一种基于配电网设备自描述和互操作的节点智联方法及系统与流程

1.本发明涉及智能电网技术领域，更具体地涉及一种基于配电网设备自描述和互操作的节点智联方法及系统。


背景技术：

2.随着智能电网建设的不断推进，依据智能电网建设的发展需求，针对配电网的运行特点，通过把传统配电网技术与物联网技术融合，产生了一种新型电力网络形态——配电物联网。相对于传统物联网，新型配电物联网的突出了“协作”。对于配电物联网，协作的定义分类有很多种：在基于参与协作的对象角度上，协作包括配电物联网中低压设备之间的互操作、中低压设备和计算云端之间的协作；在基于实现协作的方式上，协作包括操作指令的一致可交互性、数据存储的协调和管理、计算任务的分配和调度、通信带宽资源及功率的重用和分配；在基于完成协作的层次上，协作可以分为边缘端协作、云端协作和云边协同。
3.实现协作的基础是需要配电物联网的中低压设备能够实现自描述并参与相互间的操作，但是现有配电物联网的中低压设备由于设备生产商和产品型号的差异，往往采用不同的业务数据封装方式、软硬件接口的设计规范，极大地增加了物联网中低压设备连接交互的难度。现有的节点智联算法只作用于设备模组的物理层通信协议是同构性下，即设备由同一家产商生产，设备运行在同一种通信协议上，造成了在异构网络中，设备模组的物理层通信协议的异构性。低压设备通信协议的异构性为非同源节点、非同态节点的互通信增加了障碍。由于非同源节点具有的较大差异，导致物联网中低压设备难以互联互通。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种基于配电网设备自描述和互操作的节点智联方法及系统，能够实现配电网中低压设备的互操作以及非同源设备节点之间的交互操作和数据共享。
5.本发明提供一种基于配电网设备自描述和互操作的节点智联方法，包括：
6.步骤s1，将预定中低压设备接入配电网后，构建网络拓扑，并检测所述预定中低压设备的通信信号在传输过程中是否发生失真，若发生失真，则进入步骤s2；若没有发生失真，则所述预定中低压设备节点通过握手协议与所述网络拓扑中的第一剩余中低压设备节点以及配电网主站建立连接，进入步骤s3；
7.步骤s2，判断所述预定中低压设备的通信信号在传输时的链路延迟是否达到实时性要求，若没有达到，则进入步骤s3；若达到，则向目标中低压设备节点发送网络节点状态信息表，进入步骤s4；
8.步骤s3，向所述目标中低压设备节点发送第二剩余中低压设备节点的名片文件；
9.步骤s4，所述配电网主站登记所述第二剩余中低压设备节点的名片文件，并根据名片文件的时间戳更新所述第二剩余中低压设备节点的网络状态信息表；
10.步骤s5，根据所述目标中低压设备节点的通信状态和所述第二剩余中低压设备节点的网络状态信息表，所述目标中低压设备节点与所述第二剩余中低压设备节点进行交互协同；
11.步骤s6，若有新增的预定中低压设备继续接入配电网，则重复上述步骤s2～步骤s5。
12.进一步地，所述步骤s1中构建网络拓扑的方法包括：步骤s11，检测所述第一剩余中低压设备的通信状况，通过广播和扫描所述第一剩余中低压设备的通信地址信息构建网络拓扑。
13.进一步地，所述步骤s1中检测所述预定中低压设备的通信信号在传输过程中是否发生失真，包括：
14.步骤s12，根据所述预定中低压设备与所述第一剩余中低压设备之间的距离，计算所述预定中低压设备的通信信号的能量衰减；
15.步骤s13，判断所述能量衰减是否符合中低压设备的通信要求，若符合，则没有发生失真；若不符合，则发生失真。
16.优选地，所述握手协议采用tcp三次握手协议。
17.进一步地，所述步骤s5包括：
18.步骤s51，判断所述目标中低压设备节点是否请求至少一个第二剩余中低压设备节点的本地传感器数据，若是，则采集所述本地传感器数据并推送至所述目标中低压设备节点；若否，则进入步骤s52；
19.步骤s52，判断所述第二剩余中低压设备节点的本地传感器数据是否发生变化，若是，则将发生变化的本地传感器数据推送至所述目标中低压设备节点；若否，则进入步骤s53；
20.步骤s53，判断所述目标中低压设备节点是否接收到所述第二剩余中低压设备节点的指令，若是，则执行指令的动作，并更新所述目标中低压设备节点的名片文件和网络状态信息表；若否，则返回至步骤s51。
21.本发明还提供一种基于配电网设备自描述和互操作的节点智联系统，包括依次连接的环境节点探测模块、身份信息识别模块以及交互协同操作模块；其中，
22.所述环境节点探测模块设置为：预定中低压设备接入配电网后，构建网络拓扑，并检测所述预定中低压设备的通信信号在传输过程中是否发生失真，若发生失真，则进入所述身份信息识别模块；若没有发生失真，则所述预定中低压设备节点通过握手协议与网络拓扑中的第一剩余中低压设备节点以及配电网主站建立连接；
23.所述身份信息识别模块设置为：若所述预定中低压设备的通信信号在传输过程中发生失真，则判断所述预定中低压设备的通信信号在传输时的链路延迟是否达到实时性要求，若没有达到，则向所述目标中低压设备节点发送第二剩余中低压设备节点的名片文件；若达到，则向所述目标中低压设备节点发送网络状态信息表；然后配电网主站登记所述第二剩余中低压设备节点的名片文件，并根据名片文件的时间戳更新所述第二剩余中低压设备节点的网络状态信息表。
24.所述交互协同操作模块设置为：判断所述目标中低压设备节点是否请求至少一个第二剩余中低压设备节点的本地传感器数据，若是，则采集所述本地传感器数据并推送至
所述目标中低压设备节点；若否，则判所述断第二剩余中低压设备节点的本地传感器数据是否发生变化，若是，则将发生变化的本地传感器数据推送至所述目标中低压设备节点；若否，则判断所述目标中低压设备节点是否接收到所述第二剩余中低压设备节点的指令，若是，则执行指令的动作，并更新所述目标中低压设备节点的名片文件和网络状态信息表；若否，则继续判断所述目标中低压设备节点是否请求至少一个第二剩余中低压设备节点的本地传感器数据。
25.本发明提供的一种基于配电网设备自描述和互操作的节点智联方法及系统，在中低压设备自描述功能的支持下，实现了中低压设备的互操作，以及非同源设备节点之间的交互操作和数据共享，为中低压设备接入配电网的即插即用和数据协作奠定了基础。并且，本发明提升了中低压设备的接入效率，实现了更加灵活智能的协作化配电物联网。
附图说明
26.图1是按照本发明的基于配电网设备自描述和互操作的节点智联方法的流程图。
具体实施方式
27.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
28.如图1所示，本发明提供的基于配电网设备自描述和互操作的节点智联方法，包括以下步骤：
29.步骤s1，将预定中低压设备接入配电网后，构建网络拓扑，并检测预定中低压设备的通信信号在传输过程中是否发生失真，若发生失真，则进入步骤s2；若没有发生失真，则预定中低压设备节点通过握手协议与网络拓扑中的第一剩余中低压设备节点以及配电网主站建立连接，进入步骤s3。其中，第一剩余中低压设备节点是指除新加入配电网的预定中低压设备以外的节点。
30.上述构建网络拓扑的方法包括：步骤s11，检测配电网环境中第一剩余中低压设备的通信状况，通过广播和扫描第一剩余中低压设备的通信地址信息构建网络拓扑。
31.上述检测预定中低压设备的通信信号在传输过程中是否发生失真，包括以下步骤：
32.步骤s12，由于通信信号会随着中低压设备之间距离的增大而衰减增大，因此根据预定中低压设备与其余中低压设备之间的距离，计算预定中低压设备的通信信号的能量衰减。
33.预定中低压设备的通信信号的能量衰减按照下式计算：
[0034][0035]
式中，a0、a1、k为衰减参数，l为预定中低压设备与第一剩余中低压设备之间的传输距离，f为目标中低压设备的通信信号的频率，e为自然常数。可设置经验值a0＝0,a1＝7.8
×
10-10
s/m,k＝1。
[0036]
步骤s13，判断预定中低压设备的通信信号的能量衰减是否符合中低压设备的通信要求，若符合，则没有发生失真；若不符合，则发生失真。
[0037]
通过判断通信信号在传输过程中是否发生失真，以采取对应的处理，能够避免造
成通信上的错误。
[0038]
在本实施例中，握手协议采用tcp(transmission control protocol)三次握手协议。基于tcp协议建立连接的原理和过程如下：tcp报文包括两个标志位：1)syn标志位，表示同步序号，用于建立连接过程；2)ack标志位，用于确认序号标志，为1时表示确认号有效，为0时表示报文中没有确认信息，确认号无效。第一次握手是指：当预定中低压设备作为客服端需要建立连接时，发送syn包(seq＝x，seq表示序号)到配电网主站的服务器，然后客户端进入syn_send状态，代表已经发送syn包，并且在等待配电网主站的服务器确认。此时ack＝0，syn＝1，这时候由于才第一次握手，所以没有ack标志。第二次握手是指：配电网主站的服务器收到syn包后进行确认，然后服务器也会向客户端发送syn包，即服务器会发送syn+ack包，来表示服务器确认收到了客户端的一次握手并且二次握手建立，此时服务器进入syn_recv状态。此时syn＝1，ack＝1，这时候由于是第二次握手，所以存在一个服务器给客户端的确认标志。第三次握手是指：客户端收到服务器的syn+ack包后，向服务器发送确认包ack和syn，该确认包发送完毕后，客户端和服务器进入established(建立)状态，完成三次握手，而后可以在服务端和客户端之间传输数据。此时syn标志位不再需要，因为当发送ack标志位时，就代表三次握手成功，已经建立连接。
[0039]
步骤s2，判断预定中低压设备的通信信号在传输时的链路延迟是否达到实时性要求，若没有达到，则进入步骤s3；若达到，则向目标中低压设备节点发送网络节点状态信息表，进入步骤s4。其中，网络拓扑中的每个中低压设备节点均存储一张网络节点状态信息表，网络节点状态信息表中存储的内容为：将各节点通信所需的源地址、目的地址、校验位、数据包长度、节点设备类别、节点优先级和节点支持的功能操作信息等字段按照一定顺序封装为类或者结构体形式的数据集合。
[0040]
需要说明的是，对于预定中低压设备节点，如果该节点未获取到网络状态信息表，则在与其余中低压设备节点通信时，从其余中低压设备节点获取网络状态信息并做缓存，同时根据名片文件的时间戳更新。
[0041]
步骤s3，向目标中低压设备节点发送第二剩余中低压设备节点的名片文件。其中，目标中低压设备节点是指接收/请求本地传感器数据或接收指令的节点，第二剩余中低压设备节点是指配电网中除目标中低压设备节点之外的节点。
[0042]
本发明利用名片文件对中低压设备的信息进行格式化规范描述，以实现中低压配电网设备的设备画像分析、指标统计功能，对中低压配电网设备的运行特性以及健康状态进行准确、全面地评估，形成多类信息融合，实现全过程运行数据标签化分析，达到设备自描述的目的。非同源的中低压设备节点可以将自身的状态信息和功能操作指令记录到一个表示设备自身身份信息的名片文件里，通过名片文件在配电网中的分发和交互，完成各节点之间的相互识别和信息交换，每个名片文件的信息由网络节点状态信息表进行记录。
[0043]
构建配电网中低压设备的名片文件的步骤包括：
[0044]
步骤s31，获取中低压设备所采集信息的类别、命名和语义描述的规范，定义不同的逻辑节点以对中低压设备的状态、电量、告警、开关位置、异常等信息进行建模，构建得到中低压设备信息模型。
[0045]
步骤s32，根据中低压设备信息模型，对配电网协议进行扩展建模，建立配电网主站与中低压设备、以及各中低压设备之间的关联关系。
[0046]
步骤s33，基于相关标准的建模方法和模型扩展原则，建立适用于配电网的模型语义集和模型模式规范。
[0047]
步骤s34，根据上述模型语义集和模型模式规范，建立节点名片，并根据每个名片文件的时间戳设置定时，定期进行更新。
[0048]
为了规范化非同源设备信息交互、高效传输业务数据，需要设计标准化数据格式封装的名片文件。通过参考iec 61850-7规范的数据模型、服务以及建模方法，采用分层的、面向对象的方法来对智能中低压配电网设备进行统一建模，包括：物理设备建模、服务器建模、逻辑设备建模、逻辑节点建模等。针对中低压设备在配电网系统中的功能，按照iec61850标准模型扩展准则对其相应的模型进行扩展定义，为实现中低压配电网设备的自描述功能提供基础模型支撑。表1提供了名片文件设计样例：表1名片文件设计样例
[0049]
表1包括可替代字段，中低压设备根据自身的功能指令对其进行替换。通常情况下，一个设备支持的功能指令个数有限(5～15)，因此名片文件通常的大小为50～100bytes。功能指令字段也可根据配电网业务特点进行自定义，例如将功能更改为记录状态、电量、告警、开关位置、异常等信息。
[0050]
步骤s4，配电网主站登记第二剩余中低压设备节点的名片文件，并根据名片文件的时间戳更新第二剩余中低压设备节点的网络状态信息表。
[0051]
通过上述步骤，本发明能够实现中低压配电网设备的在线报文调试、在线管理、后台维护以及运行状态查询等功能，提升中低压设备的接入效率，实现中低压配电网设备从测试接入到设备运行管理的全节点可观可测。
[0052]
步骤s5，根据目标中低压设备节点的通信状态和第二剩余中低压设备节点的网络状态信息表，目标中低压设备节点与第二剩余中低压设备节点进行交互协同。
[0053]
具体地，步骤s5包括：
[0054]
步骤s51，判断目标中低压设备节点是否请求至少一个第二剩余中低压设备节点的本地传感器(为配电网常用的传感器)数据，若是，则采集本地传感器数据并推送至目标中低压设备节点；若否，则进入步骤s52。
[0055]
步骤s52，判断第二剩余中低压设备节点的本地传感器数据是否发生变化，若是，则将发生变化的本地传感器数据推送至目标中低压设备节点，以发送设备功能指令、执行目标动作；若否，则进入步骤s53。
[0056]
步骤s53，判断目标中低压设备节点是否接收到第二剩余中低压设备节点的指令，若是，则执行指令的动作，并更新目标中低压设备节点的名片文件和网络状态信息表；若否，则返回至步骤s51。
[0057]
上述步骤s51-步骤s53可理解为：数据处理策略分为主动推送和被动请求两种数据交互的方式，同时面向数据和指令两种对象。即，当配电网中的一个中低压设备节点需要某个中低压设备节点的本地传感器数据时，被请求数据的中低压设备节点的传感器就会将采集的数据解析并发送到需要该数据的中低压设备节点；若没有中低压设备节点向其他中低压设备节点请求数据，则采取主动推送方式，在本地传感器数据发生变化时，将数据推送
至目标中低压设备节点；在本地传感器数据未发生变化时，判断配电网中的一个中低压设备节点是否收到其他中低压设备节点发出的动作指令，若有，则接收到动作指令的中低压设备节点执行动作，若没有，则回到是否有中低压设备节点请求数据的步骤，执行循环判断。并且，每次配电网中的中低压设备节点完成动作后，更新该中低压设备节点的名片文件和网络状态信息表。
[0058]
另外，本发明还包括步骤s6，若仍有新增的预定中低压设备继续接入配电网，则重复上述步骤s2-步骤s5，以实现配电网中低压设备的缺陷管理功能(缺陷指的是本地传感器数据异常，说明传感器所对应的中低压设备存在缺陷，需要对其进行检修维护)，协助业务人员及时准确地发现中低压设备的缺陷，实现全流程线上业务流转，提升配电网工作效率。
[0059]
采用本发明的方法，可使得中低压设备接入配电网时，与配电网主站建立连接后，首先进行通信环境的初始化，即中低压设备的入网初始化。在初始化过程中，中低压设备将设备自描述信息及设备具备的服务能力等相关信息传送至主站，配电网主站可以在中低压设备所支持的功能项目内选择自身所需要的功能。初始化过程结束后，中低压设备和主站通过交互各个节点的状态信息，然后配电主站根据中低压设备自描述文件信息对配电主站系统进行更新，即可实现中低压设备的即插即用功能。
[0060]
另外，在通信过程中，配电网主站也可与中低压设备进行交互。同时考虑到配电网主站的需求，当有中低压设备由于本身发生故障或者一次设备异动需要退出配电自动化系统时，配电网主站能够及时发现该中低压设备，并根据情况更新配电网拓扑信息，发送给所有的中低压设备，形成中低压设备的退出机制，适应配电网改造、扩容及日常维护需求，实现闭环控制。
[0061]
本发明还提供一种基于配电网设备自描述和互操作的节点智联系统，该系统包括依次连接的环境节点探测模块、身份信息识别模块以及交互协同操作模块。在环境节点探测模块中，实现配电网中低压设备节点的连接，建立节点上下线和故障节点上下线。完成环境节点探测后，对插入到配电网中的中低压设备进行身份识别。在身份识别模块中，对中低压设备节点的信息通过格式化的自描述，来完成节点信息的交换和节点的信息识别。完成前两个阶段的连接后，接入配电网的中低压设备才能通过节点之间的数据共享进行交互协同操作，进而实现中低压配电网设备自动识别、即插即用和数据传输服务的安全、稳定、可靠。
[0062]
具体来说，环境节点探测模块设置为：预定中低压设备接入配电网后，构建网络拓扑，并检测预定中低压设备的通信信号在传输过程中是否发生失真，若发生失真，则进入身份信息识别模块；若没有发生失真，则预定中低压设备节点通过握手协议与网络拓扑中的第一剩余中低压设备节点以及配电网主站建立连接。
[0063]
身份信息识别模块设置为：若预定中低压设备的通信信号在传输过程中发生失真，则判断预定中低压设备的通信信号在传输时的链路延迟是否达到实时性要求，若没有达到，则向目标中低压设备节点发送第二剩余中低压设备节点的名片文件；若达到，则向目标中低压设备节点发送网络状态信息表；然后配电网主站登记第二剩余中低压设备节点的名片文件，并根据名片文件的时间戳更新第二剩余中低压设备节点的网络状态信息表。
[0064]
交互协同操作模块设置为：判断目标中低压设备节点是否请求至少一个第二剩余中低压设备节点的本地传感器数据，若是，则采集本地传感器数据并推送至目标中低压设
备节点；若否，则判断第二剩余中低压设备节点的本地传感器数据是否发生变化，若是，则将发生变化的本地传感器数据推送至目标中低压设备节点，以发送设备功能指令、执行目标动作；若否，则判断目标中低压设备节点是否接收到第二剩余中低压设备节点的指令，若是，则执行指令的动作，并更新目标中低压设备节点的名片文件和网络状态信息表；若否，则继续判断目标中低压设备节点是否请求至少一个第二剩余中低压设备节点的本地传感器数据。
[0065]
当有新增的中低压设备继续接入配电网，则重复执行身份信息识别模块和交互协同操作模块。
[0066]
本发明具有以下有益效果：
[0067]
1)消除配电网中低压设备型号及硬件接口不一致的限制，实现非同源设备节点之间的交互操作和数据共享，在配电网中低压设备自描述功能的支持下，实现中低压设备的互操作，通过建立标准化的中低压设备自描述信息的节点名片，为中低压设备接入配电网的即插即用技术奠定基础；
[0068]
2)基于配电网中低压设备的自描述功能，利用设备自描述文件结构，提升配电网中低压设备的接入效率，通过协作化节点智联流程实现配电网系统数据的智能化采集获取、传输交互，实现更加灵活智能的协作化配电物联网。
[0069]
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。