数据库匹配，如果是建立通讯，如果否则返回输入手机号。
通过采用本发明的方案，三遥信息核对流程相对于传统流程大幅提升工作效率，缩短了工作用时，从原先的71.9分钟降低至现在的44.6分钟。本发明针对传统三遥信息核对流程存在的不足进行了分析，并提出新流程应对日益增重的检修负担，详细探讨变电站监控后台三遥信息核对装置的构成，将无线通讯技术运用到装置中，提高工作效率、减少人员需求，同时通过引入加密算法、手机验证等多种方法在保证通讯流畅性的基础上强化信息安全，降低信息泄露风险。该装置已在多所变电站中应用，实际调试结果证明该装置运行稳定、可靠，具有一定的推广价值。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (5)

1.基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
获取用于登录的信息，选取登录信息中的身份信息进行加密处理，加密处理流程为：人机互动模块获取身份信息，进行私钥加密并通过TCP协议传输到无线延伸器，无线延伸器内用公钥解密，进行身份验证；然后无线延伸器的AES密钥进行公钥加密并通过TCP协议传输到人机互动模块，人机互动模块进行私钥解密后，记录密钥；
根据身份验证信息得到登录结果；
如果登录成功，则将变电站信息以无线传输的方式发送至监控后台；在将变电站信息以无线传输的方式发送至监控后台前，先判断是否为首次连接，如果是则通过TCP协议传输验证信息及基本参数，如果不是首次连接，则直接将变电站的视频信息通过UDP协议无线传输到监控后台，然后判断是否结束通讯，如果是则通讯结束，如果否，回到判断是否为首次连接。
2.如权利要求1所述的基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法，其特征在于：所述获取用于登录的信息，包括：获取用户手机号，接收验证码后进行加密发送，解密后与数据库信息进行匹配验证，如验证通过则进行数据传输，如果未通过返回获取用户手机号。
3.如权利要求2所述的基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法，其特征在于：在验证码进行加密后通过TCP协议传输后再解密。
4.如权利要求1所述的基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法，其特征在于：登录成功后，变电站信息进行加密后通过无线传输发送到监控后台解密。
5.如权利要求4所述的基于无线传输的变电站监控后台信息核对方法，其特征在于：所述变电站信息进行加密后通过UDP协议无线传输发送到监控后台解密。
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