CN113012414A - 一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，包括主控模块、载波通信模块、交流采样模块、I/O模块以及若干个通信模块，主控模块用于采集能源数据，进行数据存储，以及下发开关量信号和控制指令；载波通信模块用于为主控模块提供单相或三相载波通信接口；交流采样模块用于为主控模块提供单相或三相电量参数采集接口；I/O模块用于为主控模块提供开关量信号或控制信号输出接口；通信模块用于为主控模块提供连接主站以及各种能源表计通讯接口。本发明增加了可采集的数据类型和可支持的通信方式，借助载波通信模块扩大了可采集的数据量，且功耗更低、免维护。

Description

一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端

技术领域

本发明涉及电力自动化及通讯技术领域，尤其涉及一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端。

背景技术

传统能源采集与控制终端多采用表计型结构形式，安装采用三点式挂钩安装，现场安装繁琐，拆卸及维护不方便，不利于小空间的安装和走线布局；另外传统能源采集与控制终端仅支持两个通信模块，整机的处理速度及存储容量及通信方式不能满足电力物联网及综合能源业务发展的需求；营配贯通的实施，配网停电故障快速抢修对用电信息采集终端提出停电事件主动上报的需求。

另外，传统能源采集与控制终端所能采集的数据类型较少，数据量小，无法适应实时、高可靠性控制的需求，而且响应速度慢，存储容量小，可支持的通信方式也较少，有待于进一步改进。

发明内容

针对上述现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，增加了可采集的数据类型和可支持的通信方式，并且扩大了可采集的数据量，还大幅加快了响应速度以适应实时、高可靠性控制的需求。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明提供一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，包括：主控模块、载波通信模块、交流采样模块、I/O模块以及若干个通信模块；

所述载波通信模块和交流采样模块均通过串行接口与主控模块连接通信；所述I/O模块和通信模块均通过CAN总线与主控模块连接通信；

所述主控模块用于采集能源数据，进行数据存储，以及下发开关量信号和控制指令；

所述载波通信模块用于为主控模块提供单相或三相载波通信接口；

所述交流采样模块用于为主控模块提供单相或三相电量参数采集接口；

所述I/O模块用于为主控模块提供开关量信号或控制信号输出接口；

所述通信模块用于为主控模块提供连接主站以及各种能源表计通讯接口。

进一步的，所述载波通信模块设于主控模块左侧并可拆卸的与主控模块相连，所述交流采样模块设于载波通信模块左侧并可拆卸的与载波通信模块相连，所述I/O模块和通信模块均位于主控模块右侧，若干个所述通信模块可拆卸的相互串接，所述I/O模块与相邻的通信模块可拆卸的相连。

进一步的，所述通信模块选自RS485模块、RS232模块、以太网模块、光纤模块、4G/5G模块、LoRa模块和ZigBee模块中的一种；若干个通信模块的类型不受限制。

进一步的，所述主控模块包括核心板和通信接口，所述核心板包括运算单元和安全/存储器件；

所述运算单元用于接收载波通信模块、交流采样模块、I/O模块以及通信模块上传的数据，进行分析处理，以及接收主站控制策略并下发；

所述安全/存储器件用于保存进行数据处理的应用程序以及用户信息；

所述通信模块通过通信接口与核心板相连；

所述通信接口包括USB2.0口、串口和CAN总线。

进一步的，所述主控模块在逻辑上包括应用层、系统层和多型CPU；所述应用层通过支持第三方应用APP的开放型应用接口与系统层相连，所述多型CPU通过统一设备访问接口与系统层相连；

所述应用层安装第三方应用APP，用于对各模块上传的数据进行分析处理；所述第三方应用APP包括负荷预测APP，响应控制APP，微网自治APP，能效优化APP，运监管理APP和阈值APP；

所述系统层用于进行内存管理，进程管理，通信管理和应用层各APP管理。

进一步的，所述应用层和系统层采用容器化技术；

所述多型CPU采用高性能Cortex-A双核处理器平台。

进一步的，所述主控模块还用于，

接收用电信息采集终端停电事件主动上报功耗限值；

结合模组化能源采控终端电源模型，考虑备用电源切换时间和超级电容容量利用因素，优化设计备用电源电路；

以及，

设计支持户表停电实时上报的通信协议，并基于该通信协议构建支持停电事件主动上报的用电信息采集终端工作机制。

进一步的，所述交流采样模块包括计量互感器，信号调理电路和A/D转换模块；

所述计量互感器用于将供电线路上的电流互感器和电压互感器采集的模拟信号进行变比后得到电流量和电压量；

所述信号调理电路用于将比后的电流量和电压量进行滤波；

所述A/D转换模块将滤波后的电流量和电压量转换为对应的数字量，以及对采集到的数字量进行快速傅里叶变换处理。

进一步的，所述载波通信模块用于通过载波信道将接收到的能源数据发送给区块链主站。

进一步的，所述载波通信模块具体用于，

对需要上链的能源数据通过哈希算法生成定长数据；

通过私钥对该定长数据进行签名操作得到签名值；

区块链主站收到签名值及明文数据，采用载波通信模块的公钥对签名值进行验签，并对明文数据进行同样的哈希操作，比较验签后的数据和哈希值是否一致，如一致，则验证通过。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用模组化标准设计，通信模块的数量和类型均可根据需要进行扩展，进而增加了可采集的数据类型和可支持的通信方式；借助载波通信模块扩大了可采集的数据量，且功耗更低、免维护；此外还大幅加快了响应速度以适应实时、高可靠性控制的需求，同时扩大了存储容量并增加了以适应复杂运行环境，具有高可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的整体架构图；

图3为本发明的主控模块逻辑架构；

图4为本发明的交流采样模块的电路原理图；

图5为本发明的主控模块系统层功能图；

图6为本发明的载波通信模块的运行原理图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。

本发明提供一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，参见图1，包括主控模块22、载波通信模块23、交流采样模块24、I/O模块25以及若干个通信模块26。

载波通信模块23设于主控模块22左侧并可拆卸的与主控模块22相连，交流采样模块24设于载波通信模块23左侧并可拆卸的与载波通信模块23相连，I/O模块25设于主控模块22右侧并可拆卸的与主控模块22相连，若干个通信模块26均设于I/O模块25的右侧并可拆卸的相互串接，最左侧的一个通信模块26可拆卸的与I/O模块25相连。

主控模块22通过串行接口或CAN总线与载波通信模块23、交流采样模块24、I/O模块25以及若干个通信模块26进行通信，实现数据采集、处理、储存、控制、传输等功能。

载波通信模块23，通过串行接口和主控模块22进行通信，为主控模块22提供1路单相（或三相）载波通信接口。

交流采样模块24，通过串行接口和主控模块22进行通信，为主控模块22提供1路单相（或三相）电压、电流、功率、频率等电量参数采集接口。

I/O模块25，通过CAN总线和主控模块22进行通信，为主控模块22提供若干开关量信号采集或控制信号输出接口。

通信模块26，通过CAN总线和主控模块22进行通信，为主控模块22提供连接主站以及各种能源表计的通讯接口。

若干RS485、RS232、以太网、光纤、4G/5G、LoRa或ZigBee通信接口。

具体的，通信模块26为RS485模块、RS232模块、以太网模块、光纤模块、4G/5G模块、LoRa模块和ZigBee模块中的一种。

RS485模块为主控模块22提供若干路连接各种能源表计的RS485通信接口；RS232模块为主控模块22提供若干路连接各种能源表计的RS232通信接口；以太网模块为主控模块22提供若干路连接主站的以太网通信接口；光纤模块为主控模块22提供若干路连接主站的光纤通信接口；4G/5G模块为主控模块22提供若干路连接主站的4G/5G通信接口；LoRa模块为主控模块22提供若干路连接各种能源表计的LoRa通信接口；ZigBee模块为主控模块22提供若干路连接各种能源表计的ZigBee通信接口。

I/O模块25与任意一个通信模块26均可互换位置。

参见图2，主控模块22包括核心板和通信接口，核心板包括运算单元和安全/存储器件，运算单元，按照软件设计流程，通过通讯接口操作载波通信模块23、交流采样模块24、I/O模块25以及若干个通信模块26，完成数据采集、处理、控制、传输等功能；存储器件，用于保存应用程序以及用户信息。图2中，模组1、模组4、模组5、模组6、模组7、模组8为通信模块26；模组2为交流采样模块24；模组3为载波通信模块23；模组9、模组10，为I/O模块25。

每个通信模块26均通过通信接口与核心板相连以建立通讯；通信接口包括USB2.0口、串口和CAN总线。

参见图4，交流采样模块24是能源采控终端的关键单元，被测模拟信号如：电流、电压，通过供电线路上的电流互感器（CT）和电压互感器（PT）变换后送给交流采样模块24上的高精度计量互感器，得到变比后的电流量和电压量，再经信号调理电路滤波后送给A/D转换模块进行采样，将模拟量变换为对应的数字量，并对采集到的数字量进行快速傅里叶变换(FFT)等逻辑运算和处理，并将最终得到的结果直接在屏幕上显示，或通过通信模块26上传到主站。

本发明的交流采样模块采用高精度同步相量技术，满足“频率同步性”，频率同步性是指采样频率与被测信号在时间上的同步采样，由频率自适应采样单元确保。通过图4中R33、R34、C29、C30、R48、R60、C47、C59、U1A、U2A组成的滤波整形电路降低输入信号中的混叠分量，并形成具有足够陡度和宽度的整形信号，再经图4中U1B、U1C、U2B、U2C组成的偏置、放大电路形成满足AD采样要求的有效信号，通过控制A/D转换器进行转换，确保被测信号每个周期采样数据的完整性和等间隔性，从而实现自动跟踪被测信号基波频率变化的自适应连续采样。

本发明载波通信模块23采用区块链技术，主控模块22将从各种能源表计采集到的需要上链的能源数据，通过串行接口发送给载波通信模块23，载波通信模块22通过载波信道将接收到的需要上链的能源数据发送给区块链主站。参见图6，区块链技术的工作原理：身份认证过程基于数字签名和验签完成：载波通信模块23对一段明文数据通过哈希算法生成定长（32字节）数据，通过私钥对该定长数据进行签名操作得到签名值；区块链主站收到签名值及明文数据，采用载波通信模块的公钥对签名值进行验签，并对明文数据进行同样的哈希操作，比较验签后的数据和哈希值是否一致，如一致，则验证了对方身份。通信加解密过程基于对称密码算法完成：数据流（如，需要上链的能源数据）、控制流（如，创建、提交、合并等命令）采用密钥KEY和初始化向量IV通过对称加密（API接口）后得到数据流、控制流密文数据；对密文数据进行解密的过程即加密的逆过程，采用相同的密钥KEY和初始化向量IV通过对称解密（API接口）后可得到原始的数据流和控制流。

本发明的模组化能源采控终端，还包括软件部分，实现数据采集、通信管理、数据存储管理等功能，软件部分运行在主控模块22上，参见图3，主控模块包括应用层、系统层和多型CPU，应用层通过支持第三方应用APP的开放型应用接口与系统层相连，多型CPU通过统一设备访问接口与系统层相连。

主控模块对下（如，各种能源表计）实现统一模型标准化泛在接入、各种协议的兼容；对上（如，主站平台）实现数据聚合与标准化协议上传与接收主站控制策略并与本地CPS交互；借助虚拟容器化的计算环境，可以在应用层中安装第三方应用APP，如负荷预测APP，响应控制APP，微网自治APP，能效优化APP，运监管理APP，阈值APP等，以实现各业务个性化开发、灵活部署、独立运转、远程维护，实现控制器模块的弹性扩展；应用层采用统一的APP编程开发接口，形成开放型共享平台，同时支撑第三方公司APP的应用开发，设备监测、负荷预测、电网互动、能效提升功能互相作用，互为支撑，设备监测为负荷预测提供数据支撑，负荷预测对调度工作也有指导作用，能效提升对互动策略进行分析评价，综合分析优化调度策略的效果，互动调度策略的执行即是集中以设备监测、负荷预测的数据为依托，进行结构、管理、技术上的优化，生成能源优化方案，指导能源调度，给用能作指导；统计分析贯穿整个能效管理，实现对能效管理的集中汇总与报告，体现能源的可用性、经济性、可靠性。参见图3和图5，系统层主要用于数据管理，通信管理，数据采集和数据存储。其中，数据采集是指采集交流采样模块上传的电量数据，I/O模块上传的开关量信号，以及通信模块上传的各能源表计数据，数据管理是指调用应用层各APP进行个性化业务数据分析，基于采集数据进行负荷预测，以及生成能源优化调度策略并下发，还支持人机交互显示。

本发明软件部分的应用层和系统层采用容器化软件平台技术。使用Namespaces实现系统环境的隔离，允许一个进程以及它的子进程从共享的宿主机内核资源（网络栈、进程列表、挂载点等）里获得一个仅自己可见的隔离区域。使用CGroups限制环境的资源使用情况，资源权重，计算使用量等。利用镜像分层、写时复制、内容寻址、联合挂载技术实现一套完整的容器文件系统及运行环境，结合镜像仓库，实现镜像快速下载和共享，方便多环境下软件部署任务。应用APP 运行于虚拟容器化的软件环境，实现各业务个性化开发、灵活部署、独立运转、远程维护，实现业务应用弹性可扩展，提高设备的可靠性和安全性，满足未来智慧能源服务平台的应用需求。

主控模块的多型CPU采用高性能Cortex-A双核处理器平台（后续支持容器APP化，灵活处理各个类型业务场景），上行支持IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-104、Q/GDW1376.1-2013、DLT698.45、MQTT等；下行支持IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-104、ModbusRTU、Modbus TCP、DLT698.45、DLT645、CJT188等；可扩展支持国内外主要厂家的用能采控终端通讯协议。

本发明在模组化能源采控终端内部硬件和模块增加镍氢电池和超级电容的备用电源设计方案，主控模块核心板综合评估用电信息采集终端停电事件主动上报功耗限值，结合采控终端电源模型，从备用电源切换时间、超级电容容量利用等方面，优化设计备用电源电路，充分利用实时操作系统特性，提高停电时间的优先级，对终端软件从驱动层和停上电事件上报机制进行改造，提出支持户表停电实时上报的通信协议优化方案，并构建用户停电综合研判模型，最终提出支持停电事件主动上报的用电信息采集终端工作机制。

本发明还提供一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端在虚拟电厂负荷控制上的应用，主控模块22通过串行接口或CAN总线与交流采样模块24，以及若干个通信模块26进行通信，实现能源数据的采集；主控模块22按照预定的软件模型，通过CAN总线操作I/O模块25，实现开关量信号的输出，实现对负荷的控制。该应用包括：

（1）就地频率自治控制，即是一种用户负荷自适应感知电网态势变化，实现应急状态下主动切的调控方式。主要针对特高压电网紧急故障出现情况，如突发多条直流同时闭锁，大功率缺额情况急速出现，故障明显。虚拟电厂控制器具有先进的测频方法，精度较高地测频，启动低频减负荷控制功能，根据就地实时测量的频率，按预定定值进行减载控制，以协助电网频率恢复。

（2）直接负荷控制，即主动自治型模式，虚拟电厂控制器会内置直接负荷控制预案，通过感知电网频率电压变化，自主切除预先制定的负荷。

（3）柔性调控执行管理，即接受主站的调控指令模式。一般故障多数情况下功率缺额较小，可根据全网调度资源进行多种手段的综合调配，虚拟电厂控制器可接收来自上层主站在事故处置各阶段的不同运行指令，有序调控用户可调控负荷，以协助电网调度运行。此种模式下虚拟电厂控制器具备负荷监测、负荷预测、控制交互等功能，实现远程负荷柔性调控。

本发明的主控模块采用边缘计算软件功能架构，克服云计算的时延问题和网络带宽限制，利用更靠近用户终端的计算、存储、通信资源，为用户终端提供高实时性服务。利用从云服务器到网络边缘设备、直至终端设备的计算、存储、通信、管理等功能，形成从云到终端的、横跨不同行业和不同网络的连续服务区域。通过对该连续区域内的各种资源进行灵活的分配和管理，高效智能地为多种垂直行业和应用领域的用户提供服务，减少通信网络的负载，降低传输和计算时延，提高系统的资源利用效率和能量效率。采用类云计算的实现思想，从底层硬件到上层业务，每一层对上以服务的形式提供支持，实现了硬件与系统、系统与业务的技术分层解耦、业务灵活演进的软件定义产品的架构。

本发明采用先进的测频方法，采用高性能的A/D转换芯片，充分利用实时操作系统的特性，通过交流采样模块24进行递归快速傅里叶运算并实现频率跟踪，进行高精度的频率测量。可针对特高压电网紧急故障情况，如突发多条直流同时闭锁，大功率缺额等对电网产生的大功率冲击所带来的稳定问题，将测得实时频率数据以较低的延时传送到主控模块22，主控模块22按照预设的频率，通过CAN总线操作I/O模块25，实现开关量信号的输出，利用暂态控制系统对用户负荷进行毫秒级控制，以协助电网频率恢复。

本发明采用采用自主安全操作系统、TPM安全芯片、安全监测模块实现主控模块的本体安全防护，具体如下：

可信启动：基于板卡熔断机制和内置TPM芯片（用于密钥存储、数据加密、硬盘分区加密），改造固件和操作系统，实现从芯片到系统启动的逐级可信校验以及高效的全盘加密，防止设备被离线或在线注入恶意代码，以及敏感数据的泄露。

可信度量：基于安全操作系统和数字证书体系，实现轻量化的可信度量框架，既可保障只有经过认证的应用可以在操作系统中安装运行，又不影响系统的可用性，解决恶意病毒木马的安全威胁。

安全监测：可监测终端设备异常外联、远程端口异常开启、本地维护接口违规接入、网络异常流量告警、危险操作、恶意攻击行为等安全事件信息并上报。

本发明采用模组化标准设计，通信模块的数量和类型均可根据需要进行扩展，进而增加了可采集的数据类型和可支持的通信方式；并且借助载波通信模块23扩大了可采集的数据量，且功耗更低、免维护；此外还大幅加快了响应速度以适应实时、高可靠性控制的需求，同时扩大了存储容量并增加了以适应复杂运行环境，具有高可靠性和稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (10)

1.一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，包括：主控模块、载波通信模块、交流采样模块、I/O模块以及若干个通信模块；

所述载波通信模块和交流采样模块均通过串行接口与主控模块连接通信；所述I/O模块和通信模块均通过CAN总线与主控模块连接通信；

所述主控模块用于采集能源数据，进行数据存储，以及下发开关量信号和控制指令；

所述载波通信模块用于为主控模块提供单相或三相载波通信接口；

所述交流采样模块用于为主控模块提供单相或三相电量参数采集接口；

所述I/O模块用于为主控模块提供开关量信号或控制信号输出接口；

所述通信模块用于为主控模块提供连接主站以及各种能源表计通讯接口。

2.根据权利要求1所述的一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，所述载波通信模块设于主控模块左侧并可拆卸的与主控模块相连，所述交流采样模块设于载波通信模块左侧并可拆卸的与载波通信模块相连，所述I/O模块和通信模块均位于主控模块右侧，若干个所述通信模块可拆卸的相互串接，所述I/O模块与相邻的通信模块可拆卸的相连。

3.根据权利要求1所述的一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，所述通信模块选自RS485模块、RS232模块、以太网模块、光纤模块、4G/5G模块、LoRa模块和ZigBee模块中的一种；若干个通信模块的类型不受限制。

4.根据权利要求1所述的一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，所述主控模块包括核心板和通信接口，所述核心板包括运算单元和安全/存储器件；

所述运算单元用于接收载波通信模块、交流采样模块、I/O模块以及通信模块上传的数据，进行分析处理，以及接收主站控制策略并下发；

所述安全/存储器件用于保存进行数据处理的应用程序以及用户信息；

所述通信模块通过通信接口与核心板相连；

所述通信接口包括USB2.0口、串口和CAN总线。

5.根据权利要求4所述的一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，所述主控模块在逻辑上包括应用层、系统层和多型CPU；所述应用层通过支持第三方应用APP的开放型应用接口与系统层相连，所述多型CPU通过统一设备访问接口与系统层相连；

所述应用层安装第三方应用APP，用于对各模块上传的数据进行分析处理；所述第三方应用APP包括负荷预测APP，响应控制APP，微网自治APP，能效优化APP，运监管理APP和阈值APP；

所述系统层用于进行内存管理，进程管理，通信管理和应用层各APP管理。

6.根据权利要求5所述的一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，所述应用层和系统层采用容器化技术；

所述多型CPU采用高性能Cortex-A双核处理器平台。

7.根据权利要求1所述的一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，所述主控模块还用于，

接收用电信息采集终端停电事件主动上报功耗限值；

结合模组化能源采控终端电源模型，考虑备用电源切换时间和超级电容容量利用因素，优化设计备用电源电路；

以及，

设计支持户表停电实时上报的通信协议，并基于该通信协议构建支持停电事件主动上报的用电信息采集终端工作机制。

8.根据权利要求1所述的一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，所述交流采样模块包括计量互感器，信号调理电路和A/D转换模块；

所述计量互感器用于将供电线路上的电流互感器和电压互感器采集的模拟信号进行变比后得到电流量和电压量；

所述信号调理电路用于将比后的电流量和电压量进行滤波；

所述A/D转换模块将滤波后的电流量和电压量转换为对应的数字量，以及对采集到的数字量进行快速傅里叶变换处理。

9.根据权利要求1所述的一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，所述载波通信模块用于通过载波信道将接收到的能源数据发送给区块链主站。

10.根据权利要求9所述的一种支持户表停电信息实时上报的模组化能源采控终端，其特征在于，所述载波通信模块具体用于，

对需要上链的能源数据通过哈希算法生成定长数据；

通过私钥对该定长数据进行签名操作得到签名值；

区块链主站收到签名值及明文数据，采用载波通信模块的公钥对签名值进行验签，并对明文数据进行同样的哈希操作，比较验签后的数据和哈希值是否一致，如一致，则验证通过。

Images