CN114710671A - 基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端 - Google Patents

基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端 Download PDF

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Abstract

本发明属于通讯安全智能终端领域，具体涉及了一种基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，旨在解决现有通讯终端通讯方式单一、无法保证数据安全以及数据传输压缩质量低的问题。本发明包括：设置有数据加密模块和数据压缩模块的主控板模块，用于本地通讯数据和本地存储数据的安全防护，以及安全智能终端与主站、分布式新能源电站、运维工具数据之间纵向数据交互的数据压缩和安全防护；用于远程通讯、地理位置信息采集和对时的天线模块；用于通讯协议处理以及各模式数据传输的多接口通讯模块。本发明实现分布式光伏等新能源设施的可观、可测、可调、可控，数据安全性高，数据传输的压缩效率、压缩质量高。

Description

基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端
技术领域
本发明属于通讯安全智能终端领域，具体涉及了一种基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端。
背景技术
传统配网模式下，分布式光伏等新能源未接入电网调度体系，调度机构无法对各类分布式能源的运行状态和出力情况进行准确掌握，也无法对其进行发电功率的调控。
目前在分布式光伏等新能源接入、监测、控制等方面，最常用的设备为通讯管理机，现有的通讯管理机大多采用标准的通讯规约，配置有无线通讯模块，本身不具备智能模块与传感器，主要作为数据报文的上传以及控制指令的下发，用途比较单一。此外，由于成本和使用场景的限制，现有通讯终端大多不具备多种通讯方式以及加密模块，不适用于电力调度体系。
总的来说，如何在保证数据安全的前提下，通过多种通讯方式，实现分布式光伏等新能源设施的可观、可测、可调、可控，仍是本领域急需解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有通讯终端通讯方式单一、无法保证数据安全以及数据传输压缩质量低的问题，本发明提供了一种基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，所述安全智能终端包括主控板模块、天线模块和多接口通讯模块；
所述主控板模块设置有数据加密模块和数据压缩模块，用于所述安全智能终端的本地通讯数据和本地存储数据的安全防护，以及所述安全智能终端与主站、分布式新能源电站、运维工具数据之间纵向数据交互的数据压缩和安全防护；
所述天线模块包括传输天线接口、北斗接口和秒脉冲接口，分别用于远程通讯、地理位置信息采集和对时；
所述多接口通讯模块，用于所述安全智能终端的通讯协议处理以及各模式数据传输。
在一些优选的实施例中，所述安全智能终端，还设置有故障自适应电源模块；
所述故障自适应电源模块，为三相四线的择一单相供电模式：
当系统正常时，由三相中的任一相与零线构成所述安全智能终端的单相供电电源；
当系统三相中出现任一相或任两相故障时，由正常的任一相与零线构成所述安全智能终端的单相供电电源。
在一些优选的实施例中，所述安全智能终端，还设置有显示模块；
所述显示模块设置有操作按钮，用于进行信息浏览操作，以及显示所属的安全智能终端的运行状态、网络通信状态、被监测设备状态。
在一些优选的实施例中，所述多接口通讯模块包括串口接口、以太网接口、console接口和4G/5G接口；
所述串口接口，用于所述安全智能终端的本地通讯；
所述以太网接口，用于所述安全智能终端与主站的以太网模式通信，或者进行所述安全智能终端的远程/本地升级；
所述console接口，用于所述安全智能终端的设备调试；
所述4G/5G接口，用于所述安全智能终端与主站的4G/5G模式通信。
在一些优选的实施例中，所述数据加密模块，其对于本地通讯数据和本地存储数据的安全防护的方法为：
将本地数据进行拆分，并对拆分后的每一个数据片断进行标记；
将拆分后的带标记数据片断的集合随机划分为设定数量的带标记数据片断序列；
分别将所述带标记数据片断序列上链到不同的区块链，并返回获取的数据片断序列上链的哈希值。
在一些优选的实施例中，所述数据加密模块，其对于述安全智能终端与主站、分布式新能源电站、运维工具数据之间纵向数据交互的安全防护的方法为：
通过非对称式数据加密方法进行交互数据的加密；所述非对称式数据加密方法包括RSA加密方法、Elgamal加密方法、背包加密方法、Rabin加密方法、D-H加密方法或ECC加密方法。
在一些优选的实施例中，所述安全智能终端的通讯协议包括：
蓝牙通讯协议、NFC通讯协议、远程通讯协议和本地通讯协议。
在一些优选的实施例中，所述远程通讯协议包括DL/T 634.5 101通讯协议、DL/T634.4 104通讯协议、DL/T 698.45通讯协议、MQTT通讯协议、NETCONFRCPC通讯协议和HTTPS通讯协议。
在一些优选的实施例中，所述本地通讯协议包括DL/T 698.44通讯协议、Modbus通讯协议、DL/T 698.44通讯协议、DL/T 645通讯协议、Q/GDW 1376.2通讯协议和CoAP通讯协议。
在一些优选的实施例中，所述数据压缩模块，其数据压缩包括视频/图像数据压缩、语音数据压缩和文本数据压缩。
在一些优选的实施例中，所述视频/图像数据压缩，其方法为：
步骤S10，针对所述视频/图像的每一帧图像，将图像每一个通道分别划分为n×n的图像块，并分别将每一个图像块转换为一维向量；
步骤S20，分别提取所述一维向量的平均值，并以对应的图像块减去平均值，获得每一个图像块的残差；
步骤S30，基于当前图像尺寸以及已压缩的总比特数，获取当前实际压缩率，并获取实际压缩率与目标压缩率的差值；
步骤S40，若所述差值在设定范围内，则跳转步骤S70；若所述差值小于设定范围下限，则返回上一次迭代压缩的码流集合，并跳转步骤S70；若所述差值大于设定范围上限，则跳转步骤S50；
步骤S50，分别对每个图像块的残差进行核范数计算，并选取计算结果中从大到小的前N个对应的图像块作为当前待压缩图像块；
步骤S60，计算所述当前待压缩图像块的稀疏压缩码、量化码和熵，获得当前码流和比特数，更新当前待压缩图像块的残差、累计压缩的总比特数、当前实际压缩率和码流集合并跳转步骤S30；
步骤S70，当前图像每一个通道的码流集合为当前图像的压缩结果，遍历每一帧图像，完成所述视频/图像的数据压缩。
本发明的有益效果：
（1）本发明基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，通过多接口通讯模块实现本地与远端主站通讯，支持多种现场调试方式，实现分布式光伏等新能源设施的可观、可测、可调、可控。
（2）本发明基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，设置数据加密模块，将本地数据拆分为片断，并随机划分后上传至不同的区块链，将纵向数据交互中传输的数据通过非对称式数据加密方法进行加密，实现数据存储及交互过程的安全性、保密性、完整性。
（3）本发明基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，设置数据压缩模块，对于视频/图像数据，压缩过程的压缩码率精准可控，分配合理并能动态调整，可以实现图像的高效、高质量压缩。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端的框架示意图；
图2是本发明基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端一种实施例的本地数据安全防护流程示意图；
图3是本发明基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端一种实施例的视频/图像数据压缩流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的一种基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，所述安全智能终端包括主控板模块、天线模块和多接口通讯模块；
所述主控板模块设置有数据加密模块和数据压缩模块，用于所述安全智能终端的本地通讯数据和本地存储数据的安全防护，以及所述安全智能终端与主站、分布式新能源电站、运维工具数据之间纵向数据交互的数据压缩和安全防护；
所述天线模块包括传输天线接口、北斗接口和秒脉冲接口，分别用于远程通讯、地理位置信息采集和对时；
所述多接口通讯模块，用于所述安全智能终端的通讯协议处理以及各模式数据传输。
为了更清晰地对本发明基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
本发明第一实施例的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，包括主控板模块、天线模块和多接口通讯模块，各模块详细描述如下：
主控板模块设置有数据加密模块和数据压缩模块，用于所述安全智能终端的本地通讯数据和本地存储数据的安全防护，以及所述安全智能终端与主站、分布式新能源电站、运维工具数据之间纵向数据交互的数据压缩和安全防护。
数据加密模块，其对于本地通讯数据和本地存储数据的安全防护，如图2所示，为本发明基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端一种实施例的本地数据安全防护流程示意图，具体包括：
将本地数据进行拆分，并对拆分后的每一个数据片断进行标记；
将拆分后的带标记数据片断的集合随机划分为设定数量的带标记数据片断序列；
分别将所述带标记数据片断序列上链到不同的区块链，并返回获取的数据片断序列上链的哈希值。
对数据进行拆分时，还可以根据数据保密等级进行数据拆分片段大小的自适应设置，具体包括：
预先定义不同类型数据的保密等级，例如，将采集到的数据按照数据携带信息、数据清晰度、数据采集时间以及数据类型划分为保密等级A、保密等级B、保密等级C……（数据的保密等级级数可以根据实际需要进行设定，可以只有一个等级，也可以有多个等级），保密等级由A往后顺次降低；
设定不同等级的数据拆分的数据片段大小区间，例如，保密等级A的数据，其拆分后的数据片段的大小区间为[p1,p2)，保密等级B的数据，其拆分后的数据片段的大小区间为[p2,p3)，保密等级C的数据，其拆分后的数据片段的大小区间为[p3,p4)……；
针对任一保密等级的数据，在其数据片段大小区间内，进行数据的随机大小拆分，获得大小不一的数据片段，并对拆分后的数据片段进行标记；
将拆分后的带标记数据片断的集合随机划分为设定数量的带标记数据片断序列；
分别将所述带标记数据片断序列上链到不同的区块链，并返回获取的数据片断序列上链的哈希值。
数据片断序列上链后，本地不再保存数据，进保存数据片段序列的哈希值和每一个数据片段的标记，用于后续有权项的账户进行数据读取或调用时的数据提取和还原凭证。
本地数据加密后，未得到授权的账户看到的为数据碎片或者乱码数据，而获得授权的账户可看到实际正常的数据，有效保证了数据存储的安全性。
对于保密要求更高的数据，还可以进一步对数据片断序列的哈希值和数据片断的标记再次进行加密处理，通过二次加密的过程，使得数据的安全性更高。
哈希值和标记的加密可以采用本发明数据加密模块对本地通讯数据和本地存储数据的安全防护的方法，也可以根据实际需要选择其他的加密方法，本发明对此不作限定。
数据加密模块，其对于述安全智能终端与主站、分布式新能源电站、运维工具数据之间纵向数据交互的安全防护的方法为：
通过非对称式数据加密方法进行交互数据的加密；所述非对称式数据加密方法包括RSA加密方法、Elgamal加密方法、背包加密方法、Rabin加密方法、D-H加密方法或ECC加密方法。
数据压缩模块，其数据压缩包括视频/图像数据压缩、语音数据压缩和文本数据压缩。
如图3所示，为本发明基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端一种实施例的视频/图像数据压缩流程示意图，视频/图像数据压缩的方法具体包括：
步骤S10，针对所述视频/图像的每一帧图像，将图像每一个通道分别划分为n×n的图像块，并分别将每一个图像块转换为一维向量。
将图像进行分块时，若边缘部分像素不足预设值，则使用0进行边缘填充。
步骤S20，分别提取所述一维向量的平均值，并以对应的图像块减去平均值，获得每一个图像块的残差。
步骤S30，基于当前图像尺寸以及已压缩的总比特数，获取当前实际压缩率，并获取实际压缩率与目标压缩率的差值。
实际压缩率的计算方法如式（1）所示：
Figure 307716DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 133458DEST_PATH_IMAGE002
为实际压缩率，
Figure 669613DEST_PATH_IMAGE003
为当前图像累计压缩的总比特数，
Figure 546302DEST_PATH_IMAGE004
分别为当前图像的宽和高。
步骤S40，若所述差值在设定范围内，则跳转步骤S70；若所述差值小于设定范围下限，则返回上一次迭代压缩的码流集合，并跳转步骤S70；若所述差值大于设定范围上限，则跳转步骤S50。
本发明一个实施例中，差值的设定范围为[-0.01,+0.01]。
步骤S50，分别对每个图像块的残差进行核范数计算，并选取计算结果中从大到小的前N个对应的图像块作为当前待压缩图像块。
核范数计算方法如式（2）所示：
Figure 945928DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 275279DEST_PATH_IMAGE006
为图像块的像素矩阵，
Figure 287228DEST_PATH_IMAGE007
代表对图像块的像素矩阵
Figure 18424DEST_PATH_IMAGE008
求核范数，
Figure 526634DEST_PATH_IMAGE009
代表对图像块的像素矩阵
Figure 343281DEST_PATH_IMAGE010
求L2范数，
Figure 158921DEST_PATH_IMAGE011
为图像块的像素矩阵对应的低秩矩阵，
Figure 744623DEST_PATH_IMAGE012
为预设的核范数求解软阈值算子。
核范数求解软阈值算子可以采用预设的值，这个值可以是一个先验值，软阈值算子还可以通过其他方式设定，如式（3）所示：
Figure 486052DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 868623DEST_PATH_IMAGE014
为核范数求解的变量，由像素矩阵
Figure 206063DEST_PATH_IMAGE008
的每一个像素值确定。
当前待压缩图像块的数量N的计算方法如式（4）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 489015DEST_PATH_IMAGE016
为预设的图像划块系数，
Figure 637231DEST_PATH_IMAGE017
为当前实际压缩率
Figure 428469DEST_PATH_IMAGE018
与目标压缩率
Figure 818868DEST_PATH_IMAGE019
的差值，
Figure 848004DEST_PATH_IMAGE020
代表四舍五入操作。
步骤S60，计算所述当前待压缩图像块的稀疏压缩码、量化码和熵，获得当前码流和比特数，更新当前待压缩图像块的残差、累计压缩的总比特数、当前实际压缩率和码流集合并跳转步骤S30。
步骤S70，当前图像每一个通道的码流集合为当前图像的压缩结果，遍历每一帧图像，完成所述视频/图像的数据压缩。
天线模块包括传输天线接口、北斗接口和秒脉冲接口，分别用于远程通讯、地理位置信息采集和对时。
多接口通讯模块，用于所述安全智能终端的通讯协议处理以及各模式数据传输。
多接口通讯模块包括串口接口、以太网接口、console接口和4G/5G接口：串口接口，用于安全智能终端的本地通讯；以太网接口，用于安全智能终端与主站的以太网模式通信，或者进行安全智能终端的远程/本地升级；console接口，用于安全智能终端的设备调试；4G/5G接口，用于安全智能终端与主站的4G/5G模式通信。
安全智能终端的通讯协议包括蓝牙通讯协议、NFC通讯协议、远程通讯协议和本地通讯协议。
远程通讯协议包括DL/T 634.5 101通讯协议、DL/T 634.4 104通讯协议、DL/T698.45通讯协议、MQTT通讯协议、NETCONFRCPC通讯协议和HTTPS通讯协议。
本地通讯协议包括DL/T 698.44通讯协议、Modbus通讯协议、DL/T 698.44通讯协议、DL/T 645通讯协议、Q/GDW 1376.2通讯协议和CoAP通讯协议。
安全智能终端，还设置有故障自适应电源模块，该模块为三相四线的择一单相供电模式：
当系统正常时，由三相中的任一相与零线构成所述安全智能终端的单相供电电源；
当系统三相中出现任一相或任两相故障时，由正常的任一相与零线构成所述安全智能终端的单相供电电源。
安全智能终端设置一个后备电源，该后备电源为超级电容，超级电容的充电时间不大于2小时，在主电源供电不足或消失时，后备电源能自动无缝投入并维持终端及通讯模块正常工作不少于3分钟，具备至少与主站通信3次的能力，超级电容免维护时间不少于8年。
安全智能终端，还设置有显示模块，该显示模块设置有操作按钮，用于进行信息浏览操作，以及显示所属的安全智能终端的运行状态、网络通信状态、被监测设备状态。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述安全智能终端包括主控板模块、天线模块和多接口通讯模块；
所述主控板模块设置有数据加密模块和数据压缩模块，用于所述安全智能终端的本地通讯数据和本地存储数据的安全防护，以及所述安全智能终端与主站、分布式新能源电站、运维工具数据之间纵向数据交互的数据压缩和安全防护；
所述天线模块包括传输天线接口、北斗接口和秒脉冲接口，分别用于远程通讯、地理位置信息采集和对时；
所述多接口通讯模块，用于所述安全智能终端的通讯协议处理以及各模式数据传输。
2.根据权利要求1所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述安全智能终端，还设置有故障自适应电源模块；
所述故障自适应电源模块，为三相四线的择一单相供电模式：
当系统正常时，由三相中的任一相与零线构成所述安全智能终端的单相供电电源；
当系统三相中出现任一相或任两相故障时，由正常的任一相与零线构成所述安全智能终端的单相供电电源。
3.根据权利要求1所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述安全智能终端，还设置有显示模块；
所述显示模块设置有操作按钮，用于进行信息浏览操作，以及显示所属的安全智能终端的运行状态、网络通信状态、被监测设备状态。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述多接口通讯模块包括串口接口、以太网接口、console接口和4G/5G接口；
所述串口接口，用于所述安全智能终端的本地通讯；
所述以太网接口，用于所述安全智能终端与主站的以太网模式通信，或者进行所述安全智能终端的远程/本地升级；
所述console接口，用于所述安全智能终端的设备调试；
所述4G/5G接口，用于所述安全智能终端与主站的4G/5G模式通信。
5.根据权利要求1所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述数据加密模块，其对于本地通讯数据和本地存储数据的安全防护的方法为：
将本地数据进行拆分，并对拆分后的每一个数据片断进行标记；
将拆分后的带标记数据片断的集合随机划分为设定数量的带标记数据片断序列；
分别将所述带标记数据片断序列上链到不同的区块链，并返回获取的数据片断序列上链的哈希值。
6.根据权利要求1所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述数据加密模块，其对于述安全智能终端与主站、分布式新能源电站、运维工具数据之间纵向数据交互的安全防护的方法为：
通过非对称式数据加密方法进行交互数据的加密；所述非对称式数据加密方法包括RSA加密方法、Elgamal加密方法、背包加密方法、Rabin加密方法、D-H加密方法或ECC加密方法。
7.根据权利要求1所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述安全智能终端的通讯协议包括：
蓝牙通讯协议、NFC通讯协议、远程通讯协议和本地通讯协议。
8.根据权利要求7所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述远程通讯协议包括DL/T 634.5 101通讯协议、DL/T 634.4 104通讯协议、DL/T 698.45通讯协议、MQTT通讯协议、NETCONFRCPC通讯协议和HTTPS通讯协议。
9.根据权利要求7所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述本地通讯协议包括DL/T 698.44通讯协议、Modbus通讯协议、DL/T 698.44通讯协议、DL/T645通讯协议、Q/GDW 1376.2通讯协议和CoAP通讯协议。
10.根据权利要求1所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述数据压缩模块，其数据压缩包括视频/图像数据压缩、语音数据压缩和文本数据压缩。
11.根据权利要求10所述的基于多通讯方式的分布式能源安全智能终端，其特征在于，所述视频/图像数据压缩，其方法为：
步骤S10，针对所述视频/图像的每一帧图像，将图像每一个通道分别划分为n×n的图像块，并分别将每一个图像块转换为一维向量；
步骤S20，分别提取所述一维向量的平均值，并以对应的图像块减去平均值，获得每一个图像块的残差；
步骤S30，基于当前图像尺寸以及已压缩的总比特数，获取当前实际压缩率，并获取实际压缩率与目标压缩率的差值；
步骤S40，若所述差值在设定范围内，则跳转步骤S70；若所述差值小于设定范围下限，则返回上一次迭代压缩的码流集合，并跳转步骤S70；若所述差值大于设定范围上限，则跳转步骤S50；
步骤S50，分别对每个图像块的残差进行核范数计算，并选取计算结果中从大到小的前N个对应的图像块作为当前待压缩图像块；
步骤S60，计算所述当前待压缩图像块的稀疏压缩码、量化码和熵，获得当前码流和比特数，更新当前待压缩图像块的残差、累计压缩的总比特数、当前实际压缩率和码流集合并跳转步骤S30；
步骤S70，当前图像每一个通道的码流集合为当前图像的压缩结果，遍历每一帧图像，完成所述视频/图像的数据压缩。
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