CN110266102A - 基于nb-iot的微电网信息采集与监控系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于NB‑IOT的微电网信息采集与监控系统及其实现方法，系统包括现场设备层、网络传输层和应用层。所述现场设备层包括微电网环境信息采集系统和微电网现场设备监控系统，负责环境数据与现场设备运行数据的采集；所述网络传输层包括ZIGBEE无线网络、MODBUS RTU总线网络、智能网关和NB‑IOT网络，负责数据传输和协议转换；所述应用层包括微电网智能监控平台，微电网智能监控平台包括微电网环境安全评估系统和微电网现场设备监控系统，提供系统监控和环境评估功能。本发明在传统微电网中加入智能网关，通过网关内嵌的协议转换器实现了微电网系统数据的远传，实现了系统的远程监控；本发明通过微电网环境安全评估系统减少了现场设备意外损耗的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及微电网及物联网开发领域，具体涉及一种基于NB-IOT的微电网信息采集与监控系统及其实现方法。
背景技术
微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。
现阶段微电网的通信网络多数由包括MODBUS、PROFIBUS、CAN等在内的现场总线网络构成，此类现场总线微电网系统存在数据孤岛、可延展性差、缺乏远程监控功能的问题；而有少量微电网系统的通信网络由GPRS网络构成，但GPRS模块存在无线传输模块功耗高、信号差、成本高、寿命相对较短的问题，从而导致由它组成的微电网系统存在明显缺陷。
而在极端的天气环境下，微电网的现场设备常会出现损耗甚至损毁的情况，为减少此类情况的发生，亟需对微电网现场设备的工作环境进行严密监控。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于NB-IOT的微电网信息采集与监控系统及其实现方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于NB-IOT的微电网信息采集与监控系统，包括现场设备层、网络传输层和平台应用层；
所述现场设备层包括微电网环境信息采集系统和微电网现场设备运行监控系统；所述微电网环境信息采集系统包括温湿度监测终端、一氧化碳含量监测终端、二氧化碳含量监测终端、风速监测终端和光强监测终端，负责采集微电网现场的环境数据；所述微电网现场设备运行监控系统包括配电系统监控器、光伏储能系统监控器、风力并网发电系统监控器、光伏并网发电系统监控器、柴油发电系统监控器，负责采集微电网现场设备的运行数据并对微电网现场设备进行控制；
所述网络传输层包括ZIGBEE无线网络、MODBUS RTU总线网络、智能网关和NB-IOT无线网络；其中ZIGBEE无线网络包括协调器和终端，负责微电网环境信息采集系统数据的上传；MODBUS RTU总线网络包括主站和从站，负责微电网现场设备运行数据的上传与控制指令的下发；智能网关包括MCU主控模块、供电模块、NB-IOT无线模块、ZIGBEE无线模块、RS485接口模块和协议转换模块，负责MODBUS RTU总线网络与NB-IOT无线网络间、ZIGBEE无线网络与NB-IOT无线网络间的协议转换和数据的实时转发；NB-IOT无线网络负责智能网关与应用层的微电网智能监控平台间的数据交互；
所述应用层包括微电网智能监控平台，其包括微电网环境安全评估系统和微电网现场设备监控系统；所述微电网环境安全评估系统负责对微电网的运行环境进行评估，从而对现场设备的启停、维护和工作人员的出入做出智能决策；所述微电网现场设备监控系统负责为微电网现场设备的运行情况提供远程监控、实时报警、历史数据查询、传输设备管理、控制指令下发等功能。
一种基于NB-IOT的微电网信息采集与监控系统实现方法，具体步骤如下：
1)微电网环境信息采集系统采集微电网环境数据并上传至ZIGBEE协调器进行数据汇聚，微电网现场设备运行监控系统采集微电网现场设备运行数据并上传至MODBUS主站进行数据汇聚；
2)ZIGBEE协调器和MODBUS主站将数据集转发至智能网关，通过智能网关内嵌的协议转换器将数据统一转换成NB-IOT协议数据格式；
3)智能网关通过NB-IOT无线网络将数据上传至微电网智能监控平台，并根据数据类型分别存储至微电网环境安全评估系统和微电网现场设备监控系统的数据库中；
4)微电网环境安全评估系统通过数据分析对微电网的运行环境进行评估，从而对现场设备的启停、维护和工作人员的出入做出智能决策；微电网现场设备监控系统对设备运行数据进行处理分析，从而实现实时报警、控制指令下发等功能，并提供远程监控、历史数据查询、传输设备管理等功能。
进一步地，所述步骤2)中通过智能网关内嵌的协议转换器将数据统一转换成NB-IOT协议数据格式，其具体包括ZIGBEE数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换方法和MODBUSRTU数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换方法：
a)ZIGBEE数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换的方法如下：
协议转换模块对ZIGBEE数据帧进行解析，ZIGBEE数据帧格式如下所示：
| 2字节 | 1字节 | 2字节 | 2字节 | 2字节 | 2字节 | 2/4字节 | 2字节 |
| 帧控制 | 序列号 | 目的PANID | 目的地址 | 源PANID | 源地址 | 应用数据载荷 | FCS校验 |
协议转换模块提取ZIGBEE数据帧中的源PANID、源地址作为监控器的标识号并转换为NB-IOT数据帧的主题名；提取应用数据载荷作处理转换为NB-IOT协议中JSON格式的应用数据。
经协议转换模块转换，数据帧转换为NB-IOT协议的数据帧，数据帧格式如下所示：
| 1字节 | 1字节 | 5字节 | 2字节 | 71/122字节 |
| 控制报文类型 | 帧剩余长度 | 主题名 | 报文标识符 | 应用数据载荷 |
b)MODBUS RTU数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换方法如下：
协议转换模块对MODBUS RTU的数据帧进行解析数据帧格式如下所示：
| 1字节 | 1字节 | 1字节 | 12/28字节 | 2字节 |
| 设备地址 | 功能码 | 数据长度 | 应用数据载荷 | CRC校验 |
协议转换模块提取MODBUS RTU数据帧中的设备地址作为监控器的标识号转换为NB-IOT数据帧的主题名；提取功能码并判断数据帧功能是否为数据上传功能；提取应用数据载荷作处理转换为NB-IOT协议中JSON格式的应用数据。
经协议转换模块转换，数据帧转换为NB-IOT协议的数据帧，数据帧格式如下所示：
| 1字节 | 1字节 | 5字节 | 2字节 | 98/220字节 |
| 控制报文类型 | 帧剩余长度 | 主题名 | 报文标识符 | 应用数据载荷 |
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明通过智能网关中的协议转换模块将微电网MODBUS RTU网络中的数据帧为NB-IOT协议的数据帧并通过NB-IOT网络上传云端平台，解决了微电网中的数据孤岛问题，实现了微电网系统的远程监控功能。
本发明搭建了微电网环境监控系统采集微电网设备环境数据，并通过智能网关上传云端平台，利用微电网环境安全评估系统对微电网设备的工作环境进行评估，从而大大减少了极度恶劣环境下微电网设备的意外损耗，延长了微电网系统的寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的系统结构框图。
图2是本发明实施例微电网现场设备监控系统的系统结构图。
图3是本发明实施例智能网关的硬件结构图。
图4是本发明实施例系统实现方法流程图。
图5是本发明实施例ZIGBEE数据帧与NB-IOT数据帧间、MODBUS RTU数据帧与NB-IOT数据帧间协议转换方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的技术方案及优点更加清楚明白，以下优选实施例结合附图对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，一种基于NB-IOT的微电网信息采集与监控系统，包括现场设备层、网络传输层和平台应用层；
所述现场设备层包括微电网环境信息采集系统和微电网现场设备运行监控系统；所述微电网环境信息采集系统包括温湿度监测终端、一氧化碳含量监测终端、二氧化碳含量监测终端、风速监测终端和光强监测终端，负责采集微电网现场的环境数据；所述微电网现场设备运行监控系统包括配电系统监控器、光伏储能系统监控器、风力并网发电系统监控器、光伏并网发电系统监控器、柴油发电系统监控器，负责采集微电网现场设备的运行数据并对微电网现场设备进行控制；
所述网络传输层包括ZIGBEE无线网络、MODBUS RTU总线网络、智能网关和NB-IOT无线网络；其中ZIGBEE无线网络包括协调器和终端，负责微电网环境信息采集系统数据的上传；MODBUS RTU总线网络包括主站和从站，负责微电网现场设备运行数据的上传与控制指令的下发；智能网关包括MCU主控模块、供电模块、NB-IOT无线模块、ZIGBEE无线模块、RS485接口模块和协议转换模块，负责MODBUS RTU总线网络与NB-IOT无线网络间、ZIGBEE无线网络与NB-IOT无线网络间的协议转换和数据的实时转发，如图3所示；NB-IOT无线网络负责智能网关与应用层的微电网智能监控平台间的数据交互；
所述应用层包括微电网智能监控平台，其包括微电网环境安全评估系统和微电网现场设备监控系统；所述微电网环境安全评估系统负责对微电网的运行环境进行评估，从而对现场设备的启停、维护和工作人员的出入做出智能决策；所述微电网现场设备监控系统负责为微电网现场设备的运行情况提供远程监控、实时报警、历史数据查询、传输设备管理、控制指令下发等功能。
如图2所示，所述微电网现场设备运行监控系统中配电系统监控器负责采集配电系统的三相电压、三相电流、负载电能等数据；光伏储能系统监控器负责采集光伏储能系统的光伏输入、逆变输出、储能电压等数据；柴油并网发电系统监控器负责采集柴油并网发电系统的柴油输入、逆变输出等数据；风力并网发电系统监控器负责采集风力并网发电系统的风力输入、逆变输出等数据；光伏并网发电系统监控器负责采集光伏并网发电系统的光伏输入、逆变输出等数据；同时，各监控器通过PLC控制现场设备的启停。
如图4所示，一种基于NB-IOT的微电网信息采集与监控系统的实现方法，具体步骤如下：
1)微电网环境信息采集系统采集微电网环境数据并上传至ZIGBEE协调器进行数据汇聚，微电网现场设备运行监控系统采集微电网现场设备运行数据并上传至MODBUS主站进行数据汇聚；
2)ZIGBEE协调器和MODBUS主站将数据集转发至智能网关，通过智能网关内嵌的协议转换器将数据统一转换成NB-IOT协议数据格式；
3)智能网关通过NB-IOT无线网络将数据上传至微电网智能监控平台，并根据数据类型分别存储至微电网环境安全评估系统和微电网现场设备监控系统的数据库中；
4)微电网环境安全评估系统通过数据分析对微电网的运行环境进行评估，从而对现场设备的启停、维护和工作人员的出入做出决策；微电网现场设备监控系统对设备运行数据进行处理分析，从而实现实时报警、控制指令下发等功能，并提供远程监控、历史数据查询、传输设备管理等功能。
如图5所示，ZIGBEE数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换的方法如下：
i.协议转换模块对ZIGBEE的数据帧进行解析，ZIGBEE数据帧格式如下；
| 2字节 | 1字节 | 2字节 | 2字节 | 2字节 | 2字节 | 2/4字节 | 2字节 |
| 帧控制 | 序列号 | 目的PANID | 目的地址 | 源PANID | 源地址 | 应用数据载荷 | FCS校验 |
ii.提取ZIGBEE数据帧中的FCS校验码进行校验；
iii.提取ZIGBEE数据帧中的源PANID、源地址；
iv.判断源地址，当源地址为0x0001～0x0004时，确认为该数据帧的应用数据为温湿度数据，将NB-IOT协议数据帧中主题名定为“温度、湿度”；当源地址为0x0005～0x0009时，确认该数据帧的应用数据为CO数据，将NB-IOT协议数据帧中主题名定为“CO浓度”；当源地址为0x0A～0x0E时，确认该数据帧的应用数据为CO2数据，将NB-IOT协议数据帧中主题名定为“CO2浓度”；当源地址为0x0010～0x0015时，确认该数据帧的应用数据为风速数据，将NB-IOT协议数据帧中主题名定为“风速”；当源地址为0x0015～0x0019时，确认该数据帧的应用数据为光强数据，将NB-IOT协议数据帧中主题名定为“光强”；
v.提取应用数据载荷放入缓存，其中当ZIGBEE数据帧的源地址为0x0001～0x0004时，本身的应用数据为4字节，所转换的NB-IOT协议数据帧中JSON格式的应用数据载荷长度为122字节；其他源地址的ZIGBEE数据帧的应用数据为2字节，所转换的NB-IOT协议数据帧中JSON格式的应用数据载荷长度为71字节。
vi.成功将转换为NB-IOT协议的数据帧，数据帧格式如下所示：
| 1字节 | 1字节 | 5字节 | 2字节 | 71/122字节 |
| 控制报文类型 | 帧剩余长度 | 主题名 | 报文标识符 | 应用数据载荷 |
如图5所示，MODBUS RTU数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换方法如下：
i.协议转换模块对MODBUS RTU的数据帧进行解析，数据帧格式如下所示：
| 1字节 | 1字节 | 1字节 | 4/12/40字节 | 2字节 |
| 设备地址 | 功能码 | 数据长度 | 应用数据载荷 | CRC校验 |
ii.提取MODBUS RTU数据帧中的CRC进行校验；
iii.协议转换模块提取MODBUS RTU数据帧中的设备地址，其中0x0C、0x0B分别为光伏并网发电系统监控器的光伏输入电表地址和光伏逆变输出电表地址，0x0A、0x09分别为风力并网发电系统监控器的风力输入电表地址和逆变输出电表地址，0x08、0x07分别为柴油并网发电系统监控器的柴油并网发电输入电表地址和逆变输出电表地址，0x06、0x05、0x04分别为光伏储能系统监控器的光伏输入电表地址、逆变输出电表地址和储能电压电表地址，0x03、0x02、0x01为配电系统监控器的三相电压电表地址、三相电流电表地址和负载电表地址。
iv.判断设备地址，当设备地址为0x0C时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“12_I、12_U、12_P”；当设备地址为0x0B时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“11_I、11_U、11_P”；当设备地址为0x0A时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“10_I1、10_I2、10_I3、10_U1、10_U2、10_U3、10_P”；当设备地址为0x09时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“9_I、9_U、9_P”；当设备地址为0x08时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“8_I1、8_I2、8_I3、8_U1、8_U2、8_U3、8_P”；当设备地址为0x07时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“7_I、7_U、7_P”；当设备地址为0x06时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“6_P”；当设备地址为0x05时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“5_P”；当设备地址为0x04时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“4_U”；当设备地址为0x03时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“3_U1、3_U2、3_U3”；当设备地址为0x02时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“2_I1、2_I2、2_I3”；当设备地址为0x01时，NB-IOT协议数据帧中主题名定为“1_W”。
v.提取应用数据载荷放入缓存，其中当MODBUS RTU数据帧的设备地址为0x06、0x05、0x04、0x01时，应用数据为4字节，所转换的NB-IOT协议数据帧中JSON格式的应用数据长度为41字节；其中当MODBUS RTU数据帧的设备地址为0x0C、0x0B、0x09、0x07、0x03、0x02时，应用数据为12字节，所转换的NB-IOT协议数据帧中JSON格式的应用数据长度为98字节；设备地址为0x0A、0x08时，应用数据为40个字节，所转换的NB-IOT协议数据帧中JSON格式的应用数据长度为220个字节。
vi.成功将数据帧转换为NB-IOT协议的数据帧，数据帧格式如下所示：
| 1字节 | 1字节 | 5字节 | 2字节 | 41/98/220字节 |
| 控制报文类型 | 帧剩余长度 | 主题名 | 报文标识符 | 应用数据载荷 |
Claims (3)
1.一种基于NB-IOT的微电网信息采集与监控系统，其特征在于：包括现场设备层、网络传输层和平台应用层；
所述现场设备层包括微电网环境信息采集系统和微电网现场设备运行监控系统；所述微电网环境信息采集系统包括温湿度监测终端、一氧化碳含量监测终端、二氧化碳含量监测终端、风速监测终端和光强监测终端，负责采集微电网现场的环境数据；所述微电网现场设备运行监控系统包括配电系统监控器、光伏储能系统监控器、风力并网发电系统监控器、光伏并网发电系统监控器、柴油发电系统监控器，负责采集微电网现场设备的运行数据并对微电网现场设备进行控制；
所述网络传输层包括ZIGBEE无线网络、MODBUS RTU总线网络、智能网关和NB-IOT无线网络；其中ZIGBEE无线网络包括协调器和终端，负责微电网环境信息采集系统数据的上传；MODBUS RTU总线网络包括主站和从站，负责微电网现场设备运行数据的上传与控制指令的下发；智能网关包括MCU主控模块、供电模块、NB-IOT无线模块、ZIGBEE无线模块、RS485接口模块和协议转换模块，负责MODBUS RTU总线网络与NB-IOT无线网络间、ZIGBEE无线网络与NB-IOT无线网络间的协议转换和数据的实时转发；NB-IOT无线网络负责智能网关与应用层的微电网智能监控平台间的数据交互；
所述应用层包括微电网智能监控平台，其包括微电网环境安全评估系统和微电网现场设备监控系统；所述微电网环境安全评估系统负责对微电网的运行环境进行评估，从而对现场设备的启停、维护和工作人员的出入做出智能决策；所述微电网现场设备监控系统负责为微电网现场设备的运行情况提供远程监控、实时报警、历史数据查询、传输设备管理、控制指令下发功能。
2.一种基于NB-IOT的微电网信息采集与监控系统实现方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）微电网环境信息采集系统采集微电网环境数据并上传至ZIGBEE协调器进行数据汇聚，微电网现场设备运行监控系统采集微电网现场设备运行数据并上传至MODBUS主站进行数据汇聚；
2）ZIGBEE协调器和MODBUS主站将数据集转发至智能网关，通过智能网关内嵌的协议转换器将数据统一转换成NB-IOT协议数据格式；
3）智能网关通过NB-IOT无线网络将数据上传至微电网智能监控平台，并根据数据类型分别存储至微电网环境安全评估系统和微电网现场设备监控系统的数据库中；
4）微电网环境安全评估系统通过数据分析对微电网的运行环境进行评估，从而对现场设备的启停、维护和工作人员的出入做出智能决策；微电网现场设备监控系统对设备运行数据进行处理分析，从而实现实时报警、控制指令下发功能，并提供远程监控、历史数据查询、传输设备管理功能。
3.根据权利要求2所述的基于NB-IOT的微电网信息采集与监控系统实现方法，其特征在于，所述步骤2）中通过智能网关内嵌的协议转换器将数据统一转换成NB-IOT协议数据格式，其具体包括ZIGBEE数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换方法和MODBUS RTU数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换方法：
a）ZIGBEE数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换的方法如下：
协议转换模块对ZIGBEE数据帧进行解析，并提取ZIGBEE数据帧中的源PANID、源地址作为监控器的标识号并转换为NB-IOT数据帧的主题名；提取应用数据载荷作处理转换为NB-IOT协议中JSON格式的应用数据；经协议转换模块转换，数据帧转换为NB-IOT协议的数据帧；
b）MODBUS RTU数据帧与NB-IOT数据帧间的协议转换方法如下：
协议转换模块对MODBUS RTU数据帧进行解析，并提取MODBUS RTU数据帧中的设备地址作为监控器的标识号转换为NB-IOT数据帧的主题名；提取功能码并判断数据帧功能是否为数据上传功能；提取应用数据载荷作处理转换为NB-IOT协议中JSON格式的应用数据；经协议转换模块转换，数据帧转换为NB-IOT协议的数据帧。
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