一种支持多协议接入的物联网能源管理与控制方法及系统与流程

本发明涉及物联网能源管理，具体涉及一种支持多协议接入的物联网能源管理与控制方法及系统。

背景技术：

1、物联网能源管理系统中，光伏逆变器、储能电池管理单元、智能电表、空调控制器等多种能源设备通过modbus rtu、modbus tcp、mqtt、dl/t645等不同通信协议接入物联网网关。网关对多协议设备上报的能源数据进行协议解析与统一格式化后，用于能源优化控制。现有系统通常采用双层级控制策略：慢层级通过混合整数规划生成基准控制参数序列，快层级通过预计算的快速查找表实现毫秒级应急响应。

2、在上述多协议接入场景下，不同协议的数据封装格式、采样频率和传输方式存在显著差异。攻击者可利用协议转换环节的信任传递漏洞，通过持有合法设备密钥和历史数据副本的影子设备以合规协议身份接入物联网网关。快层级快速查找表直接基于协议解析后的设备上报数据触发应急响应，影子设备伪造的光伏骤降数据能够在毫秒级触发储能紧急放电，导致储能电量被无效消耗；影子设备也可在真实骤降时伪造正常出力数据以抑制应急响应，造成供电中断。而基于设备物理运行指纹的身份异常检测需要积累一个滑动窗口周期的数据方可完成变点判定，其时间尺度远长于快层级的毫秒级响应时间尺度。由此，协议层认证的局限性与快层级即时响应特性之间形成安全盲区，现有技术无法有效应对影子设备在多协议接入场景下对能源管理控制决策的干扰。

技术实现思路

1、本发明提供一种支持多协议接入的物联网能源管理与控制方法及系统，解决相关技术中多协议接入场景下无法对能源设备进行身份可信度持续评估、导致应急响应控制策略无法区分设备可信程度的技术问题。

2、本发明公开了一种支持多协议接入的物联网能源管理与控制方法，包括：对多协议接入的各能源设备在注册阶段上报的高频数据序列进行协议解析与采样时间戳归一化处理，从归一化后的数据序列中提取各设备的硬件运行指纹基准特征向量，将所述硬件运行指纹基准特征向量与设备的协议类型标识和协议通道编号关联存储于设备身份档案中，并初始化各设备的实时信任度分数为满分值；

3、在设备持续通信阶段，按滑动窗口从各协议通道的数据流中提取运行指纹特征向量，计算所述运行指纹特征向量与所述硬件运行指纹基准特征向量之间的马氏距离作为指纹偏离度，利用累积和算法对指纹偏离度序列进行在线变点监测，基于指纹偏离度当前值和累积和统计量计算实时信任度分数；

4、将实时信任度分数量化为离散信任等级，在快层级快速查找表的光伏出力区间和储能荷电状态区间双维索引基础上增加信任等级维度，针对每种信任等级预计算差异化的应急响应动作，生成三维快速查找表；

5、当检测到光伏输出功率骤降事件时，以光伏出力区间、储能荷电状态区间和当前信任等级为索引查询所述三维快速查找表，获取匹配的应急控制指令并通过对应协议通道下发。

6、进一步地，所述基于指纹偏离度当前值和累积和统计量计算实时信任度分数，包括：

7、对于第个滑动窗口，获取当前窗口的指纹偏离度和累积和统计量，以满分值为基准，减去偏离度即时衰减系数与指纹偏离度的乘积，再减去累积趋势衰减系数与累积和统计量除以变点判定阈值的商的乘积，得到第个窗口对应的实时信任度分数；其中表征当前窗口指纹偏离度对信任度的即时影响权重，表征累积和统计量对信任度的趋势影响权重；当所述实时信任度分数低于零时，将其截断为零。

8、进一步地，所述硬件运行指纹基准特征向量包含三类特征分量：

9、第一类为模数转换器最低有效位噪声频谱特征，通过对高频采样数据序列中最低有效位的噪声分量进行频谱分析后获得频域幅值分布向量；第二类为相邻采样点时间间隔抖动方差，通过计算归一化后相邻采样时间戳差值序列的方差获得；第三类为功率基线偏移量，包括设备在空载状态和满载状态下的实际输出功率相对于标称值的静态偏移量；

10、在将三类特征分量拼接为统一的硬件运行指纹基准特征向量之前，对各分量分别进行z-score标准化处理。

11、进一步地，将实时信任度分数量化为离散信任等级，包括：

12、当实时信任度分数处于满分值至第一阈值之间时，量化为高信任等级；当实时信任度分数处于第一阈值至第二阈值之间时，量化为中信任等级；当实时信任度分数低于第二阈值时，量化为低信任等级；其中所述第一阈值大于所述第二阈值。

13、进一步地，所述差异化的应急响应动作按信任等级区分为：

14、高信任等级下，按原始策略执行全量应急响应；中信任等级下，执行保守应急响应，储能放电功率降为原值的预设比例；低信任等级下，触发最小安全保障响应，同步启动跨协议数据交叉验证流程。

15、进一步地，在信任等级量化环节引入迟滞区间：

16、当实时信任度分数从高信任等级区间下降至第一阈值以下时，须持续低于第一阈值减去迟滞宽度参数方可切换为中信任等级；当实时信任度分数从中信任等级区间回升时，须持续高于第一阈值加上迟滞宽度参数方可恢复为高信任等级；中信任等级与低信任等级之间的切换同理适用。

17、进一步地，还包括跨协议数据交叉验证步骤：

18、获取通过独立协议通道接入的站点总进线智能电表的实时有功功率值和储能电池管理单元的充放电功率值，基于站点功率平衡关系，利用所述智能电表有功功率值、储能电池管理单元充放电功率值和站点负荷功率值反推光伏逆变器的实际出力，将反推值与光伏逆变器通过其协议通道上报的出力值进行比较，计算两者之间的偏差百分比，生成跨协议交叉验证结果。

19、进一步地，还包括基于跨协议交叉验证结果调整控制策略：

20、当反推出力与上报出力之间的偏差百分比低于验证容差时，确认光伏输出功率骤降事件为真实事件，将应急响应幅度补足至全量水平，并向慢层级注入荷电状态偏离修正量；当反推出力高于上报出力且偏差百分比超过验证容差时，回收已释放的储能功率，将该设备标记为疑似影子设备并对其数据通道实施隔离，后续控制切换为依赖反推值驱动的降级模式。

21、进一步地，所述降级模式是指所述三维快速查找表中与光伏出力区间相关的索引值使用跨协议交叉验证反推获得的光伏实际出力值替代该设备直接上报的功率数据作为索引输入，所述三维快速查找表的查询方式和响应延迟不发生变化。

22、本发明提供一种支持多协议接入的物联网能源管理与控制系统，包括：

23、指纹基准提取模块，用于对多协议接入的各能源设备在注册阶段上报的高频数据序列进行协议解析与采样时间戳归一化处理，从归一化后的数据序列中提取各设备的硬件运行指纹基准特征向量，将所述硬件运行指纹基准特征向量与设备的协议类型标识和协议通道编号关联存储于设备身份档案中，并初始化各设备的实时信任度分数为满分值；

24、信任度评估模块，用于在设备持续通信阶段按滑动窗口从各协议通道的数据流中提取运行指纹特征向量，计算所述运行指纹特征向量与所述硬件运行指纹基准特征向量之间的马氏距离作为指纹偏离度，利用累积和算法对指纹偏离度序列进行在线变点监测，基于指纹偏离度当前值和累积和统计量计算实时信任度分数；

25、查找表生成模块，用于将所述实时信任度分数量化为离散信任等级，在快层级快速查找表的光伏出力区间和储能荷电状态区间双维索引基础上增加信任等级维度，针对每种信任等级预计算差异化的应急响应动作，生成三维快速查找表；

26、应急响应执行模块，用于当检测到光伏输出功率骤降事件时，以光伏出力区间、储能荷电状态区间和当前信任等级为索引查询所述三维快速查找表，获取匹配的应急控制指令并通过对应协议通道下发。

27、本发明具有以下有益效果：

28、第一，通过从各协议通道数据流中提取包含adc最低有效位噪声频谱特征、相邻采样点时间间隔抖动方差和功率基线偏移量的硬件运行指纹基准特征向量，建立了超越协议层密钥认证的物理身份标识维度。上述三类特征分量由设备硬件的个体制造差异决定，影子设备即使持有合法密钥并以合规协议接入，其物理指纹仍与原始设备存在不可消除的差异，从而解决了多协议接入场景下协议层认证被影子设备绕过的问题。

29、第二，通过将运行指纹监测产生的实时信任度分数量化为离散信任等级并作为三维快速查找表的第三维索引，使设备可信度实时嵌入快层级应急响应决策。三维快速查找表的查询操作与原有双维查找表均为基于索引的直接寻址操作，不引入额外的计算开销和响应延迟，在不增加快层级响应时间的前提下，实现了实时信任度分数对控制决策的实时约束，解决了窗口级指纹检测时间尺度与毫秒级应急响应时间尺度之间的时序矛盾。

30、第三，通过利用不同协议通道接入的独立设备数据进行功率平衡反推，实现了对可疑设备上报数据的独立事实核查。多协议接入架构中各协议通道的物理独立性使得影子设备无法同时操控多个通道的数据，将多协议异构性从攻击面转化为跨协议交叉验证的信息冗余来源，在中信任和低信任等级下提供了确认或否定光伏输出功率骤降事件真实性的验证依据。