智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統和方法
2023-08-08 07:23:16
專利名稱：智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統和方法，尤其是用在智能用電小區內的電力計量用途和配電監控用途、安防用途等電力設備之間的組網及配置、運維、管理領域，實現電力設備全生命周期管理過程中的柔性接入及簡化運維管理控制。
背景技術：
就目前電力應用行業當中，大多數的設備運行維護都使用紅外參數配置工具實現運維管理，在設備上電後通過紅外接口進行設備管理維護和參數設置控制。比如使用藍德紅外手持終端對計量集中器、採集器進行初始化、參數配置、重啟動作等的設備運維管理。參數配置管理必須在安裝現場操作，設備首次安裝時，也需要進行大量的參數預先初始化動作，大量的現場調試工作，定期到各個安裝點進行設備巡檢。一旦整個組網出現拓撲變化或者重要參數改變，往往也需要實施工程人員到現場依次進行設備運行參數的更新，這樣的方式實現的設備組網和運維管理的成本相對較高。由於乙太網絡通訊技術手段的興起和普及，支持以太的晶片和研發、製造成本越來越低，乙太網絡的布線、運維管理相對簡化，以及使用分組報文實現的異步並發通訊的明顯技術優勢，近年來在電信、工業控制等不同領域不斷湧現設備組網IP化的趨勢。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統，該系統能夠實現用電小區電力設備從接入網絡、自動連接到電力網關、參數配置及控制運維，參數採集及上報，退運或更換。本發明的上述目 的通過如下技術方案來實現的智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統，該系統包括用電小區內的多個電力設備以及分別與所述多個電力設備相連的電力網關，電力網關作為該系統的路由設備，其特徵在於所述的電力網關以及多個電力設備均為以太化後的設備，均具有以太接口，所述的電力網關上行與上級電力城域網以以太方式相連接，下行與所述的多個電力設備以以太方式相連接，實現多個電力設備的自組織組網及柔性接入，所述的電力網關用於負責用電小區內多個電力設備的拓撲運維管理，負責調度並匯集多個電力設備的數據後作初步數據處理、暫儲存，同時做好信息安全防護和隔離，並且將用電小區電力設備的數據傳輸到上級電力城域網。所述的電力網關採用雙以太接口，電力網關的CPU選用Intel晶片或ARM晶片。所述的電力網關還具有人機互動顯示器，以提供人機互動界面來實現基於網絡的設備運維管理。本發明的系統正是利用了智能用電小區內乙太網絡通訊資源，研究如何制訂系統接入標準和規範，令將來新研發的電力設備，如用於電力領域的二次監控設備，安防設備和計量設備等，實現IP化連接通訊以及各種不同類型的電力設備單元間的混合式自組織組網，在設備全生命周期管理過程當中的電網系統柔性接入與運維管理控制。實現從接入網絡、自動連接到電力網關、參數配置及控制運維，參數採集及上報，退運或更換。本發明中，在智能用電居民小區這樣的局部區域內，電力網關首先是作為路由設備，負責維護局部區域內乙太網絡到電力專門城域網的通道和報文轉發，實現小區數據上傳到供電局信息化平臺。另一方面，作為局部區域內電力系統組網的中央核心部件，負責小區內各種類型電力設備的接入和拓撲運維管理，承載電力相關業務功能模塊，負責調度並匯集數據後作初步數據處理、暫儲存，同時做好信息安全防護和隔離。電力系統局部自組網設備管理協議為了實現電力系統在局部區域內的所有各種不同種類的電力設備的聯合實現系統內部組網，進行統一調度、設備參數管理和設備狀態跟蹤，而定義的一套關於設備管理共性部分通用的交互式協議。本發明的目的之二是提供一種智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的方法，該方法能夠實現用電小區電力設備從接入網絡、自動連接到電力網關、參數配置及控制運維，參數採集及上報，退運或更換。本發明的上述目的通過如下技術方案來實現的智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的方法，該方法包括如下步驟步驟1:用電小區內的多個電力設備的以太化，並且對每個電力設備進行地址IP化，作為自組織組網及柔性接入的最小單元，以太化後的電力設備支持DHCP地址動態獲取；
步驟2 :電力網關的以太化，電力網關作為路由設備；步驟3 :利用智能用電小區內部的以太區域網資源連接以太化後的電力網關和多個電力設備，所述的電力網關運行DHCP服務對多個電力設備的IP位址進行分配，實現多個電力設備的IP化自組織組網及與電力網關之間的柔性接入，將電力網關上行與上級電力城域網以以太連接方式相連，下行與多個電力設備以以太連接方式相連，所述的電力網關用於負責用電小區內多個電力設備的拓撲運維管理，負責調度並匯集多個電力設備的數據後作初步數據處理、暫儲存，同時做好信息安全防護和隔離，並且將用電小區電力設備的數據傳輸到上級電力城域網。該方法還包括步驟4:所述的電力網關基於網絡提供人機互動界面，來實現基於網絡的設備運維管理，所述人機互動方式採用C/S或B/S方式。所述步驟I中電力設備以太化採用直接開發新電力設備時使用以太方式作為通訊手段及固化標準接口 ；或者對現有電力設備進行改造，加入支持以太通訊的晶片和以太接口 ；或者對已有的非以太電力設備，開發其相對應的前置模塊單元，實現原協議到以太協議方式接入的轉變。與現有技術相比，本發明具有如下顯著效果1、智能用電小區內部為NAT組網，出口為電力網關，網關同時也是在局部地區內實現電力設備接入與管理模塊的中央核心部件單元。2、以太化後的電力設備支持DHCP地址動態獲取，本解決方案當中利用網關運行DHCP服務進行IP位址分配，實現設備的零配置和自組織組網。3、按照協議約定，電力設備在獲取動態IP位址之後，當中會包括默認網關地址這個參數，默認網關地址實際上就是我們電力系統當中局部地區內的電力網關設備的IP位址，向這個獲取到的默認網關地址上的指定埠發起TCP連接，舉例如716埠，實現電力設備柔性接入到電力系統中，並正常運轉工作，強調其接入的靈活處理方式。4、電力設備管理模塊運行在網關上，對主動連接上來的設備進行初始化參數配置及控制其啟停等操作，實現了電力設備全生命周期管理過程中所有操作和狀態監控。5、電力設備管理模塊的人機互動界面基於網絡實現，C/S，B/S方式均可，工程實施人員可以在網絡上任意節點接入進行控制和設備管理。本發明有效利用了設備以太組網的全面優勢，在電力設備運行維護及生命周期管理過程中，更加靈活地實現了自動組網和柔性接入到電力系統中去，組網前零配置，組網過程中高度自動化，自動實現靈活的柔性接入至電力系統的設備管理模塊，全面進行設備的各項參數的配置和初始化管理，投運和退運管理，執行設備狀態監控和報警，以及舊壞設備的更換。本發明的實現方法，充分利用了乙太網絡協議的特點和優勢，提供一種與原有方式截然不同的創新設備管理手段，使得設備運維高度自動化，利用統一、靈活的遠程交互界面實現設備配置管理，提供全局的設備拓撲管理視圖，簡化多項設備運維操作步驟，降低現場運維工作量和調試的人力成本。本管理手段在以上提到電力設備組網接入和運維管理領域各方面上均具有明顯的良好社會效益，是實現智能用電小區內電力設備的自組織組網及柔性接入的的最佳解決方案。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步詳細說明。圖1是本發明 的自動組網全局拓撲示意圖；圖2是本發明的用電小區內部邏輯連接關係示意圖；圖3是本發明中電力設備實現自動組網接入流程示意圖。
具體實施例方式如圖1至圖3所示的智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統，該系統包括用電小區內的多個電力設備以及分別與多個電力設備相連的電力網關，電力網關作為該系統的路由設備，電力網關以及多個電力設備均為以太化後的設備，均具有以太接口，電力網關上行與上級電力城域網以以太方式相連接，下行與多個電力設備以以太方式相連接，實現多個電力設備的自組織組網及柔性接入，電力網關用於負責用電小區內多個電力設備的拓撲運維管理，負責調度並匯集多個電力設備的數據後作初步數據處理、暫儲存，同時做好信息安全防護和隔離，並且將用電小區電力設備的數據傳輸到上級電力城域網。電力網關採用雙以太接口，電力網關的CPU選用Intel晶片或ARM晶片。電力網關還具有人機互動顯示器，以提供人機互動界面來實現基於網絡的設備運維管理。本發明智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的方法，包括如下步驟步驟1:新研發支持IP化組網接入的用電小區內的多個電力設備，進行用電小區內的多個電力設備的以太化，並且對每個電力設備進行地址IP化，作為自組織組網及柔性接入的最小單元，以太化後的電力設備支持DHCP地址動態獲取；
以太化方式包括①直接開發新電力設備時就考慮使用以太方式作為主要通訊手段及固化標準接口 ；②對現有電力設備進行改造，加入支持以太通訊的晶片模塊和標準接口 ；③對已有的非以太標準電力設備，如485電錶一類，開發其相對應的前置模塊單元，實現原協議到以太協議方式接入的轉變，採取上述手段之後，將使得電力設備IP化組網成為可能。在這個過程中定製新型的電力設備專用網管協議，硬體被開發成支持新型網管協議，主動與電力網關上的設備管理模塊進行連接，接受並響應參數設置命令和控制指令。步驟2 :電力網關的以太化，電力網關作為路由設備。步驟3 :利用智能用電小區內部的以太區域網資源連接以太化後的電力網關和多個電力設備，電力網關運行DHCP服務對多個電力設備的IP位址進行分配，實現多個電力設備的IP化自組織組網及與電力網關之間的柔性接入，將電力網關上行與上級電力城域網以以太連接方式相連，下行與多個電力設備以以太連接方式相連，電力網關用於負責用電小區內多個電力設備的拓撲運維管理，負責調度並匯集多個電力設備的數據後作初步數據處理、暫儲存，同時做好信息安全防護和隔離，並且將用電小區電力設備的數據傳輸到上級電力城域網。步驟3是利用智能用電小區內部的以太區域網資源和自行研發的路由設備電力網關，實現小區內的NAT組網。上行接入電力專用的城域網，與供電局相應業務平臺主站進行通信。下行則與小區內部局部網絡當中的各類電力專用的監測設備和計量設備進行連接。電力網關設備自行研發， 採用雙以太接口的硬體方案，用Intel或ARM晶片作CPU均可，配支持路由算法的Linux作業系統，並可以在其上新增設備管理模塊支持電力設備的柔性接入組網和運維管理，同時網關上開啟DHCP服務，支持響應區域網內電力設備的請求並為其動態分配IP位址，維持租約期不少於一周。電力網關上的設備管理模塊在本網關的下行IP指定埠上進行監聽，等候各不同類型的電力設備主動連接上來。使用TCP方式，埠可配置，根據網管協議指定，如716埠。通過該數據通訊通道，下發具體設備配置參數和命令。設備管理模塊是電力網關上重要的模塊，電力網關的諸如負責用電小區內多個電力設備的拓撲運維管理，負責調度並匯集多個電力設備的數據後作初步數據處理、暫儲存，同時做好信息安全防護和隔離，並且將用電小區電力設備的數據傳輸到上級電力城域網等等功能均是通過設備管理模塊來實現的。
此步驟具體細節展開描述1、設備管理模塊具有什麼樣的功能和作用設備管理模塊是電力網關上的一個組成部分，是本系統內最重要的功能部件。為按照「電力系統局部自組網設備管理協議」連接上來的每一臺未知類型的電力設備作好標記。根據其設備唯一編碼id進行統一管理的一種通用的設備統一管理解決方案。管理動作包括設備的初始化及投運、退運；設備配置參數的修改更新；啟用或停止設備的具體某個功能；告知設備在電力系統組網內的拓撲關係位置。如該設備需要連接的上級、或下級的其他電力設備，設備間協同完成電力系統內的數據採集、參數和信令傳遞等具體業務動作。2、設備管理模塊與哪些設備有連接關係根據我們定義的電力系統局部自組網設備管理協議，理論上只要是組網內的每一個通過以太方式聯網進電力系統的設備，都要首先建立與設備管理模塊之間的連接，接受統一調度和管理，保持心跳連接，隨時向設備管理模塊匯報自身的設備狀態更新跟蹤。3、設備管理模塊與相互連接的設備之間傳輸什麼信令設備管理模塊與相互連接之間的設備之間，按照我們新制訂的電力系統局部自組網設備管理協議來進行交互，傳輸的信令包括握手鑑權，初始化配置，設備投運退運，設備某功能的啟動和停止等指令。詳細的協議交互信令定義和全過程，請參考後面提到的關於電力系統局部自組網設備管理協議的細節展開描述。以太化後的電力設備，在出廠的時候在晶片當中固化寫入本設備的類型碼，本設備的唯一硬體標識碼，以及本設備專用的MAC地址，應包含在電力專用MAC地址範圍內。除此以外的其他參數設計成可以通過基於以太的電力系統局部自組網設備管理協議進行初始化參數配置，以及參數更新和業務啟停。未來新開發的新型電力設備被設計成零配置接入局部網絡，在接入區域網路前不需要工程運維人員進行預置參數初始化。舉例如壞設備的更換，工程人員只需要拿出一塊新的設備，直接替換原來壞設備，接入網絡後上電運行就行了。設備上電後會利用DHCP協議從網關處動態獲得不重複的IP位址，通過MAC區分不同運行實例，實現了電力設備的自動組網。實際上網關處還可以根據需要設置為開通防火牆機制，通過配置IP報文轉發鏈過濾規則，將不屬於電力專用 MAC地址範圍內的報文給過濾掉，不但可以防止給非電力用途的設備分配IP位址，也可以防止這些未授權設備對電力網關的非法訪問。但用於網管的設備，如手提電腦或手持移動終端的MAC地址，可以加入白名單放行。電力設備分配到的IP位址當中包含掩碼和網關等參數。電力設備在獲得新地址後，就可以按協議中指定的默認埠，主動向動態獲取的默認網關地址發起TCP連接。設備與管理模塊之間保持TCP長連接。如果丟失連接，電力設備有自動重試並維護該連接的機制。機制當中包括心跳響應機制，以便電力網關上的設備管理模塊可以主動探測TCP連接可用狀態。在電力設備連接上設備管理模塊後，馬上進行協議握手，從設備端發出的第一個握手報文裡，就要包含本硬體的設備類型ID和硬體唯一識別碼ID，以便讓設備管理模塊端可以唯一地識別每一個連接上來的硬體終端。步驟4 :電力網關基於網絡提供人機互動界面，來實現基於網絡的設備運維管理，人機互動方式採用C/S或B/S方式，即可以開發C/S方式的設備管理客戶端，或使用基於B/S的web方式實現人機互動。通過人機互動界面，實施人員可以根據硬體ID在已建立連接的設備列表中找到對應設備，對其進行具體參數的初始化配置，進行拓撲關係的維護，指定本硬體的上級設備和下級設備列表。發送控制命令，如設備的啟用、停運、重新上電、計劃任務等具體操作命令和參數。由於設備管理的人機互動界面基於網絡，實際上工程實施人員可以在網絡節點上的任意地方接入，實現對設備的運行維護管理。可以包括在機房內，監控室內，或拿著手提電腦來到電力設備安裝現場，或通過臨時安置的WIFI AP熱點，使用智慧型手機等手持終端設備來實現便捷的電力設備運維管理。
本發明的「電力系統局部自組網設備管理協議」信令定義及交互過程如下為了實現設備接入電力系統組網並統一調度管理，我們新制訂了一套關於電力設備管理的交互協議，其中包括了以下幾種主要的信令定義握手鑑權；設備初始化和投運管理；參數修改更新；設備功能啟停；退運管理，下面稍微展開描述大致的交互過程。1、找設備管理模塊的約定本設備管理協議約定遵循此約定設計的電力設備，在上電完成初始化後，在已分配本設備IP及默認網關的前提下，向網關IP位址的716埠發起TCP連接，然後進行後面協議交互。之後與電力網關上的設備管理模塊之間保持TCP長連接，響應設備管理模塊的心跳報文，回報本設備當前狀態。每次心跳周期大約是60秒鐘左右。設備可以通過DHCP的方式來獲得本設備IP位址和默認網關參數，也可以通過設備的硬體參數初始化的方式預置。如果新加電的設備始終沒有連接上設備管理模塊，則一直進行重新嘗試連接，每兩次嘗試重連之間約間隔30秒。2、握手鑑權過程當一臺新的設備首次連接到設備管理模塊的時候，需要報告自設備的一些信息，以便設備管理模塊進行確認和鑑權，是否接受該設備聯接進系統內。設備需要向設備管理模塊發送的信息包括本次交互所用的「電力系統局部自組網設備管理協議」的版本信息，本設備的類型編號，還有作為電力設備全局唯一標識的編碼id。由設備管理模塊決定是否接受本設備加入組網。如果設備管理模塊回應了本設備不合適接入本系統組網，設備管理模塊方會主動斷開TCP連接，設備方也無需再次嘗試重連了。
如果電力設備已經完成了初始化並且投運的，還需要向管理模塊發送投運號，以及退運標誌是否已置位的這些附加信息。3、設備初始化和投運管理未初始化過的設備，其配置參數都是默認參數，不能滿足系統拓撲組網和通訊業務要求的。設備管理模塊會為新設備創建一個本局部系統內的投運號作為標記，經運維人員參與為新設備設定好參數，並通過投運號關聯本設備相關的全部參數信息。經運維人員確認後，把這些信息打包成設備約定好的、可以讀懂的二進位格式，通過與設備間的連接通道下發給設備保存，以便日後設備新上電時作為默認參數調用。當下次該設備重新上電並與設備管理模塊進行握手鑑權的時候，可以把「投運號」及「退運標誌位」也一起上報，以便設備管理模塊對設備進行標記管理，不會為設備重複創建「投運號」。4、參數修改更新運維人員可以通過設備管理模塊進行統一調度和參數更新，當參數修改後，通過設備管理模塊與電力設備之間的TCP長連接下發給設備，由設備方保存新參數，回應設備管理模塊新參數已被接受，並重啟生效。運維人員設置更新設備參數的時候，必須確保該設備連接在線，否則沒有設備方的回應，參數修改更新不成功。設備方的最大響應超時設定為10秒。5、設備功能啟停
運維人員通過設備管理模塊下發控制設備啟動和停止業務功能機制的命令，實現統一運維平臺進行設備調度管理。設備接收到控制命令後，除非是本設備硬體版本不支持的功能啟停命令，否則無條件接受並執行相應動作，同時回應設備管理模塊動作執行是否成功。設備方的最大響應超時設定為10秒。6、退運管理設備管理模塊向電力設備發送設定退運標誌位的命令，設備接收到後，自動關停所有已經啟用的功能模塊，切斷除設備管理模塊以外的其它設備之間的連接，等候運維人員過來拆除和設備回收。退運後的設備依然需要響應設備管理模塊的心跳檢測報文。本發明的上述實施例並不是對本發明保護範圍的限定，本發明的實施方式不限於此，根據本發明的上 述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，對本發明的上述結構做出的其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統，該系統包括用電小區內的多個電力設備以及分別與所述多個電力設備相連的電力網關，電力網關作為該系統的路由設備，其特徵在於所述的電力網關以及多個電力設備均為以太化後的設備，均具有以太接口，所述的電力網關上行與上級電力城域網以以太方式相連接，下行與所述的多個電力設備以以太方式相連接，實現多個電力設備的自組織組網及柔性接入，所述的電力網關用於負責用電小區內多個電力設備的拓撲運維管理，負責調度並匯集多個電力設備的數據後作初步數據處理、暫儲存，同時做好信息安全防護和隔離，並且將用電小區電力設備的數據傳輸到上級電力城域網。
2.根據權利要求1所述的智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統，其特徵在於所述的電力網關採用雙以太接口，電力網關的CPU選用Intel晶片或ARM晶片。
3.根據權利要求1或2所述的智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統，其特徵在於所述的電力網關還具有人機互動顯示器，以提供人機互動界面來實現基於網絡的設備運維管理。
4.智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的方法，該方法包括如下步驟 步驟1:用電小區內的多個電力設備的以太化，並且對每個電力設備進行地址IP化，作為自組織組網及柔性接入的最小單元，以太化後的電力設備支持DHCP地址動態獲取； 步驟2 :電力網關的以太化，電力網關作為路由設備； 步驟3 :利用智能用電小區內部的以太區域網資源連接以太化後的電力網關和多個電力設備，所述的電力網關運行DHCP服務對多個電力設備的IP位址進行分配，實現多個電力設備的IP化自組織組網及與電力網關之間的柔性接入，將電力網關上行與上級電力城域網以以太連接方式相連，下行與多個電力設備以以太連接方式相連，所述的電力網關用於負責用電小區內多個電力設備的拓撲運維管理，負責調度並匯集多個電力設備的數據後作初步數據處理、暫儲存，同時做好信息安全防護和隔離，並且將用電小區電力設備的數據傳輸到上級電力城域網。
5.根據權利要求4所述的智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的方法，其特徵在於該方法還包括步驟4 :所述的電力網關基於網絡提供人機互動界面，來實現基於網絡的設備運維管理，所述人機互動方式採用C/S或B/S方式。
6.根據權利要求4或5所述的智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的方法，其特徵在於所述步驟I中電力設備以太化採用直接開發新電力設備時使用以太方式作為通訊手段及固化標準接口 ；或者對現有電力設備進行改造，加入支持以太通訊的晶片和以太接口 ；或者對已有的非以太電力設備，開發其相對應的前置模塊單元，實現原協議到以太協議方式接入的轉變。
全文摘要
本發明公開了智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的系統和方法，該系統包括用電小區內的多個電力設備以及分別與多個電力設備相連的電力網關，電力網關作為該系統的路由設備，電力網關以及多個電力設備均為以太化後的設備，均具有以太接口，電力網關上行與上級電力城域網以以太方式相連接，下行與多個電力設備以以太方式相連接，實現多個電力設備的自組織組網及柔性接入，電力網關用於負責用電小區內多個電力設備的拓撲運維管理，負責調度並匯集多個電力設備的數據後作初步數據處理、暫儲存，並且將用電小區電力設備的數據傳輸到上級電力城域網。本發明同時提供智能用電小區電力設備自組織組網及柔性接入的方法。
文檔編號H04L29/08GK103051502SQ20121052549
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者周強輔, 陳健卯, 孫廣慧, 趙海峰 申請人:廣東電網公司佛山供電局