一種基於自組網無線通信的智能配電終端的製作方法
2023-05-26 02:11:21 1
本發明涉及電力系統及其自動化領域，更具體的說是涉及一種基於自組網無線通信的智能配電終端。
背景技術：
配電自動化終端，是建設配電網自動化的一個重要組成部分，它充分利用配電自動化新技術，能夠確保配電網的安全、穩定、可靠運行，意義重大，配電網直接面向用戶，擔負著電能分配的重要任務。配電網分布廣泛、構成複雜、影響面廣，其供電能力、供電可靠性和供電質量對經濟社會影響巨大，是智能電網的重要環節。
配電通信網是配電自動化系統的重要組成部分，配電網網運行狀態的監視、控制和故障處理都依賴通信網來實現，採用乙太網無源光網絡技術無疑是一個比較好的選擇，但是由於城市建設和電力線路規劃的原因，存在光纜施工困難、布設成本高等因素，因此考慮採用無線通信方案來實現配電自動化數據採集，目前主流方案是使用無線公網通信，配電網數據利用GPRS/CDMA、3G/4G進行數據傳輸，但由於公用通信網公眾應用的特點，公網為用戶共享，業務帶寬和安全性無保證，因此，數據傳輸應用適用於少量的或突發性的數據傳輸。初期投資小，見效快，但因其租用的性質，與專網通信相比存在安全性、可控性、長期經濟性等問題，不適合電力自動化的大規模專網需求。
另一方面隨著通訊條件的複雜性增加，通訊安全尤其是配電應用中遙控的安全問題也愈發突出。配電自動化終端處於室外環境，終端設備安全極為重要，因此，對通信接入安全控制與配電通訊中的應用層報文加密有很強的必要性和緊迫性。
技術實現要素：
針對現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種基於自組網無線通信的智能配電終端設計方案，利用自組網無線通信技術和多跳網絡結構，實現配電終端輸出信號的加密更好更加安全。
為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：一種基於自組網無線通信的智能配電終端，用於與外部無線路由器通信連接，外部無線路由器通過光纖乙太網與配電主站系統耦接，包括：
無線通信模塊，用於與外部無線路由器無線通信，以將數據進行上報和接收；
信號採集模塊，與外部電網連接，用於採集外部電網信號；
數據處理模塊，耦接於信號採集模塊和無線通信模塊，以將信號採集模塊採集到的信號進行處理後，輸入到無線通信模塊，通過無線通信模塊將處理好的信號傳輸至外部無線路由器；
安全接入模塊，耦接於數據處理模塊，用以將數據處理模塊輸出的信號進行加密後輸入到無線通信模塊內；其中，安全接入模塊包括證書模塊和籤名模塊，所述證書模塊與無線通信模塊耦接，用以給無線通信模塊附加數字證書，並將數字證書進行存儲，所述籤名模塊內存儲有主站公鑰，所述籤名模塊耦接於數據處理模塊和無線通信模塊，以將數據處理模塊輸出的信號通過主站公鑰信號加密後輸入到無線通信模塊，外部無線路由器內存儲有主站私鑰，當無線通信模塊將信號傳輸到外部無線路由器時，外部無線路由器內的主站私鑰對信號進行解密，其中，信號經主站公鑰加密後只能使用主站私鑰對信號進行解密。
作為本發明的進一步改進，所述無線通信模塊為RF收發器，外部無線路由器採用RF無線路由器，所述RF收發器的型號為CC1200。
作為本發明的進一步改進，所述信號採集模塊為二次信號採集器，其與外部電網耦接，用於採集二次電壓、電流、頻率、有功、無功和功率因數、開關量信號。
作為本發明的進一步改進，所述數據處理模塊包括相互連接的ARM處理器和DSP處理器，所述ARM處理器與無線通信模塊和安全接入模塊連接，所述DSP處理器與信號採集模塊連接，其中，信號採集模塊採集信號輸入到DSP處理器，DSP處理器預處理後將信號輸入到ARM處理器，ARM處理器與安全接入模塊通信，利用主站公鑰對信號加密後輸入到無線通信模塊內。
作為本發明的進一步改進，所述ARM處理器的型號為AM3352，所述DSP處理器的信號為BF533，所述ARM處理器和DSP處理器均具有UART引腳，所述ARM處理器和DSP處理器通過UART引腳相互連接。
作為本發明的進一步改進，所述ARM處理器還具有GPIO引腳和RMII引腳，所述GPIO引腳耦接有LED顯示屏，所述RMII引腳耦接於外部乙太網，所述ARM處理器還具有SPI引腳，所述無線通信模塊與SPI引腳耦接。
作為本發明的進一步改進，使用上述終端進行通信的方法如下：
步驟一，使用信號採集模塊採集外部電網的二次電壓、電流、頻率、有功、無功、功率因數、開關量信號，並將上述採集到的信號打包成數據包輸出；
步驟二，將數據包輸入到數據處理模塊內，數據處理模塊與安全接入模塊通信，調用安全接入模塊內部的數字證書和主站公鑰，通過主站公鑰將輸入到數據處理模塊內的數據進行加密，並將加密後的信號輸出；
步驟三，將加密後的信號輸入到無線通信模塊內，無線通信模塊根據無線通信協議將加密後的信號轉換成無線信號發送出去；
步驟四，用無線路由器接收無線通信模塊發送出來的無線信號，利用其內的主站私鑰對無線信號內加密的數據包進行解密，解密之後傳輸到配電主站系統內。
作為本發明的進一步改進，所述步驟一中信號採集模塊採集信號的步驟如下：
1、將二次信號採集器與電網二次設備的信號輸出端連接；
2、利用二次信號採集器內的電壓檢測模塊檢測二次設備的輸出電壓數據和頻率數據，利用二次信號採集器內的電流檢測部分檢測二次設備的電流數據，將採集到的電壓和電流通過功率公式計算出有功功率數據和無功功率數據，利用計算得出的有功功率數據和無功功率數據計算功率因素；
3、將步驟2中獲得電壓數據、頻率數據、電流數據、有功功率數據、無功功率數據和功率因素數據整合成一個數據包輸入到數據處理模塊內，完成數據的採集。
作為本發明的進一步改進，還包括開關量採集與輸出步驟，該步驟是將二次信號採集器與電網的斷路器內的控制板連接，接收斷路器輸出的合閘和分閘信號，完成開關量信號的採集，以及數據處理模塊輸出開關量信號到二次信號採集器內，二次信號採集器傳輸到電網的斷路器內，完成開關量信號的輸出。
本發明的有益效果，通過信號採集模塊的設置，就可以有效的將電網二次設備的信號數據有效的採集過來，然後通過數據處理模塊的設置就可以有效的對信號採集模塊採集過來的信號數據進行有效的處理了，而通過無線通信模塊的設置，就可以有效的將數據處理模塊處理好的數據通過無線通信的方式傳輸到無線路由器上了，而由於現有的無線網為公用網，因而通過安全接入模塊的設置，就可以有效的對數據處理模塊傳輸到無線通信模塊內的信號進行加密作用，而將安全接入模塊設置成證書模塊和籤名模塊，就可以有效的實現利用主站公鑰對信號進行加密了，而通過主站公鑰加密和主站私鑰解密的方式，這樣就可以實現終端發出的信息只能夠讓配電主站系統查看，終端本身以及其他外部通信設備就不能夠看到的效果，大大的提升了報文的安全性，同時通過證書模塊的設置，就可以有效的對無線通信模塊進行身份認證，這樣就可以有效的知道信號數據是通過哪個無線通信模塊發送過來的，如此便可以有效的知道數據的來源情況了，在數據出現問題的時候，可以準確有效的進行核對了，因而本發明將自組網無線通信技術運用於智能配電終端設計，給配電自動化系統提出一種可靠且便利的無線通訊解決方案，依託無線網絡核心解決方案，提高無線網絡的健壯性和通訊可靠性、利於系統維護和擴展性，從而使得配電網業務更可靠靈活、更智能；2、採用證書的方式對無線設備進行認證身份以實現設備接入控制，採用數字籤名技術對配電通信協議進行應用層數據加密處理，增強配網通訊的安全性，防止數據篡改；3、自組網無線技術應用到電力行業的智能配電終端系統中是無線技術的又一創新應用，同時也使配電終端朝著智能化、現代化、高效化的方向發展。解決制約配電自動化系統發展的瓶頸，利於配電自動化大面積推廣。
附圖說明
圖1是本發明配電終端自組網通信網絡框架示意圖；
圖2是本發明的硬體框架示意圖；
圖3是本發明安全接入模塊數字籤名部署示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖所給出的實施例對本發明做進一步的詳述。
參照圖1至3所示，本實施例的一種基於自組網無線通信的智能配電終端，用於與外部無線路由器通信連接，外部無線路由器通過光纖乙太網與配電主站系統耦接，包括：
無線通信模塊1，用於與外部無線路由器無線通信，以將數據進行上報和接收；
信號採集模塊2，與外部電網連接，用於採集外部電網信號；
數據處理模塊3，耦接於信號採集模塊2和無線通信模塊1，以將信號採集模塊2採集到的信號進行處理後，輸入到無線通信模塊1，通過無線通信模塊1將處理好的信號傳輸至外部無線路由器；
安全接入模塊4，耦接於數據處理模塊3，用以將數據處理模塊3輸出的信號進行加密後輸入到無線通信模塊1內；其中，安全接入模塊4包括證書模塊41和籤名模塊42，所述證書模塊41與無線通信模塊1耦接，用以給無線通信模塊1附加數字證書，並將數字證書進行存儲，所述籤名模塊42內存儲有主站公鑰，所述籤名模塊42耦接於數據處理模塊3和無線通信模塊1，以將數據處理模塊3輸出的信號通過主站公鑰信號加密後輸入到無線通信模塊1，外部無線路由器內存儲有主站私鑰，當無線通信模塊1將信號傳輸到外部無線路由器時，外部無線路由器內的主站私鑰對信號進行解密，其中，信號經主站公鑰加密後只能使用主站私鑰對信號進行解密，在需要將信號傳輸到配電主站系統的時候，首先信號採集模塊2採集電網的二次信號，採集二次信號中的二次電壓、電流、頻率、有功、無功和功率因數、開關量信號採集與輸出，之後將採集到的信號輸入到數據處理模塊3內，數據處理模塊3就會對採集到的信號進行處理，在處理的過程中，數據處理模塊3就會利用安全接入模塊4內的證書模塊41查看發過來的無線通信模塊1的證書信息，之後在通過籤名模塊42內的主站公鑰，通過公鑰加密算法對數據進行加密，在加密完成以後傳輸到無線通信模塊1內，無線通信模塊1就會將經過加密的數據進行無線調製，利用無線信號發送到無線路由器內，無線路由器就會將無線信號接收並解調，得到加密的數據，然後利用主站私鑰算法對數據進行解密，解密完成以後就可以有效的獲得信號了，如此完成了終端信號的傳輸，由於之前傳輸的過程中，是通過公鑰算法進行加密了，因而只能夠通過無線路由器內的主站私鑰才能夠解密，如此保證了信號只能夠被無線路由器識別接收，相比現有技術中採用普通的無線通信的方式，安全性、可控性、長期經濟性更強，更加的適用於配電自動化系統。
作為改進的一種具體實施方式，所述無線通信模塊1為RF收發器，外部無線路由器採用RF無線路由器，所述RF收發器的型號為CC1200，通過將無線通信模塊1使用RF收發器，就可以有效的利用RF協議進行無線通信了，而型號為CC1200的RF收發器，為智能收發器，其內具有一定的數據處理能力，用在這裡可以能夠有效的實現通過RF協議進行無線通信的效果了。
作為改進的一種具體實施方式，所述信號採集模塊2為二次信號採集器，其與外部電網耦接，用於採集二次電壓、電流、頻率、有功、無功和功率因數、開關量信號，本實施例中的信號採集器可以選用型號為MT-EXX系列，利用上述的信號採集器就可以有效的採集二次電壓、電流、頻率、有功、無功、功率因數、開關量信號，而上述信號基本代表了電網中二次設備運行過程中所有參數，因而通過採集上述信號，並對上述信號進行處理，便可以快速有效的實現檢測電網運行狀態的效果。
作為改進的一種具體實施方式，所述數據處理模塊3包括相互連接的ARM處理器31和DSP處理器32，所述ARM處理器31與無線通信模塊1和安全接入模塊4連接，所述DSP處理器32與信號採集模塊2連接，其中，信號採集模塊2採集信號輸入到DSP處理器32，DSP處理器32預處理後將信號輸入到ARM處理器31，ARM處理器31與安全接入模塊4通信，利用主站公鑰對信號加密後輸入到無線通信模塊1內，採用將數據處理模塊3分成ARM處理器31和DSP處理器32，在對信號採集模塊2採集數據過來以後，通過DSP處理器32設置就可以先對採集過來的數據進行一個預處理的作用，在預處理完成以後再進入到ARM處理器31內，通過ARM處理器31將預處理完成的數據暫時存儲，然後與安全接入模塊4通信，調用出安全接入模塊4內的證書數據和主站公鑰，然後利用證書數據和主站公鑰算法對經過DSP處理器32預處理後的數據進行加密，如此便可以有效的完成了數據的處理，由於此時採用了DSP處理器32現將數據進行了數位化處理，可以有效的去除傳輸過程中產生的幹擾信號，使得ARM處理器31能夠更好的給處理後的數據進行加密作用了，相比採用單個處理器同時處理數位化和加密的方式，效率更高。
作為改進的一種具體實施方式，所述ARM處理器31的型號為AM3352，所述DSP處理器32的信號為BF533，所述ARM處理器31和DSP處理器32均具有UART引腳，所述ARM處理器31和DSP處理器32通過UART引腳相互連接，UART引腳具有信號傳輸速度快的特點，用在這裡可以有效的提升DSP處理器32和ARM處理器31之間的信號傳輸速度，使得兩個處理器之間的工作配合度更高，效率更高。
作為改進的一種具體實施方式，所述ARM處理器31還具有GPIO引腳和RMII引腳，所述GPIO引腳耦接有LED顯示屏，所述RMII引腳耦接於外部乙太網，所述ARM處理器還具有SPI引腳，所述無線通信模塊1與SPI引腳耦接，GPIO引腳是輸入輸出引腳，用在這裡就可以實現ARM處理器31向LED顯示屏輸出信號，控制LED顯示屏顯示信息了，SPI引腳串行通信引腳，用在這裡可以有效的與無線通信模塊1實現串行通信，使得加密後的數據能夠更快更加有效的傳輸給無線通信模塊1了。
作為改進的一種具體實施方式，使用上述終端進行通信的方法如下：
步驟一，使用信號採集模塊2採集外部電網的二次電壓、電流、頻率、有功、無功和功率因數、開關量信號，並將上述採集到的信號打包成數據包輸出；
步驟二，將數據包輸入到數據處理模塊3內，數據處理模塊3與安全接入模塊4通信，調用安全接入模塊4內部的數字證書和主站公鑰，通過主站公鑰將輸入到數據處理模塊3內的數據進行加密，並將加密後的信號輸出；
步驟三，將加密後的信號輸入到無線通信模塊1內，無線通信模塊1根據無線通信協議將加密後的信號轉換成無線信號發送出去；
步驟四，用無線路由器接收無線通信模塊1發送出來的無線信號，利用其內的主站私鑰對無線信號內加密的數據包進行解密，解密之後傳輸到配電主站系統內，通過步驟一的設置就可以有效的完成對信號的採集，通過步驟二的設置就可以有效的完成對採集到的信號進行數位化處理和加密處理，通過步驟三的設置就可以將加密後的文件通過無線的方式傳輸出去，通過步驟四的設置，就可以有效的利用主站私鑰對加密的文件進行解密，而其他方式均不能夠對加密的文件進行解密，因而大大的提升了安全性，保證了文件只能夠讓配電主站系統接收的效果。
作為改進的一種具體實施方式，所述步驟一中信號採集模塊2採集信號的步驟如下：
1、將二次信號採集器與電網二次設備的信號輸出端連接；
2、利用二次信號採集器內的電壓檢測模塊檢測二次設備的輸出電壓數據和頻率數據，利用二次信號採集器內的電流檢測部分檢測二次設備的電流數據，將採集到的電壓和電流通過功率公式計算出有功功率數據和無功功率數據，利用計算得出的有功功率數據和無功功率數據計算功率因素；
3、將步驟2中獲得電壓數據、頻率數據、電流數據、有功功率數據、無功功率數據和功率因素數據整合成一個數據包輸入到數據處理模塊3內，完成數據的採集，通過步驟1的設置就可以有效的將信號採集模塊2與外部電網二次設備連接起來，通過步驟2的設置就可以簡單有效的獲得二次設備的信號，通過步驟3的設置，就可以將獲得的二次設備的信號進行整合成一個數據包，然後採用數據包的形式發送出去，如此便可以有效的完成了數據的採集。
作為改進的一種具體實施方式，還包括開關量採集與輸出步驟，該步驟是將二次信號採集器與電網的斷路器內的控制板連接，接收斷路器輸出的合閘和分閘信號，完成開關量信號的採集，以及數據處理模塊3輸出開關量信號到二次信號採集器內，二次信號採集器傳輸到電網的斷路器內，完成開關量信號的輸出，開關量信號，即是電網內部斷路器的控制發出的分閘信號和合閘信號，因而通過將二次信號採集器與電網的斷路器的控制板相連，就能夠很好的實現採集開關量信號的效果了。
綜上所述，本發明的基於自組網無線通信的智能配電終端，利用信號採集模塊1的設置就可以有效的採集到電網二次設備的信號，通過數據處理模塊3的設置，就可以有效的實現對信號採集模塊2採集到的信號進行數位化處理和加密的效果了，如此實現了採用了公鑰對信號進行加密，安全性、可控性、長期經濟性更強，更加的適用於配電自動化系統，因此本發明的基於自組網無線通信的智能配電終端，將自組網無線通信運用於配電通信網絡，利用無線通信技術和多跳網絡結構，實現配電終端自動組網、網絡故障自愈、即裝即用的功能，為配電自動化通信網絡安裝、管理、維護提供一種有效解決方案；同時無線自組網技術應用到電力行業的智能配電終端系統中是無線自組網技術的又一創新應用，同時也使配電終端朝著智能化、現代化、高效化的方向發展。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。