CN107274649B - 一种网络自组织式用电信息集中系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络自组织式用电信息集中系统和方法。本发明采用了多个电表、多个采集器、一架无人机和一台主站，其中无人机包括主机模块、铝空气电池模块、集中器模块，其中主机模块包括无人机控制模块、驱动模块、机身模块、摄像头模块和导航模块，铝空气电池模块包括外壳、铝合金阳极、隔膜、空气阴极和阳极选择开关，铝合金阳极包括多个铝合金片，天线包括主天线和辅助天线，辅助天线包括多个铝合金片。本发明采用无人机进行用电信息的集中，采用铝空气电池的新型金属阳极作为辅助天线对采集器进行网络自组织，不但提高了天线的覆盖范围，而且有效地延长了无人机的采集时间，扩大了采集的范围，进而提高了数据集中的效率。

Description

一种网络自组织式用电信息集中系统和方法

技术领域

本发明涉及电力领域，具体为一种用电信息的集中系统和方法。

背景技术

目前国网用电信息集中系统及其方法中，远程通信技术主要采用光纤专网、租用移动运营商信道(GPRS/3G/4G)、自建无线等通信方式等。但是其主要缺陷有：(1)长期、大规模应用产生大量的租用费用，且数据流量统计不透明；(2)业务应用依赖于运营商提供的网络资源，应用水平和推广进度受制于公网建设程度；(3)公网通信首先满足公共用户业务应用，无法保障实时性、时延等服务质量要求；(4)存在公网系统升级换代风险；(5)网络覆盖区域与供电区域不完全一致，有可能导致漫游费用；(6)用电信息采集终端安装位置存在无线公网覆盖盲点。

例如对于光纤专网而言，光纤专网虽然具有速率高，可靠性好的优点，但是由于配电网分支通信点多面广的特点，采用全光纤通信方式，投资巨大，主要表现在：(1)建设成本高：特别是城市密集区，光纤敷设成本非常高；另外，光纤敷设还需要支付昂贵的市政规费。(2)运维成本高：一旦光纤损坏，维护成本非常高；城市改造，配电线路变更导致光纤线路变更成本非常高；需设置专人维护。线路维护需专业团队。(3)时间成本高：在光纤敷设时，市政申请、挖沟破路、管线挖埋、光纤中继设计等都需要耗费大量的时间和人力成本，造成通信系统建设工期较长。

例如对于租用移动运营商信道(GPRS/3G/4G)而言，虽然具有实施简单的优点，但是存在下述不足：(1)长期租用信道的高成本，公共信道安全性隐患高；(2)公网繁忙时稳定性、实时性和可靠性较差；(3)不能自行管理与维护信道；(4)低通信速率，不能满足配电网“五遥”通信需求。

例如对于自建无线而言，其虽然存在投资小、维护简单的优点，但是也存在下述不足：(1)易受建筑遮挡，传输距离受限，难以实现端到端的可靠通信；(2)易受天气环境等影响，可靠性差；(3)配电网设备需要更换相应的通信模块才能与基站通信，需要和所有设备厂商进行设备联调，工作量很大；(4)无线覆盖规划、实施难度大；(5)难于管理和维护。

此外，目前城乡电网改造、配网自动化系统中集中器/终端上行通信主要通过GPRS方式与主站进行通信。但一些城区地下配电室及边远山区无GPRS信号覆盖，导致集中器/终端无法抄读回数据，无法上传到主站，影响用电采集“全覆盖”的实现。

发明内容

为此，本发明提出一种网络自组织式用电信息集中系统和方法，非常适合于偏远农村、旧城区域和别墅等电表分散地区，可以实现高效率、长时间地集中用户的用电信息。

本发明的研究人员发现，采用新型铝合金片可以提高无人机的天线的覆盖范围，提高数据集中效率，还可以延长无人机的滞空时间，这两种因素产生了协同效应，扩大了无人机的采集范围。

本发明的研究人员还发现，采用新研发的网络自组织式集中方法，可以有效地进行采集器的网络自组织，降低了施工成本，提高了对偏远、分散地区的数据集中效率。

由此，本发明采用如下技术方案：

一种网络自组织式用电信息集中系统，包括多个电表、多个采集器、一架无人机和一台主站，多个电表与多个采集器一一对应，其中，

所述电表包括电表控制模块、防盗模块、加密模块、计量模块、电表电源模块、显示模块和RS485通信模块，其中电表控制模块用于对电表的各个模块的控制，防盗模块具有电表封装检测单元和电表箱开箱检测单元，当发现电表封装或电表箱打开时生成告警信息，加密模块用于将用电信息进行加密，计量模块用于计量包含电压、电流、功率、频率、功率因素、相位角、消耗的电能数据和告警信息的用电信息，电表电源模块为电表提供工作电压和工作电流，显示模块用于显示电表的工作状态、用电量信息，RS485通信模块将用电信息上传到采集器以及从采集器接收信息；

所述采集器包括采集控制模块、采集存储模块、采集电源模块、RS485通信模块和采集通信模块，其中采集控制模块对采集器的各个模块进行控制，采集存储模块存储用电信息和无人机下发的信息，采集电源模块为采集器提供稳定电压，RS485通信模块用于与电表进行双向通信，并接收用电信息，采集通信模块用于与无人机进行网络自组织通信；

所述无人机包括主机模块、铝空气电池模块、集中器模块，其中主机模块包括无人机控制模块、驱动模块、机身模块、摄像头模块和导航模块，其中无人机控制模块对无人机的各个模块进行控制，驱动模块用于无人机的升降和飞行，机身模块用于容纳铝空气电池模块、集中器模块，摄像头模块用于无人机的摄像，以便于操作人员控制无人机飞行，导航模块用于无人机的导航和定位；集中器模块包括存储模块、网络自组织通信模块和FDD-LTE通信模块，集中存储模块用于存储用电信息和主站下发的信息，网络自组织通信模块用于与采集器进行网络自组织通信；

所述主站包括主站控制模块、解密模块、监视模块、主站存储模块、计价模块和FDD-LTE通信模块，主站控制模块控制主站各个模块，解密模块解密接收的加密的用电信息，主站存储模块用于存储用电信息，监视模块显示所有电表的用电信息，计价模块对电表的用电量进行计价，FDD-LTE通信模块用于与无人机进行双向通信；

所述铝空气电池模块包括外壳、铝合金阳极、隔膜、空气阴极和阳极选择开关，铝合金阳极包括多个铝合金片，网络自组织通信模块包括微处理器、天线，天线包括主天线和辅助天线，辅助天线包括多个铝合金片；

铝空气电池模块工作时，无人机控制模块通过阳极选择开关选择一个铝合金片作为工作阳极与空气阴极组成对电极进行放电，其余未参与放电的铝合金片则作为辅助天线进行网络自组织通信，当阳极选择开关检测到铝空气电池模块的输出功率达到最低工作功率时，切换下一个铝合金片作为工作阳极进行放电，铝合金片的重量比组成为：97％铝，0.6％镉，0.9％钕，1.5％镍；

无人机启动后，无人机控制模块控制驱动模块驱动无人机升空并飞行，在到达工作高度后，启动集中器模块，网络自组织通信模块广播帧组信息，采集器根据帧组信息进行自组织网络通信，将用电信息发送到无人机上，帧组信息包括唤醒帧、入网帧、响应帧、集中帧、数据帧和休眠帧。

优选的，所述防盗模块采用压力传感器和红外传感器，当对电表封装或电表箱进行非法操作时，压力传感器或红外传感器立即感知。

优选的，所述外壳由塑料制成。

优选的，所述加密模块采用DES、AES或RSA加密算法。

本发明还提供一种网络自组织式用电信息集中方法，该方法采用本发明的网络自组织式用电信息集中系统，其中，该方法包括：

步骤一，启动无人机，控制无人机进入工作区域；

步骤二，无人机发出唤醒帧，采集器在休眠状态下被唤醒并转为等待状态，同时转发唤醒帧并等待组网命令；

步骤三，采集器每隔10s-30s检测相邻的采集器，并发送唤醒帧，依次转发唤醒各个采集器；

步骤四，处于等待状态的采集器向无人机发起入网帧，入网帧包括发起者的设备地址、入网次数、转发无人机的设备地址。

步骤五，无人机接收到所有采集器的入网帧后，唤醒帧和入网帧的转发和发送结束，无人机根据收到的入网帧中存储的各个采集器的设备地址，确定每个采集器入网帧的路由信息，建立路由表；

步骤六，无人机向采集器发送响应帧，响应帧包括路由表信息、分配的网络地址，无人机按照分配的路由信息将响应帧发送给采集器，接收到响应帧的采集器查看路由表信息，查找自己的相邻采集器并转发响应帧和返回确认帧，当无人机接收到所有采集器的确认帧后组网完成；

步骤七，无人机发送集中帧，采集器接收到集中帧后进行转发，并向无人机发送数据帧，数据帧的内容包括原地址、目的地址、抄送的用电信息数据，同时预留一块空间存储经过的设备地址和途径采集器的相关信息和转发的用电信息数据；

步骤八，采集器的数据帧中的原地址存储自己的地址，目的地址存储发往的目的采集器，当采集器抄写好用电信息数据或者接收到用电信息数据后将用电信息数据发送至相邻采集器，此时相邻采集器检测采集器发来的用电信息数据中的目的地址是否与自己的地址相同，如果相同，采集器开始处理用电信息数据，如果不同，采集器转发用电信息数据，每个相邻采集器都进行相同的工作，在转发用电信息数据的同时，存储途经的相关采集器的信息；

步骤九，当采集器接收到一个用电信息数据转发之前，首先将用电信息数据与自己预留存储空间存储的转发过的用电信息数据比较是否相同，如果相同，则舍弃该用电信息数据，接收其他用电信息数据，否则转发该用电信息数据。

步骤十，用电信息数据帧发送到无人机，无人机按照各个采集器的网络地址存储对应的用电信息数据，查看所有用电信息数据是否全部接收，集中任务完成后，无人机发送休眠帧，用电信息集中结束。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用无人机进行用电信息的集中，采用铝空气电池的新型金属阳极作为辅助天线对采集器进行网络自组织，不但提高了天线的覆盖范围，而且有效地延长了无人机的采集时间，扩大了采集的范围，进而提高了数据集中的效率。

2、采用网络自组织式的集中方法，可以降低能耗和成本，提高对偏远农村、旧城区域和别墅等电表分散地区的集中效率。

附图说明

图1是本发明的一种网络自组织式用电信息集中系统的结构示意图。

图2是本发明的电表的结构示意图。

图3是本发明的采集器的结构示意图。

图4是本发明的无人机的结构示意图。

图5是本发明主站的结构示意图。

图6是本发明铝空气电池模块的结构示意图。

图7是铝合金阳极作为辅助天线的结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，其是一种网络自组织式用电信息集中系统的结构示意图，包括多个电表100、多个采集器200、一架无人机300和一台主站400，多个电表100与多个采集器200一一对应。

参见图2，其是本发明的电表的结构示意图。电表100包括电表控制模块101、防盗模块102、加密模块103、计量模块104、电表电源模块105、显示模块106和RS485通信模块107，其中电表控制模块101用于对电表的各个模块的控制，防盗模块105具有电表封装检测单元和电表箱开箱检测单元，当发现电表封装或电表箱打开时生成告警信息，加密模块103用于将用电信息进行加密，计量模块104用于计量包含电压、电流、功率、频率、功率因素、相位角、消耗的电能数据和告警信息的用电信息，电表电源模块105为电表100提供工作电压和工作电流，显示模块106用于显示电表的工作状态、用电量信息，RS485通信模块107将用电信息上传到采集器以及从采集器接收信息，防盗模块采用压力传感器和红外传感器，当对电表封装或电表箱进行非法操作时，压力传感器或红外传感器立即感知。其中加密模块采用DES、AES或RSA加密算法。

参见图3，其是本发明的采集器的结构示意图。采集器200包括采集控制模块201、采集存储模块202、采集电源模块203、RS485通信模块204和采集通信模块205，其中采集控制模块201对采集器200的各个模块进行控制，采集存储模块202存储用电信息和无人机300下发的信息，采集电源模块203为采集器提供稳定电压，RS485通信模块204用于与电表100进行双向通信，并接收用电信息，采集通信模块205用于与无人机300进行网络自组织通信。

参见图4，其是本发明的无人机的结构示意图。无人机300包括主机模块301、铝空气电池模块302、集中器模块303，其中主机模块301包括无人机控制模块3011、驱动模块3012、机身模块3013、摄像头模块3014和导航模块3015，其中无人机控制模块3011对无人机300的各个模块进行控制，驱动模块3012用于无人机300的升降和飞行，机身模块3013用于容纳铝空气电池模块302、集中器模块303，摄像头模块3014用于无人机300的摄像，以便于操作人员控制无人机飞行，导航模块3015用于无人机的导航和定位；集中器模块303包括集中存储模块3031、网络自组织通信模块3032和FDD-LTE通信模块3033，集中存储模块3031用于存储用电信息和主站下发的信息，网络自组织通信模块3032用于与采集器进行网络自组织通信，FDD-LTE通信模块3033用于与主站进行双向通信。无人机300采用多轴多旋翼结构，具有较大的升力和较好的稳定性。

参见图5，其是本发明主站的结构示意图。主站400包括主站控制模块401、解密模块402、监视模块403、主站存储模块404、计价模块405和FDD-LTE通信模块406，主站控制模块401控制主站400的各个模块，解密模块解402密接收的加密的用电信息，监视模块403显示所有电表100的用电信息，主站存储模块404用于存储用电信息，计价模块405对电表的用电量进行计价，FDD-LTE通信模块406用于与无人机进行双向通信。

参见图6，其是本发明铝空气电池模块的结构示意图。铝空气电池模块302包括外壳3021、铝合金阳极3022、隔膜3023、空气阴极3024和阳极选择开关3025，铝合金阳极3022包括多个铝合金片，网络自组织通信模块3032包括微处理器、天线，天线包括主天线和辅助天线，辅助天线包括多个铝合金片。主天线可以采用现有技术中的天线结构。外壳3021由塑料制成，其还包括盖板，用于密封铝空气电池模块302，铝空气电池模块还包括电解液，电解液可以是有机电解液或无机电解液，隔膜3023是选择性半透膜，外壳3021用于容纳铝合金阳极3022的槽的内部具有电触点，用于与阳极选择性开关3025电连接。

参见图7，其是铝合金阳极作为辅助天线的结构示意图。铝空气电池模块302工作时，无人机控制模块3011通过阳极选择开关选择一个铝合金片作为工作阳极与空气阴极组成对电极进行放电，其余未参与放电的铝合金片则作为辅助天线进行网络自组织通信，当阳极选择开关3025检测到铝空气电池模块302的输出功率达到最低工作功率时，切换下一个铝合金片作为工作阳极进行放电，铝合金片的重量比组成为：97％铝，0.6％镉，0.9％钕，1.5％镍。经过长期试验，发现本发明的特定组成的铝合金片比纯铝片或含有镁、钙、锌、镓等元素的铝合金具有更好地抗腐蚀性能，并且能有效的活化空气阳极，提高容量和输出功率。经过测试，本发明的铝空气电池比采用纯铝的空气电池的容量高20％，抗腐蚀性比含0.7wt％镁、1.9wt％铟的铝合金强15％。

无人机300启动后，无人机控制模块301控制驱动模块3012驱动无人机300升空并飞行，在到达工作高度后，启动集中器模块303，网络自组织通信模块3032广播帧组信息，采集器200根据帧组信息进行自组织网络通信，将用电信息发送到无人机300上，帧组信息包括唤醒帧、入网帧、响应帧、集中帧、数据帧和休眠帧。

本发明还提供一种网络自组织式用电信息集中方法，该方法采用本发明的网络自组织式用电信息集中系统，其中，该方法包括：

步骤一，启动无人机，控制无人机进入工作区域；

步骤二，无人机发出唤醒帧，采集器在休眠状态下被唤醒并转为等待状态，同时转发唤醒帧并等待组网命令；

步骤三，采集器每隔10s-30s检测相邻的采集器，并发送唤醒帧，依次转发唤醒各个采集器；

步骤四，处于等待状态的采集器向无人机发起入网帧，入网帧包括发起者的设备地址、入网次数、转发无人机的设备地址。

步骤五，无人机接收到所有采集器的入网帧后，唤醒帧和入网帧的转发和发送结束，无人机根据收到的入网帧中存储的各个采集器的设备地址，确定每个采集器入网帧的路由信息，建立路由表；

步骤六，无人机向采集器发送响应帧，响应帧包括路由表信息、分配的网络地址，无人机按照分配的路由信息将响应帧发送给采集器，接收到响应帧的采集器查看路由表信息，查找自己的相邻采集器并转发响应帧和返回确认帧，当无人机接收到所有采集器的确认帧后组网完成；

步骤七，无人机发送集中帧，采集器接收到集中帧后进行转发，并向无人机发送数据帧，数据帧的内容包括原地址、目的地址、抄送的用电信息数据，同时预留一块空间存储经过的设备地址和途径采集器的相关信息和转发的用电信息数据；

步骤八，采集器的数据帧中的原地址存储自己的地址，目的地址存储发往的目的采集器，当采集器抄写好用电信息数据或者接收到用电信息数据后将用电信息数据发送至相邻采集器，此时相邻采集器检测采集器发来的用电信息数据中的目的地址是否与自己的地址相同，如果相同，采集器开始处理用电信息数据，如果不同，采集器转发用电信息数据，每个相邻采集器都进行相同的工作，在转发用电信息数据的同时，存储途经的相关采集器的信息；

步骤九，当采集器接收到一个用电信息数据转发之前，首先将用电信息数据与自己预留存储空间存储的转发过的用电信息数据比较是否相同，如果相同，则舍弃该用电信息数据，接收其他用电信息数据，否则转发该用电信息数据。

步骤十，用电信息数据帧发送到无人机，无人机按照各个采集器的网络地址存储对应的用电信息数据，查看所有用电信息数据是否全部接收，集中任务完成后，无人机发送休眠帧，用电信息集中结束。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种网络自组织式用电信息集中系统，包括多个电表、多个采集器、一架无人机和一台主站，多个电表与多个采集器一一对应，其中，

所述电表包括电表控制模块、防盗模块、加密模块、计量模块、电表电源模块、显示模块和RS485通信模块，其中电表控制模块用于对电表的各个模块的控制，防盗模块具有电表封装检测单元和电表箱开箱检测单元，当发现电表封装或电表箱打开时生成告警信息，加密模块用于将用电信息进行加密，计量模块用于计量包含电压、电流、功率、频率、功率因素、相位角、消耗的电能数据和告警信息的用电信息，电表电源模块为电表提供工作电压和工作电流，显示模块用于显示电表的工作状态、用电量信息，RS485通信模块将用电信息上传到采集器以及从采集器接收信息；

所述采集器包括采集控制模块、采集存储模块、采集电源模块、RS485通信模块和采集通信模块，其中采集控制模块对采集器的各个模块进行控制，采集存储模块存储用电信息和无人机下发的信息，采集电源模块为采集器提供稳定电压，RS485通信模块用于与电表进行双向通信，并接收用电信息，采集通信模块用于与无人机进行网络自组织通信；

所述无人机包括主机模块、铝空气电池模块、集中器模块，其中主机模块包括无人机控制模块、驱动模块、机身模块、摄像头模块和导航模块，其中无人机控制模块对无人机的各个模块进行控制，驱动模块用于无人机的升降和飞行，机身模块用于容纳铝空气电池模块和集中器模块，摄像头模块用于无人机的摄像，以便于操作人员控制无人机飞行，导航模块用于无人机的导航和定位；集中器模块包括存储模块、网络自组织通信模块和FDD-LTE通信模块，集中存储模块用于存储用电信息和主站下发的信息，网络自组织通信模块用于与采集器进行网络自组织通信；

所述主站包括主站控制模块、解密模块、监视模块、主站存储模块、计价模块和FDD-LTE通信模块，主站控制模块控制主站各个模块，解密模块解密接收的加密的用电信息，主站存储模块用于存储用电信息，监视模块显示所有电表的用电信息，计价模块对电表的用电量进行计价，FDD-LTE通信模块用于与无人机进行双向通信；

所述铝空气电池模块包括外壳、铝合金阳极、隔膜、空气阴极和阳极选择开关，铝合金阳极包括多个铝合金片，网络自组织通信模块包括微处理器和天线，天线包括主天线和辅助天线，辅助天线包括所述多个铝合金片；

铝空气电池模块工作时，无人机控制模块通过阳极选择开关选择一个铝合金片作为工作阳极与空气阴极组成对电极进行放电，其余未参与放电的铝合金片则作为辅助天线进行网络自组织通信，当阳极选择开关检测到铝空气电池模块的输出功率达到最低工作功率时，切换下一个铝合金片作为工作阳极进行放电；所述铝合金片的重量比组成为：97％铝，0.6％镉，0.9％钕，1.5％镍；

无人机启动后，无人机控制模块控制驱动模块驱动无人机升空并飞行，在到达工作高度后，启动集中器模块，网络自组织通信模块广播帧组信息，采集器根据帧组信息进行自组织网络通信，将用电信息发送到无人机，帧组信息包括唤醒帧、入网帧、响应帧、集中帧、数据帧和休眠帧。

2.根据权利要求1所述的网络自组织式用电信息集中系统，其中，所述防盗模块采用压力传感器和红外传感器，当对电表封装或电表箱进行非法操作时，压力传感器或红外传感器立即感知。

3.根据权利要求1或2所述的网络自组织式用电信息集中系统，其中，所述外壳由塑料制成。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的网络自组织式用电信息集中系统，其中，所述加密模块采用DES、AES或RSA加密算法。

5.一种网络自组织式用电信息集中方法，其采用根据权利要求1-4中任一项的网络自组织式用电信息集中系统，其中，所述网络自组织式用电信息集中方法方法包括：

步骤一，启动无人机，控制无人机进入工作区域；

步骤二，无人机发出唤醒帧，采集器在休眠状态下被唤醒并转为等待状态，同时转发唤醒帧并等待组网命令；

步骤三，采集器每隔10s-30s检测相邻的采集器，并发送唤醒帧，依次转发唤醒各个采集器；

步骤四，处于等待状态的采集器向无人机发起入网帧，入网帧包括发起者的设备地址、入网次数、转发无人机的设备地址；

步骤五，无人机接收到所有采集器的入网帧后，唤醒帧和入网帧的转发和发送结束，无人机根据收到的入网帧中存储的各个采集器的设备地址，确定每个采集器入网帧的路由信息，建立路由表；

步骤六，无人机向采集器发送响应帧，响应帧包括路由表信息、分配的网络地址，无人机按照分配的路由信息将响应帧发送给采集器，接收到响应帧的采集器查看路由表信息，查找自己的相邻采集器并转发响应帧和返回确认帧，当无人机接收到所有采集器的确认帧后组网完成；

步骤七，无人机发送集中帧，采集器接收到集中帧后进行转发，并向无人机发送数据帧，数据帧的内容包括原地址、目的地址、抄送的用电信息数据，同时预留一块空间存储经过的设备地址和途径采集器的相关信息和转发的用电信息数据；

步骤八，采集器的数据帧中的原地址存储自己的地址，目的地址存储发往的目的采集器，当采集器抄写好用电信息数据或者接收到用电信息数据后将用电信息数据发送至相邻采集器，此时相邻采集器检测采集器发来的用电信息数据中的目的地址是否与自己的地址相同，如果相同，采集器开始处理用电信息数据，如果不同，采集器转发用电信息数据，每个相邻采集器都进行相同的工作，在转发用电信息数据的同时，存储途经的相关采集器的信息；

步骤九，当采集器接收到一个用电信息数据转发之前，首先将用电信息数据与自己预留存储空间存储的转发过的用电信息数据比较是否相同，如果相同，则舍弃该用电信息数据，接收其他用电信息数据，否则转发该用电信息数据；

步骤十，用电信息数据帧发送到无人机，无人机按照各个采集器的网络地址存储对应的用电信息数据，查看所有用电信息数据是否全部接收，集中任务完成后，无人机发送休眠帧，用电信息集中结束。