一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统，利用并行的无迹卡尔曼滤波器对各仪表所测功率值真值进行实时估计，当网络发生故障时，即发生系统运行故障，仪器仪表故障或网络攻击时，两滤波器间即产生偏差，利用以KL散度为指标的广义CUSUM检测方法累计此偏差，得出系统整体以及各个仪器仪表故障检测的决策统计量，当决策统计量超过预定义阈值时，即给出报警信息，表明故障发生。本发明专利技术所提监测系统从传感器数据角度出发对电力信息物理系统的异常状况进行有效的监测，系统具有较强的嵌入性、实时性与稳定性，方便在原有系统上开发，保证了电力系统的安全经济运行。

A Real-time Safety Monitoring System for Sensor Networks Based on Parallel Filtering

【技术实现步骤摘要】
一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统
本专利技术涉及电力系统自动化
，尤其涉及一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统。
技术介绍
在物联网时代的背景下，电力系统正朝着信息系统与物理系统高度融合的方向发展，逐渐形成了将计算、通信以及控制技术深度融合的新一代电力信息物理融合系统。不断提高的自动化水平以及日益复杂的信息交互机理，使得系统的稳定运行对信息数据的依赖性逐渐增强，且信息系统与物理系统的故障均可以相互传递，因此，给网络安全的保障带来了新的挑战。目前，电力系统中广泛采用的量测系统为基于具备遥测、遥信、遥控、遥调等四遥功能的远动终端的数据监控及采集系统，系统在电力器件故障、传感器失灵或发生网络攻击等情况下，必然会导致故障数据的产生，进而在信息交互与反馈作用的机理下使故障大范围传播。其中，在众多故障类型中以网络攻击的威胁最大，因为它大多是出于政治或经济的目的，且攻击的形式任意，当攻击者具备一定此电力系统的先验知识时，可获取权限并制定精确的攻击策略，即通过注入可躲避现有检测机制的针对性的虚假数据，影响电力系统的稳定经济运行。针对上述故障的检测，现有技术中包含基于保护的方法与基于检测的方法。其中，基于保护的方法会影响信息传输的实时性，降低量测数据的冗余度，成本较高，且并不能保证一直有效；基于检测的方法一般都采用简化的直流潮流模型，利用最小二乘或线性卡尔曼滤波方法进行系统状估计，通过离群点或基于对数似然比的CUSUM检测方法进行变点检测，而实际电力系统为复杂的非线性系统，现有的基于直流潮流模型设计的检测算法暴露出许多不足之处，如实际系统模型的简化困难问题，系统状态估计误差大的问题等，而现有的基于交流潮流模型设计的检测算法还较少，且较难实现故障的实时在线监测，而随着系统故障表现形式的复杂化，需要一种更具有一般性的基于交流潮流模型设计的尽可能完备的故障实时在线监测机制。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统，适用于不同拓扑结构的电力系统，同时能提供尽可能优良的故障检测性能，提高检测的精度与速度，降低故障的误报率，保证电力系统的稳定经济运行。为实现上述目的，本专利技术是根据以下技术方案实现的：一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统，其特征在于：包括信息物理系统以及嵌入的安全监测系统；所述安全监测系统包括数据传输机构与网络安全监测中心，所述数据传输机构用于将信息物理系统状态数据传输至安全监测系统，通过本地数据包直接调用的方式建立本地网络安全监测中心，或者通过移动通信网络﹑云端服务器与自组无线网络实现远端网络安全监测中心，所述网络安全监测中心实现网络安全监测，其实现步骤包括：(1)确定当前电力信息物理系统各总线间的网络拓扑结构以及测量仪表的节点位置，所述测量仪表测量总线上的注入功率与总线间的流动功率；(2)选定当前电力信息物理系统模型，确定系统的过程方程与量测方程以及初始化参数；(3)设计并行滤波器，使得系统发生故障时，两滤波器之间发生偏离；(4)利用以KL散度为指标的广义CUSUM检测方法累计系统故障时的两滤波器偏差，得到系统整体以及各个测量仪表故障检测的决策统计量；(5)实时地将所得决策统计量与预定义阈值进行比较，超出阈值即视为故障发生，给出报警信息；(6)当发生报警时，检测各个测量仪表的故障检测决策统计量，数值越大者，故障越严重。上述技术方案中，所述信息物理系统模型选择交流潮流模型。上述技术方案中，所述滤波器采用无迹卡尔曼滤波器，对系统真实状态数据进行实时估计。上述技术方案中，所述并行滤波器的其中一个滤波器在零假设条件下设计，不考虑系统故障对状态的影响，另一个滤波器在备择假设条件下设计，将故障数据考虑为加性的恶性数据，并采用极大似然估计对此数据进行实时的估计。上述技术方案中，所述广义CUSUM检测方法得到的决策统计量单调非减，对故障因素进行累加。上述技术方案中，所述安全监测系统的程序直接嵌入在数据采集与控制中心中并直接调用系统状态数据数据包，或者通过移动通信网络或自组无线通信网络将系统状态数据传输至远端网络安全监测中心实现远程的实时监测，其中数据传输时间小于数据采样时间与程序执行周期的差值。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：本专利技术提供的一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统的嵌入性较强，方便在原有的电力信息物理系统中进行开发，所述安全监测方法基于交流潮流模型设计，充分利用了无迹卡尔曼滤波相比于线性卡尔曼滤波以及粒子滤波估计精度高，运算速度快的优点，并结合了KL散度在计算不同状态分布间差异的优势，再通过CUSUM检测方法对每一时刻差异的累积，使得本专利技术所提供的安全监测机制对故障数据的检测范围较大，对电力器件故障、传感器失灵引起的量测数据分布差异或因网络攻击导致的量测数据小范围扰动等均有一定的检测效果，保证了电力系统的稳定经济运行。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1为本专利技术的检测系统组成框图；图2为本专利技术的故障检测算法流程示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本专利技术提供的一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统的组成框图如图1所示；包括信息物理系统与嵌入的安全监测系统；安全监测系统包括数据传输机构与网络安全监测中心；数据传输机构用于将信息物理系统状态数据传输至安全监测系统，通过本地数据包直接调用的方式建立本地网络安全监测中心，或通过移动通信网络、云端服务器与自组无线网络实现远端网络安全监测中心。网络安全监测中心监测机制流程图如图2所述，其步骤如下：所述网络安全监测中心实现网络安全监测，其实现步骤包括：(1)确定当前电力信息物理系统各总线间的网络拓扑结构以及测量仪表的节点位置，所述测量仪表测量总线上的注入功率与总线间的流动功率；(2)选定当前电力信息物理系统模型，确定系统的过程方程与量测方程以及初始化参数；(3)设计并行滤波器，使得系统发生故障时，两滤波器之间发生偏离；(4)利用以KL散度为指标的广义CUSUM检测方法累计系统故障时的两滤波器偏差，得到系统整体以及各个测量仪表故障检测的决策统计量；(5)实时地将所得决策统计量与预定义阈值进行比较，超出阈值即视为故障发生，给出报警信息；(6)当发生报警时，检测各个测量仪表的故障检测决策统计量，数值越大者，故障越严重。具体地，根据本专利技术的一个具体实施例，本专利技术中实现网络安全监测的步骤如下：获取当前电力信息物理系统的先验信息，尤其是系统的网络拓扑结构以及远动终端量测节点的位置信息；所述网络拓扑结构如图1对应位置所示，描述了供电总线编号与总线间的连接关系；所述远动终端量测节点的位置由实心的圆与方块表示。将供电网络总线电压与相角作为系统的状态数据，总线间的流动功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统，其特征在于：包括信息物理系统以及嵌入的安全监测系统；所述安全监测系统包括数据传输机构与网络安全监测中心，所述数据传输机构用于将信息物理系统状态数据传输至安全监测系统，通过本地数据包直接调用的方式建立本地网络安全监测中心，或者通过移动通信网络﹑云端服务器与自组无线网络实现远端网络安全监测中心，所述网络安全监测中心实现网络安全监测，其实现步骤包括：(1)确定当前电力信息物理系统各总线间的网络拓扑结构以及测量仪表的节点位置，所述测量仪表测量总线上的注入功率与总线间的流动功率；(2)选定当前电力信息物理系统模型，确定系统的过程方程与量测方程以及初始化参数；(3)设计并行滤波器，使得系统发生故障时，两滤波器之间发生偏离；(4)利用以KL散度为指标的广义CUSUM检测方法累计系统故障时的两滤波器偏差，得到系统整体以及各个测量仪表故障检测的决策统计量；(5)实时地将所得决策统计量与预定义阈值进行比较，超出阈值即视为故障发生，给出报警信息；(6)当发生报警时，检测各个测量仪表的故障检测决策统计量，数值越大者，故障越严重。

【技术特征摘要】
1.一种基于并行滤波的传感器网络安全实时在线监测系统，其特征在于：包括信息物理系统以及嵌入的安全监测系统；所述安全监测系统包括数据传输机构与网络安全监测中心，所述数据传输机构用于将信息物理系统状态数据传输至安全监测系统，通过本地数据包直接调用的方式建立本地网络安全监测中心，或者通过移动通信网络﹑云端服务器与自组无线网络实现远端网络安全监测中心，所述网络安全监测中心实现网络安全监测，其实现步骤包括：(1)确定当前电力信息物理系统各总线间的网络拓扑结构以及测量仪表的节点位置，所述测量仪表测量总线上的注入功率与总线间的流动功率；(2)选定当前电力信息物理系统模型，确定系统的过程方程与量测方程以及初始化参数；(3)设计并行滤波器，使得系统发生故障时，两滤波器之间发生偏离；(4)利用以KL散度为指标的广义CUSUM检测方法累计系统故障时的两滤波器偏差，得到系统整体以及各个测量仪表故障检测的决策统计量；(5)实时地将所得决策统计量与预定义阈值进行比较，超出阈值即视为故障发生，给出报警信息；(6)当发生报警时，检测各个测量仪表的故障检测决策统计量，数值越大者，故障越严重。2.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：华长春，刘庆宇，张宇，李亚峰，于开飞，赵凯，陈传虎，高儒帅，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13