CN110148067A - 实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络，属于电力物联网技术领域技术领域，包括自定位智能家用能源信息网关装置PA2、自定位智能家用能源信息插座PA3、家用能源信息服务系统网络管理平台PA6、智能家用能源信息终端管理与检测装置PA7、传统的低压配电网络设施、分布式电源、储能装置与智能家电。本发明改善了当前家庭智能用电系统在通信可靠性、网络可视性、系统实用性与技术经济性方面的短板，解决低压层面电力物联网推广应用难点问题，显著提升能源信息相关终端和数据的利用效率、传输效率、管理效率与可靠性，推动各类用电终端设备与信息终端设备的融合进程，支撑和促进泛在电力物联网在广大低压用户层面的加快形成。
Description
技术领域
本发明涉及电力物联网技术领域，具体涉及一种实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络。
背景技术
近年来在国家电网公司牵头倡导和大力推动下，泛在电力物联网建设正在全面快速开展。泛在电力物联网是泛在物联网在电力行业的具体表现形式和应用落地，旨在将电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备、以及人和物连接起来，产生共享数据，为用户、电网、发电、供应商和政府社会提供服务，以电网为枢纽，发挥平台和共享作用，为全行业和更多市场主体发展创造更大机遇，创造价值服务。
出于技术与商业层面原因，数以亿计的家庭低压用户至今仍然广泛维持着传统的电力接入和消费模式。直接面向低压用户的智能用电领域一直是近年来智能电网建设的热点和难点，但随着相关技术和装备的发展完善，能够实现电力流与信息流综合高效智能利用的家庭能源信息服务系统也必将成为泛在电力物联网建设的焦点和亮点。
目前的家庭智能用电系统与传统用电网络相比，绝大多数利用了窄带低压电力线载波（N-PLC）技术，重点解决了各类终端用电设备的信息接入与上传，以及远程控制信号的传递等问题，部分系统还基于宽带低压电力线载波（B-PLC）或低压光纤复合电缆（OPLC）技术，提供了终端用电设备与网络设备的宽带接入，并在此基础上开展了用户双向互动等多样化业务，取得较好的体验。但受思路、技术与标准方面的局限，仍然存在一系列不足之处，主要包括：
1、智能化程度低，系统成本居高造成实用性差。目前家庭智能用电系统相关设备仍未出台统一标准，多数系统关注重点仍是各种家用电器的信息上传和远程控制，接入的数据类型和采样精度有限，且终端设备基本上不具备数据处理能力，只是简单的存储和上传，相关用电策略的规划执行过程需要较多的人工介入和干预，对于普通用户而言感觉过于繁琐。少数提供宽带接入和智能互动业务的家庭智能用电系统，其多媒体网关设备多基于ARM甚至x86架构开发，成本居高不下，也使得在光大家庭用户层面的应用推广十分困难。
2、通信方式单一、传输速率受限，造成可靠性差。目前已有的家庭智能用电系统主要采用低压电力线载波（PLC）、低压光纤复合电缆（OPLC）和无线Wi-Fi三种通信方式其中的一种，而以上技术都存在其局限性：PLC技术传输速率低（基本上都在1Mbit/s以下，往往在数十kbit/s左右），且信道特性受环境影响明显、变化快速；OPLC造价较高，需要重新布放，实施困难；Wi-Fi信号穿透能力较差，且其模组功耗偏大，造价相对也较高。受成本因素制约，绝大多数制造商仍采用单一通信方式，因信道或装置故障引起的信号一旦中断无法恢复，系统可靠性整体偏低。而如果同时采用两种或三种通信方式，又将造成系统成本直线上升，同时引起的效果改善相对也并不明显。
3、不具备定位能力、无法识别拓扑造成精确性差。受技术所限，目前已有的家庭智能用电终端设备均不具备空间定位和网络拓扑发现能力。类似于一个封闭的战场，指挥人员只能知道战场中有哪些人员，并能与各个人员通话，但却并不知道战场里目前的阵型排列、组织配置与人员分布，不能精确定位、不能识别网络拓扑，在一些复杂建筑中开展故障排查、风险分析、设备检修等应用场景时将会力不从心，也无法支持未来家庭智能维护、机器人服务、远程无人机送货等一系列高级应用需求。
超宽带（UWB）无线是一种无载波的无线通信技术，公开发布于21世纪初，主要面向短距离无线应用，具备以下主要特点：一是传输速率高，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s乃至数Gbit/s的数据传输速率；二是功耗极低，耗电量为现有无线技术的1/100以下；三是定位能力强，支持TOF、TDOA、AOA多种定位算法，定位精度可达厘米级。四是成本低廉，较现有无线技术成本更低。此外，UWB还具有抗干扰性能强、穿透能力强、保密性好等诸多优势。
无线无载波的UWB技术与有线有载波的PLC技术天然形成一定程度上的技术互补，同时都主要针对短距离通信应用场景，在家庭智能用电领域具有很好的应用空间，能够很好弥补现有系统的缺陷和不足。
公开号CN102185743A的专利文献公开了一种基于智能网关的数字家庭网络系统。该系统包括家庭网关、家庭网络；所述家庭网关同时连接多个或不同种类接入方式的接入设备；所述家庭网络分为：家庭控制网、数字数据网、家庭A/V网；家庭控制网采用基于X210总线协议的PLC电力线载波技术为传输介质；数字数据网、家庭A/V网以无线为传输介质，采用超宽频UWB方式。该系统实现了家庭网关的多业务和多种端口技术、三网合一的内部网络协议转换技术、智能路由技术及网络数据包过滤技术的综合应用，方便家庭设备的管理及通信。
公开号为CN103634181A的专利文献公开了一种基于智能网关的数字家庭网络系统设计结构。该结构包括：(1)智能网关，以Linux操作系统为核心，管理、协调各周边模块。(2)数字电视、移动终端，PC机模块接口，ADSL电话接口模块，实现电话信号的数字化，与家庭网关相连。(3)无线环境模块，内置高频头，对高频电视信号进行处理，并通过多媒体编码器实时处理数字媒体流；(4)PLC电力线载波协议转换接口将外网对家电控制信息通过电力线载波的方式传输给各家电终端；(6)UWB无线通信通过网关连接外网或内网传送或者接收宽带网络数据和多媒体音视频流。本发明建立在物理模型的基础上，以家庭网关为中心，实现多业务、多终端相互便捷链接功能。该技术方案实现对网络系统结构设计，通过多业务及多端口与家庭智能网关互联方案，实现了对多种业务多种端口的支持，达到多种媒介之间互连及控制的目的。
上述两种系统均能支持多种业务和多种端口，但均存在精确性和可靠性能差等缺陷，不具备空间定位和网络拓扑发现能力。
发明内容
本发明针对目前家庭智能用电系统在实用性、可靠性与精确性方面存在的缺陷和不足，提出一种基于UWB与PLC融合实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络，包括：自定位智能家用能源信息网关装置PA2、自定位智能家用能源信息插座PA3、家用能源信息服务系统网络管理平台PA6、智能家用能源信息终端管理与检测装置PA7、低压配电网络设施、分布式电源、储能装置与智能家电。
进一步的，所述自定位智能家用能源信息网关装置PA2包括一种基于UWB与PLC融合的嵌入式智能家用能源信息综合处理单元PA4。
进一步的，所述自定位智能家用能源信息插座PA3包括一种基于UWB与PLC融合的嵌入式智能家用能源信息综合处理简化单元PA5。
进一步的，所述家用能源信息服务系统网络管理平台PA6为一种针对家用能源信息服务系统的远程管理装置。
进一步的，所述智能家用能源信息终端管理与检测装置PA7为一种针对所述自定位智能家用能源信息网关装置PA2、所述自定位智能家用能源信息插座PA3开展功能检测与本地管理维护的装置。
本发明的有益效果是：
本发明自定位智能家用能源信息网关装置（PA2）为同期申请专利项，主要采用一种基于UWB与PLC融合的嵌入式智能家用能源信息综合处理单元（PA4）研发制造。主要作用是与邻近的自定位智能家用能源信息插座（PA3）和其他的自定位智能家用能源信息网关装置（PA2）配合，通过低压电力线载波PLC和超宽带无线UWB两种通信方式，对相关的业务数据、定位数据、管理数据进行收集，经过初步整理分析后进行有选择性地存储和传递；根据所收集到的定位数据和设备属性信息，自动生成和更新带有位置信息的单元拓扑结构，并向上级转发；接受上级下发或本地端口接入的管理信息和配置策略，根据策略指令对所属管理的各智能家电进行智能控制。除此之外，还承担常规智能电表的计量信息采集与报送等相应功能。
自定位智能家用能源信息插座（PA3）为同期申请专利项，主要采用一种基于UWB与PLC融合的嵌入式智能家用能源信息综合处理简化单元（PA5）研发制造。主要作用除完成常规的向接入电器供电和满足分布式能源接入之外，还要与邻近的自定位智能家用能源信息网关装置（PA2）和其他的自定位智能家用能源信息插座（PA3）配合，通过低压电力线载波PLC和超宽带无线UWB两种通信方式，对相关的业务数据、定位数据、管理数据进行收集和传递。
家用能源信息服务系统网络管理平台（PA6）为同期申请专利项，提供一种针对家用能源信息服务系统的远程管理方法及装置，用以填补目前家用能源信息服务系统远程综合管理能力的缺失，主要服务售电公司和用户，实现家用能源生产消费、家用智能电器控制、家庭网络业务的一体化高效管理。
智能家用能源信息终端管理与检测装置（PA7）为同期申请专利项，提供一种针对自定位智能家用能源信息网关装置（PA2）、自定位智能家用能源信息插座（PA3）开展功能检测与本地管理维护的方法及装置，方便施工和运行人员对相关终端和组件进行检测、配置和管理，为家用能源信息服务系统的建设和维护提供便利。
低压配电网络设施包括配电变压器、配电箱、表箱、低压电力线等等，主要用于满足各接入电器的供电需求与接入分布式电源和储能装置的消纳需求，均为公开成熟技术，功能和性能不再赘述。
分布式电源包括接入的小型风力、光伏、生物或其他类型的发电装置等等，储能装置包括接入的蓄电池、电容或其他类型的电能储存装置等等，均为公开成熟技术，主要作用、功能和性能不再赘述。
智能家电包括具备数据存储、计算、通信功能，具有网络化、智能化和集成化特征的各种家用电器，目前相关技术正在快速发展之中。在本发明提出的基于UWB与PLC融合实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络中，智能家电通过自定位智能家用能源信息插座（PA3）接入，本身可以通过引入UWB与PLC相关通信模块单元来实现与网络的更好融合，也可以通过传统网络接口实现数据信息的接入。
本发明主要特点一是在智能插座、智能网关等内部组件之间通过低压电力线载波（PLC）和超宽带无线（UWB）两种通信方式进行业务信息、管控信息、定位信息的全面双向传递，显著提高传输能力与可靠性；二是通过PLC和UWB技术融合实现带有位置信息的网络拓扑自动生成与更新，有力支撑智能化管理与未来家庭AI服务需求；三是通过基于Soc嵌入式系统研发的综合处理单元模块实现成本的进一步压缩，从而有效增加家用能源信息服务网络的实用性、经济性和可靠性。
本项发明与同期申报的另外6项发明将共同构成完整的基于UWB与PLC融合的智能家用能源信息生态系统（IFEIC，Intelligent Family Energy&Information Circle），一是通过将UWB技术与PLC技术有机融合，实现终端设备数据传输速率的极大提升，以及故障方式下的通道自动切换；二是基于UWB技术的定位能力与PLC技术的天然拓扑属性，同时支撑终端设备的精确定位与网络拓扑的自动发现和动态重构；三是基于嵌入式系统开发，具备相对强大的计算能力、丰富的资源以及良好的可扩展性，为家庭能源信息相关海量数据的综合利用提供良好条件，同时由于系统的高度集成，其成本可以得到有效控制。
通过本发明及其相关专利项在家庭用能领域的广泛应用，将极大改善当前家庭智能用电系统在通信可靠性、网络可视性、系统实用性与技术经济性方面的短板，有效解决低压层面电力物联网推广应用难点问题，显著提升能源信息相关终端和数据的利用效率、传输效率、管理效率与可靠性，有力推动各类用电终端设备与信息终端设备的融合进程，支撑和促进泛在电力物联网在广大低压用户层面的加快形成。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的系统组成示意图。
图2为本发明实施例的典型应用环境示意图。
图3为本发明实施例的自动拓扑定位功能效果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-3，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例的系统网络构建方法及相关组件单元装置，利用UWB与PLC融合与嵌入式技术，实现家用能源信息服务网络的可靠通信、拓扑动态重构与终端精确定位，解决了现有技术中家庭智能用电系统在通信可靠性、网络可视性、系统实用性与技术经济性方面的缺陷。
如图1-3所示，本发明实施例在实际应用中构建的一种基于UWB与PLC融合实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络PA1，包括：自定位智能家用能源信息网关装置PA2、自定位智能家用能源信息插座PA3、家用能源信息服务系统网络管理平台PA6、智能家用能源信息终端管理与检测装置PA7、低压配电网络设施、分布式电源、储能装置与智能家电。
将各类智能家电、分布式电源、储能装置通过电力线与网线与自定位智能家用能源信息插座PA3连接。各类发、用、储能终端设备工作信息或各类智能终端业务信息通过自定位智能家用能源信息插座PA3进行传递。
散布各处的自定位智能家用能源信息插座PA3通过家庭内敷电力线与自定位智能家用能源信息网关装置PA2连接。经过初始化和关联信息读取后，自定位智能家用能源信息网关装置PA2自动构建带有定位信息的网络拓扑，并对各类数据信息进行分类收集和双向传递。
自定位智能家用能源信息网关装置PA2通过外部低压电力线缆与配电箱等上级供配电设备连接，同时接入4G/5G无线通信网络。将用电信息、普通业务数据通过PLC方式上传，对于管理监控、拓扑关系、预置策略、应急数据等关键数据在通过4G/5G无线通信模组上报云端平台的同时，进行本地存储。
家用能源信息服务系统网络管理平台PA6可部署于专用服务器或网络云服务，完成后即可通过手机等网络终端设备实现家用能源信息服务网络拓扑与定位信息的查询、智能家电与分布式电源、储能装置的远程监控与相关信息的查询，并为家庭AI服务提供设备定位、运行状态等基础信息。
智能家用能源信息终端管理与检测装置PA7可通过网线、PLC或UWB方式与自定位智能家用能源信息网关装置PA2或自定位智能家用能源信息插座PA3连接，方便建设和运维人员开展工作。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络，其特征在于：包括：自定位智能家用能源信息网关装置PA2、自定位智能家用能源信息插座PA3、家用能源信息服务系统网络管理平台PA6、智能家用能源信息终端管理与检测装置PA7、低压配电网络设施、分布式电源、储能装置与智能家电。
2.如权利要求1所述的实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络，其特征在于：所述自定位智能家用能源信息网关装置PA2包括一种基于UWB与PLC融合的嵌入式智能家用能源信息综合处理单元PA4。
3.如权利要求2所述的实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络，其特征在于：所述自定位智能家用能源信息插座PA3包括一种基于UWB与PLC融合的嵌入式智能家用能源信息综合处理简化单元PA5。
4.如权利要求3所述的实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络，其特征在于：所述家用能源信息服务系统网络管理平台PA6为一种针对家用能源信息服务系统的远程管理装置。
5.如权利要求4所述的实现拓扑动态重构与精确定位的家用能源信息服务网络，其特征在于：所述智能家用能源信息终端管理与检测装置PA7为一种针对所述自定位智能家用能源信息网关装置PA2、所述自定位智能家用能源信息插座PA3开展功能检测与本地管理维护的装置。
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