CN107204921B - 一种应用于变电系统的多通道信息传输方法与系统 - Google Patents

一种应用于变电系统的多通道信息传输方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应用于变电系统的多通道信息传输方法与系统。本申请在变电系统监控的汇聚传输层构建多径信息通道，数据采集器具有将信息传输至站控层的多个信息通道；其中主信息通道保持稳定传输路径，而备用信息通道根据各个数据采集器及数据集中器的负荷与性能状态，保持实时优化更新的传输路径方案；如果主信息通道发生信息传输的延迟量的超时，甚至出现拥塞或中断，则备用信息通道可以无延迟的启用，代替主信息通道或者与主信息通道进行竞争制信息传输。

Description

一种应用于变电系统的多通道信息传输方法与系统
技术领域
本发明涉及配电网智能化监控技术，更具体地，涉及一种应用于变电系统监控的多通道信息传输方法与系统。
背景技术
随着智能化程度的提升，无人值守型的变电系统在配电网当中越来越普及。变电系统监控用于实现对变电系统——特别是无人值守型变电系统——的运行状态、工作环境、安全防卫的实时监控，进行异常上报，并且根据远程指令执行必要的保护措施，是集多种类型的监控技术和网络通信技术于一体的综合平台。鉴于变电系统在电力供应当中的重要地位，变电系统监控要求保障变电系统现场信息采集的全面多样，以及保障采集信息传输、存储、调用的实时性与可靠性。
变电系统监控可以划分为采集层、汇聚传输层、站控层。采集层的各种传感器或监测装置部署于变电系统现场，采集系统运行状态参数、工作环境参数、现场监视视频、门禁感应信号、烟雾感应信号、漏水感应信号以及震动感应信号等。汇聚传输层一般包括数据采集器、数据集中器以及通信网络；数据采集器获得采集层的各个传感器或监测装置所生成的数据，并且一定数量的数据采集器所采集的数据通过本地通信网络或者是近场通信网络而被汇聚于数据集中器，数据集中器再通过远程通信网络将数据上传至站控层。站控层通过所述远程通信网络获得所采集的数据，并且对所采集数据进行存储和应用；站控层具体包括站控层服务器以及站控管理终端。
对于汇聚传输层，数据采集器到数据集中器的数据传输通道可以是按预定规划建立的，也可以是基于数据采集器的自主选择而决定的。数据采集器可以按照预定义的规则自主判断其连接的数据集中器。数据采集器也可以通过其它数据采集器的中继而连接到选定的数据集中器，作为中继的数据采集器负责数据的接收与转发。数据采集器可以根据自身与通信环境的各种因素，执行动态的路由计算与选择。
数据集中器配置有双信息通道，其中一个信息通道可以支持本地通信网络或近距离通信网络，从而与数据采集器执行数据传输；另一个信息通道可以接入远程通信网络从而支持与站控层的数据传输。数据集中器还负责信息通道的访问控制、为信息通道执行数据采集器的地址维护和关系绑定。
在现有技术中，通过动态的路由组织，可以形成由数据采集器和数据集中器共同组成的相对稳定的实现数据传输的信息通道,避免信息通道路径频繁变动所带来的成本开销。但是，如果因某些因素，导致数据采集器与数据集中器之间的信息通道中断，则系统基于动态路由可以自行恢复信息传输的路径，从而增强了鲁棒性。常见的处理方式包括：1.通过等待－重新连接的过程，尝试恢复该数据采集器与数据集中器之间的信息通道；2.数据采集器与连接到同一个数据集中器的其它数据采集器建立连接，以其它数据采集器为中继，继续利用原数据集中器作为信息通道；3.数据采集器与其它数据集中器建立连接，开辟新的信息通道，一般来说数据采集器会选择就近的其它数据集中器实现新的连接。
变电系统监控所涉及的信息类型丰富，信息传输的实时性、可持续性的要求高，特别是一旦发生系统异常，则要求异常警示信息和反映异常具体情况的状态信息要及时上传至站控层。因此，数据采集器与数据集中器之间的信息通道必须保持较高的可靠性，当发生中断时要以最短的延迟恢复建立由数据采集器到站控层的信息通道。
然而，以上三种恢复方式均存在信息通道重新建立的延迟比较大和恢复的信息通道路径不稳定的问题。具体来说，上述第1种方式，数据采集器与原数据集中器重新连接所需等待的时长是不确定的，甚至无法保证能够恢复该连接，而且中断现象本身说明了原信息通道存在干扰、节点故障等不稳定因素，恢复的连接也极其容易中断。第2种方式的好处在于对整个系统的信息通道变动比较小，只是在末级发生了改变；但是，同样，由于还是依靠原数据集中器实现信息通道，如果造成中断的因素是存在于原数据集中器或以上的部分，则新的信息通道也仍然易于发生中断；而且，数据采集器与作为中继的信息采集器所建立的通信连接往往信号不稳定，建立连接和信息传输的延迟都比较大，也突然增加了中继信息采集器过载的风险，给信息传输造成了新的不稳定因素。第3种方式中，由于信息采集器变更数据集中器，容易导致负荷在部分信号质量较好的数据集中器处聚集，增大了信息传输的延迟，而且一旦数据集中器过载造成的影响更大，会导致信息通道的大范围变动和中断。
发明内容
基于现有技术的以上不足，本申请提出一种应用于变电系统的多通道信息传输方法与系统。本申请在变电系统监控的汇聚传输层构建多径信息通道，数据采集器具有将信息传输至站控层的多个信息通道；其中主信息通道保持稳定传输路径，而备用信息通道根据各个数据采集器及数据集中器的负荷与性能状态，保持实时优化更新的传输路径方案；如果主信息通道发生信息传输的延迟量的超时，甚至出现拥塞或中断，则备用信息通道可以无延迟的启用，代替主信息通道或者与主信息通道进行竞争制信息传输。
本发明提出的应用于变电系统监控的多通道信息传输方法，其特征在于，包括：
数据采集器获得采集层各个监控节点生成的信息数据；
数据采集器分别获得其有效通信距离之内的全部数据集中器和其它数据采集器的标识符和通信地址；
数据采集器估计自身需上传的信息数据平均负荷；
数据采集器获得有效通信距离之内的数据集中器的性能状态参数；所述性能状态参数包括每个数据集中器的可用数据接收能力、可用数据发送能力、数据传输平均延迟时间、剩余能量小时数；
数据采集器根据所述性能状态参数，计算有效通信距离之内的每个数据集中器作为信息通道时的优先度值；
数据采集器选取优先度值最大的数据集中器，向该数据集中器发送主信息通道连接请求，以及将信息数据平均负荷发送给该数据集中器；
数据集中器接收该主信息通道建立请求，根据所述信息数据平均负荷为数据采集器分配数据传输时隙；数据集中器向数据采集器回复主信息通道连接确认消息，并通过该主信息通道连接确认消息告知该数据采集器所分配的数据传输时隙以及时钟同步参数；
数据采集器按照时钟同步参数执行与数据集中器的时钟同步，进而按照所分配的数据传输时隙开始实际执行信息数据的上传；实际执行信息数据上传的所述数据采集器和数据集中器作为主信息通道；
统计过去一个时间窗口内的单位时间最大上传数据量作为数据采集器的峰值负荷；
每个数据采集器和数据集中器均获得有效通信距离之内的所有其它数据集中器和所有其它数据采集器的预留空闲性能状态参数；所述预留空闲性能状态参数包括每个数据集中器和每个数据采集器预留为空闲的预留数据接收能力、预留数据发送能力以及剩余能量小时数；
确定从作为起点的数据采集器到站控层的、且符合中继跳数限制的所有备用信息通道的可能性方案；
根据以上预留空闲性能状态参数，计算每种备用信息通道可能性方案的优先度值；
选取优先度值最大的备用信息通道可能性方案，作为备用信息通道；
作为起点的数据采集器向备用信息通道中位于第一跳的设备发送备用信息通道连接请求，该备用信息通道连接请求携带备用信息通道路径方案以及所述峰值负荷；所述位于第一跳的设备根据所述峰值负荷为作为起点的数据采集器分配保留的预留空闲时隙，同时将收到的备用信息通道路径方案与峰值负荷转发给下一跳设备，以此类推直至到达最后的数据集中器；备用信息通道路径上的设备向上一跳设备回复备用信息通道连接确认消息，并通过该备用信息通道连接确认消息告知所分配的预留空闲时隙以及时钟同步参数；
作为起点的数据采集器根据数据包的发送时刻与实际上传时刻计算主信息通道的实际延迟时间；如果该实际延迟时间不超过允许范围，则继续保持主信息通道的信息上传；相反，如果该实际延迟时间超过允许范围，则数据采集器可以即刻利用已经建立的备用信息通道，通过备用信息通道上各个设备分配给本数据采集器的预留空闲时隙展开信息数据的上传。
优选的是，所述主信息通道具有保持条件集；当保持条件集中各项保持条件均得到满足，则保持数据采集器当前实际执行信息数据传输的主信息通道不变；如果当前的主信息通道不符合上述保持条件集中的任意一个保持条件，则重新建立主信息通道。
优选的是，在利用备用信息通道进行信息数据传输时，主信息通道继续保持信息数据的上传，使备用信息通道与主信息通道进行竞争制信息传输，后到达站控层的信息数据包会被失效丢弃。
优选的是，如下计算每个数据集中器作为主信息通道时的优先度值；
PR＝α1·IR+α2IS+α3·(-D)+α4·ET；其中PR为优先度值，α1、α2、α3、α4为权重因子；IR是可用数据接收能力、IS是可用数据发送能力、D数据传输平均延迟时间、ET剩余能量小时数。
优选的是，如下利用预留空闲性能状态参数，计算每种备用信息通道可能性方案的优先度值：PRW＝η1·WRmin+η2WSmin+η3·ETmin；其中PRW为每种备用信息通道可能性方案的优先度值，WRmin、WSmin、ETmin为该可能性方案的所有数据采集器和数据集中器的WR、WS、ET的最小值；WR是预留数据接收能力，WS是预留数据发送能力，ET剩余能量小时数，η1、η2、η3为权重因子。
本发明提供了一种应用于变电系统监控的多通道信息传输系统，包括采集层、汇聚传输层、站控层，其特征在于：
所述汇聚传输层包括数据采集器和数据集中器；每个数据采集器获得位于采集层的监控节点所生成的数据；并且，数据采集器支持中短距离的无线通信协议，能够自主连接有效通信距离内的数据集中器；或者自主连接至有效通信距离范围内的其它数据采集器，再由其它数据采集器作为中继在该数据采集器和数据集中器之间进行数据转发；数据采集器分别获得其有效通信距离之内的全部数据集中器和其它数据采集器的标识符和通信地址；数据采集器估计自身需上传的信息数据平均负荷；数据集中器支持中短距离无线通信协议和远程通信协议；数据集中器可以与至少一个数据采集器基于中短距离无线通信协议实现通信连接，从而从数据采集器获得信息数据；
数据采集器获得有效通信距离之内的数据集中器的性能状态参数；所述性能状态参数包括每个数据集中器的可用数据接收能力、可用数据发送能力、数据传输平均延迟时间、剩余能量小时数；
数据采集器根据所述性能状态参数，计算有效通信距离之内的每个数据集中器作为信息通道时的优先度值；
数据采集器选取优先度值最大的数据集中器，向该数据集中器发送主信息通道连接请求，以及将信息数据平均负荷发送给该数据集中器；
数据集中器接收该主信息通道建立请求，根据所述信息数据平均负荷为数据采集器分配数据传输时隙；数据集中器向数据采集器回复主信息通道连接确认消息，并通过该主信息通道连接确认消息告知该数据采集器所分配的数据传输时隙以及时钟同步参数；
数据采集器还基于远程通信协议向站控层进行信息数据的传输；数据集中器与其它数据集中器基于中短距离无线通信协议而建立通信连接，从而实现将其它数据集中器作为中继而在该数据集中器与站控层之间进行数据转发；确定从作为起点的数据采集器到站控层的、且符合中继跳数限制的所有备用信息通道的可能性方案；
其中，每个数据采集器在汇聚传输层具有将信息数据传输至站控层的多个信息通道，包括一个主信息通道和至少一个备用信息通道；
所述主信息通道用于供数据采集器实际执行信息数据的上传；数据采集器按照时钟同步参数执行与数据集中器的时钟同步，进而按照所分配的数据传输时隙开始实际执行信息数据的上传；实际执行信息数据上传的所述数据采集器和数据集中器作为主信息通道；
统计过去一个时间窗口内的单位时间最大上传数据量作为数据采集器的峰值负荷；
每个数据采集器和数据集中器均获得有效通信距离之内的所有其它数据集中器和所有其它数据采集器的预留空闲性能状态参数；所述预留空闲性能状态参数包括每个数据集中器和每个数据采集器预留为空闲的预留数据接收能力、预留数据发送能力以及剩余能量小时数；
根据以上预留空闲性能状态参数，计算每种备用信息通道可能性方案的优先度值；
选取优先度值最大的备用信息通道可能性方案，作为备用信息通道；
所述备用信息通道上的各个数据采集器和数据集中器保持通信连接状态，并且维持必要的空闲预留时隙；作为起点的数据采集器向备用信息通道中位于第一跳的设备发送备用信息通道连接请求，该备用信息通道连接请求携带备用信息通道路径方案以及所述峰值负荷；所述位于第一跳的设备根据所述峰值负荷为作为起点的数据采集器分配保留的预留空闲时隙，同时将收到的备用信息通道路径方案与峰值负荷转发给下一跳设备，以此类推直至到达最后的数据集中器；备用信息通道路径上的设备向上一跳设备回复备用信息通道连接确认消息，并通过该备用信息通道连接确认消息告知所分配的预留空闲时隙以及时钟同步参数；
主信息通道发生信息传输的延迟量的超时，备用信息通道可以无延迟的启用，代替主信息通道或者与主信息通道进行竞争制信息传输。
优选的是，所述主信息通道采用由数据采集器到数据集中器的单跳连接。
优选的是，所述备用信息通道允许以其它数据采集器作为数据采集器的中继，或者以其它数据集中器作为数据集中器的中继而实现数据转发，从而使备用信息通道形成多跳的传输路径。
进一步优选的是，所述备用信息通道在数据采集器到数据集中器之间最多允许一跳由其它数据采集器执行的中继，在数据集中器到站控层之间也最多允许一跳由其它数据集中器执行的中继。
优选的是，所述主信息通道具有保持条件集；当保持条件集中各项保持条件均得到满足，则保持数据采集器当前实际执行信息数据传输的主信息通道不变；如果当前的主信息通道不符合上述保持条件集中的任意一个保持条件，则重新建立主信息通道。
可见，本发明在变电系统监控的汇聚传输层可自主构建多径信息通道，包括主信息通道和备用信息通道；当主信息通道发送传输异常时，可以无延迟的立即启用备用信息通道执行变电系统监控信息数据的上报。主信息通道可用时隙和备用信息通道预留时隙之间实现动态分配，保证了资源利用的平衡；在传输通道路径更新方面，主信息通道保持稳定传输路径，而备用信息通道根据各个数据采集器及数据集中器的负荷与性能状态，保持实时优化更新的传输路径方案，兼顾了汇聚传输层整体的稳定性和可用性。将本发明应用于变电系统的监控，可以提升监控数据上传站控层的实时性、可靠性、低延迟性，并且实现传输路径的自主构建选择与优化配置。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是应用于变电系统监控的多通道信息传输系统整体架构示意图；
图2是主信息通道实现过程示意图；
图3是备用信息通道实现过程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。
图1是应用于变电系统监控的多通道信息传输系统整体架构示意图。变电系统监控自下而上可以划分为采集层、汇聚传输层、站控层。
采集层的各种传感器或监测装置以监控节点N的形式，部署于变电系统现场。电力监测装置(如录波器)等类型的监控节点N分别采集变电系统中各类一次和二次设施的运行状态参数；环境传感器类型的监控节点N采集变电系统现场的温度、湿度等工作环境参数；视频摄像头类型的监控节点N录制现场监视视频；异常警报类的监控节点N包括红外门禁、烟雾报警器、水位监测器、震动传感器等，感应产生门禁感应信号、烟雾感应信号、漏水感应信号以及震动感应信号等。
汇聚传输层包括数据采集器C1－CN和数据集中器T1－TN。数据采集器C1－CN中的每个数据采集器获得其所负责的一个变电系统站点或一定小区域的变电系统中位于采集层的各个监控节点N所生成的数据，为了适应变电系统现场电磁干扰强烈的环境,监控节点N一般通过光纤或高屏蔽性能电缆等有线线路与负责该节点的数据采集器C1-CN相连接。数据采集器C1－CN本身支持中短距离的无线通信协议，例如有效通信距离在数十米范围的zigbee通信协议、BlueTooth通信协议以及UWB网络协议，或者有效通信距离在一百米至三百米范围内的802.11协议。数据采集器C1－CN能够实现动态的路由组织，可自主连接有效通信距离内的数据集中器T1－TN；或者自主连接至有效通信距离范围内的其它数据采集器，再由其它数据采集器作为中继在该数据采集器和数据集中器之间进行数据转发。数据采集器分别获得其有效通信距离之内的全部数据集中器和其它数据采集器的标识符和通信地址；数据采集器估计自身需上传的信息数据平均负荷；
数据集中器T1－TN中的每个数据集中器本身支持中短距离无线通信协议和远程通信协议，同时具备中短距和远程数据传输能力。基于上述中短距离无线通信协议，数据集中器可以与至少一个数据采集器实现通信连接，从而从数据采集器获得信息数据。
数据采集器获得有效通信距离之内的数据集中器的性能状态参数；所述性能状态参数包括每个数据集中器的可用数据接收能力、可用数据发送能力、数据传输平均延迟时间、剩余能量小时数；
数据采集器根据所述性能状态参数，计算有效通信距离之内的每个数据集中器作为信息通道时的优先度值；
数据采集器选取优先度值最大的数据集中器，向该数据集中器发送主信息通道连接请求，以及将信息数据平均负荷发送给该数据集中器；
数据集中器接收该主信息通道建立请求，根据所述信息数据平均负荷为数据采集器分配数据传输时隙；数据集中器向数据采集器回复主信息通道连接确认消息，并通过该主信息通道连接确认消息告知该数据采集器所分配的数据传输时隙以及时钟同步参数；
数据集中器T1－TN基于远程通信协议向站控层进行信息数据的传输，从而将来自数据采集器的信息数据发送至站控层；例如，数据集中器可以基于WiMAX或WMAN(WirelessMetropolitan Area Network)协议而在数公里半径内展开城域级无线通信；或者数据集中器可以采用接入2G/3G/4G移动网络的方式与站控层进行广域范围的远程传输。同时，视情况需要，数据集中器可以与附近的其它数据集中器也基于中短距离无线通信协议而建立通信连接，从而实现将其它数据集中器作为中继而在该数据集中器与站控层之间进行数据转发。确定从作为起点的数据采集器到站控层的、且符合中继跳数限制的所有备用信息通道的可能性方案；
图1所示的站控层S基于所述远程通信协议而获得其所负责的整个区域中各个数据集中器T1－TN所上传的信息数据，并且对所采集数据进行存储和应用。站控层一般包括支持远程通信协议的网关设备，用于建立与数据集中器的通信连接。站控层还包括用于存储和应用信息数据的服务器，以及通过局域网连接到该服务器的站内管理终端，和通过所述网关设备远距离连接至该服务器的站外管理终端。
由图1可见，在汇聚传输层，由某个数据采集器出发，经过其它的数据采集器、数据集中器等，最终到达站控层的网关设备，形成了一条数据传输的信息通道。本发明旨在为系统中的每个数据采集器在汇聚传输层构建将信息数据传输至站控层的多个信息通道。其中一个信息通道用于供该数据采集器实际执行信息数据的上传，因此作为主信息通道，数据采集器按照时钟同步参数执行与数据集中器的时钟同步，进而按照所分配的数据传输时隙开始实际执行信息数据的上传；实际执行信息数据上传的所述数据采集器和数据集中器作为主信息通道；本发明为主信息通道保持稳定传输路径。统计过去一个时间窗口内的单位时间最大上传数据量作为数据采集器的峰值负荷；每个数据采集器和数据集中器均获得有效通信距离之内的所有其它数据集中器和所有其它数据采集器的预留空闲性能状态参数；所述预留空闲性能状态参数包括每个数据集中器和每个数据采集器预留为空闲的预留数据接收能力、预留数据发送能力以及剩余能量小时数；根据以上预留空闲性能状态参数，计算每种备用信息通道可能性方案的优先度值；选取优先度值最大的备用信息通道可能性方案，作为备用信息通道；系统为该数据采集器所建立的其它信息通道作为备用信息通道，备用信息通道上的各个数据采集器、数据集中器通过信令交互而保持通信连接状态，并且维持必要的空闲性能资源，以备用于信息数据的实际传输。作为起点的数据采集器向备用信息通道中位于第一跳的设备发送备用信息通道连接请求，该备用信息通道连接请求携带备用信息通道路径方案以及所述峰值负荷；所述位于第一跳的设备根据所述峰值负荷为作为起点的数据采集器分配保留的预留空闲时隙，同时将收到的备用信息通道路径方案与峰值负荷转发给下一跳设备，以此类推直至到达最后的数据集中器；备用信息通道路径上的设备向上一跳设备回复备用信息通道连接确认消息，并通过该备用信息通道连接确认消息告知所分配的预留空闲时隙以及时钟同步参数；根据各个数据采集器及数据集中器的负荷与性能状态，更新备用信息通道，使其具有实时优化更新的传输路径方案。如果主信息通道发生信息传输的延迟量的超时，甚至出现拥塞或中断，则备用信息通道可以无延迟的启用，代替主信息通道或者与主信息通道进行竞争制信息传输。如图1中，实线箭头表示主信息通道，而虚线箭头表示备用信息通道。数据采集器C1－数据集中器T1－站控层的信息通道作为该数据采集器C1的主信息通道，同时，该数据采集器C1还维持着数据采集器C1－数据采集器C5－数据集中器T4—数据集中器T5－站控层的备用信息通道。
下面结合图2-3，具体介绍所述主信息通道和备用信息通道的实现过程。首先，关于主信息通道的建立，执行发现步骤S1，数据采集器分别获得其有效通信距离之内的全部数据集中器和其它数据采集器的标识符和通信地址；例如，数据采集器C1广播发现请求消息，在其有效通信距离内的数据集中器和其它数据采集器接收到发现请求消息的信号之后，即向该数据采集器C1回复本设备的标识符以及通信地址；C1接收回复消息从而获得其有效通信距离之内的全部数据集中器和其它数据采集器的标识符和通信地址，例如数据集中器T1-T3以及数据采集器C2-C4。负荷估计步骤S2，数据采集器C1估计自身需上传的信息数据平均负荷B；数据采集器C1实时监测自身需要上传的信息数据的数据量，统计过去一个时间窗口内(例如过去24小时内)的单位时间平均上传数据量，作为本数据采集器C1的信息数据平均负荷。主信息通道性能收集步骤S3，数据采集器C1获得有效通信距离之内的数据集中器T1-T3的性能状态参数；所述性能状态参数包括每个数据集中器的可用数据接收能力IR、可用数据发送能力IS、数据传输平均延迟时间D、剩余能量小时数ET。其中，可用数据接收能力IR是根据该数据集中器的单位时间最大数据接收能力和在过去一个时间窗口内单位时间平均数据接收量，将二者的差值作为该IR值。可用数据发送能力IS根据该数据集中器的单位时间最大数据发送能力和在过去一个时间窗口内单位时间平均数据发送量，将二者的差值作为该IS值。数据传输平均延迟时间D是过去一个时间窗口内每个数据包从被数据集中器接收到被其发送出去的平均时间差。剩余能量小时数ET是过去一个时间窗口内该数据集中器平均的剩余电量可用小时数。每个数据集中器都会按照固定频率在其中短距离通信制式的有效通信距离内定期广播自身的这些性能状态参数；C1接收数据集中器T1-T3的定期性能状态广播。进而，主信息通道性能评估步骤S4，数据采集器C1根据以上性能状态参数计算以T1-T3中的每个数据集中器作为信息通道时优先度值：PR＝α1·IR+α2IS+α3·(-D)+α4·ET；其中PR为优先度值，α1、α2、α3、α4为权重因子。主信息通道建立步骤S5，数据采集器C1选取优先度值最大的数据集中器，例如数据集中器T1，向该数据集中器T1发送主信息通道连接请求，以及将信息数据平均负荷B发送给该数据集中器T1；数据集中器T1接收该主信息通道建立请求，根据所述信息数据平均负荷B为数据采集器C1分配数据传输时隙，例如随着B值的增大数据采集器C1所占用的空闲时隙数量也增加；回复主信息通道连接确认消息，并通过该主信息通道连接确认消息告知C1所分配的数据传输时隙以及时钟同步参数；数据采集器C1按照时钟同步参数执行与T1的时钟同步，进而按照所分配的数据传输时隙开始实际执行信息数据的上传。
从上文的主信息通道建立过程，可以看到主信息通道采用由数据采集器到数据集中器的单跳连接；为了保持连接的可靠和持续稳定，规定主信息通道不采用需要其它数据采集器或者其它数据集中器作为中继的多跳连接，以此作为主信息通道自主建立的限定条件。同时，为了给主信息通道保持稳定传输路径，设定主信息通道的保持条件集如下：
IR-B≥β1
IS-B≥β2
D≤β3
ET≥β4
其中β1、β2、β3、β4为主信息通道保持阈值，当以上保持条件集中各项保持条件均得到满足，则保持数据采集器当前实际执行信息数据传输的主信息通道不变。
相反，如果数据采集器当前的主信息通道不符合上述保持条件集中的任意一个保持条件，则重新执行上述步骤S4和S5，进行主信息通道的更新。
本发明在建立、维持和更新主信息通道的同时，并行地，还为各个数据采集器建立至少一个其它的信息通道作为备用信息通道。备用信息通道用于当主信息通道上信息传输的实际延迟时间超时，甚至是主信息通道发生中断或拥塞时，在主信息通道恢复或者完成更新之前，代替主信息通道或者与主信息通道进行竞争制信息传输，直至主信息通道能够满足信息传输的实际延迟时间要求时停止备用信息通道上的信息上传。
作为备用信息通道，没有必须是由数据采集器到数据集中器的单跳连接的限制，允许以其它数据采集器作为本数据采集器的中继，或者以其它数据集中器作为本数据集中器的中继而实现数据转发，从而使备用信息通道形成多跳的传输路径。不过为了将传输路径保持适当的长度，规定数据采集器到数据集中器之间最多允许一跳由其它数据采集器执行的中继，同样，数据集中器到站控层之间也最多允许一跳由其它数据集中器执行的中继。备用信息通道也没有维持路径稳定性的要求，可随着各个数据采集器及数据集中器的负荷与性能状态，较为频繁地更新备用信息通道。
如图3所示，备用信息通道的实现过程包括峰值负荷估计步骤S6，作为备用信息通道起点的数据采集器C1统计过去一个时间窗口内的单位时间最大上传数据量，作为本数据采集器C1的峰值负荷。预留空闲性能收集步骤S7，系统中的每个数据采集器和数据集中器均获得有效通信距离之内的所有其它数据集中器和所有其它数据采集器预留为空闲的性能状态参数；所述预留空闲性能状态参数包括每个数据集中器和每个数据采集器预留为空闲的预留数据接收能力WR、预留数据发送能力WS，在本步骤中还获得每个数据集中器和数据采集器的剩余能量小时数ET。每个数据集中器和数据采集器都在其预留为所述可用数据发送能力的空闲时隙中广播自身的这些性能状态参数；任何一个数据采集器和数据集中器均接收其有效通信距离内其它数据集中器和其它数据采集器对预留空闲性能状态参数的广播。数据集中器和数据采集器作为预留数据接收能力WR和预留数据发送能力WS而保留的空闲时隙的数量不是固定的；数据采集器可根据对自身的信息数据平均负荷B的值而调整预留空闲时隙的数量；数据集中器可以根据将自身作为主信息通道的每个数据采集器上传的各个信息数据平均负荷B的值而调整预留空闲时隙的数量；因此，所述预留数据接收能力WR、预留数据发送能力WS与信息数据平均负荷B值呈反比关系，即：
Figure GDA0002394814100000181
WSC＝εWRC
Figure GDA0002394814100000182
WST＝εWRT
其中WRC、WSC表示某个数据采集器的预留数据接收能力和预留数据发送能力；BC表示该数据采集器的信息数据平均负荷；WRT、WST表示某个数据集中器的预留数据接收能力和预留数据发送能力；BC1,BC2...BCM表示与该数据集中器建立主信息通道连接的每个数据采集器信息数据平均负荷；δ和ε表示转换比例系数。数据集中器和数据采集器根据随着B值在每个窗口的更新而改变的预留空闲性能状态参数而发送所述广播。备用信息通道枚举步骤S8，以C1作为备用信息通道的起点，则确定C1有效通信距离范围内的数据集中器T1-T3以及其它数据采集器C2-C5；其中除去选取作为主信息通道的T1，则针对其它数据集中器T2-T3，一方面将其作为直接连接至站控层的信息通道，即C1-T2-站控层和C1-T3-站控层，另一方面确定这些数据集中器T2、T3经其它数据集中器作为一跳中继而连接至站控层的信息通道，例如C1-T3-T4-站控层；以及，在步骤S8中，以C1作为备用信息通道的起点，确定C1经其它数据采集器作为一跳中继而连接到其它数据集中器，再经所述其它数据集中器直接连接至站控层或者经过一跳中继而连接至站控层的信息通道，例如C1-C5-T4-站控层，或者C1-C5-T4-T5-站控层。从而，经过步骤S8，枚举了从起点C1到站控层的所有备用信息通道的可能性方案。
备用方案性能评估步骤S9，根据以上预留空闲性能状态参数，计算每种备用信息通道可能性方案的优先度值：PRW＝η1·WRmin+η2WSmin+η3·ETmin；其中PRW为每种备用信息通道可能性方案的优先度值，WRmin、WSmin、ETmin为该可能性方案的所有数据采集器和数据集中器的WR、WS、ET的最小值；η1、η2、η3为权重因子。需要注意的是，当数据集中器不是直接连接站控层，而是连接另一个作为中继的数据集中器时，其数据发送能力WS指的是通过中短距通信协议向中继的数据集中器发送数据时预留的发送能力。备用信息通道建立步骤S10，作为数据采集器C1选取优先度值最大的备用信息通道可能性方案，例如C1-C5-T4-T5-站控层的方案，向其中位于第一跳的设备—即C5—发送备用信息通道连接请求，该备用信息通道连接请求携带备用信息通道路径方案(即路径上各个设备节点的标识符和通信地址)以及所述峰值负荷；第一跳设备C5接收该备用信息通道建立请求，根据所述峰值负荷为数据采集器C1分配保留的预留空闲时隙配比，例如随着峰值负荷值的增大数据采集器C1所分配保留的预留空闲时隙比例也增加；C5同时将收到的备用信息通道路径方案与峰值负荷转发给下一跳设备T4，以此类推，直至到达最后的数据集中器T5。同时，各个设备在收到备用信息通道路径方案之后，均向发来该方案的上一跳设备回复备用信息通道连接确认消息，并通过该备用信息通道连接确认消息告知所分配的预留空闲时隙以及时钟同步参数。
如前文所述，伴随着各个数据采集器和数据集中器自身负荷以及性能的变化，系统可实时更新各个备用信息通道可能性方案的优先度值，并且根据更新的优先度值，变更所建立的备用信息通道的路径。因此，相比于主信息通道满足保持条件集即保持相对稳定的状态，备用信息通道是实时变化的。
虽然备用信息通道建立即保留了预留空闲时隙，但是并不实际执行信息数据的传输。作为起点的数据采集器C1仍然依靠主信息通道进行信息数据的上传。每当数据采集器C1通过主信息通道发送一数据包之后，即等待作为主信息通道的数据集中器反馈的该数据包实际上传时刻，并且根据数据包的发送时刻与实际上传时刻计算实际延迟时间。如果该实际延迟时间不超过允许范围，则继续保持主信息通道的信息上传。相反，如果该实际延迟时间超过允许范围，则数据采集器可以即刻利用已经建立的备用信息通道，通过该通道路径上各个设备分配给本数据采集器的预留空闲时隙展开信息数据的上传。这时候，数据采集器首先利用该预留空闲时隙发送时钟同步参数，利用该时钟同步参数执行备用信息通道上各个设备的时钟同步，进而按照所分配的数据传输时隙开始实际执行信息数据的上传。此时，主信息通道的信息数据上传可以暂时停止预定的时段。或者，主信息通道继续保持信息数据的上传，因而同一个信息数据包会被主信息通道和备用信息通道并行发送，从而使备用信息通道与主信息通道进行竞争制信息传输，后到达站控层的信息数据包会被失效丢弃。在启用备用信息通道实现信息数据的实际上传之后，可以更新主信息通道，直至主信息通道能够满足信息传输的实际延迟时间要求时停止备用信息通道上的信息上传。
可见，本发明在变电系统监控的汇聚传输层可自主构建多径信息通道，包括主信息通道和备用信息通道；当主信息通道发送传输异常时，可以无延迟的立即启用备用信息通道执行变电系统监控信息数据的上报。主信息通道可用时隙和备用信息通道预留时隙之间实现动态分配，保证了资源利用的平衡；在传输通道路径更新方面，主信息通道保持稳定传输路径，而备用信息通道根据各个数据采集器及数据集中器的负荷与性能状态，保持实时优化更新的传输路径方案，兼顾了汇聚传输层整体的稳定性和可用性。将本发明应用于变电系统的监控，可以提升监控数据上传站控层的实时性、可靠性、低延迟性，并且实现传输路径的自主构建选择与优化配置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明还可以应用在其它设备中；以上描述中的尺寸和数量均仅为参考性的，本领域技术人员可根据实际需要选择适当的应用尺寸，而不脱离本发明的范围。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种应用于变电系统监控的多通道信息传输方法，其特征在于，包括：
数据采集器获得采集层各个监控节点生成的信息数据；
数据采集器分别获得其有效通信距离之内的全部数据集中器和其它数据采集器的标识符和通信地址；
数据采集器估计自身需上传的信息数据平均负荷；
数据采集器获得有效通信距离之内的数据集中器的性能状态参数；所述性能状态参数包括每个数据集中器的可用数据接收能力、可用数据发送能力、数据传输平均延迟时间、剩余能量小时数；
数据采集器根据所述性能状态参数，计算有效通信距离之内的每个数据集中器作为信息通道时的优先度值；
数据采集器选取优先度值最大的数据集中器，向该数据集中器发送主信息通道连接请求，以及将信息数据平均负荷发送给该数据集中器；
数据集中器接收该主信息通道建立请求，根据所述信息数据平均负荷为数据采集器分配数据传输时隙；数据集中器向数据采集器回复主信息通道连接确认消息，并通过该主信息通道连接确认消息告知该数据采集器所分配的数据传输时隙以及时钟同步参数；
数据采集器按照时钟同步参数执行与数据集中器的时钟同步，进而按照所分配的数据传输时隙开始实际执行信息数据的上传；实际执行信息数据上传的所述数据采集器和数据集中器作为主信息通道；
统计过去一个时间窗口内的单位时间最大上传数据量作为数据采集器的峰值负荷；
每个数据采集器和数据集中器均获得有效通信距离之内的所有其它数据集中器和所有其它数据采集器的预留空闲性能状态参数；所述预留空闲性能状态参数包括每个数据集中器和每个数据采集器预留为空闲的预留数据接收能力、预留数据发送能力以及剩余能量小时数；
确定从作为起点的数据采集器到站控层的、且符合中继跳数限制的所有备用信息通道的可能性方案；
根据以上预留空闲性能状态参数，计算每种备用信息通道可能性方案的优先度值；
选取优先度值最大的备用信息通道可能性方案，作为备用信息通道；
作为起点的数据采集器向备用信息通道中位于第一跳的设备发送备用信息通道连接请求，该备用信息通道连接请求携带备用信息通道路径方案以及所述峰值负荷；所述位于第一跳的设备根据所述峰值负荷为作为起点的数据采集器分配保留的预留空闲时隙，同时将收到的备用信息通道路径方案与峰值负荷转发给下一跳设备，以此类推直至到达最后的数据集中器；备用信息通道路径上的设备向上一跳设备回复备用信息通道连接确认消息，并通过该备用信息通道连接确认消息告知所分配的预留空闲时隙以及时钟同步参数；
作为起点的数据采集器根据数据包的发送时刻与实际上传时刻计算主信息通道的实际延迟时间；如果该实际延迟时间不超过允许范围，则继续保持主信息通道的信息上传；相反，如果该实际延迟时间超过允许范围，则数据采集器可以即刻利用已经建立的备用信息通道，通过备用信息通道上各个设备分配给本数据采集器的预留空闲时隙展开信息数据的上传。
2.根据权利要求1所述的多通道信息传输方法，其特征在于，所述主信息通道具有保持条件集；当保持条件集中各项保持条件均得到满足，则保持数据采集器当前实际执行信息数据传输的主信息通道不变；如果当前的主信息通道不符合上述保持条件集中的任意一个保持条件，则重新建立主信息通道。
3.根据权利要求1所述的多通道信息传输方法，其特征在于，在利用备用信息通道进行信息数据传输时，主信息通道继续保持信息数据的上传，使备用信息通道与主信息通道进行竞争制信息传输，后到达站控层的信息数据包会被失效丢弃。
4.根据权利要求1所述的多通道信息传输方法，其特征在于，如下计算每个数据集中器作为主信息通道时的优先度值；
PR＝α1·IR+α2IS+α3·(-D)+α4·ET；其中PR为优先度值，α1、α2、α3、α4为权重因子；IR是可用数据接收能力、IS是可用数据发送能力、D是 数据传输平均延迟时间、ET是 剩余能量小时数。
5.根据权利要求1所述的多通道信息传输方法，其特征在于，如下利用预留空闲性能状态参数，计算每种备用信息通道可能性方案的优先度值：
PRW＝η1·WRmin+η2WSmin+η3·ETmin；其中PRW为每种备用信息通道可能性方案的优先度值，WRmin、WSmin、ETmin为该可能性方案的所有数据采集器和数据集中器的WR、WS、ET的最小值；WR是预留数据接收能力，WS是预留数据发送能力，ET是 剩余能量小时数，η1、η2、η3为权重因子。
6.一种应用于变电系统监控的多通道信息传输系统，包括采集层、汇聚传输层、站控层，其特征在于：
所述汇聚传输层包括数据采集器和数据集中器；每个数据采集器获得位于采集层的监控节点所生成的数据；并且，数据采集器支持中短距离的无线通信协议，能够自主连接有效通信距离内的数据集中器；或者自主连接至有效通信距离范围内的其它数据采集器，再由其它数据采集器作为中继在该数据采集器和数据集中器之间进行数据转发；数据采集器分别获得其有效通信距离之内的全部数据集中器和其它数据采集器的标识符和通信地址；数据采集器估计自身需上传的信息数据平均负荷；数据集中器支持中短距离无线通信协议和远程通信协议；数据集中器可以与至少一个数据采集器基于中短距离无线通信协议实现通信连接，从而从数据采集器获得信息数据；
数据采集器获得有效通信距离之内的数据集中器的性能状态参数；所述性能状态参数包括每个数据集中器的可用数据接收能力、可用数据发送能力、数据传输平均延迟时间、剩余能量小时数；
数据采集器根据所述性能状态参数，计算有效通信距离之内的每个数据集中器作为信息通道时的优先度值；
数据采集器选取优先度值最大的数据集中器，向该数据集中器发送主信息通道连接请求，以及将信息数据平均负荷发送给该数据集中器；
数据集中器接收该主信息通道建立请求，根据所述信息数据平均负荷为数据采集器分配数据传输时隙；数据集中器向数据采集器回复主信息通道连接确认消息，并通过该主信息通道连接确认消息告知该数据采集器所分配的数据传输时隙以及时钟同步参数；
数据采集器还基于远程通信协议向站控层进行信息数据的传输；数据集中器与其它数据集中器基于中短距离无线通信协议而建立通信连接，从而实现将其它数据集中器作为中继而在该数据集中器与站控层之间进行数据转发；确定从作为起点的数据采集器到站控层的、且符合中继跳数限制的所有备用信息通道的可能性方案；
其中，每个数据采集器在汇聚传输层具有将信息数据传输至站控层的多个信息通道，包括一个主信息通道和至少一个备用信息通道；
所述主信息通道用于供数据采集器实际执行信息数据的上传；数据采集器按照时钟同步参数执行与数据集中器的时钟同步，进而按照所分配的数据传输时隙开始实际执行信息数据的上传；实际执行信息数据上传的所述数据采集器和数据集中器作为主信息通道；
统计过去一个时间窗口内的单位时间最大上传数据量作为数据采集器的峰值负荷；
每个数据采集器和数据集中器均获得有效通信距离之内的所有其它数据集中器和所有其它数据采集器的预留空闲性能状态参数；所述预留空闲性能状态参数包括每个数据集中器和每个数据采集器预留为空闲的预留数据接收能力、预留数据发送能力以及剩余能量小时数；
根据以上预留空闲性能状态参数，计算每种备用信息通道可能性方案的优先度值；
选取优先度值最大的备用信息通道可能性方案，作为备用信息通道；
所述备用信息通道上的各个数据采集器和数据集中器保持通信连接状态，并且维持必要的空闲预留时隙；作为起点的数据采集器向备用信息通道中位于第一跳的设备发送备用信息通道连接请求，该备用信息通道连接请求携带备用信息通道路径方案以及所述峰值负荷；所述位于第一跳的设备根据所述峰值负荷为作为起点的数据采集器分配保留的预留空闲时隙，同时将收到的备用信息通道路径方案与峰值负荷转发给下一跳设备，以此类推直至到达最后的数据集中器；备用信息通道路径上的设备向上一跳设备回复备用信息通道连接确认消息，并通过该备用信息通道连接确认消息告知所分配的预留空闲时隙以及时钟同步参数；
主信息通道发生信息传输的延迟量的超时，备用信息通道可以无延迟的启用，代替主信息通道或者与主信息通道进行竞争制信息传输。
7.根据权利要求6所述的多通道信息传输系统，其特征在于，所述主信息通道采用由数据采集器到数据集中器的单跳连接。
8.根据权利要求6所述的多通道信息传输系统，其特征在于，所述备用信息通道允许以其它数据采集器作为数据采集器的中继，或者以其它数据集中器作为数据集中器的中继而实现数据转发，从而使备用信息通道形成多跳的传输路径。
9.根据权利要求8所述的多通道信息传输系统，其特征在于，所述备用信息通道在数据采集器到数据集中器之间最多允许一跳由其它数据采集器执行的中继，在数据集中器到站控层之间也最多允许一跳由其它数据集中器执行的中继。
10.根据权利要求6所述的多通道信息传输系统，其特征在于，所述主信息通道具有保持条件集；当保持条件集中各项保持条件均得到满足，则保持数据采集器当前实际执行信息数据传输的主信息通道不变；如果当前的主信息通道不符合上述保持条件集中的任意一个保持条件，则重新建立主信息通道。
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