专利名称：智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的系统和方法，尤其是用在智能用电小区内的电力计量用途和配电监控用途、安防用途等电力设备之间的组网及配置、运维、管理领域，实现电力设备全生命周期管理过程中的柔性接入及简化运维管理控制。
背景技术：
就目前电力应用行业当中，大多数的设备运行维护都使用红外参数配置工具实现运维管理，在设备上电后通过红外接口进行设备管理维护和参数设置控制。比如使用蓝德红外手持终端对计量集中器、采集器进行初始化、参数配置、重启动作等的设备运维管理。参数配置管理必须在安装现场操作，设备首次安装时，也需要进行大量的参数预先初始化动作，大量的现场调试工作，定期到各个安装点进行设备巡检。一旦整个组网出现拓扑变化或者重要参数改变，往往也需要实施工程人员到现场依次进行设备运行参数的更新，这样的方式实现的设备组网和运维管理的成本相对较高。由于以太网络通讯技术手段的兴起和普及，支持以太的芯片和研发、制造成本越来越低，以太网络的布线、运维管理相对简化，以及使用分组报文实现的异步并发通讯的明显技术优势，近年来在电信、工业控制等不同领域不断涌现设备组网IP化的趋势。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的系统，该系统能够实现用电小区电力设备从接入网络、自动连接到电力网关、参数配置及控制运维，参数采集及上报，退运或更换。本发明的上述目 的通过如下技术方案来实现的智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的系统，该系统包括用电小区内的多个电力设备以及分别与所述多个电力设备相连的电力网关，电力网关作为该系统的路由设备，其特征在于所述的电力网关以及多个电力设备均为以太化后的设备，均具有以太接口，所述的电力网关上行与上级电力城域网以以太方式相连接，下行与所述的多个电力设备以以太方式相连接，实现多个电力设备的自组织组网及柔性接入，所述的电力网关用于负责用电小区内多个电力设备的拓扑运维管理，负责调度并汇集多个电力设备的数据后作初步数据处理、暂储存，同时做好信息安全防护和隔离，并且将用电小区电力设备的数据传输到上级电力城域网。所述的电力网关采用双以太接口，电力网关的CPU选用Intel芯片或ARM芯片。所述的电力网关还具有人机交互显示器，以提供人机交互界面来实现基于网络的设备运维管理。本发明的系统正是利用了智能用电小区内以太网络通讯资源，研究如何制订系统接入标准和规范，令将来新研发的电力设备，如用于电力领域的二次监控设备，安防设备和计量设备等，实现IP化连接通讯以及各种不同类型的电力设备单元间的混合式自组织组网，在设备全生命周期管理过程当中的电网系统柔性接入与运维管理控制。实现从接入网络、自动连接到电力网关、参数配置及控制运维，参数采集及上报，退运或更换。本发明中，在智能用电居民小区这样的局部区域内，电力网关首先是作为路由设备，负责维护局部区域内以太网络到电力专门城域网的通道和报文转发，实现小区数据上传到供电局信息化平台。另一方面，作为局部区域内电力系统组网的中央核心部件，负责小区内各种类型电力设备的接入和拓扑运维管理，承载电力相关业务功能模块，负责调度并汇集数据后作初步数据处理、暂储存，同时做好信息安全防护和隔离。电力系统局部自组网设备管理协议为了实现电力系统在局部区域内的所有各种不同种类的电力设备的联合实现系统内部组网，进行统一调度、设备参数管理和设备状态跟踪，而定义的一套关于设备管理共性部分通用的交互式协议。本发明的目的之二是提供一种智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的方法，该方法能够实现用电小区电力设备从接入网络、自动连接到电力网关、参数配置及控制运维，参数采集及上报，退运或更换。本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的方法，该方法包括如下步骤步骤1:用电小区内的多个电力设备的以太化，并且对每个电力设备进行地址IP化，作为自组织组网及柔性接入的最小单元，以太化后的电力设备支持DHCP地址动态获取；
步骤2 :电力网关的以太化，电力网关作为路由设备；步骤3 :利用智能用电小区内部的以太局域网资源连接以太化后的电力网关和多个电力设备，所述的电力网关运行DHCP服务对多个电力设备的IP地址进行分配，实现多个电力设备的IP化自组织组网及与电力网关之间的柔性接入，将电力网关上行与上级电力城域网以以太连接方式相连，下行与多个电力设备以以太连接方式相连，所述的电力网关用于负责用电小区内多个电力设备的拓扑运维管理，负责调度并汇集多个电力设备的数据后作初步数据处理、暂储存，同时做好信息安全防护和隔离，并且将用电小区电力设备的数据传输到上级电力城域网。该方法还包括步骤4:所述的电力网关基于网络提供人机交互界面，来实现基于网络的设备运维管理，所述人机交互方式采用C/S或B/S方式。所述步骤I中电力设备以太化采用直接开发新电力设备时使用以太方式作为通讯手段及固化标准接口 ；或者对现有电力设备进行改造，加入支持以太通讯的芯片和以太接口 ；或者对已有的非以太电力设备，开发其相对应的前置模块单元，实现原协议到以太协议方式接入的转变。与现有技术相比，本发明具有如下显著效果1、智能用电小区内部为NAT组网，出口为电力网关，网关同时也是在局部地区内实现电力设备接入与管理模块的中央核心部件单元。2、以太化后的电力设备支持DHCP地址动态获取，本解决方案当中利用网关运行DHCP服务进行IP地址分配，实现设备的零配置和自组织组网。3、按照协议约定，电力设备在获取动态IP地址之后，当中会包括默认网关地址这个参数，默认网关地址实际上就是我们电力系统当中局部地区内的电力网关设备的IP地址，向这个获取到的默认网关地址上的指定端口发起TCP连接，举例如716端口，实现电力设备柔性接入到电力系统中，并正常运转工作，强调其接入的灵活处理方式。4、电力设备管理模块运行在网关上，对主动连接上来的设备进行初始化参数配置及控制其启停等操作，实现了电力设备全生命周期管理过程中所有操作和状态监控。5、电力设备管理模块的人机交互界面基于网络实现，C/S，B/S方式均可，工程实施人员可以在网络上任意节点接入进行控制和设备管理。本发明有效利用了设备以太组网的全面优势，在电力设备运行维护及生命周期管理过程中，更加灵活地实现了自动组网和柔性接入到电力系统中去，组网前零配置，组网过程中高度自动化，自动实现灵活的柔性接入至电力系统的设备管理模块，全面进行设备的各项参数的配置和初始化管理，投运和退运管理，执行设备状态监控和报警，以及旧坏设备的更换。本发明的实现方法，充分利用了以太网络协议的特点和优势，提供一种与原有方式截然不同的创新设备管理手段，使得设备运维高度自动化，利用统一、灵活的远程交互界面实现设备配置管理，提供全局的设备拓扑管理视图，简化多项设备运维操作步骤，降低现场运维工作量和调试的人力成本。本管理手段在以上提到电力设备组网接入和运维管理领域各方面上均具有明显的良好社会效益，是实现智能用电小区内电力设备的自组织组网及柔性接入的的最佳解决方案。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。图1是本发明 的自动组网全局拓扑示意图；图2是本发明的用电小区内部逻辑连接关系示意图；图3是本发明中电力设备实现自动组网接入流程示意图。
具体实施例方式如图1至图3所示的智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的系统，该系统包括用电小区内的多个电力设备以及分别与多个电力设备相连的电力网关，电力网关作为该系统的路由设备，电力网关以及多个电力设备均为以太化后的设备，均具有以太接口，电力网关上行与上级电力城域网以以太方式相连接，下行与多个电力设备以以太方式相连接，实现多个电力设备的自组织组网及柔性接入，电力网关用于负责用电小区内多个电力设备的拓扑运维管理，负责调度并汇集多个电力设备的数据后作初步数据处理、暂储存，同时做好信息安全防护和隔离，并且将用电小区电力设备的数据传输到上级电力城域网。电力网关采用双以太接口，电力网关的CPU选用Intel芯片或ARM芯片。电力网关还具有人机交互显示器，以提供人机交互界面来实现基于网络的设备运维管理。本发明智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的方法，包括如下步骤步骤1:新研发支持IP化组网接入的用电小区内的多个电力设备，进行用电小区内的多个电力设备的以太化，并且对每个电力设备进行地址IP化，作为自组织组网及柔性接入的最小单元，以太化后的电力设备支持DHCP地址动态获取；
以太化方式包括①直接开发新电力设备时就考虑使用以太方式作为主要通讯手段及固化标准接口 ；②对现有电力设备进行改造，加入支持以太通讯的芯片模块和标准接口 ；③对已有的非以太标准电力设备，如485电表一类，开发其相对应的前置模块单元，实现原协议到以太协议方式接入的转变，采取上述手段之后，将使得电力设备IP化组网成为可能。在这个过程中定制新型的电力设备专用网管协议，硬件被开发成支持新型网管协议，主动与电力网关上的设备管理模块进行连接，接受并响应参数设置命令和控制指令。步骤2 :电力网关的以太化，电力网关作为路由设备。步骤3 :利用智能用电小区内部的以太局域网资源连接以太化后的电力网关和多个电力设备，电力网关运行DHCP服务对多个电力设备的IP地址进行分配，实现多个电力设备的IP化自组织组网及与电力网关之间的柔性接入，将电力网关上行与上级电力城域网以以太连接方式相连，下行与多个电力设备以以太连接方式相连，电力网关用于负责用电小区内多个电力设备的拓扑运维管理，负责调度并汇集多个电力设备的数据后作初步数据处理、暂储存，同时做好信息安全防护和隔离，并且将用电小区电力设备的数据传输到上级电力城域网。步骤3是利用智能用电小区内部的以太局域网资源和自行研发的路由设备电力网关，实现小区内的NAT组网。上行接入电力专用的城域网，与供电局相应业务平台主站进行通信。下行则与小区内部局部网络当中的各类电力专用的监测设备和计量设备进行连接。电力网关设备自行研发， 采用双以太接口的硬件方案，用Intel或ARM芯片作CPU均可，配支持路由算法的Linux操作系统，并可以在其上新增设备管理模块支持电力设备的柔性接入组网和运维管理，同时网关上开启DHCP服务，支持响应局域网内电力设备的请求并为其动态分配IP地址，维持租约期不少于一周。电力网关上的设备管理模块在本网关的下行IP指定端口上进行监听，等候各不同类型的电力设备主动连接上来。使用TCP方式，端口可配置，根据网管协议指定，如716端口。通过该数据通讯通道，下发具体设备配置参数和命令。设备管理模块是电力网关上重要的模块，电力网关的诸如负责用电小区内多个电力设备的拓扑运维管理，负责调度并汇集多个电力设备的数据后作初步数据处理、暂储存，同时做好信息安全防护和隔离，并且将用电小区电力设备的数据传输到上级电力城域网等等功能均是通过设备管理模块来实现的。
此步骤具体细节展开描述1、设备管理模块具有什么样的功能和作用设备管理模块是电力网关上的一个组成部分，是本系统内最重要的功能部件。为按照“电力系统局部自组网设备管理协议”连接上来的每一台未知类型的电力设备作好标记。根据其设备唯一编码id进行统一管理的一种通用的设备统一管理解决方案。管理动作包括设备的初始化及投运、退运；设备配置参数的修改更新；启用或停止设备的具体某个功能；告知设备在电力系统组网内的拓扑关系位置。如该设备需要连接的上级、或下级的其他电力设备，设备间协同完成电力系统内的数据采集、参数和信令传递等具体业务动作。2、设备管理模块与哪些设备有连接关系根据我们定义的电力系统局部自组网设备管理协议，理论上只要是组网内的每一个通过以太方式联网进电力系统的设备，都要首先建立与设备管理模块之间的连接，接受统一调度和管理，保持心跳连接，随时向设备管理模块汇报自身的设备状态更新跟踪。3、设备管理模块与相互连接的设备之间传输什么信令设备管理模块与相互连接之间的设备之间，按照我们新制订的电力系统局部自组网设备管理协议来进行交互，传输的信令包括握手鉴权，初始化配置，设备投运退运，设备某功能的启动和停止等指令。详细的协议交互信令定义和全过程，请参考后面提到的关于电力系统局部自组网设备管理协议的细节展开描述。以太化后的电力设备，在出厂的时候在芯片当中固化写入本设备的类型码，本设备的唯一硬件标识码，以及本设备专用的MAC地址，应包含在电力专用MAC地址范围内。除此以外的其他参数设计成可以通过基于以太的电力系统局部自组网设备管理协议进行初始化参数配置，以及参数更新和业务启停。未来新开发的新型电力设备被设计成零配置接入局部网络，在接入局域网络前不需要工程运维人员进行预置参数初始化。举例如坏设备的更换，工程人员只需要拿出一块新的设备，直接替换原来坏设备，接入网络后上电运行就行了。设备上电后会利用DHCP协议从网关处动态获得不重复的IP地址，通过MAC区分不同运行实例，实现了电力设备的自动组网。实际上网关处还可以根据需要设置为开通防火墙机制，通过配置IP报文转发链过滤规则，将不属于电力专用 MAC地址范围内的报文给过滤掉，不但可以防止给非电力用途的设备分配IP地址，也可以防止这些未授权设备对电力网关的非法访问。但用于网管的设备，如手提电脑或手持移动终端的MAC地址，可以加入白名单放行。电力设备分配到的IP地址当中包含掩码和网关等参数。电力设备在获得新地址后，就可以按协议中指定的默认端口，主动向动态获取的默认网关地址发起TCP连接。设备与管理模块之间保持TCP长连接。如果丢失连接，电力设备有自动重试并维护该连接的机制。机制当中包括心跳响应机制，以便电力网关上的设备管理模块可以主动探测TCP连接可用状态。在电力设备连接上设备管理模块后，马上进行协议握手，从设备端发出的第一个握手报文里，就要包含本硬件的设备类型ID和硬件唯一识别码ID，以便让设备管理模块端可以唯一地识别每一个连接上来的硬件终端。步骤4 :电力网关基于网络提供人机交互界面，来实现基于网络的设备运维管理，人机交互方式采用C/S或B/S方式，即可以开发C/S方式的设备管理客户端，或使用基于B/S的web方式实现人机交互。通过人机交互界面，实施人员可以根据硬件ID在已建立连接的设备列表中找到对应设备，对其进行具体参数的初始化配置，进行拓扑关系的维护，指定本硬件的上级设备和下级设备列表。发送控制命令，如设备的启用、停运、重新上电、计划任务等具体操作命令和参数。由于设备管理的人机交互界面基于网络，实际上工程实施人员可以在网络节点上的任意地方接入，实现对设备的运行维护管理。可以包括在机房内，监控室内，或拿着手提电脑来到电力设备安装现场，或通过临时安置的WIFI AP热点，使用智能手机等手持终端设备来实现便捷的电力设备运维管理。
本发明的“电力系统局部自组网设备管理协议”信令定义及交互过程如下为了实现设备接入电力系统组网并统一调度管理，我们新制订了一套关于电力设备管理的交互协议，其中包括了以下几种主要的信令定义握手鉴权；设备初始化和投运管理；参数修改更新；设备功能启停；退运管理，下面稍微展开描述大致的交互过程。1、找设备管理模块的约定本设备管理协议约定遵循此约定设计的电力设备，在上电完成初始化后，在已分配本设备IP及默认网关的前提下，向网关IP地址的716端口发起TCP连接，然后进行后面协议交互。之后与电力网关上的设备管理模块之间保持TCP长连接，响应设备管理模块的心跳报文，回报本设备当前状态。每次心跳周期大约是60秒钟左右。设备可以通过DHCP的方式来获得本设备IP地址和默认网关参数，也可以通过设备的硬件参数初始化的方式预置。如果新加电的设备始终没有连接上设备管理模块，则一直进行重新尝试连接，每两次尝试重连之间约间隔30秒。2、握手鉴权过程当一台新的设备首次连接到设备管理模块的时候，需要报告自设备的一些信息，以便设备管理模块进行确认和鉴权，是否接受该设备联接进系统内。设备需要向设备管理模块发送的信息包括本次交互所用的“电力系统局部自组网设备管理协议”的版本信息，本设备的类型编号，还有作为电力设备全局唯一标识的编码id。由设备管理模块决定是否接受本设备加入组网。如果设备管理模块回应了本设备不合适接入本系统组网，设备管理模块方会主动断开TCP连接，设备方也无需再次尝试重连了。
如果电力设备已经完成了初始化并且投运的，还需要向管理模块发送投运号，以及退运标志是否已置位的这些附加信息。3、设备初始化和投运管理未初始化过的设备，其配置参数都是默认参数，不能满足系统拓扑组网和通讯业务要求的。设备管理模块会为新设备创建一个本局部系统内的投运号作为标记，经运维人员参与为新设备设定好参数，并通过投运号关联本设备相关的全部参数信息。经运维人员确认后，把这些信息打包成设备约定好的、可以读懂的二进制格式，通过与设备间的连接通道下发给设备保存，以便日后设备新上电时作为默认参数调用。当下次该设备重新上电并与设备管理模块进行握手鉴权的时候，可以把“投运号”及“退运标志位”也一起上报，以便设备管理模块对设备进行标记管理，不会为设备重复创建“投运号”。4、参数修改更新运维人员可以通过设备管理模块进行统一调度和参数更新，当参数修改后，通过设备管理模块与电力设备之间的TCP长连接下发给设备，由设备方保存新参数，回应设备管理模块新参数已被接受，并重启生效。运维人员设置更新设备参数的时候，必须确保该设备连接在线，否则没有设备方的回应，参数修改更新不成功。设备方的最大响应超时设定为10秒。5、设备功能启停
运维人员通过设备管理模块下发控制设备启动和停止业务功能机制的命令，实现统一运维平台进行设备调度管理。设备接收到控制命令后，除非是本设备硬件版本不支持的功能启停命令，否则无条件接受并执行相应动作，同时回应设备管理模块动作执行是否成功。设备方的最大响应超时设定为10秒。6、退运管理设备管理模块向电力设备发送设定退运标志位的命令，设备接收到后，自动关停所有已经启用的功能模块，切断除设备管理模块以外的其它设备之间的连接，等候运维人员过来拆除和设备回收。退运后的设备依然需要响应设备管理模块的心跳检测报文。本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上 述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明的上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的系统，该系统包括用电小区内的多个电力设备以及分别与所述多个电力设备相连的电力网关，电力网关作为该系统的路由设备，其特征在于所述的电力网关以及多个电力设备均为以太化后的设备，均具有以太接口，所述的电力网关上行与上级电力城域网以以太方式相连接，下行与所述的多个电力设备以以太方式相连接，实现多个电力设备的自组织组网及柔性接入，所述的电力网关用于负责用电小区内多个电力设备的拓扑运维管理，负责调度并汇集多个电力设备的数据后作初步数据处理、暂储存，同时做好信息安全防护和隔离，并且将用电小区电力设备的数据传输到上级电力城域网。
2.根据权利要求1所述的智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的系统，其特征在于所述的电力网关采用双以太接口，电力网关的CPU选用Intel芯片或ARM芯片。
3.根据权利要求1或2所述的智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的系统，其特征在于所述的电力网关还具有人机交互显示器，以提供人机交互界面来实现基于网络的设备运维管理。
4.智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的方法，该方法包括如下步骤 步骤1:用电小区内的多个电力设备的以太化，并且对每个电力设备进行地址IP化，作为自组织组网及柔性接入的最小单元，以太化后的电力设备支持DHCP地址动态获取； 步骤2 :电力网关的以太化，电力网关作为路由设备； 步骤3 :利用智能用电小区内部的以太局域网资源连接以太化后的电力网关和多个电力设备，所述的电力网关运行DHCP服务对多个电力设备的IP地址进行分配，实现多个电力设备的IP化自组织组网及与电力网关之间的柔性接入，将电力网关上行与上级电力城域网以以太连接方式相连，下行与多个电力设备以以太连接方式相连，所述的电力网关用于负责用电小区内多个电力设备的拓扑运维管理，负责调度并汇集多个电力设备的数据后作初步数据处理、暂储存，同时做好信息安全防护和隔离，并且将用电小区电力设备的数据传输到上级电力城域网。
5.根据权利要求4所述的智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的方法，其特征在于该方法还包括步骤4 :所述的电力网关基于网络提供人机交互界面，来实现基于网络的设备运维管理，所述人机交互方式采用C/S或B/S方式。
6.根据权利要求4或5所述的智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的方法，其特征在于所述步骤I中电力设备以太化采用直接开发新电力设备时使用以太方式作为通讯手段及固化标准接口 ；或者对现有电力设备进行改造，加入支持以太通讯的芯片和以太接口 ；或者对已有的非以太电力设备，开发其相对应的前置模块单元，实现原协议到以太协议方式接入的转变。
全文摘要
本发明公开了智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的系统和方法，该系统包括用电小区内的多个电力设备以及分别与多个电力设备相连的电力网关，电力网关作为该系统的路由设备，电力网关以及多个电力设备均为以太化后的设备，均具有以太接口，电力网关上行与上级电力城域网以以太方式相连接，下行与多个电力设备以以太方式相连接，实现多个电力设备的自组织组网及柔性接入，电力网关用于负责用电小区内多个电力设备的拓扑运维管理，负责调度并汇集多个电力设备的数据后作初步数据处理、暂储存，并且将用电小区电力设备的数据传输到上级电力城域网。本发明同时提供智能用电小区电力设备自组织组网及柔性接入的方法。
文档编号H04L29/08GK103051502SQ20121052549
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者周强辅, 陈健卯, 孙广慧, 赵海峰 申请人:广东电网公司佛山供电局