CN115700961B - 一种基于5g的分布式电源调控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于5G的分布式电源调控系统及方法，克服现有技术中缺乏对不同电压等级的分布式电源的控制的问题，调控系统包括：调控模块，用于实现5G终端数据采集，向5G终端发送控制指令；隔离模块，用于实现安全接入模块与调控模块之间的数据传输过滤；安全接入模块，用于实现5G通信网络的安全防护与监管；5G终端，用于监测配电台区，并根据调控模块的控制指令，实现分布式电源的调控。可以对不同电压等级的分布式电源进行调控，提高电网运行的经济性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及配电网智能调节控制技术领域，特别涉及了一种基于5G的分布式电源调控系统及方法。
背景技术
近年来，随着分布式发电、电力需求侧管理和智能电网的发展，虚拟电厂越来越受到重视。虚拟电厂是集成和优化“源网荷储”清洁发展的新一代智能控制技术和交互式业务模式依托互联网和现代信息通信技术，通过精细化的能源管理，将分布式电源、可控负载和储能设备融为一体，为破解清洁能源消耗、实现供电侧多能源互补、促进负载侧灵活互动、建设安全、经济、高效、可靠的电网提供了新的运行方案。
大量的分布式发电接入配电网，电网接入容量和输出的不确定性给配电网的规划和运行带来了新的问题。与此同时，城市负荷迅速增长，峰谷差越来越大，城乡配电网“低标准、弱联系、低电压”问题日益突出。
目前，面对少量大规模的分布式光伏电源并网，已经有一些微电网、虚拟电厂、集群控制等技术解决其并网问题；但对于大量分散式小容量的分布式电源并网，目前尚未出现较好的控制手段，尤其是对380V电压等级并网的分布式电源及变电站接入分布式电源，电网调度系统目前缺乏对其监视和调度手段，对10kV电压等级并网分布式光伏电源目前也尚缺乏控制能力；因此，需要建立起完整的分布式电源至电网调度系统的通信通道，对分布式光伏电源的实时监测和控制，保障大量分布式电源接入配电网后的电网安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中缺乏对不同电压等级的分布式电源的控制的问题，提供了一种基于5G的分布式电源调控系统及方法，可以对不同电压等级的分布式电源进行调控，提高电网运行的经济性和安全性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于5G的分布式电源调控系统，包括：
调控模块，用于实现5G终端数据采集，向5G终端发送控制指令；
隔离模块，用于实现安全接入模块与调控模块之间的数据传输过滤；
安全接入模块，用于实现5G通信网络的安全防护与监管；
5G终端，用于监测配电台区，并根据调控模块的控制指令，实现分布式电源的调控。
工作时，5G终端监测配电台区，采集配电台区运行数据以及分布式电源运行数据，并将采集的数据发送至调控模块；调控模块对采集的配电台区运行数据以及采集的分布式电源模块运行数据进行分析，下发控制指令。隔离模块对控制指令数据进行安全过滤，过滤后的控制指令进入到安全接入模块，由安全接入模块对控制指令进行加密，并将加密后的控制指令发送至5G终端，由5G终端执行分布式电源的调控。实现了分布式电源的调控以及数据的加密传输，提高了电网运行的经济性和安全性。
作为优选，所述安全接入模块包括：
前置服务器，用于将调控模块发出的控制指令转换成控制报文；
中转服务器，用于接收前置服务器的控制报文，并将控制报文发送给业务终端；
网络安全监测装置，用于对各个模块、装置进行监测以及管理；
加密认证装置，用于对前置服务器发送的控制报文进行加密，
安全隔离装置，用于实现调控模块到5G终端的数据传输。
安全接入模块内部署安全监测装置，并采用加密认证装置实现与5G终端通信的加密传输和安全认证，采用签名验签技术实现控制指令的完整性保护。采用安全监测手段，实现对调控模块、终端的业务行为和安全事件的监测。可融合采用量子加密技术，进一步提升无线公网承载电力业务的安全性。
作为优选，所述加密认证装置，包括：
密钥生成装置，用于生成密钥以及用于加密密钥的保护密钥；
密钥调度装置，用于存储密钥、保护密钥，并利用保护密钥对密钥进行加密。
密钥用于对控制报文进行加密，并在控制报文发送至5G终端时对加密后的控制报文进行解密。还可以在控制报文中增加时间戳、报文序号、随机数等方式保障控制报文的时效性。控制报文在进行加密发送至5G终端后，安全接入模块立即对控制报文数据进行删除。
作为优选，所述5G终端包括：
5G CPE设备，用于实现一二次融合断路器三遥数据的双向交互；
5G 融合终端，用于实现配电台区配变运行工况、电能质量关键指标的全面监测；
接口模块，用于连接5G通信网络。
本申请中分布式电源调控系统的调控对象主要分为两类，第一类为10kV配网侧设备，主要调控对象为一二次融合断路器，通过加装5G CPE装置，实现“三遥”功能，第一类5G终端为5G CPE设备。第二类为380/220V台区侧设备，主要调控对象为调容调压变、配变以及分布式光伏用户，第二类5G终端为5G融合终端。三遥是指遥测、遥信、遥控功能。遥测：应用通信技术，传输被测变量的测量值。遥信：应用通信技术，完成对设备状态信息的监视，如告警状态或开关位置、阀门位置等。遥控：应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令。
作为优选，所述接口模块包括终端远程通信接口以及终端本地通信接口。终端具备2路以太网，既可作终端远程通信接口，也可作为本地通信接口。
作为优选，所述调控模块包括：用于对系统进行逻辑控制与数据管理的协调控制单元，还包括与协调控制单元连接的以太网扩展模块、人机交互模块以及数据处理模块。
一种基于5G的分布式电源调控方法，包括以下步骤：
S1：采集配电台区以及分布式电源的运行数据，根据采集的运行数据，生成控制报文；
S2：对控制报文进行加密，得到加密后的控制报文；
S3：将加密后的控制报文发送至5G终端，5G终端对加密后的控制报文进行解密；
S4：将控制报文转换成控制指令，并根据控制指令对分布式电源进行调控。
实现了数据的加密，保证了分布式电源控制信号的安全传输。
作为优选，所述步骤S1进一步表示为：
对采集的运行数据进行安全数据过滤，计算功率调整值，利用各分布式电源的最大功率调节能力，逐级为分布式电源下发控制指令，将控制指令转换为控制报文，直到功率调整值为0或各分布式电源达到最大功率调节能力，此次调控结束。
可以对不同电压等级的分布式电源进行调控，并实现了分级调控，提高了电网运行的经济性和安全性。
作为优选，所述步骤S2进一步表示为：
S2.1：生成密钥以及保护密钥，将密钥发送至5G终端；
S2.2：利用保护密钥对密钥进行加密封装；
S2.3：利用加密封装后的密钥对控制报文进行加密，得到加密后的控制报文。
采用量子密钥分发机制，具有比传统密钥分发机制更高的安全性，保证了分布式电源控制报文在无线网络中的安全传输。
因此，本发明具有如下有益效果：1、可以对不同电压等级的分布式电源进行调控，提高电网运行的经济性和安全性；2、实现了数据的加密，保证了分布式电源控制信号的安全传输。
附图说明
图1是本发明中调控系统的系统结构示意图。
图2是本发明中调控方法的步骤流程图。
图中：1、调控模块；2、隔离模块；3、安全接入模块；4、5G终端；5、配电台区；6、分布式电源模块。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例一：
本实施例为一种基于5G的分布式电源调控系统，如图1所示，包括：依次连接的分布式电源模块6、调控模块1、隔离模块2、安全接入模块3、5G终端4以及配电台区5，调控模块还与5G终端连接；调控模块用于实现5G终端数据采集和调控，向5G终端发送控制指令；隔离模块用于实现安全接入模块与调控模块之间的数据传输过滤，实现的是调控模块与安全接入模块之间的单向隔离；安全接入模块用于实现5G通信网络的安全防护与监管；5G终端用于监测配电台区，并根据调控模块的控制指令，实现分布式电源的调控。
5G终端是业务终端与5G通信模块的一体化设计，本实施例中，5G通信模块支持5GSA模式。本申请基于5G网络传输数据，工作时，5G终端监测配电台区，采集配电台区运行数据以及分布式电源运行数据，并将采集的数据发送至调控模块；调控模块对采集的配电台区运行数据以及采集的分布式电源模块运行数据进行分析，下发控制指令。隔离模块对控制指令数据进行安全过滤，过滤后的控制指令进入到安全接入模块，由安全接入模块对控制指令进行加密，并将加密后的控制指令发送至5G终端，由5G终端执行分布式电源的调控。实现了分布式电源的调控以及数据的加密传输，提高了电网运行的经济性和安全性。
具体的，调控模块包括用于对系统进行逻辑控制与数据管理的协调控制单元，还包括与协调控制单元连接的以太网扩展模块、人机交互模块以及数据处理模块，数据处理模块还与5G终端连接，协调控制模块与隔离模块连接。人机交互模块用于与用户实现交流，数据处理模块用于对采集的用户数据进行处理，并将处理结果发送至协调控制单元，由协调控制单元发送控制指令。
隔离模块对调控模块发出的控制指令数据进行安全数据过滤，再进入安全接入区，实现数据安全传输多层过滤，提高安全防护能力。
安全接入模块包括用于将调控模块发出的控制指令转换成控制报文的前置服务器、用于接收前置服务器的控制报文，并将控制报文发送给业务终端的中转服务器、用于对各个模块、装置进行监测以及管理的网络安全监测装置、用于对前置服务器发送的控制报文进行加密的加密认证装置以及用于实现调控模块到5G终端的数据传输的安全隔离装置，前置服务器与调控模块连接，中转服务器与前置服务器连接，加密认证装置与中转服务器连接，网络安全监测装置与被需要监测的模块连接，安全隔离装置就是一条数据传输路径。
工作时，前置服务器将调控模块的控制指令转换成特定协议的控制报文并签名，通过安全隔离装置发至安全接入模块内的中转服务器，加密认证装置将中转服务器传递的控制报文加密，同时生成密钥，并将加密后的控制报文转发给5G终端，5G终端收到控制报文后，对其进行验签。还可以在控制报文中增加时间戳、报文序号、随机数等方式保障控制报文的时效性，安全接入模块中控制指令数据应在传输后立即删除，防止重放攻击。
其中，加密认证装置包括用于生成密钥以及用于加密密钥的保护密钥的密钥生成装置以及用于存储密钥、保护密钥，并利用保护密钥对密钥进行加密的密钥调度装置。
具体的，本实施例采用5G+量子保密通信，采用5G+量子保密通信方式实现调控模块与5G终端的数据安全传输，利用密钥生成装置,密钥生成装置包括量子随机数发生器,生成密钥以及保护密钥;利用密钥调度装置,密钥调度装置包括量子密钥充注机、量子TF卡,实现量子密钥在5G无线网络的离线安全分发，实现调控模块到5G终端在5G无线环境下的量子保密通信。
本实施例中，还可以在安全接入模块中加入5G防火墙，针对5G网络端口、地址、协议设置访问控制，实现无线网络与安全接入模块的隔离。
5G终端包括用于实现一二次融合断路器三遥数据的双向交互的5G CPE设备；用于实现配电台区配变运行工况、电能质量关键指标的全面监测的5G 融合终端以及用于连接5G通信网络的接口模块。
本申请分布式电源调控对象主要为两类，第一类为10kV配网侧设备，主要调控对象为一二次融合断路器，通过加装5G CPE装置，实现“三遥”功能。第二类为380/220V台区侧设备，主要调控对象为调容调压变、配变以及分布式光伏用户。
在第一类中，5G终端主要为5G CPE设备，主要承担一二次融合断路器“三遥”数据的双向交互功能。具备 IP65 的防护等级，可满足各种复杂环境的使用。同时，设备具备断网数据自动保存，以及断点续传等功能。
在第二类中，5G终端主要为具备5G通信能力的融合终端。依托5G融合终端的数据采集及边缘计算能力，可以实现配电台区配变运行工况、电能质量关键指标的全面监测,同时通过5G VPN网络连接至管理平台，采用 MQTT通信协议与管理平台进行数据交互。5G融合终端包括第一监测模块、第二监测模块以及第三监测模块。实现的具体功能如下：
1）第一监测模块用于实现配电台区三相电压/电流、功率、功率因数、负载率等配变运行工况信息的实时监测；
2）第二监测模块实现配电台区电压偏差、频率偏差、三相电压/电流不平衡度、谐波电压/电流（2-50次）等电能质量关键指标的实时监测、统计分析（越限累计时长、电压合格率等）、异常告警（电压越限、重/过载、三相不平衡等）等业务功能；
3）第三监测模块实现配电台区电压暂降状态监测、录波、成因分析、暂降源定位等业务功能。
5G终端内同样可以安装加密装置，用于对传输到调控模块的配电台区运行数据进行加密，并在接收经安全接入模块加密后的控制报文时对其进行验证。可采用两种安全加密方式：一是5G+国网芯的安全加密方式，二是5G+量子保密通信的安全通信方式。其中5G+量子保密通信，将通过量子随机密钥和量子会话密钥双重加密的方式，实现设备间通信数据的无线量子加密传输。
接口模块包括终端远程通信接口以及终端本地通信接口。本实施例中，5G终端具备2路无线公网或无线专网远程通信接口，并采用5G模组；同时具备RS-485、RS-232/RS-485可切换串口以及电力线载波通信接口，实现本地通信；还具备2路以太网，既可作终端远程通信接口，也可作为本地通信接口。终端RS-232接口传输速率可选用1200bit/s、2400bit/s、9600bit/s、115200bit/s等；以太网接口传输速率选用10/100Mbit/s全双工等；在调控模块通信异常时，5G终端应保存未确认及未上送的带时标的SOE信息，并在通信恢复时及时传送至调控模块，实现分布式电源的调控。
本实施例还提供了一种基于5G的分布式电源调控方法，如图2所示，包括以下步骤：第一步，采集配电台区以及分布式电源的运行数据，根据采集的运行数据，生成控制报文；第二步，对控制报文进行加密，得到加密后的控制报文；第三步，将加密后的控制报文发送至5G终端，5G终端对加密后的控制报文进行解密；第四步，将控制报文转换成控制指令，并根据控制指令对分布式电源进行调控。实现了对分布式电源的调控；实现了数据的加密，保证了分布式电源控制信号的安全传输。
下面对本申请的调控方法做进一步说明：
第一步：采集配电台区以及分布式电源的运行数据，根据采集的运行数据，生成控制报文。
对采集的运行数据进行安全数据过滤，计算功率调整值，利用各分布式电源的最大功率调节能力，逐级为分布式电源下发控制指令，将控制指令转换为控制报文，直到功率调整值为0或各分布式电源达到最大功率调节能力，此次调控结束。
逐级为分布式电源下发控制指令为：先为10KV及以上电压等级接入的分布式电源下发控制指令，再为380V电压等级接入的分布式电源下发控制指令；即根据电压等级，从高到低逐级下发控制指令。
第二步：对控制报文进行加密，得到加密后的控制报文。
先生成密钥以及保护密钥，利用保护密钥对密钥进行加密封装，将加密封装后的秘钥发送至5G终端；利用加密封装后的密钥对控制报文进行加密，得到加密后的控制报文。密钥采用对称密钥模式，密钥生成速率相对比较低，生成的量子密钥具有真随机性，提高了当前量子应用密钥的安全性。保护密钥采用随机数生成器生成，保护密钥作为密钥的加密密钥，具体的：密钥每次在进行分发（发送到5G终端或在安全接入模块内为控制报文进行加密）时，均会采用随机数发生器生成的保护密钥进行加密，分发到5G终端后再使用密钥进行解密。
第三步：将加密后的控制报文发送至5G终端，5G终端对加密后的控制报文进行解密。
第四步：将控制报文转换成控制指令，并根据控制指令对分布式电源进行调控。
本发明实现了对不同登记的分布式电源的逐级调控，实现了分布式电源就地消纳和电网的安全经济运行；实现了对分布式电源以及配电台区的实时监测以及对分布式电源的实时调控，保证了电网的稳定运行；实现了对控制指令的加密传输，保证了数据传输的安全性。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (6)
1.一种基于5G的分布式电源调控系统，其特征在于，包括：
调控模块，用于实现5G终端数据采集，根据电压等级，从高到低逐级向5G终端发送控制指令；
隔离模块，用于实现安全接入模块与调控模块之间的数据传输安全过滤，实现调控模块与安全接入模块之间的单向隔离；
安全接入模块，用于实现5G通信网络的安全防护与监管，对安全过滤后的控制指令进行加密，并在控制报文中增加时间戳、报文序号以及随机数，同时将控制指令下发到5G终端后对控制指令进行删除；
5G终端，用于监测配电台区，并根据调控模块的控制指令，实现分布式电源的调控，5G终端内安装加密装置，采用5G+量子保密通信，通过量子随机密钥和量子会话密钥双重加密，实现设备间通信数据的无线量子加密传输；
安全接入模块包括：
前置服务器，用于将调控模块发出的控制指令转换成控制报文；
中转服务器，用于接收前置服务器的控制报文，并将控制报文发送给业务终端；
网络安全监测装置，用于对各个模块、装置进行监测以及管理；
加密认证装置，用于对前置服务器发送的控制报文进行加密；
安全隔离装置，用于实现调控模块到5G终端的数据传输；
5G防火墙，针对5G网络端口、地址、协议设置访问控制，实现无线网络与安全接入模块的隔离；
所述5G终端包括：
5G CPE设备，用于实现一二次融合断路器三遥数据的双向交互；
5G 融合终端，用于实现配电台区配变运行工况、电能质量关键指标的全面监测；
接口模块，用于连接5G通信网络；
所述分布式电源调控系统调控时：采集配电台区以及分布式电源的运行数据，根据采集的运行数据，生成控制报文；对控制报文进行加密，得到加密后的控制报文；将加密后的控制报文发送至5G终端，5G终端对加密后的控制报文进行解密；将控制报文转换成控制指令，并根据控制指令对分布式电源进行调控；调控时通过计算功率调整值，利用各分布式电源的最大功率调节能力，根据电压等级，从高到低逐级为分布式电源下发控制指令，直到功率调整值为0或各分布式电源达到最大功率调节能力。
2.根据权利要求1所述的一种基于5G的分布式电源调控系统，其特征在于，所述加密认证装置，包括：
密钥生成装置，用于生成密钥以及用于加密密钥的保护密钥；
密钥调度装置，用于存储密钥、保护密钥，并利用保护密钥对密钥进行加密。
3.根据权利要求1所述的一种基于5G的分布式电源调控系统，其特征在于，所述接口模块包括终端远程通信接口以及终端本地通信接口。
4.根据权利要求1所述的一种基于5G的分布式电源调控系统，其特征在于，所述调控模块包括：用于对系统进行逻辑控制与数据管理的协调控制单元，还包括与协调控制单元连接的以太网扩展模块、人机交互模块以及数据处理模块。
5.根据权利要求1或3所述的一种基于5G的分布式电源调控系统，其特征在于，所述5G融合终端包括：
第一监测模块，用于监测配电台区配变运行工况信息；
第二监测模块，用于监测配电台区电能质量并对监测的数据进行统计分析，进行异常报警；
第三监测模块，用于监测配电台区电压暂降状态。
6.根据权利要求1所述的一种基于5G的分布式电源调控系统，其特征在于，所述对控制报文进行加密，得到加密后的控制报文进一步表示为：
生成密钥以及保护密钥；
利用保护密钥对密钥进行加密封装，将加密封装后的密钥发送至5G终端；
利用加密封装后的密钥对控制报文进行加密，得到加密后的控制报文。
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|---|---|---|---|---|
| CN110474426A (zh) * | 2019-08-17 | 2019-11-19 | 国网湖北省电力有限公司荆门供电公司 | 远动通道监测与故障诊断系统及方法 |
| CN114336738A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-04-12 | 国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司 | 基于量子加密通信的分布式电源协调控制方法与系统 |
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| CN115700961A (zh) | 2023-02-07 |
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