CN105162253A - 一种一次设备智能化无线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一次设备智能化无线通信系统，包括过程层智能终端、一次设备开关智能模块和一次设备刀闸智能模块，一次设备开关智能模块包括开关控制器及与开关控制器连接的开关监控单元、光通信单元和子网控制单元，一次设备刀闸智能模块包括刀闸控制器及与刀闸控制器连接的终端设备单元和刀闸监控单元，子网控制单元与终端设备单元之间组网连接，开关智能模块利用光通信单元实现与过程层智能终端的光纤连接。本发明的通信系统解决了目前智能变电站开关、刀闸等一次设备与二次设备之间采用大量的电缆接线而导致的安装、调试过程复杂的问题，并且降低了系统成本，减少了现场接线和调试的工作量，实现真正的一次设备智能化。
Description
技术领域
本发明属于电力一次设备智能化技术，主要面向电力系统智能变电站领域，具体涉及一种一次设备智能化无线通信系统。
背景技术
随着智能电网建设的深入开展，智能变电站技术得到了快速推广应用。智能变电站采用光纤以太网实现了间隔层设备和过程层设备间通信，但是过程层智能终端与一次设备之间仍采用电缆连接。由于现场开关、刀闸等一次设备和二次设备(智能终端)之间采用电缆接线，尚未实现真正的一次设备智能化，不能满足新一代智能变电站建设的要求。
智能变电站的就地汇控柜中，一次设备和智能终端之间仍有大量电缆接线，不仅现场安装、调试复杂，而且存在严重的安全隐患。
发明内容
本发明提出了一种一次设备智能化无线通信系统，旨在解决目前智能变电站开关、刀闸等一次设备与二次设备之间采用大量的电缆接线而导致的安装、调试过程复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明的一次设备智能化无线通信系统包括过程层智能终端、一次设备开关智能模块和一次设备刀闸智能模块，所述一次设备开关智能模块包括开关控制器及与开关控制器连接的开关监控单元、光通信单元和子网控制单元，所述一次设备刀闸智能模块包括刀闸控制器及与刀闸控制器连接的终端设备单元和刀闸监控单元，所述子网控制单元与终端设备单元之间组网连接，所述开关智能模块利用光通信单元实现与过程层智能终端的光纤连接。
所述一次设备开关智能模块与刀闸智能模块之间基于ISO/IEC14543-3-10标准的无线通信技术实现组网连接，具体通信过程为：在应用层进行数据组包及校验码计算后，所有数据在网络层实现数据转换及转发，然后数据链路层对数据进行组包和校验码计算，最后将报文交给物理层进行编码和调制后传输。
数据链路层对数据进行组包和校验码计算后，在数据包发送时采用“发前侦听”和重发机制将报文发送至物理层。
所述开关智能模块与刀闸只模块在无线通信过程中采用信息安全加密算法实现信息安全传输。
所述信息安全加密算法为RSA算法，开关智能模块采用私钥签名、加密，刀闸智能模块采用公钥解密、验签。
所述开关智能模块和刀闸智能模块还包括用于为开关智能模块和刀闸智能模块供电的备用电源。
所述开关智能模块和刀闸智能模块还包括时钟元件。
所述开关智能模块和刀闸智能模块还包括复位元件。
所述刀闸智能模块与开关智能模块之间通过信号中继单元通信连接。
本发明的一次设备智能化无线通信系统在一次设备开关处设置开关智能模块，在一次设备刀闸处设置刀闸智能模块，开关智能模块与刀闸智能模块通过无线组网连接，实现二者之间的数据交互，然后开关智能模块通过光纤将一次设备信息发送至智能终端中，从而解决了目前智能变电站开关、刀闸等一次设备与二次设备之间采用大量的电缆接线而导致的安装、调试过程复杂的问题，并且降低了系统成本，减少了现场接线和调试的工作量，实现真正的一次设备智能化，对智能变电站的发展起到关键的支撑作用，在智能变电站中快速得到推广应用。
采用基于ISO/IEC14543-3-10标准的低功耗无线技术通过开关智能模块实现二次装置与一次设备之间的连接，具有抗干扰能力强、功耗最低、传输距离远、安全可靠、无需电源等优点。
采用一次设备监测和控制的高可靠通信方法和容错算法，保障了无线通讯的可靠性，同时采用了安全加密算法保障了安全性。
附图说明
图1为一次设备与智能终端无线通信实现架构图；
图2为开关智能模块与刀闸智能模块之间的无线通信交互实施方式示意图；
图3为基于ISO/IEC14543-3-10的一次设备智能模块无线通信示意图；
图4通讯流程原理图；
图5无线通信加密模块流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明：
本实施例的一次设备智能化无线通信系统，包括过程层智能终端、一次设备开关智能模块和一次设备刀闸智能模块，一次设备开关智能模块和一次设备刀闸智能模块之间组网连接，开关智能模块利用光通信单元实现与过程层智能终端的光纤连接。
开关智能模块的内部结构如图1所示，开关智能模块位于一次设备开关处，包括开关控制器、开关监控单元、子网控制单元和光通信单元，其中，开开关监控单元、子网控制单元和光通信单元分别与开关控制器连接。
开关控制器是开关智能模块的核心，实现开关设备在线监测数据的处理、开关状态的采集和控制、无线通讯等功能。开关智能模块的开关控制器还具有与智能终端通讯、子网控制的功能；子网控制单元的硬件设施包括射频元件和天线元件，用于实现智能模块的无线通讯。另外开关智能模块还作为原始父节点，刀闸智能模块作为子节点，形成树形拓扑结构。开关智能模块直接完成对开关设备的监测和控制，其内部的子网控制单元负责对子网内刀闸设备的综合管理以及子网内刀闸设备与外部控制中心的数据交换。
开关监控单元实现开关设备的开关状态和控制，同时具有防跳回路等功能，并实现开关设备状态的监测，包括气体含量、温度、操作电流、操作次数等信息。
开关智能模块还包括电源元件、时钟元件和复位元件。其中，电源元件用于为开关智能模块供电，时钟元件为开关控制器提供晶振信号，复位元件负责开关控制器的复位功能。
刀闸智能模块的内部结构如图1所示，其位于一次设备刀闸处，刀闸智能模块与开关智能模块的内部结构基本相同，包括刀闸控制器元件、刀闸监控单元、终端设备单元，其中，刀闸监控单元和终端设备单元分别与控制器元件连接。
刀闸控制器元件是刀闸智能模块的核心，实现刀闸设备在线监测数据的处理、刀闸状态的采集和控制、无线通讯等功能；终端设备单元具有射频元件和天线元件等硬件设施，用于实现刀闸智能模块的无线通讯功能；刀闸监控单元用于实现刀闸设备的开关状态和控制，同时具有防跳回路等功能，并实现刀闸设备状态的监测，包括温度、操作电流、操作次数等信息。
刀闸智能模块还包括电源元件、时钟元件和复位元件。其中，电源元件用于为刀闸智能模块供电，时钟元件为刀闸控制器元件提供晶振信号，复位元件负责刀闸控制器的复位功能。
如图1所示，本实施例中的刀闸智能模块与刀闸设备的操作及控制回路之间采用电缆内部连接，操作箱及防跳回路等功能均可在开关智能模块上实现，从而实现对一次设备的监测和控制，并与一次设备一体化配置，实现一次设备的智能化，降低二次设备(智能终端)的复杂度。开关智能模块与二次装置智能终端之间通过光纤连接，保障开关监测及控制的可靠性，开关智能模块与刀闸智能模块之间通过无线组网连接，并同时实现联锁控制的功能；每个间隔的监测控制信息由智能终端进行汇总与分配，并于上层的保护测控设备进行通信。
二次设备与一次设备之间通过开关智能模块采用无线技术实现通信交互，如图2所示，每个开关智能模块可与多个刀闸智能模块进行组网通讯，开关智能模块实现就地一体化安装配置，开关智能模块上还配有子网控制单元，其作为原始父节点，刀闸智能模块作为子节点，形成树形拓扑结构。开关智能模块直接完成对开关设备的监测和控制，其内部的子网控制单元负责对子网内刀闸设备的综合管理以及子网内刀闸设备与外部控制中心的数据交换，刀闸智能模块接收无线信号，完成对刀闸设备的控制和状态的监视，在通讯范围较大的情况下可增加信号中继单元，对信号范围进行中继。
本实施例中的开关智能模块与刀闸智能模块之间采用基于ISO/IEC14543-3-10标准的无线技术实现组网连接，其架构可分为三层：物理层、数据链路层、网络层。在物理层，本发明采用868MHz频段，ASK调制方法，发射功率符合中国无线电委员会限制要求，无需申请即可使用；数据链路层负责管理子报文时间机制以及数据完整性监测；网络层负责数据包转换、数据包转发及潜在的数据包定向；应用层采用非常精简的协议栈，并采用无握手的通信机制，具有很高的效率；而应用层是由EnOcean联盟来制定的。采用基于ISO/IEC14543-3-10标准的低功耗无线技术，具有较强的抗干扰能力；无线通信速率可达120kbit/s，实时性在毫秒级，现场覆盖通信距离300m；具备自组网和网络容灾的能力。
一次设备的监控对电力系统影响巨大，当发生拒动或误动时会造成重大事故，危及财产和人身安全，所以本实施例采用了多项提高可靠性的方法。
在系统设计方面，采用蓄电池作为后备电源，保证在停电情况下可长时间工作，且蓄电池本身维护工作量少，由于基于ISO/IEC14543-3-10的无线技术与Zigbee、WiFi、Bluetooth等无线技术相比最大的优点就是极低的功耗，可以在1mW的发射功率传输距离超过300米，更增长了智能模块在停电情况下的工作时间；无线通讯采用较低的868MHz频段，与使用2.4GHz的Zigbee等技术相比干扰更少；可增加信号中继单元，以保证在传输距离较远时数据传输的可靠性。
在软硬件设计方面，采用严格精细的降额设计、热设计、电路安全设计以及电磁兼容设计，保证硬件在大电流干扰下的工作稳定性；采用全方位的自检技术，对通讯状态和微控制器本身进行实时状态监视，如发生通讯中断或工作异常即对相应模块或芯片进行复位，保证一次设备监控的正常；开关智能模块要实时轮询各个刀闸智能模块的工作状态，如发生无法连接或工作异常无法恢复要及时上报，保证运维人员对现场设备状态的可知和可控。
在通讯容错性设计方面，为了保证传输的可靠性，除了在应用层和数据链路层对数据进行校验外，还采用直接方式的介质访问协议，在发送时会采用“发前侦听”和重发机制，如图2所示为通讯流程原理图，在应用层组包和计算校验码之后，将所有数据交给网络层进行数据转换并根据目标地址进行转发，之后数据链路层对数据进行组包和校验码计算，并采用“发前侦听”机制，即在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏；另外采用随机重发机制，对一个报文按照特定的时间算法进行复制重发，一般会在40ms内重复发送报文3次，因数据在随机间隔中传递，因此极少产生数据传输冲突的情况；最后将报文交给物理层进行编码和调制，送到信道上进行传输。
本实施例采用的无线通信技术涉及对一次设备的控制，需对无线通信进行安全加密设计，来保障电网的安全稳定运行。在接入认证方面，每个无线通讯模块都具有一个唯一的32位硬件地址，用于在通信过程中的设备识别，并且具备防克隆功能，以此可以防止不法设备的侵入；另外对控制指令使用基于非对称密钥的单向认证加密技术进行安全防护，非对称密钥算法采用RSA算法，开关智能模块采用私钥签名、加密，刀闸智能模块采用公钥解密、验签。开关智能模块通信加密模块流程如图3所示，当判断为控制命令报文时需对原报文进行加密，此时调用RSA算法子函数，生成私钥(n,d)，再调用encode函数对原报文进行加密生成密文即可；其中，RSA的算法如下，其主要涉及三个参数，n、e、d。其中，n是两个大质数p、q的积，n的二进制表示时所占用的位数，就是所谓的密钥长度。e和d是一对相关的值，e可以任意取，但要求e与(p-1)*(q-1)互质；再选择d，要求(d*e)mod((p-1)*(q-1))＝1。(n，e),(n，d)就是密钥对。其中(n，e)为公钥，(n，d)为私钥。RSA加解密的算法完全相同，设A为密文，B为明文，则：A＝B^dmodn；B＝A^emodn。
Claims (9)
1.一种一次设备智能化无线通信系统，其特征在于，包括过程层智能终端、一次设备开关智能模块和一次设备刀闸智能模块，所述一次设备开关智能模块包括开关控制器及与开关控制器连接的开关监控单元、光通信单元和子网控制单元，所述一次设备刀闸智能模块包括刀闸控制器及与刀闸控制器连接的终端设备单元和刀闸监控单元，所述子网控制单元与终端设备单元之间组网连接，所述开关智能模块利用光通信单元实现与过程层智能终端的光纤连接。
2.根据权利要求1所述一次设备智能化无线通信系统，其特征在于，所述一次设备开关智能模块与刀闸智能模块之间基于ISO/IEC14543-3-10标准的无线通信技术实现组网连接，具体通信过程为：在应用层进行数据组包及校验码计算后，所有数据在网络层实现数据转换及转发，然后数据链路层对数据进行组包和校验码计算，最后将报文交给物理层进行编码和调制后传输。
3.根据权利要求2所述一次设备智能化无线通信系统，其特征在于，数据链路层对数据进行组包和校验码计算后，在数据包发送时采用“发前侦听”和重发机制将报文发送至物理层。
4.根据权利要求1所述一次设备智能化无线通信系统，其特征在于，所述开关智能模块与刀闸只模块在无线通信过程中采用信息安全加密算法实现信息安全传输。
5.根据权利要求4所述一次设备智能化无线通信系统，其特征在于，所述信息安全加密算法为RSA算法，开关智能模块采用私钥签名、加密，刀闸智能模块采用公钥解密、验签。
6.根据权利要求1所述一次设备智能化无线通信系统，其特征在于，所述开关智能模块和刀闸智能模块还包括用于为开关智能模块和刀闸智能模块供电的备用电源。
7.根据权利要求1所述一次设备智能化无线通信系统，其特征在于，所述开关智能模块和刀闸智能模块还包括时钟元件。
8.根据权利要求1所述一次设备智能化无线通信系统，其特征在于，所述开关智能模块和刀闸智能模块还包括复位元件。
9.根据权利要求1所述一次设备智能化无线通信系统，其特征在于，所述刀闸智能模块与开关智能模块之间通过信号中继单元通信连接。
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