一种电力物联网IP化融合终端及其通信方法与流程

一种电力物联网ip化融合终端及其通信方法
技术领域
[0001]
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种电力物联网ip化融合终端及其通信方法。


背景技术：

[0002]
电力物联网通过电力设备间的全面互联、互通，实现电网的全面感知、数据融合和智能应用,是实时联接能源生产、传输、消费各环节设备、客户、数据，全面承载电网运营、企业运营和客户服务等全业务的新一代信息通信系统，具有终端泛在接入、平台共享开放、计算云雾协同、数据驱动业务、应用随需定制等特征，与智能电网深度融合，共同构成能源互联网。
[0003]
在电力物联网中实现监测控制的智能终端，其内涵与特征也在发生变化。传统电网智能终端大多都是为了实现某一特定功能而单独设计，实现功能提前预设且相对固定，如监视采集客户用电量、监控配电开关状态、监测配电设施环境状态信息等。基于各终端业务功能，命名了如配电监控装置(dtu)、馈线监控装置(ftu)、智能电表等终端分类。电力物联网终端对数据的采集、共享要求显著提高，智能终端除了是业务终端，更需要是数据终端以及通信网关，故终端要具备强大的数据处理能力和信息交互能力。而且当前低压台区电力设备数目庞大、种类繁多、通信接口类型多样且以现场总线为主，几乎不能通过现有通信接口接入电力物联网。
[0004]
围绕智能终端、ipv6协议、电力物联网、数据融合等方面，具有代表性的相关研究包括：
[0005]
《智能配变终端的研发及工程应用》中提供了智能配变终端及工程应用，主要将在传统配网中台架式配变台区的标准配置包括变压器、配电箱、计量箱、无功补偿装置等诸多设备功能整合到一个智能终端中；
[0006]
《基于6lowpan的电力变压器无线监测系统》中将6lowpan技术和电力变压器无线监测技术相结合，设计了一种基于6lowpan的变压器无线监测系统；
[0007]
《ipv6物联网接入网关的设计实践》中将ipv6技术应用于智能农业大棚物联网系统中，设计了基于嵌入式linux系统的ipv6物联网接入网关；
[0008]
《泛在电力物联网下的乡村电气化探索与研究》中进行了以智能配变终端为核心，在泛在电力物联网下的农网智能化改造方案的探索与研究。
[0009]
公开号为cn110784537a的专利中提出基于rfid技术构建电力物联网感知层设备通信网络，在预建立的物联网感知与信息处理平台中，通过协议自适配，获取各种电力物联网感知层设备传输的数据。
[0010]
公开号为cn110661846a的专利中提出基于230mhz电力无线专网的超窄带通信系统及其通信方法，其通信距离长、连接数量大、终端设备功耗低，适配小数据、低频次、大连接的电力状态监测物联物联业务。
[0011]
上述两个专利侧重于电力物联网感知层业务数据远距离传输通信系统，分别采用
了rfid技术以及超载带无线电力专网，通信方式以及通信网络相对单一，难以满足电力物联网建设的业务需求。
[0012]
目前，我国电网2.4万个系统节点(110kv及以上)、1200万套高压计量设备、0.8亿台配网终端/指示器、4.7亿台电能表的改造与更新，目前采集数据日增量就已经超过60tb，在此基础上增加数十亿计采集设备，数据采集、交互和反馈过程中产生高达千亿级流数据和上千万峰值tps计算载荷。
[0013]
因此，现阶段从传统电网向电力物联网改造建设面临以下问题：电力设备接入方面，现有的电力设备接入方式大多以总线或电力线方式接入采集终端，再由采集终端通过公网进行数据上传主站，难以做到电力设备泛在接入、全面感知和互联互通。


技术实现要素：

[0014]
(一)发明目的
[0015]
本发明的目的是提供一种电力物联网ip化融合终端及其通信方法，通过建立设备ip库和设备通信协议共享库，对不同通信类型数据协议解析并转换成ipv6(互联网协议第6版)统一通信协议进行通信，从而建立全ip化的电力物联网通信系统架构。赋予每个电力设备独一无二的ip地址，达到电力设备互联互通、全面感知以及泛在接入。
[0016]
(二)技术方案
[0017]
为解决上述问题，本发明的第一方面提供一种基于电力物联网ip化融合终端的通信方法，包括：
[0018]
获取电力系统中各设备的设备信息，所述设备包括电力设备和传感设备，所述设备信息包括设备id和设备通信类型；
[0019]
根据获取的设备信息建立设备ip库和设备通信协议共享库，并将所述设备ip库发送给云平台，所述设备ip库中包含设备id与ip地址的一一对应关系，所述设备通信协议共享库中包括设备信息及协议解析程序的一一对应关系；
[0020]
采集设备发送的原始数据；
[0021]
根据原始数据中的设备id确定协议解析程序，并根据确定的协议解析程序对所述原始数据进行解析得到通信数据；
[0022]
将设备id及确定的通信数据生成满足ipv6协议的数据帧发送给云平台，以使云平台基于设备ip库和设备id获取通信数据。
[0023]
进一步地，所述的通信方法还包括
[0024]
获取云平台下发的满足ipv6协议的命令信息，所述命令信息中包含设备 ip；
[0025]
根据设备ip确定设备id及对应的设备通信类型，将命令信息转换成满足设备通信类型的数据帧发送给对应设备，以使对应设备根据命令信息发送原始数据。
[0026]
具体地，所述采集设备发送的原始数据，具体包括:
[0027]
同时通过多个通信模块分别采集多个通信类型的设备发送的原始数据，所述通信模块与通信类型一一对应；
[0028]
当同时采集的同一通信类型的设备包含n个时，对应通信模块同时从线程池调取n个空闲线程与设备一一对应进行原始数据采集，n为≥2的整数。
[0029]
进一步地，所述的通信方法，还包括：
[0030]
当线程池内存在预设时间内始终处于空闲状态的线程时，移除始终处于空闲状态的线程。
[0031]
进一步地，所述的通信方法，还包括：当线程池内空闲线程不足时，增设预设数量空闲线程。
[0032]
具体地，所述通信模块包括hplc通信模块、bluetooth通信模块、rf 射频通信模块、4g/5g通信模块、ethan网模块或mbus总线模块。
[0033]
进一步地，所述的通信方法，还包括：
[0034]
获取业务应用app发送的满足ipv6协议的命令信息，所述命令信息中包含设备ip；
[0035]
根据设备ip确定设备id及对应的设备通信类型，将命令信息转换成满足设备通信类型的数据帧发送给对应设备；
[0036]
采集设备根据所述命令信息发送的原始数据；
[0037]
根据原始数据中的设备id确定协议解析程序，并根据确定的协议解析程序对所述原始数据进行解析得到通信数据；
[0038]
将提取的设备id及确定的通信数据生成满足ipv6协议的数据帧发送给业务应用app，以使业务应用app基于设备ip库和设备id获取通信数据。
[0039]
具体地，所述业务应用app包括专变采集app、集中抄表app、充电桩有序充电调度app、能效检测app、四表集抄app、光伏检测app或非侵入式检测app中的至少一种。
[0040]
本申请的第二个方面提供了一种电力物联网ip化融合终端，用于执行上述任一项所述的通信方法。
[0041]
本申请的第三个方面提供了一种电力物联网系统，包括云平台、上述的电力物联网ip化融合终端和设备，所述设备包括电力设备和传感设备。
[0042]
(三)有益效果
[0043]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0044]
(1)通过建立设备ip库和设备通信协议共享库，对不同通信类型数据协议解析并转换成ipv6统一通信协议进行通信，从而建立全ip化的电力物联网通信系统架构。赋予每个电力设备独一无二的ip地址，达到电力设备互联互通、全面感知以及泛在接入；
[0045]
(2)实现终端设备并发性接入并在空闲时不占用过多内存空间。
附图说明
[0046]
图1是本发明实施例提供的一种基于电力物联网ip化融合终端的通信方法流程图；
[0047]
图2是本发明一具体实施例提供的一种电力物联网ip化融合终端架构图；
[0048]
图3是本发明一具体实施例提供的电力物联网系统架构示意图；
[0049]
图4为本发明一具体实施例提供的协议转换流程图。
具体实施方式
[0050]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本
发明的概念。
[0051]
参见图1，本发明提供一种基于电力物联网ip化融合终端的通信方法，包括：
[0052]
步骤101：获取电力系统中各设备的设备信息，所述设备包括电力设备和传感设备，所述设备信息包括设备id和设备通信类型；
[0053]
步骤102：根据获取的设备信息建立设备ip库和设备通信协议共享库，并将所述设备ip库发送给云平台，所述设备ip库中包含设备id与ip地址的一一对应关系，所述设备通信协议共享库中包括设备信息及协议解析程序的一一对应关系；
[0054]
步骤103：采集设备发送的原始数据；
[0055]
步骤104：根据原始数据中的设备id确定协议解析程序，并根据确定的协议解析程序对所述原始数据进行解析得到通信数据；
[0056]
步骤105：将设备id及确定的通信数据生成满足ipv6协议的数据帧发送给云平台，以使云平台基于设备ip库和设备id获取通信数据。
[0057]
具体地，本发明中，电力设备包括：智能仪表类的智能电能表、充电桩、智能水表、智能气表等，智能配电设备类的智能断路器、智能漏电保护器、智能电容器、智能换向开关、智能环网柜等。传感设备包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、压力传感器等。云平台包括智能用电信息采集平台、配电自动化系统平台、电动汽车车联网、物联网管理平台以及光伏云网平台等。
[0058]
本发明通过建立设备ip库和设备通信协议共享库，对不同通信类型数据协议解析并转换成ipv6统一通信协议进行通信，从而建立全ip化的电力物联网通信系统架构。赋予每个电力设备独一无二的ip地址，达到电力设备互联互通、全面感知以及泛在接入。
[0059]
进一步地，所述的通信方法，还包括
[0060]
获取云平台下发的满足ipv6协议的命令信息，所述命令信息中包含设备 ip；
[0061]
根据设备ip确定设备id及对应的设备通信类型，将命令信息转换成满足设备通信类型的数据帧发送给对应设备，以使对应设备根据命令信息发送原始数据。
[0062]
在一具体施例中，设备具备ipv6通信能力，所述将命令信息转换成满足设备通信类型的数据帧发送给对应设备，包括：
[0063]
根据6lopwan通信协议对命令信息进行压缩得到数据帧，将得到的数据帧发送给对应设备。
[0064]
其中，6lowpan通信协议是一种基于ipv6的低速无线个域网标准，即ipv6over ieee 802.15.4。
[0065]
本通信系统采用6lowpan通信协议解决电力设备基于物联网技术的即插即用泛在接入需求，并利用6lowpan协议赋予每个电力设备独一无二的ip 地址。6lowpan协议是一种轻量级ipv6协议，可以将40字节的ipv6报头压缩到低至4字节；ip层的控制类消息可按需发送，也可以完全关闭，不增加额外开销；因此支持ipv6技术不会带来显著开销，使ipv6无缝运行在低速的设备感知层网络上。
[0066]
具体地，所述采集设备发送的原始数据，具体包括:
[0067]
同时通过多个通信模块分别采集多个通信类型的设备发送的原始数据，所述通信模块与通信类型一一对应；
[0068]
当同时采集的同一通信类型的设备包含n个时，对应通信模块同时从线程池调取n
个空闲线程与设备一一对应进行原始数据采集，n为≥2的整数。
[0069]
进一步地，所述的通信方法，还包括：
[0070]
当线程池内存在预设时间内始终处于空闲状态的线程时，移除始终处于空闲状态的线程。
[0071]
进一步地，所述的通信方法还包括：当线程池内空闲线程不足时，增设预设数量空闲线程。
[0072]
具体地，根据threadpool方法预先创建线程，在还没有任务需要处理之前，线程池就事先创建一定数量的线程，然后将这些线程放入空闲队列中等待后续调用。这些处于空闲状态的线程都是处于睡眠状态，并不消耗cpu，只是占有很小的内存空间。当接收到调取任务请求之后，缓冲池会给每次请求都从空闲队列中分配一个空闲线程，把请求传入此线程中运行，对请求进行处理。如果事先创建的空闲线程都处于运行状态，即预制线程不够，线程池也可以自由创建一定数量的新线程，用于处理更多的请求。当系统比较闲的时候，也可以通过移除一部分一直处于停用状态的线程。其中threadpool 的执行流程分如下几个步骤：
[0073]
步骤一：创建若干线程，放入线程池；
[0074]
步骤二：任务达到时，从线程池取空闲线程；
[0075]
步骤三：取得了空闲线程，立即进行任务处理；
[0076]
步骤四：否则新建一个线程，并置入线程池，执行步骤三；
[0077]
步骤五：如果创建失败或者线程池已满，根据设计策略选择返回错误或将任务置入处理队列，等待处理；
[0078]
步骤六：销毁线程池。
[0079]
具体地，所述通信模块包括hplc通信模块、bluetooth通信模块、rf 射频通信模块、4g/5g通信模块、ethan网模块或mbus总线模块。
[0080]
进一步地，所述的通信方法，还包括：
[0081]
获取业务应用app发送的满足ipv6协议的命令信息，所述命令信息中包含设备ip；
[0082]
根据设备ip确定设备id及对应的设备通信类型，将命令信息转换成满足设备通信类型的数据帧发送给对应设备；
[0083]
采集设备根据所述命令信息发送的原始数据；
[0084]
根据原始数据中包含的设备id确定协议解析程序，并根据确定的协议解析程序对所述原始数据进行解析得到通信数据；
[0085]
将设备id及确定的通信数据生成满足ipv6协议的数据帧发送给业务应用app，以使业务应用app基于设备ip库和设备id获取通信数据。
[0086]
具体地，所述业务应用app包括专变采集app、集中抄表app、充电桩有序充电调度app、能效检测app、四表集抄app、光伏检测app或非侵入式检测app中的至少一种。
[0087]
本发明提供了一种电力物联网ip化融合终端，用于执行上述任一项所述的通信方法。
[0088]
本发明终端实施例与方法实施例对应，具体描述及效果参见方法实施例，在此不再赘述。
[0089]
本发明还提供了一种电力物联网系统，包括云平台、上述的电力物联网 ip化融合
终端和设备，所述设备包括电力设备和传感设备。
[0090]
以下为本发明的一个具体实施例：
[0091]
本实施例提供一种电力物联网ip化融合终端，该终端采用硬件平台化、软件app化的设计方案，将终端软硬件解耦合，以提高终端的适应性和使用寿命，同时减少现场维护成本。电力物联网ip化融合终端系统逻辑架构分为底层-模组化硬件平台、中间层-嵌入式linux操作系统、顶层-业务应用app 三层结构，具体如下图2所示。
[0092]
1.底层-模组化硬件平台
[0093]
电力物联网ip化融合终端作为电力设备和云平台主站的桥梁，具备汇聚处理大量数据的能力，支持多种异构通信网络接入，包括长距离无线网络、短距无线传感网络、短距离有线总线网络。可完成不同电力设备及传感设备接入，实现数据处理与通信。硬件平台主要包括主控cpu模块、存储模块包括rom和ram、触控显示lcd模块、电源模块ad/dc，数据通信总线模块包括 can总线、usart、usb总线、spi总线等。
[0094]
硬件平台具有2路rs485总线接口和3个通用通信接口，可接入hplc(宽带电力线载波)通信模块、bluetooth(蓝牙)通信模块、rf射频通信模块、 4g/5g(无线蜂窝网络)通信模块、ethan网模块、mbus总线模块等。每个通信模块接口具有相对独立性、互换性、通用性、即插即用四大特性。
[0095]
2.中间层-嵌入式linux操作系统
[0096]
电力物联网ip化融合终端基于嵌入式linux操作系统设计，操作系统从功能划分，可划分三层结构：硬件驱动层、通用系统管理层和动态数据处理层。
[0097]
硬件驱动层为linux操作系统平台结构最底层，用于初始化硬件设备, 建立内存空间映射图,将系统软硬件环境调整到合适状态，为通用系统管理层的加载奠定良好的环境基础，整个系统的加载任务都需要通过硬件驱动层来完成。主要包括串口管理、时钟管理、总线管理、电源管理、显示管理以及外设模块驱动管理。
[0098]
通用系统管理层是系统平台linux系统内核部分,主要包括进程管理、内存管理、中断管理、网络管理、存储管理、内核模块管理、系统调用、进程间通信等机制,保证系统稳定安全的运行。
[0099]
动态数据处理层是电力物联网ip化网关的核心部分，通过linux动态共享协议库(设备通信协议共享库)与threadpool方法，以实现多类同时电力设备并发接入时，多种电力物联传感网络接入、数据读取以及协议解析转换。本部分主要包括多协议数据并发采集模块、电力物联网通信协议共享库模块、原始数据处理分析模块、标准化数据处理模块、数据输出模块、数据库管理模块。linux动态共享协议库管理包括对dl/t 634.5 101、dl/t 634.5 104、 dl/t 645-2007、dl/t 698.44-2017、dl/t 698.45-2017、q/gdw 1376.1-2013、 q/gdw 1376.2-2013、modbus、ipv6/ipv4、6lowpan、coap、mqtt等协议栈的管理。
[0100]
动态数据处理层首先通过多协议数据并发采集模块完成不同电力设备通信网络感知接入；然后原始数据处理分析模块结合电力物联网通信协议共享库模块，将采集到的电力设备传输报文进行协议解析，进而将报文传输的数据提取、压缩以及相关的映射关系处理，原始数据处理分析模块可以保证在面对不同的电力设备及传感器的数据时，能及时解析出该数据来自于哪种设备；接着标准化数据处理模块对提取出来的原始数据进行标准化处理，根据通用数据规则将原始数据转换成可读标准化数据；最后数据输出模块将标准
化数据传输给业务应用app或组成标准ipv6协议帧上传至相应的主站平台。
[0101]
3.顶层-业务业务应用app层
[0102]
电力物联网ip化融合终端采用docker容器技术，通过linux系统构建应用管理器。应用管理器主要用于业务app运行、维护、升级以及安全管理。业务app根据不同接入电力设备分类安装在相关容器中。电力物联网ip化融合终端源生业务app包括专变采集app、集中抄表app、充电桩有序充电调度app、能效检测app。后续可根据不同业务需求，安装新的app，如四表集抄 app、光伏检测app、非侵入式检测app等。
[0103]
电力物联网ip化融合通信系统架构如图4所示，主要由3+2结构组成。 3代表三层物理设备：接入的多种电力设备、电力物联网融合终端以及云平台主站，2代表两层网络：设备感知层网络和数据传输层网络。
[0104]
电力物联网ip化融合通信系统具体运行方式，包括：
[0105]
步骤一：云平台主站需要获取相关电力设备运行数据时，将查询命令以 ipv6协议数据格式形成，并通过无线公网(4g/5g)/无线专网(lte-230m)/ 有线光纤网络发送至电力物联网ip化融合终端中；
[0106]
步骤二：融合终端接到云平台下发的命令后，将ipv6协议帧进行协议解析；
[0107]
步骤三：从已解析的数据帧中提取相关电力设备的ip地址和所需执行的命令标识；
[0108]
步骤四：融合终端基于linux动态共享协议库通过linux动态数据处理，为不同的设备终端解析出查询命并完成转发命令的数据帧组成，这其中可分为两种情况：
[0109]
情况1：目标设备不具备ipv6通信能力，按照目标设备所支持的通信协议组成数据帧(如智能电能表主要支持dl/t 645规约和dl/t 698协议)；
[0110]
情况2：目标设备具备ipv6通信能，将数据采集命令压根据6lowpan协议进行压缩，组成数据帧；
[0111]
步骤五：根据目标设备所支持的通信方式，(如通过hplc与智能电能表通信)，将步骤4数据帧发送至目标电力设备，等待目标电力设备响应；
[0112]
步骤六：将接收到的电力设备返回数据帧进行解析，提取设备id和具体数据；
[0113]
步骤七：将提取到的数据和id以ipv6协议组成数据帧并上传至与平台主站。
[0114]
linux动态共享协议库的方法可以在电力物联网ip化融合终端面对接入的感知网络时，采用动态的模块可加载的方案，对各个电力设备通信协议独立适配，提取出有效数据，从而完成多种电力物联传感网络在融合终端的接入。
[0115]
linux动态共享协议库具体实现步骤：
[0116]
步骤一：linux操作系统中包含有电力物联网的协议栈模块集合。其中有些协议栈模块为linux基本协议栈程序，如modbus、ipv6/ipv4、6lowpan、 coap、mqtt协议等，仅需要直接安装协议栈程序即可；而电力通信网络使用的dl/t 634.5 101、dl/t 634.5 104、dl/t 645-2007、dl/t 698.44-2017、 dl/t 698.45-2017、q/gdw 1376.1-2013、q/gdw 1376.2-2013等依据协议编写协议栈程序。
[0117]
步骤二：根据各种通信协议的驱动程序，编写各个电力物联传感网络接入程序，即协议解析程序，用作linux动态共享协议库模块。例如通过hplc 连接的用电信息采集网络要想获得数据可通过dl/t698.45协议解析函数将该的数据读出来。每个电力物联传感网络
对应一个接入程序以获得该感知网络的数据。对于这些接入程序可以在linux操作系统下全部编译进动态共享协议库中，形成共享库文件，供并发通信模块调用。
[0118]
因此，只需要在该电力物联感知网络接入时调用对应的接入程序，即可读取该电力物联感知网络的数据，这不仅减少了内存占用，而且实现了对多种通信协议网络的灵活接入。
[0119]
协议解析和转换是电力物联网ip化融合终端的核心功能。协议栈一般是指协议或者协议族的程序实现，协议栈内部包含协议的解析、报文表示等功能，还包含了协议状态机的程序。在外部，协议桟一般提供了应用编程接口 (api)，对于基于该协议的应用程序就可以使用来完成编程工作。下面以 hplc到以太网的协议转换流程为例，对不同电力物联传感网络协议解析和转换进行分析。智能电能表利用hplc接入ip化融合终端，通信协议为 dl/t698.45，ip化融合终端将dl/t698.45协议解析，提取数据信息并分配智能电能表一个ip地址，然后转化为标准化ipv6协议，最后将通过以太网将智能电能表数据发送至云平台主站。具体协议转换流程图如图4所示。hplc 串口和以太网口初始化后建立网络连接，各自创建监听线程并监听数据，当接收到数据时，读取数据并将数据发送给对方。
[0120]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。