CN111289890A - 一种基于边信道的dtu安全监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力终端设备安全技术领域，公开了一种基于边信道的DTU安全监测方法，角位移传感器测量断路器触头的运动情况，获得断路器的行程‑时间曲线，采用霍尔电流传感器获取分合闸线圈的电流信号，A/D采样芯片对数据进行采样，并转化为数字信号，送入微处理器中进行数据处理、数据存储、数据传输工作。本发明通过断路器的特性参数，分析了在断路器在线监测中用来判断断路器是否正常运行，通过传感器技术，对断路器状态进行现场的采集，并通过采集的数据汇出断路器行程‑时间曲线和分合闸线圈电流曲线，通过对曲线的分析，判断断路器是否正常运行，监测结果准确及时，可靠性、实时性、精度等均可满足配电自动化系统的功能实现和可靠性。

Description

一种基于边信道的DTU安全监测方法

技术领域

本发明属于电力终端设备安全技术领域，尤其涉及一种基于边信道的DTU安全监测方法。

背景技术

目前：随着现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增多，如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备的启停；另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高，上述问题的矛盾越来越突出，这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量直接关系到国民经济的总体效益。

现有的对电网的监测方式主要采用监控终端(DTU)进行监控，但电网配电自动化系统包含的信息容量大、数据复杂，现有的监控终端(DTU)所采用监测方法的可靠性、实时性、精度等难以满足配电自动化系统的功能实现和可靠性。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：电网配电自动化系统包含的信息容量大、数据复杂，现有的监控终端(DTU)所采用监测方法的可靠性、实时性、精度等难以满足配电自动化系统的功能实现和可靠性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于边信道的DTU安全监测方法。

本发明是这样实现的，一种基于边信道的DTU安全监测方法，所述基于边信道的DTU安全监测方法包括：

第一步，通过角位移传感器测量断路器触头的运动情况，获得断路器的行程-时间曲线，再通过计算，获得断路器的分合闸速度，分合闸时间、分闸同期、合闸同期、触头行程参数；

第二步，通过采用霍尔电流传感器获取分合闸线圈的电流信号；

第三步，通过A/D采样芯片对监测的数据进行采样，并将输入的模拟信号转化为数字信号，送入微处理器中进行数据处理、数据存储、数据传输工作；

第四步，在微处理器的数据处理中，基于微处理器中断率、时间戳计数率和高速缓存未命中比来检测边信道攻击；

第五步，微处理器将设定超标的结果数据存储在非易失性FLASH存储器里；

第六步，微处理器通过通信接口连接的GPRS通信网络实现与上位机的通信，并将结果上传至上位机，实现在上位机对数据的分析、监测、存储、管理。

进一步，采用微处理器进行数据处理的方法，具体如下：

(1)根据断路器采集的参数数据，对数据进行横向和纵向的对比，以此进行断路器特性的横向和纵向对比；

(2)然后采用与历史动作曲线和断路器出厂参数曲线进行叠加对比，发现曲线变化趋势；

(3)进而通过与标准行程曲线对比，确定是否偏离了5％包络线，以判断断路器是否出现问题。

进一步，断路器的行程-时间曲线获取方法，具体如下：

第一步，角位移传感器通过无接触测量方式测量断路器触头的行程；

第二步，然后将测量所得的信号经过滤波电路后输入到DTU装置的CPU主板，然后通过DTU主板的采集处理经进一步计算可得。

进一步，断路器参数的计算方法，具体如下：

分闸时间＝三相动触头分时间-分闸线圈有电流时间；

合闸时间＝三相动触头合时间-合闸线圈有电流时间；

分闸同期＝三相动触头分时间-动触头首相分时间；

合闸同期＝三相动触头合时间-首相动触头合时间；

触头行程＝合闸过程结束位置-合闸信号开始位置；

进一步，A/D采样芯片对监测的数据进行采样的方法，具体如下：

首先，当某一相的频率数据捕获到后，A/D采样任务得到一个信号量，完成与某一相通道相关的初始化工作；

然后，启动A/D转换器并当转换器结束时产生转化结束的硬件中断信号，该信号触发采样中断服务子程序完成数据读入DSP内存任务。

进一步，GPRS通信网络的通信方法，具体如下：

1)GPRS DTU上线后，首先读出内部FLASH中保存的工作参数；

2)GPRS DTU登录GSM网络，然后进行GPRS PPP拨号，拨号成功后，GPRS DTU将获得一个由移动随机分配的内部IP地址；

3)GPRS PPP拨号成功后，GPRS可以主动连接到数据中心；

4)DTU接收到用户的串口数据，DTU可把串口数据封装在一个TCP/UDP包里，发送给数据中心，反之，当DTU收到数据中心发来的数据包时，从中去除数据内容，通过串口发送给用户设备。

进一步，所述角位移传感器在对断路器触头的运动情况进行检测时，首先采用以下的校准方法进行校准，具体包括：

步骤一，校准模块控制角位移传感器激励输入模块给被校角位移传感器提供激励；

步骤二，根据检定规程设定校准点，校准模块控制角位移控制模块旋转，带动被校角位移传感器旋转至设定的校准点；

步骤三，通过电信号采集模块获取被校角位移传感器输出的电信号值；

步骤四，重复步骤二、步骤三，完成所有设定的校准点电信号数据采集；

步骤五，电信号采集模块将采集的测量数据发送至校准模块；

步骤六，校准模块对接收的测量数据进行处理，得到被校角位移传感器的灵敏度、线性度、回程误差、重复性相关参数的校准结果。

进一步，所述霍尔电流传感器具体包括：

霍尔驱动单元，用于采集分合闸线圈的电流信号并生成初始电压信号；

信号放大单元，与所述霍尔驱动单元相连，用于对所述初始电压信号进行放大；

真有效值转换单元，与信号放大单元相连，所述真有效值转换单元用于将放大后的初始电压信号转换成直流电流信号；

电压电流转换单元，与真有效值转换单元相连，用于将直流电流信号转换为预设大小的电流信号并输出。

进一步，所述检测边信道攻击的具体步骤为：

检测所述微处理器中断率超过预定中断率阈值，检测时间戳计数率超过预定时间戳计数率阈值，通过高速缓存未命中的第一数量除以微处理器访问的总高速缓存的第二数量来确定所述高速缓存未命中比；

基于微处理器中断率和中断率阈值的商来确定第一值，基于时间戳计数率和预定时间戳计数阈值的商来确定第二值，基于高速缓存未命中比和预定高速缓存未命中比阈值的商来确定第三值；

分别将所述第一值、所述第二值和所述第三值与第一系数、第二系数和第三系数相乘；以及将所述第一值与第一系数的乘积、第二值与所述第二系数的乘积、以及第三值与所述第三系数的乘积相加以计算边信道攻击的嫌疑值。

进一步，所述非易失性FLASH存储器采用可抵御边信道攻击的缓存加固方法，所述缓存加固方法具体包括：

1)获取针对缓存的操作请求，读取当前操作请求的目标缓存所对应的硬件控制位，所述缓存的表项中包含分配者标识ALLOCATOR字段；当操作请求为分配表项时，跳转执行步骤2)，当操作请求为访问表项时，跳转执行步骤3)，当操作请求为替换表项时，跳转执行步骤4)；

2)针对操作请求分配表项，如果硬件控制位开启则执行分配缓存加固策略，所述分配缓存加固策略为将处理器的当前运行的软件域的标识填入到所分配表项的ALLOCATOR字段中，结束并退出；

3)针对操作请求访问缓存，如果硬件控制位开启则执行访问缓存加固策略，所述访问缓存加固策略为只有处理器的当前运行的软件域的标识和缓存表项中的ALLOCATOR字段相同时，才能命中该缓存表项，若处理器的当前运行的软件域的标识和缓存表项中的ALLOCATOR字段不同，则不能命中该缓存表项，结束并退出；

4)针对操作请求替换缓存，如果硬件控制位开启则执行替换缓存加固策略，所述替换缓存加固策略包括若待替换的缓存表项无效，或者其ALLOCATOR字段和处理器当前运行的软件域的标识相同，则可以直接替换出去；若待替换缓存表项有效，且其ALLOCATOR字段和处理器当前运行的软件域的标识不同，则将整个缓存清空；结束并退出。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

(1)本发明通过断路器的特性参数，分析了在断路器在线监测中用来判断断路器是否正常运行，通过传感器技术，对断路器状态进行现场的采集，并通过采集的数据汇出断路器行程-时间曲线和分合闸线圈电流曲线，通过对曲线的分析，判断断路器是否正常运行，监测结果准确及时，可靠性、实时性、精度等均可满足配电自动化系统的功能实现和可靠性；

(2)本发明设计的采用微处理器进行数据处理的方法可以及时判断断路器是否出现异常，及时对异常断路器进行维修或者部件的更换，避免故障进一步发展，造成严重后果；

(3)本发明断路器的行程-时间曲线获取方法和参数的计算方法，所获取的数据准确度高；

(4)本发明数据流采用的采样方法可对数据进行全部采集并进行数字信号的转化，保证了数据采集的精度；

(5)本发明所采用的的GPRS通信方法可以实现完成无缝通信，使电力系统面对快速发展的网络技术能够保持相对稳定。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于边信道的DTU安全监测方法流程图；

图2是本发明实施例提供的微处理器进行数据处理方法流程图；

图3是本发明实施例提供的断路器的行程-时间曲线获取方法流程图；

图4是本发明实施例提供的A/D采样芯片对监测的数据进行采样流程图；

图5是本发明实施例提供的GPRS通信网络的通信方法流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于边信道的DTU安全监测方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明一种基于边信道的DTU安全监测方法，具体如下：

S101：通过角位移传感器测量断路器触头的运动情况，获得断路器的行程-时间曲线，再通过计算，获得断路器的分合闸速度，分合闸时间、分闸同期、合闸同期、触头行程参数；

S102：通过采用霍尔电流传感器获取分合闸线圈的电流信号；

S103：通过A/D采样芯片对监测的数据进行采样，并将输入的模拟信号转化为数字信号，送入微处理器中进行数据处理、数据存储、数据传输工作；

S104：在微处理器的数据处理中，基于微处理器中断率、时间戳计数率和高速缓存未命中比来检测边信道攻击。

S105：微处理器将设定超标的结果数据存储在非易失性FLASH存储器里。

S106：微处理器通过通信接口连接的GPRS通信网络实现与上位机的通信，并将结果上传至上位机，实现在上位机对数据的分析、监测、存储、管理。

本发明提供的采用微处理器进行数据处理的方法，具体如下：

S201：根据断路器采集的参数数据，对数据进行横向和纵向的对比，以此进行断路器特性的横向和纵向对比；

S202：然后采用与历史动作曲线和断路器出厂参数曲线进行叠加对比，发现曲线变化趋势；

S203：进而通过与标准行程曲线对比，确定是否偏离了5％包络线，以判断断路器是否出现问题。

本发明提供的断路器的行程-时间曲线获取方法，具体如下：

S301：角位移传感器通过无接触测量方式测量断路器触头的行程；

S302：然后将测量所得的信号经过滤波电路后输入到DTU装置的CPU主板，然后通过DTU主板的采集处理经进一步计算可得。

所述断路器参数的计算方法，具体如下：

分闸时间＝三相动触头分时间-分闸线圈有电流时间；

合闸时间＝三相动触头合时间-合闸线圈有电流时间；

分闸同期＝三相动触头分时间-动触头首相分时间；

合闸同期＝三相动触头合时间-首相动触头合时间；

触头行程＝合闸过程结束位置-合闸信号开始位置；

本发明提供的A/D采样芯片对监测的数据进行采样的方法，具体如下：

S401：当某一相的频率数据捕获到后，A/D采样任务得到一个信号量，完成与某一相通道相关的初始化工作；

S402：启动A/D转换器并当转换器结束时产生转化结束的硬件中断信号，该信号触发采样中断服务子程序完成数据读入DSP内存任务。

本发明提供的GPRS通信网络的通信方法，具体如下：

S501：GPRS DTU上线后，首先读出内部FLASH中保存的工作参数；

S502：GPRS DTU登录GSM网络，然后进行GPRS PPP拨号，拨号成功后，GPRS DTU将获得一个由移动随机分配的内部IP地址；

S503：GPRS PPP拨号成功后，GPRS可以主动连接到数据中心；

S504：DTU接收到用户的串口数据，DTU可把串口数据封装在一个TCP/UDP包里，发送给数据中心，反之，当DTU收到数据中心发来的数据包时，从中去除数据内容，通过串口发送给用户设备。

在本发明实施例中的角位移传感器在对断路器触头的运动情况进行检测时，首先采用以下的校准方法进行校准，具体包括：

步骤一，校准模块控制角位移传感器激励输入模块给被校角位移传感器提供激励；

步骤二，根据检定规程设定校准点，校准模块控制角位移控制模块旋转，带动被校角位移传感器旋转至设定的校准点；

步骤三，通过电信号采集模块获取被校角位移传感器输出的电信号值；

步骤四，重复步骤二、步骤三，完成所有设定的校准点电信号数据采集；

步骤五，电信号采集模块将采集的测量数据发送至校准模块；

步骤六，校准模块对接收的测量数据进行处理，得到被校角位移传感器的灵敏度、线性度、回程误差、重复性相关参数的校准结果。

本发明实施例中的霍尔电流传感器具体包括：

霍尔驱动单元，用于采集分合闸线圈的电流信号并生成初始电压信号；

信号放大单元，与所述霍尔驱动单元相连，用于对所述初始电压信号进行放大；

真有效值转换单元，与信号放大单元相连，所述真有效值转换单元用于将放大后的初始电压信号转换成直流电流信号；

电压电流转换单元，与真有效值转换单元相连，用于将直流电流信号转换为预设大小的电流信号并输出。

本发明实施例中的检测边信道攻击的具体步骤为：

检测所述微处理器中断率超过预定中断率阈值，检测时间戳计数率超过预定时间戳计数率阈值，通过高速缓存未命中的第一数量除以微处理器访问的总高速缓存的第二数量来确定所述高速缓存未命中比；

基于微处理器中断率和中断率阈值的商来确定第一值，基于时间戳计数率和预定时间戳计数阈值的商来确定第二值，基于高速缓存未命中比和预定高速缓存未命中比阈值的商来确定第三值；

分别将所述第一值、所述第二值和所述第三值与第一系数、第二系数和第三系数相乘；以及将所述第一值与第一系数的乘积、第二值与所述第二系数的乘积、以及第三值与所述第三系数的乘积相加以计算边信道攻击的嫌疑值。

本发明实施例中的非易失性FLASH存储器采用可抵御边信道攻击的缓存加固方法，所述缓存加固方法具体包括：

1)获取针对缓存的操作请求，读取当前操作请求的目标缓存所对应的硬件控制位，所述缓存的表项中包含分配者标识ALLOCATOR字段；当操作请求为分配表项时，跳转执行步骤2)，当操作请求为访问表项时，跳转执行步骤3)，当操作请求为替换表项时，跳转执行步骤4)；

2)针对操作请求分配表项，如果硬件控制位开启则执行分配缓存加固策略，所述分配缓存加固策略为将处理器的当前运行的软件域的标识填入到所分配表项的ALLOCATOR字段中，结束并退出；

3)针对操作请求访问缓存，如果硬件控制位开启则执行访问缓存加固策略，所述访问缓存加固策略为只有处理器的当前运行的软件域的标识和缓存表项中的ALLOCATOR字段相同时，才能命中该缓存表项，若处理器的当前运行的软件域的标识和缓存表项中的ALLOCATOR字段不同，则不能命中该缓存表项，结束并退出；

4)针对操作请求替换缓存，如果硬件控制位开启则执行替换缓存加固策略，所述替换缓存加固策略包括若待替换的缓存表项无效，或者其ALLOCATOR字段和处理器当前运行的软件域的标识相同，则可以直接替换出去；若待替换缓存表项有效，且其ALLOCATOR字段和处理器当前运行的软件域的标识不同，则将整个缓存清空；结束并退出。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，所述基于边信道的DTU安全监测方法包括：

第一步，通过角位移传感器测量断路器触头的运动情况，获得断路器的行程-时间曲线，再通过计算，获得断路器的分合闸速度，分合闸时间、分闸同期、合闸同期、触头行程参数；

第二步，通过采用霍尔电流传感器获取分合闸线圈的电流信号；

第三步，通过A/D采样芯片对监测的数据进行采样，并将输入的模拟信号转化为数字信号，送入微处理器中进行数据处理、数据存储、数据传输工作；

第四步，在微处理器的数据处理中，基于微处理器中断率、时间戳计数率和高速缓存未命中比来检测边信道攻击；

第五步，微处理器将设定超标的结果数据存储在非易失性FLASH存储器里；

第六步，微处理器通过通信接口连接的GPRS通信网络实现与上位机的通信，并将结果上传至上位机，实现在上位机对数据的分析、监测、存储、管理。

2.如权利要求1所述的基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，采用微处理器进行数据处理的方法，具体如下：

(1)根据断路器采集的参数数据，对数据进行横向和纵向的对比，以此进行断路器特性的横向和纵向对比；

(2)然后采用与历史动作曲线和断路器出厂参数曲线进行叠加对比，发现曲线变化趋势；

(3)进而通过与标准行程曲线对比，确定是否偏离了5％包络线，以判断断路器是否出现问题。

3.如权利要求1所述的基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，断路器的行程-时间曲线获取方法，具体如下：

第一步，角位移传感器通过无接触测量方式测量断路器触头的行程；

第二步，然后将测量所得的信号经过滤波电路后输入到DTU装置的CPU主板，然后通过DTU主板的采集处理经进一步计算可得。

4.如权利要求3所述的基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，断路器参数的计算方法，具体如下：

分闸时间＝三相动触头分时间-分闸线圈有电流时间；

合闸时间＝三相动触头合时间-合闸线圈有电流时间；

分闸同期＝三相动触头分时间-动触头首相分时间；

合闸同期＝三相动触头合时间-首相动触头合时间；

触头行程＝合闸过程结束位置-合闸信号开始位置。

5.如权利要求1所述的基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，A/D采样芯片对监测的数据进行采样的方法，具体如下：

首先，当某一相的频率数据捕获到后，A/D采样任务得到一个信号量，完成与某一相通道相关的初始化工作；

然后，启动A/D转换器并当转换器结束时产生转化结束的硬件中断信号，该信号触发采样中断服务子程序完成数据读入DSP内存任务。

6.如权利要求1所述的基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，GPRS通信网络的通信方法，具体如下：

1)GPRSDTU上线后，首先读出内部FLASH中保存的工作参数；

2)GPRSDTU登录GSM网络，然后进行GPRS PPP拨号，拨号成功后，GPRSDTU将获得一个由移动随机分配的内部IP地址；

3)GPRS PPP拨号成功后，GPRS可以主动连接到数据中心；

4)DTU接收到用户的串口数据，DTU可把串口数据封装在一个TCP/UDP包里，发送给数据中心，反之，当DTU收到数据中心发来的数据包时，从中去除数据内容，通过串口发送给用户设备。

7.如权利要求1所述的基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，所述角位移传感器在对断路器触头的运动情况进行检测时，首先采用以下的校准方法进行校准，具体包括：

步骤一，校准模块控制角位移传感器激励输入模块给被校角位移传感器提供激励；

步骤二，根据检定规程设定校准点，校准模块控制角位移控制模块旋转，带动被校角位移传感器旋转至设定的校准点；

步骤三，通过电信号采集模块获取被校角位移传感器输出的电信号值；

步骤四，重复步骤二、步骤三，完成所有设定的校准点电信号数据采集；

步骤五，电信号采集模块将采集的测量数据发送至校准模块；

步骤六，校准模块对接收的测量数据进行处理，得到被校角位移传感器的灵敏度、线性度、回程误差、重复性相关参数的校准结果。

8.如权利要求1所述的基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，所述霍尔电流传感器具体包括：

霍尔驱动单元，用于采集分合闸线圈的电流信号并生成初始电压信号；

信号放大单元，与所述霍尔驱动单元相连，用于对所述初始电压信号进行放大；

真有效值转换单元，与信号放大单元相连，所述真有效值转换单元用于将放大后的初始电压信号转换成直流电流信号；

电压电流转换单元，与真有效值转换单元相连，用于将直流电流信号转换为预设大小的电流信号并输出。

9.如权利要求1所述的基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，所述检测边信道攻击的具体步骤为：

检测所述微处理器中断率超过预定中断率阈值，检测时间戳计数率超过预定时间戳计数率阈值，通过高速缓存未命中的第一数量除以微处理器访问的总高速缓存的第二数量来确定所述高速缓存未命中比；

基于微处理器中断率和中断率阈值的商来确定第一值，基于时间戳计数率和预定时间戳计数阈值的商来确定第二值，基于高速缓存未命中比和预定高速缓存未命中比阈值的商来确定第三值；

分别将所述第一值、所述第二值和所述第三值与第一系数、第二系数和第三系数相乘；以及将所述第一值与第一系数的乘积、第二值与所述第二系数的乘积、以及第三值与所述第三系数的乘积相加以计算边信道攻击的嫌疑值。

10.如权利要求1所述的基于边信道的DTU安全监测方法，其特征在于，所述非易失性FLASH存储器采用可抵御边信道攻击的缓存加固方法，所述缓存加固方法具体包括：

1)获取针对缓存的操作请求，读取当前操作请求的目标缓存所对应的硬件控制位，所述缓存的表项中包含分配者标识ALLOCATOR字段；当操作请求为分配表项时，跳转执行步骤2)，当操作请求为访问表项时，跳转执行步骤3)，当操作请求为替换表项时，跳转执行步骤4)；

2)针对操作请求分配表项，如果硬件控制位开启则执行分配缓存加固策略，所述分配缓存加固策略为将处理器的当前运行的软件域的标识填入到所分配表项的ALLOCATOR字段中，结束并退出；

3)针对操作请求访问缓存，如果硬件控制位开启则执行访问缓存加固策略，所述访问缓存加固策略为只有处理器的当前运行的软件域的标识和缓存表项中的ALLOCATOR字段相同时，才能命中该缓存表项，若处理器的当前运行的软件域的标识和缓存表项中的ALLOCATOR字段不同，则不能命中该缓存表项，结束并退出；

4)针对操作请求替换缓存，如果硬件控制位开启则执行替换缓存加固策略，所述替换缓存加固策略包括若待替换的缓存表项无效，或者其ALLOCATOR字段和处理器当前运行的软件域的标识相同，则可以直接替换出去；若待替换缓存表项有效，且其ALLOCATOR字段和处理器当前运行的软件域的标识不同，则将整个缓存清空；结束并退出。

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