CN111556093A - 一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置 - Google Patents

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Abstract

一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，边缘物联代理装置包括硬件板卡，该硬件板卡上设有电源模组、中央处理器、上行接口、下行接口及信息处理单元，其中中央处理器的信息输入端连接上行接口，中央处理器的信息输出端连接下行接口；电源模组为中央处理器供电；边缘物联代理装置用以实现采集终端和上级管理系统的连接通信、通信协议转换及装置的集中管理，具备协议自动匹配、远程升级、采集数据加密和存储的功能，并对采集数据进行边缘侧完好性分析和数据加密。该边缘物联代理装置可对数据进行完好性甄别及安全加密功能，有效解决了电力采集器种类带来的与上级管理系统的信息传输不便问题。

Description

一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置
技术领域
本发明涉及信息通讯技术领域，具体涉及一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置。
背景技术
目前服务于电网生产业务的物联网终端数量多达十几亿，这其中只有五亿左右的终端连接入网并通过业务系统进行管理。电力系统终端装置数量日趋增多，类型、物理接口繁杂多样，底层连接协议差异大，电力采集器种类、型号、生产厂家的协议种类过于繁多，目前尚未有统一的协议，采集装置生产调试对厂商依赖大，业务应用开发周期长、扩展困难。传统电力物联网网关与接入装置紧耦合，采集装置传输数据有丢数、误码的现象，终端接入安全防护能力不足。传统网关装置安装时，需要耗费大量的人力、物力、财力进行现场调试。而目前市场上，并没有一种产品能同时、快速、免调试的接入电网采集终端。
基于以上问题，可自动匹配于多种采集终端、具备采集数据完好性分析、并具备传输数据安全加密的边缘物联代理装置的市场需求日益迫切，屏蔽底层网络差异性，打破传统物联网纵向封闭模式，为现场通信网络和广域传输网络建立“枢纽”，协助实现有效的电网态势感知，为提高电网规范化管理能力提供有效支撑。
FPGA：(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列；
ESAM：(Embedded Secure Access Module)，嵌入式安全控制模块；
通过公开专利检索，未发现相关对比文件。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，该边缘物联代理装置可对数据进行完好性甄别及安全加密功能，有效解决了电力采集器种类带来的与上级管理系统的信息传输不便问题。
一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，边缘物联代理装置包括硬件板卡，该硬件板卡上设有电源模组、中央处理器、上行接口、下行接口及信息处理单元，其中中央处理器的信息输入端连接上行接口，中央处理器的信息输出端连接下行接口；电源模组为中央处理器供电；边缘物联代理装置用以实现采集终端和上级管理系统的连接通信、通信协议转换及装置的集中管理，具备协议自动匹配、远程升级、采集数据加密和存储的功能，并对采集数据进行边缘侧完好性分析和数据加密。
而且，硬件板卡包括电源模组、中央处理器、上行接口及下行接口，其中中央处理器的信息输入端连接上行接口，中央处理器的信息输出端连接下行接口；电源模组为中央处理器供电。
而且，信息处理单元分别为连接中央处理器的ESAM芯片、DDR内存和NandFlash数据存储器，用以完成边缘物联代理通信安全加密、信息存储功能。
而且，电源模组为220V工频电源及储能备用电源。
而且，中央处理器为CPU+FPGA双核结构，CPU负责控制和数据处理，FPGA负责各个接口逻辑的实现和辅助运算。
而且，上行接口分别为：网口、光纤接口、4G三种，每种接口各一个，并预留mini-PCIe接口一个，用以完成边缘物联代理装置与上级管理系统的信息传输。
而且，下行接口分别为：网口、RS485、ModBus、HPLC、RS232、USB、网口、视频输入接口及RFID端口各1个，用以完成边缘物联代理装置与采集终端的信息传输。
本发明的优点和技术效果是：
（1）通过面向电网采集终端具备协议匹配、数据完好性校验和加密的边缘物联代理装置，可大幅度降低调试人员的现场工作量，缩短相关产品的研发周期，同时可规范电网采集装置传输协议标准，有效解决各电力采集终端生产厂商各自为政的问题；
（2）通过面向电网采集终端具备协议匹配、数据完好性校验和加密的边缘物联代理装置，提升电力采集终端数据传输的准确率，提升产品的可靠性与完好性；
（3）通过面向电网采集终端具备协议匹配、数据完好性校验和加密的边缘物联代理装置，对传输数据进行加密，可是电网中数据传输更加安全，从而实现泛在电力物联网中数据传输的安全、高效、高可靠性的要求。
附图说明
图1为本发明的嵌入式程序流程图；
图2为本发明的逻辑架构示意图；
图3为本发明加密序列自相关系函数图；
图4为本发明加密发生函数示意图。
具体实施方式
为能进一步了解发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定发明的保护范围。
一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，边缘物联代理装置包括硬件板卡，该硬件板卡上设有电源模组、中央处理器、上行接口、下行接口及信息处理单元，其中中央处理器的信息输入端连接上行接口，中央处理器的信息输出端连接下行接口；电源模组为中央处理器供电；边缘物联代理装置用以实现采集终端和上级管理系统的连接通信、通信协议转换及装置的集中管理，具备协议自动匹配、远程升级、采集数据加密和存储的功能，并对采集数据进行边缘侧完好性分析和数据加密。
而且，硬件板卡包括电源模组、中央处理器、上行接口及下行接口，其中中央处理器的信息输入端连接上行接口，中央处理器的信息输出端连接下行接口；电源模组为中央处理器供电。
而且，信息处理单元分别为连接中央处理器的ESAM芯片、DDR内存和NandFlash数据存储器，用以完成边缘物联代理通信安全加密、信息存储功能。
而且，电源模组为220V工频电源及储能备用电源。
而且，中央处理器为CPU+FPGA双核结构，CPU负责控制和数据处理，FPGA负责各个接口逻辑的实现和辅助运算。
而且，上行接口分别为：网口、光纤接口、4G三种，每种接口各一个，并预留mini-PCIe接口一个，用以完成边缘物联代理装置与上级管理系统的信息传输。
而且，下行接口分别为：网口、RS485、ModBus、HPLC、RS232、USB、网口、视频输入接口及RFID端口各1个，用以完成边缘物联代理装置与采集终端的信息传输。
另外，本发明的边缘物联代理装置内还设有驱动硬件板卡内的嵌入式软件，该嵌入式软件包括以下功能：
1、控制，嵌入式软件设计是基于嵌入式Linux平台，开发和调试环境基于Docker，实现对业务终端装置、传感器等进行统一管理，包括接入管理、配置管理、状态管理、调试升级等内容，实现获取所管理装置的标识、状态、属性等信息，并具有远程唤醒、控制、诊断、升级维护等功能；
2、数据完好性分析，用以对各种采集器采集数据进行参数完好性甄别，剔除含有误码或错误的采集信息；
3、协议匹配，目前尚未有统一的协议进行采集，故设计采集器协议库将所有采集器的协议进行汇总，当边缘物联代理连接采集器后，通过在协议库中调取相关协议，完成物联代理与采集器的匹配；
4、数据加密，边缘物联代理装置能采用国密算法加密或其他保护措施实现鉴别信息的存储保密性，保证数据传输过程中的安全性。
另外，本发明优选的，加密芯片采用SSX1604型安全芯片,证书编号SXH2016024号；解密机采用SJJ1640电力费控数据密码机，证书编号SXH2016328；隔离装置采用SGI-NDS200。
另外，本发明优选的，源端库代理、健康监测模块、数据同步模块、队列控制模块及数据处理模块均采用现有技术中的软件功能实现。
为了更清楚地说明发明的具体实施方式，下面提供一种实施例：
本发明的边缘物联代理装置包括硬件板卡（硬件）和匹配于多种采集终端协议库（嵌入式软件）。边缘物联代理终端装置包括：核心处理器（CPU+FPGA），负责进行统一的控制与处理；外围组件，负责上下行通信、控制、 协议匹配、数据存储、加密等，端口包括上行通信接口：网口、光纤接口、4G各1个，下行通信接口：网口、RS485、ModBus、HPLC、RS232、USB、网口、视频输入接口、RFID端口各1个，板卡外围包括电源管理、ESAM芯片、DDR内存和NandFlash数据存储；嵌入式软件包括控制功能、数据完好性分析功能、协议匹配功能和数据加密功能。两者共同完成对采集终端下行采集数据的收集、数据完好性的甄别、采集终端协议的自动匹配、采集数据上传等功能，为后续的电网运行数据收集、分析、调度提供支撑。
面向电网采集终端具备协议匹配、数据完好性校验和加密的边缘物联代理装置发明包括：
匹配于多种通信协议的下行通信接口，包括网口、RS485、ModBus、HPLC、RS232、USB、网口、视频输入接口、RFID端口，多下行接口的引入，可以使边缘物联代理装置同时对接于市面上大多数的电网采集终端，实现多种采集数据的同时接入；
匹配于多种采集终端的协议库，针对市面上电网采集终端通信协议的多样性，该协议库可通过采集终端的接口和发送通信信息的帧头、帧尾、校验等信息自动识别采集终端的种类和生产厂家，无需工作人员现场调试，达到快速接入、免调试的特点，该协议库支持远程在线更新，使该装置具备非常好的市场竞争力；
采集数据完好性分析，该装置可对采集数据进行完好性分析，剔除误码、错误的数据，借助机器学习算法，边缘物联代理装置可记录在不同时段，电网中的电流、负荷参数特征，进而对具有明显错误的数据进行完好性甄别；
传输数据加密，设备内置智芯公司的ESAM芯片，通过国密S1、S2、S3算法对传输数据进行加密，该设备支持安全数据传输，提供明文、加密、校验和加密校验四种传输模式。
采用了该发明中的面向电网采集终端具备协议匹配、数据完好性校验和加密的边缘物联代理设备，具有如下有益效果：
1. 通过面向电网采集终端具备协议匹配、数据完好性校验和加密的边缘物联代理设备，对传输数据进行加密，可是电网中数据传输更加安全，从而实现泛在电力物联网中数据传输的安全、高效、高可靠性的要求。具体实现算法为：
在传输数据上加上一层伪随机M序列作为加密，该加密序列的特征为：不同加密序列的互相关函数为0，同一加密序列的自相关函数符合图3说明，图中R（t）为加密序列的自相关函数，既：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Tc为每个码片的时间长度、t为时间。
该随机序列的发生函数如图4所示：
Figure 607129DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 885794DEST_PATH_IMAGE003
Figure 348000DEST_PATH_IMAGE004
Figure 695804DEST_PATH_IMAGE005
为逻辑异或。
图4中，该随机序列F 1n (x)与F 2 （x）根据不同的加密条件初始化为1或0，在核心处理器时钟的每一个上升沿，传递到下一个步骤，每5个时钟周期完成一个小循环，其中F 1n (x)经1、3、5进行异或返回，F 2 （x）经1、2、4、5完成返回，F 1n (x)经相位处理器1选择相位n后输出，F 2m (x)经相位处理器2选择相位m后输出,不同的加密条件选择不同的相位，再经异或处理器输出。该伪随机序列每512个周期完成一个循环。
当随机序列产生之后，与播发信息进行加密调制，调制函数为：
Figure 481751DEST_PATH_IMAGE006
式（5）中，F(x)为随机加密序列，Q(x)为待播发信息，T(x)为加密后的信息。该算法内嵌至ESAM加密芯片中，在每条信息播发前，完成加密，然后经上行端口上传。
2.通过面向电网采集终端具备协议匹配、数据完好性校验和加密的边缘物联代理设备，提升电力采集终端数据传输的准确率，提升产品的可靠性与完好性。
由于数据在传输过程中，会存在丢码或误码的情况，因此设计相关算法提升数据传输的准确性是非常重要的。根据上节的叙述，数据上传之前采用互相关函数为0的伪随机序列加以调试，传输至上行侧（如云平台）会采用和该随机加密序列相同的一个函数进行解密，当出现丢码的情况，根据图3所示，两个码相位差大于Tc，互相关函数为0，边缘物联代理可根据上行侧的反馈直接识别出该调制语句出现了丢码。而出现误码的情况时，可根据加密信息校验位辨别出该信息出现了误码，大大提高了数据传输的可靠性。
3.通过面向电网采集终端具备协议匹配、数据完好性校验和加密的边缘物联代理设备，可大幅度降低调试人员的现场工作量，缩短相关产品的研发周期，同时可规范电网采集设备传输协议标准，有效解决各电力采集终端生产厂商各自为政的问题。
该功能是面向边缘物联代理的下行侧，针对市面上电网采集终端通信协议的多样性，该协议库可通过采集终端的接口和发送通信信息的帧头、帧尾、校验等信息自动识别采集终端的种类和生产厂家，无需工作人员现场调试，达到快速接入、免调试的特点，该协议库支持远程在线更新，其原理是：
（1） 将市面上新的采集终端通信协议数据格式通过上行侧编辑后远程下载至边缘物联代理的数据库中；
（2） 设该数据为Q(x)（0 ≤ x ≤ N），其中，{Q(P),…，Q(M）}为该数据格式标识位（0≤ P ≤ M ≤ N）；
（3）当采集终端以数据格式A(x)（0 ≤ x ≤ Y）上传数据至边缘物联代理时，边缘物联代理进行如下运算；
Figure 739557DEST_PATH_IMAGE007
(4) 当
Figure 966139DEST_PATH_IMAGE008
= M-P+1时，协议自动匹配，其中
Figure 551972DEST_PATH_IMAGE008
为协议匹配识别函数，~为取非。
这里特别说明的是，为减少协议匹配的时间，本边缘物联代理采用基于FPGA的并行计算进行匹配，既A(x)同时与协议库中的所有数据格式进行匹配，已达到快速匹配的目的。
本发明的一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，是电网采集装置和上行管理系统信息传输的中间桥梁，不同于传统的面向电网终端采集装置的网关，该装置具备自动匹配采集终端下行通信协议的功能，并可对采集信息的完好性进行甄别，进行数据加密后，进行数据上传。当系统上电后，电网采集装置向边缘物联代理装置发送采集数据，利用内部的协议库和采集信息的帧头帧尾信息，该装置可自动识别采集终端的协议，之后完成有效信息的采集；然后装置根据内部存储的历史数据，辨别采集数据的准确性，当采集数据严重偏离历史数据时，装置将该数据视为错误采集数据，完成数据完好性的甄别工作；最后通过国密S1、S2、S3算法，经智芯ESAM加密芯片完成数据加密，提高了数据传输的安全性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，其特征在于：所述边缘物联代理装置包括硬件板卡，该硬件板卡上设有电源模组、中央处理器、上行接口、下行接口及信息处理单元，其中中央处理器的信息输入端连接上行接口，中央处理器的信息输出端连接下行接口；所述电源模组为中央处理器供电；所述边缘物联代理装置用以实现采集终端和上级管理系统的连接通信、通信协议转换及装置的集中管理，具备协议自动匹配、远程升级、采集数据加密和存储的功能，并对采集数据进行边缘侧完好性分析和数据加密。
2.根据权利要求1所述的一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，其特征在于：所述硬件板卡包括电源模组、中央处理器、上行接口及下行接口，其中中央处理器的信息输入端连接上行接口，中央处理器的信息输出端连接下行接口；所述电源模组为中央处理器供电。
3.根据权利要求1所述的一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，其特征在于：所述信息处理单元分别为连接中央处理器的ESAM芯片、DDR内存和NandFlash数据存储器，用以完成边缘物联代理通信安全加密、信息存储功能。
4.根据权利要求2所述的一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，其特征在于：所述电源模组为220V工频电源及储能备用电源。
5.根据权利要求2所述的一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，其特征在于：所述中央处理器为CPU+FPGA双核结构，CPU负责控制和数据处理，FPGA负责各个接口逻辑的实现和辅助运算。
6.根据权利要求2所述的一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，其特征在于：所述上行接口分别为：网口、光纤接口、4G三种，每种接口各一个，并预留mini-PCIe接口一个，用以完成边缘物联代理装置与上级管理系统的信息传输。
7.根据权利要求2所述的一种电网信息采集用多功能边缘物联代理装置，其特征在于：所述下行接口分别为：网口、RS485、ModBus、HPLC、RS232、USB、网口、视频输入接口及RFID端口各1个，用以完成边缘物联代理装置与采集终端的信息传输。
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