CN114257972A - 电力终端用嵌入式5g通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电力终端用嵌入式5G通信系统及方法，其中，系统包括包括5G通信模组，以及相互连接的控制模组和加密模组；控制模组用于接收电力终端的电力业务数据，并对电力业务数据进行格式转换，输出转换后的电力业务数据；加密模组用于对转换后的电力业务数据依次进行认证加密和物理层协议处理，输出加密电力业务数据至电力终端；5G通信模组用于对加密电力业务数据依次进行基带和射频处理，并将处理结果传输至电力业务主站；本申请能够支持电力终端存量改造，实现电力终端扩展5G通信的功能，同时解决电力终端北向通信链路的数据安全性防护问题。

Description

电力终端用嵌入式5G通信系统及方法

技术领域

本申请涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种电力终端用嵌入式5G通信系统及方法。

背景技术

目前南方电网集中器、配电智能网关等电力终端通过远程通信模块与主站通信，并称电力终端与电力业务主站间的通信为北向通信，其中远程通信主要采用4G通信方式，当前南网大力推进数字电网建设，加强边缘层设备能力，预计接入的终端数量将会大幅增长。如今5G通信技术的大连接特性可支撑海量终端的接入；5G通信技术的高带宽、低时延特性可支撑电网的保护业务；5G网络切片技术可支持多业务场景，保障跨区业务的安全性。

因此很有必要将电力通信网络升级到5G，但电网内现有的终端数量庞大，传统的终端升级方法是对终端重新设计，将旧设备完整替换成新终端，由于电力终端存量数目大，如果对存量终端进行完整替换，这种更换方式成本较高且浪费资源，同时未考虑终端设备北向通信链路的数据安全性防护问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种电力终端用嵌入式5G通信系统及方法。

为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种电力终端用嵌入式5G通信系统，包括5G通信模组，以及相互连接的控制模组和加密模组；控制模组、加密模组和5G通信模组均用于连接电力终端；5G通信模组用于连接电力业务主站；

控制模组用于接收电力终端的电力业务数据，并对电力业务数据进行格式转换，输出转换后的电力业务数据；

加密模组用于接收转换后的电力业务数据，并对转换后的电力业务数据依次进行认证加密和物理层协议处理，输出加密电力业务数据至电力终端，以使电力终端将加密电力业务数据传输给5G通信模组；

5G通信模组用于对加密电力业务数据依次进行基带和射频处理，并将处理结果传输至电力业务主站。

在其中一个实施例中，加密模组包括相互连接的加密电路和以太网模组；加密电路连接控制模组；以太网模组用于通过以太网口连接电力终端。

在其中一个实施例中，加密电路为电力安全加密芯片；以太网模组为以太网PHY芯片。

在其中一个实施例中，5G通信模组包括通用5G模组，以及均连接通用5G模组的5G天线和SIM卡座；通用5G模组用于通过USB接口与电力终端连接；5G天线用于连接电力业务主站。

在其中一个实施例中，控制模组包括控制处理设备；控制处理设备连接加密模组，以及用于通过串口连接电力终端；

控制处理设备用于将电力业务数据的格式转换成SPI协议格式。

在其中一个实施例中，控制处理设备为MCU。

在其中一个实施例中，控制模组、加密模组和5G通信模组均由电力终端进行供电。

一种电力终端用嵌入式5G通信方法，包括步骤：

通过电力终端接收加密模组输出的加密电力业务数据；加密电力业务数据为转换后的电力业务数据经加密模组依次进行认证加密和物理层协议处理得到；转换后的电力业务数据为电力终端的电力业务数据经控制模组进行格式转换得到；

依次对加密电力业务数据进行基带和射频处理，输出处理结果至电力业务主站。

一种电力终端用嵌入式5G通信装置，包括：

数据接收模块，用于通过电力终端接收加密模组输出的加密电力业务数据；加密电力业务数据为转换后的电力业务数据经加密模组依次进行认证加密和物理层协议处理得到；转换后的电力业务数据为电力终端的电力业务数据经控制模组进行格式转换得到；

处理模块，用于依次对加密电力业务数据进行基带和射频处理，输出处理结果至电力业务主站。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

本申请通过控制模组对电力终端的电力业务数据进行格式转换，继而通过加密模组对转换后的电力业务数据依次进行认证加密和物理层协议处理，从而通过5G通信模组对加密电力业务数据依次进行基带和射频处理，并将处理结果传输至电力业务主站；本申请通过嵌入式的5G通信系统，能够支持电力终端存量改造，节约成本，并实现了电力终端扩展5G通信的功能，同时解决了电力终端北向通信链路的数据安全性防护问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中电力终端用嵌入式5G通信系统的结构示意图；

图2为一个实施例中电力终端用嵌入式5G通信系统的具体结构示意图；

图3为一个实施例中电力终端用嵌入式5G通信方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

目前电力终端装置的远程通信方式大多采用4G通信(第四代移动通信)，基本可满足数据传输的需求，但随着数字电网的建设推进，对边缘层终端设备的运算和通信能力有更高要求，接入电力通信网络的终端数也会大大提升，同时也会出现单终端承载多业务的场景，5G通信(第五代移动通信)的高带宽、低时延、大接入特性，以及5G网络切片技术可较好契合数字电网的发展方向。传统的终端升级方法对终端重新设计，将旧设备完整替换成新终端，由于电力终端存量数目大，这种更换方式成本较高且浪费资源；同时目前终端中广泛使用的4G模块或部分5G模块不具备安全加密功能。

本申请提供的电力终端用嵌入式5G通信系统，可嵌入到电力终端中，即可为电力终端提供5G通信能力，同时提供北向通信链路的数据加密功能。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种电力终端用嵌入式5G通信系统，可以包括5G通信模组110，以及相互连接的控制模组120和加密模组130；控制模组120、加密模组130和5G通信模组110均用于连接电力终端；5G通信模组110用于连接电力业务主站；

控制模组120用于接收电力终端的电力业务数据，并对电力业务数据进行格式转换，输出转换后的电力业务数据；

加密模组130用于接收转换后的电力业务数据，并对转换后的电力业务数据依次进行认证加密和物理层协议处理，输出加密电力业务数据至电力终端，以使电力终端将加密电力业务数据传输给5G通信模组110；

5G通信模组110用于对加密电力业务数据依次进行基带和射频处理，并将处理结果传输至电力业务主站。

具体地，电力终端指电网业务中使用到的各种终端设备，如集中器、配电智能网关、巡检机器人、监控摄像头、电表等，在一些示例中，控制模组120、加密模组130和5G通信模组110均可以通过插针硬连接或软排线连接的方式与电力终端连接；其中，控制模组120可以进行运算处理以及控制，并分别与电力终端、加密模组130进行数据交互，进一步地，控制模组120通过串口接收电力终端发送的电力业务数据，并对该数据进行格式转换，在一些示例中，格式可以转换为SPI(Serial Peripheral Interface，简称SPI)协议格式，SPI为串行外设总线，是一种高速、全双工以及同步的通信总线；格式转换完成输出转换后的电力业务数据；在一些示例中，控制模组120可以采用具备运算和控制功能的设备予以实现；

加密模组130用于保护敏感的转换后的电力业务数据，进一步地，用于依次对该数据进行IPSec(Internet Protocol Security，简称IPSec)认证加密和物理层协议处理，其中，IPSec是由Internet Engineering Task Force(简称IETF)定义的安全标准框架，在公网上为两个私有网络提供安全通信通道，通过加密通道保证连接的安全；进一步地，加密模组130通过以太网口输出加密电力业务数据至电力终端，由于5G通信模组110不支持网口收发，因此需要电力终端在接收到加密电力业务数据后通过USB(Universal Serial Bus，简称USB)口将该数据转发到5G通信模组110，而后5G通信模组110对该加密电力业务数据依次进行基带和射频处理后，将处理结果发送给电力业务主站。

上述电力终端用嵌入式5G通信系统，通过控制模组120对电力终端的电力业务数据的格式转换，以及加密模组130对转换后的电力业务数据的认证加密和物理层协议处理，最后通过5G通信模组110对加密电力业务数据依次进行基带和射频处理后并将处理结果传输至电力业务主站，实现了电力终端与电力业务主站之间的5G通信，对比现有的4G远程通信模块，提升了通信带宽、降低了通信时延以及可以使用5G网络切片功能处理不同类型业务，同时该嵌入式5G通信系统支持各种电力终端设备存量改造，无需将旧电力终端整体替换，大大节约了改造建设成本，并可以为高安全性要求的电力业务提供IPSec认证加密功能，保证安全性。

在其中一个实施例中，加密模组130可以包括相互连接的加密电路和以太网模组；加密电路连接控制模组120；以太网模组用于通过以太网口连接电力终端。

其中，以加密模组130应用于上述电力终端用嵌入式5G通信系统中为例，加密电路用于对转换后的电力业务数据进行IPSec认证加密，在一些示例中，加密电路可以采用加密芯片予以实现；以太网模组用于对认证加密后的电力业务数据进行物理层协议处理后通过以太网口输出加密电力业务数据，在一些示例中，以太网模组可以采用具备以太网物理层协议处理功能的芯片实现。

在其中一个实施例中，加密电路为电力安全加密芯片；以太网模组为以太网PHY芯片。

其中，电力安全加密芯片符合南方电网安全防护标准，是支持国密SM1/SM2/SM3/SM4算法的IPSec VPN网络层认证加密功能器件，用于保护敏感的电力业务数据，其中，国密SM1/SM2/SM3/SM4为国家密码局制定的一系列商用密码算法，IPSec VPN是采用IPSec协议来实现远程接入的一种VPN(Virtual Private Network，简称VPN)技术，在一些示例中，电力安全加密芯片可以选用SCS234电力安全加密芯片；以太网PHY(Physical，简称PHY)芯片是对以太网物理层协议进行处理的器件，其中，PHY为对OSI网络模型物理层的共同简称，一般通用控制器中只处理以太网接入层协议，物理层协议需要外接PHY芯片完成。

在其中一个实施例中，以5G通信模组110应用于上述电力终端用嵌入式5G通信系统中为例，5G通信模组110可以包括通用5G模组，以及均连接通用5G模组的5G天线和SIM卡座；通用5G模组用于通过USB接口与电力终端连接；5G天线用于连接电力业务主站。

其中，通用5G模组指具备5G通信基带及射频处理功能的集成模组，用于将加密电力业务数据依次进行基带和射频处理，在一些示例中，可支持的型号为华为MH5000及移远RG500；5G天线用于无线收发，进一步地，用于将通用5G模组对加密电力业务数据处理后的处理结果传输至电力业务主站，SIM(Subscriber Identity Module，简称SIM)卡座用于安装5G SIM卡，SIM卡是数字蜂窝移动电话的用户识别卡。

在其中一个实施例中，以控制模组120应用于上述电力终端用嵌入式5G通信系统中为例，控制模组120可以包括控制处理设备；控制处理设备连接加密模组130，以及用于通过串口连接电力终端；

控制处理设备用于将电力业务数据的格式转换成SPI协议格式。

其中，在一些示例中，控制处理设备可以采用微控制器予以实现。

在其中一个实施例中，控制处理设备为MCU。

其中，在一些示例中，MCU(Micro Controller Unit，简称MCU)可以选用低功耗处理器STM32L15x系列。

在其中一个实施例中，控制模组120、加密模组130和5G通信模组110均由电力终端进行供电。

其中，控制模组120、加密模组130和5G通信模组110的工作电源均由电力终端提供，在一些示例中，电力终端为5G通信模组110提供4V电源，为控制模组120和加密模组130提供3.3V电源。

在一个具体地示例中，以MCU应用于控制处理设备、SCS234电力安全加密芯片应用于加密电路、以太网PHY芯片应用于以太网模组中为例，电力终端用嵌入式5G通信系统的具体结构示意图如图2所示，电力终端与该嵌入式5G通信系统的接口信号可以包括串口、以太网口、USB口以及电源，电力终端通过串口发送电力业务数据至MCU，MCU内部对该数据的格式进行转换，转成SPI协议格式，并将转换后的电力业务数据发至SCS234电力安全加密芯片，该加密芯片对该数据进行IPSec认证加密，变成加密的以太网数据，并通过RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface，简称RGMII)接口将该数据发送给以太网PHY芯片，最后通过外接的以太网PHY芯片进行物理层协议处理后发回电力终端设备，电力终端在收到加密电力业务数据后，需要通过USB口将该数据转发到通用5G模组，通用5G模组通过基带、射频处理后通过5G天线发给电力业务主站，电力业务主站中服务器接收数据的流程可以看成上述过程的反向流程，即数据流向为：5G天线-通用5G模组-电力终端设备-加密芯片-MCU-电力终端设备。

上述电力终端用嵌入式5G通信系统，电力终端设备中只需要对接口电路实行少量修改并在软件内整合该嵌入式5G通信系统的驱动程序，即可实现与该嵌入式5G通信系统的对接，具备5G通信能力，并解决电力终端与电力业务主站平台通信链路的数据加密问题，相较于对旧终端的整体替换，节约了建设成本。

在一个实施例中，如图3所示，提供了一种电力终端用嵌入式5G通信方法，以该方法应用于上述电力终端用嵌入式5G通信系统中的5G通信模组110为例，可以包括步骤：

步骤S310，通过电力终端接收加密模组130输出的加密电力业务数据；加密电力业务数据为转换后的电力业务数据经加密模组130依次进行认证加密和物理层协议处理得到；转换后的电力业务数据为电力终端的电力业务数据经控制模组120进行格式转换得到；

步骤S320，依次对加密电力业务数据进行基带和射频处理，输出处理结果至电力业务主站。

具体来说，首先接收电力终端通过USB接口发送的加密电力业务数据，其中加密电力业务数据为加密模组130对转换后的电力业务数据依次进行IPSec认证加密和物理层协议处理得到并通过以太网口发送给电力终端的数据，其中，转换后的电力业务数据为控制模组120对电力终端通过串口发送的电力业务数据进行SPI协议格式转换得到的数据；进一步地，依次对加密电力业务数据进行基带和射频处理，输出处理结果发送至电力业务主站。

上述电力终端用嵌入式5G通信方法，通过对电力终端发送的加密电力业务数据依次进行基带和射频处理，从而发送处理结果至电力业务主站，实现了电力终端与电力业务主站间的5G通信，同时考虑了北向通信链路的数据加密问题，通过IPSec认证加密的加密电力业务数据，保证了电力业务的安全性。

应该理解的是，虽然图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，提供了一种电力终端用嵌入式5G通信装置，包括：

数据接收模块，用于通过电力终端接收加密模组130输出的加密电力业务数据；加密电力业务数据为转换后的电力业务数据经加密模组130依次进行认证加密和物理层协议处理得到；转换后的电力业务数据为电力终端的电力业务数据经控制模组120进行格式转换得到；

处理模块，用于依次对加密电力业务数据进行基带和射频处理，输出处理结果至电力业务主站。

关于电力终端用嵌入式5G通信装置的具体限定可以参见上文中对于电力终端用嵌入式5G通信方法的限定，在此不再赘述。上述电力终端用嵌入式5G通信装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。需要说明的是，本申请实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述电力终端用嵌入式5G通信方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电力终端用嵌入式5G通信系统，其特征在于，包括5G通信模组，以及相互连接的控制模组和加密模组；所述控制模组、所述加密模组和所述5G通信模组均用于连接所述电力终端；所述5G通信模组用于连接电力业务主站；

所述控制模组用于接收所述电力终端的电力业务数据，并对所述电力业务数据进行格式转换，输出转换后的电力业务数据；

所述加密模组用于接收所述转换后的电力业务数据，并对所述转换后的电力业务数据依次进行认证加密和物理层协议处理，输出加密电力业务数据至所述电力终端，以使所述电力终端将所述加密电力业务数据传输给所述5G通信模组；

所述5G通信模组用于对所述加密电力业务数据依次进行基带和射频处理，并将处理结果传输至所述电力业务主站。

2.根据权利要求1所述的电力终端用嵌入式5G通信系统，其特征在于，所述加密模组包括相互连接的加密电路和以太网模组；所述加密电路连接所述控制模组；所述以太网模组用于通过以太网口连接所述电力终端。

3.根据权利要求2所述的电力终端用嵌入式5G通信系统，其特征在于，所述加密电路为电力安全加密芯片；所述以太网模组为以太网PHY芯片。

4.根据权利要求1所述的电力终端用嵌入式5G通信系统，其特征在于，所述5G通信模组包括通用5G模组，以及均连接所述通用5G模组的5G天线和SIM卡座；所述通用5G模组用于通过USB接口与所述电力终端连接；所述5G天线用于连接所述电力业务主站。

5.根据权利要求1所述的电力终端用嵌入式5G通信系统，其特征在于，所述控制模组包括控制处理设备；所述控制处理设备连接所述加密模组，以及用于通过串口连接所述电力终端；

所述控制处理设备用于将所述电力业务数据的格式转换成SPI协议格式。

6.根据权利要求5所述的电力终端用嵌入式5G通信系统，其特征在于，所述控制处理设备为MCU。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电力终端用嵌入式5G通信系统，其特征在于，所述控制模组、所述加密模组和所述5G通信模组均由所述电力终端进行供电。

8.一种电力终端用嵌入式5G通信方法，其特征在于，包括步骤：

通过所述电力终端接收加密模组输出的加密电力业务数据；所述加密电力业务数据为转换后的电力业务数据经所述加密模组依次进行认证加密和物理层协议处理得到；所述转换后的电力业务数据为所述电力终端的电力业务数据经控制模组进行格式转换得到；

依次对所述加密电力业务数据进行基带和射频处理，输出处理结果至电力业务主站。

9.一种电力终端用嵌入式5G通信装置，其特征在于，包括：

数据接收模块，用于通过所述电力终端接收加密模组输出的加密电力业务数据；所述加密电力业务数据为转换后的电力业务数据经所述加密模组依次进行认证加密和物理层协议处理得到；所述转换后的电力业务数据为所述电力终端的电力业务数据经控制模组进行格式转换得到；

处理模块，用于依次对所述加密电力业务数据进行基带和射频处理，输出处理结果至电力业务主站。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求8所述的方法的步骤。

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