CN116723148A - 一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统。它分为硬件系统和运行系统；所述硬件系统包括主控芯片、安全芯片、定位模块、主控模块、存储模块、电源模块以及通信模块；所述运行系统包括运行于操作系统且基于边缘计算框架的若干容器，所述容器独立同时运行，且容器之间存在数据通信，不同容器之间运行独立业务的应用，且容器对各类终端中业务领域匹配的终端实现数据采集和就地控制。本发明的有益效果为：1.泛在的数据接入能力，能源路由器基于丰富的接口可实现设备的泛在接入。2.灵活的定制开发能力，采用容器化技术，多种业务安全隔离，用户可自行开发应用APP或选择第三方APP装载。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统。
背景技术
近年来，随着社会经济的迅猛发展及能源需求的日益增长，能源供应的压力不断增大，未来的电力系统必然将为可持续的全球经济增长提供高渗透率的清洁分布式能源。大量分布式能源的不断接入给电力系统的经济运行和安全管理提出了前所未有的挑战。物联网技术正处于应对这一挑战的最前沿，它可以通过泛在的感知技术赋予电力系统动态的灵活感知、实时通信、智能控制和可靠的信息安全等能力，不断提升电网运行控制和调度的智能化水平，持续深入提高各种类型能源之间的互动能力，从而使电网从单纯的电力传输网络向智能能源信息一体化基础设施扩展，将现有的电力系统转变为更高效、更安全、更可靠、更具弹性和可持续性的智能网络化电力能源系统。
信息互联网实现了信息的共享，泛在电力物联网实现了电力信息和数据的泛在和共享。作为构建泛在电力物联网络的核心部件，能源路由器实现了信息流和能量流的融合，实现包括用能数据、网络运行数据、环境数据等在内的电力信息和数据网络的互联、调度和控制。正如信息互联网中的路由器一样，在泛在电力物联网中，能源路由器起到了非常至关重要的作用，可以推动电力系统各环节终端随需接入、即插即用，保持网络的可用性、可扩展性、可靠性、可生存性和安全性等，实现电网和客户状态的“实时感知”和“智能控制”，实现能源电力生产与消费各环节中涉及到的任何物的最大程度地实时在线互联。
能源互联网可理解是综合运用先进的电力电子技术,信息技术和智能管理技术,将大量由分布式能量采集装置,分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联起来,以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。能源互联网覆盖范围广泛，为解决所面临能源问题提供了新的方向。
能源路由器的概念是从能演互联网的概念延伸出来的。在传统的信息互联网中，路由器被用作来解决在区域间信息的传递问题。它作为信息互联网的核心设备，在实现区域间信息网络连通的同时完成信息的传递工作，能够保障网络保持稳定可靠的运行。
能源路由器的通信系统可分为两级，分别是能源路由器内部的通信总线和与外部设备连接的通信网络。其中能源路由器之间通过通信总线，按照一特定的格式实现信息通信，而能源路由器与外部设备之间的信息交互，则通过一通用的通用通信标准实现。
能源路由器采用统一的物模型，通过统一的信息建模方法来保证通信网络中传输数据的一致性和相互可读性，其面向对象的建模思想以及大量的兼容模型，可以方便的直接用于模型的构建。对于新出现的设备，可以通过添加物模型，方便建立自己的模型的同时，也保证了模型数据的一致性。
在中国国内，由于现有能下管理设备标准众多且没有统一标准，给不同网络协议的设备之间的互操作带来了一些困难。网络的标准之间的竞争导致了能源路由器和设备厂商难以选择一种协议作为自己产品的标准。而市场上又缺乏这种统一的协议标准，导致下游各个设备厂商按照不同的接口标准与协议生产设备。使不同设备之间的互连、互通变得非常困难。反过来作为厂商，由于设备不配套导致的具体安装问题也让生产商们头痛不已。因此，信息流的能源路由器、网络协议与设备的标准迫切需要统一。路由器要实现对能源网络标准协议的兼容，难点在于如何实现不同协议的转换，使用户可以在I nternet上通过能源路由器实现对两种不同标准协议设备之间的管理和控制。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，它通过优化能源路由器结构、调整路由机制，提高系统的使用效果。
本发明通过如下技术方案实现：一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，
它分为硬件系统和运行系统；
所述硬件系统包括主控芯片、安全芯片、定位模块、主控模块、存储模块、电源模块以及通信模块；所述通信模块分为本地通信接口以及远程通信接口；
所述通信模块支持支持Modbus、DL/T 645、DL/T 634、Q/GDW 1376.1、Q/GDW1376.4、MQTT通信规约中的一种或多种混合；
所述远程通信接口为以太网接口、4G接口中的一种或多种混合；
所述本地通信接口为RS485接口、HPLC接口、CAN接口、WI F I接口、以太网接口、USB接口、遥控接口、遥信接口中的一种或多种混合；
所述本地通信接口以及远程通信接口均与主控芯片连接，安全芯片、定位模块、主控模块以及存储模块也分别与主控芯片连接；
所述远程通信接口以及本地通信接口与各类终端连接实现数据采集；
所述存储模块内设有操作系统；
所述运行系统包括运行于操作系统且基于边缘计算框架的若干容器，所述容器独立同时运行，且容器之间存在数据通信，不同容器之间运行独立业务的应用，且容器对各类终端中业务领域匹配的终端实现数据采集和就地控制。
较之前技术而言，本发明的有益效果为：
1.泛在的数据接入能力，能源路由器基于丰富的接口可实现设备的泛在接入。能源路由器集成模拟量、开关量、RS485、RS232、PLC、LORA等多种工业标准的物理接口于一体，支持Modbus、DL/T 645、DL/T 634、Q/GDW 1376.1、Q/GDW1376.4、MQTT通信规约，支持接入微机保护、电能表、UPS、局放、气体、温度、湿度、压力、入侵、水浸等各类传感器。通过增加功能模块，能够提高本发明的综合性能，使其具备安全性以及定位功能。
2.灵活的定制开发能力，能源路由器基于硬件平台化硬件、软件APP化设计，采用容器化技术，多种业务安全隔离，用户可自行开发应用APP或选择第三方APP装载。能源路由器采用统一硬件开发平台、消息服务平台、基础应用环境以及场景化开发平台，屏蔽硬件差异，避免平台碎片化带来的低效开发，大大提高开发效率，支持配电站房、智能台区、信息机房、仓库管理、多能采集等定制化场景需求，统一软件接口，按需加载各类型应用APP软件，缩短交付周期。搭配多种通信接口，能够提高产品的通用性，确保其能够采集不同类型的数据。
3.便捷的界面化配置调试维护能力，能源路由器具备便捷的界面化配置调试工具，可实现能源路由器软硬件平台与规约应用的分离，通过专用的可视化的配置调试维护工具，配置通信端口的参数、通讯规约、相关设备，监视通讯报文，上传和下载配置和程序文件，调试能源路由器。界面化配置调试工具对部署在能源路由器上的容器和业务应用APP进行上架、部署、启停、下架等全生命周期的管理。界面化配置调试工具采用跨平台的TCP/I P技术，构建了一组跨平台的TCP/I P客户端和服务端来供外部界面显示黑模式的能源路由器，方便操作和控制。
4强大的分布式边缘计算能力，能源路由器采用高新能设备，具有强大边缘计算能力，支持数据清洗、安全加密、故障研判、规约转换、人工智能等多样化的高级应用功能，为实现泛在数据采集、实时分析处理、快捷响应控制、智能化业务应用、安全加密防护等提供充裕计算资源，有力支撑云-端协同的物联网架构实现。
附图说明
图1为本发明能源路由器系统架构图。
图2为能源路由器APP应用软件架构设计图。
图3为能源路由器软件信息框架设计图。
图4为能源路由器共享内存创建流程。
图5为能源路由器通信模块关系图。
图6为本发明模拟的工程示范组网。
图7为硬件系统的连接关系图。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明做详细说明：
如图1所示：一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，
它分为硬件系统和运行系统；
所述硬件系统包括主控芯片、安全芯片、定位模块、主控模块、存储模块、电源模块以及通信模块；所述通信模块分为本地通信接口以及远程通信接口；
所述通信模块支持支持Modbus、DL/T 645、DL/T 634、Q/GDW 1376.1、Q/GDW1376.4、MQTT通信规约中的一种或多种混合；
所述远程通信接口为以太网接口、4G接口中的一种或多种混合；
所述本地通信接口为RS485接口、HPLC接口、CAN接口、WI F I接口、以太网接口、USB接口、遥控接口、遥信接口中的一种或多种混合；
所述本地通信接口以及远程通信接口均与主控芯片连接，安全芯片、定位模块、主控模块以及存储模块也分别与主控芯片连接；
所述远程通信接口以及本地通信接口与各类终端连接实现数据采集；
所述存储模块内设有操作系统；
所述运行系统包括运行于操作系统且基于边缘计算框架的若干容器，所述容器独立同时运行，且容器之间存在数据通信，不同容器之间运行独立业务的应用，且容器对各类终端中业务领域匹配的终端实现数据采集和就地控制。
能源路由器硬件系统，具体结构见图7，可根据CPU主频、内存、FLASH大小等配置差异分为标准型和轻量型，以适应不同业务场景，提高建设经济性；标准型主要用于配电站房或台区侧，针对用采、配变、充电桩、分布式储能等营销、运检业务接入场景；轻量型主要用于居民家庭或商业用户，针对综合能源服务和新兴业务接入场景。能源路由器具备以太网口作为远程通信接口，并可选配RS-485、电力线载波通信接口等本地通信接口，各接口之间相互独立。具备扩展模块用以选配无源节点输入、温度采集、USB等扩展接口等。硬件接口采用模块化设计，可根据需求更换和选择，满足互换性要求。
运行系统经过安全加固的嵌入式操作系统，并做到版本可控，在线升级。操作系统能支撑上层应用APP的独立开发及运行，并提供统一标准的外部及内部资源调用接口，以实现上层应用与底层硬件解耦。嵌入式操作系统具备进程管理、内存管理、文件系统、网络管理、系统安全配置等功能。支持业务分类标识处理，支持对接口、连接、软件资源、硬件资源的QoS管理。运行系统可通过l i bdev i ce库调用硬件驱动来操作实际的本地通信和远程通信接口设备，比如(RS485、以太网、PLC、4G等)。
这里的容器指代容器技术，容器运行在操作系统之上，提供应用APP所需统一标准的虚拟环境，完成应用APP与操作系统和硬件平台的解耦，实现不同容器中应用APP的隔离。支持容器管理，容器监控等功能。
应用具体指代应用APP：支持独立开发，能源路由器采用容器方式部署，支持“一容器、多应用”部署方式，支持远程安装、配置、升级、监控。
能源路由器理通信协议遵循“双通道、多协议”原则，兼容现有的集中器、配电终端、新业务及感知单元等设备的各种通信协议，支持多主站接入；同时考虑物联管理平台数据采集和各类设备统一通信协议的需求，能源路由器逐步向“单通道、单协议”发展，需满足远程软件升级通信协议的要求，后续不需更换硬件。
通信接口：主要包括远程通信接口(远程对上通信接口)和本地通信接口(本地对下通信接口)。远程对上通信接口包括以太网口(ETH)，亦可选配4G(无线公网/专网1800MHz)等扩展通信方式，本地对下通信接口包括USB接口，亦可选配M_BUS/PLC/RS485/Zi gbee/LoRa/红外等扩展通信方式。这样确保了远程通信支持无线公网/专网等通信方式将数据分别上送配电主站和用采主站等；本地通信支持HPLC、RS-485等多种通信方式与感知单元进行数据交互。
能源路由器运行系统由驱动程序、系统内核等组成，采用容器技术实现多个容器同时运行，支持容器间的数据通信，实现数据交互共享；营销、配电、新业务的应用可分别安装在各自的容器内，通过应用APP实现对各类终端的数据采集和就地控制。
需要说明的是，能源路由器的硬件结构采用模块化设计，配置主控芯片，存储单元、通信模块等构成。优点是组态容易、扩展方便、抗干扰能力强、能适应各种恶劣的工业环境。
能源路由器运行系统的设计，能源路由器采用国产边缘计算操作系统(EMOS)，EMOS基于l i nux内核构建，支持部署l i nux容器，第三方应用APP经过编译后，可运行在此环境中。由于边缘侧所处的复杂的软硬件环境，如各种操作系统、异构计算资源、网络连接等，只有采用多容器技术，提供标准环境，支持第三方应用灵活扩展，才能满足各类应用业务比如综合能源服务业务快速扩展、云边协同控制、业务安全隔离等需求。因此，在本发明的“能源路由器”系统架构设计中，应用层业务部署在系统平台提供的多个容器中，容器运行在操作系统之上，提供应用APP所需统一标准的虚拟环境，完成应用APP与操作系统和硬件平台的解耦，实现不同容器中应用APP的隔离。
所述容器分为四类，用于部署相应的应用；
容器一类：负责通信采集控制业务；内部集成Modbus-APP、I EC104-APP、DL/T645-APP采集、转发规约；
容器二类：负责数据存储以及与云平台的数据交互业务；内部集成数据中心app、与云平台之间的MQTT数据交互；
容器三类：负责对上基础应用业务以及提供给第三方厂家开发的APP使用；
容器四类：负责对下高级应用业务的APP使用；
各容器间共用一条数据总线实现数据通信，数据总线模式是基于MQTT的消息总线。
各应用APP支持独立开发，支持“一容器、多应用”部署方式。
能源路由器基于容器技术，在边缘侧提供APP基本运行环境和边缘计算支撑组件，各专业可结合需求开发部署专业APP应用，并可进行远程管理、远程监控、远程升级，推进应用功能快速迭代。容器技术的APP应用软件架构的设计图具体见图2。
能源路由器的软件信息框架设计根据单一功能设计APP应用，如每种协议都是一个单独的APP；除此之外，增加一个数据中心APP，对所有数据的统筹管理。能源路由器运行系统架构见图3。
能源路由器软件系统的核心内容是共享内存，所有的APP应用及通讯都涉及到与共享内存的交互。共享内存中存储操作命令、实时数据、通讯报文和极值等信息。共享内存的创建是依赖于能源路由器配置工具GDI_C，由GDI_C根据现场实际装置接入情况生成XML配置文件并上传至能源路由器。共享内存创建流程参见图4。
进一步的，能源路由器所述通信模块包括有
内存库l ibShareMem.so，远动通信系统运行的内存库，内存库在首次装载时创建内存库，在最后一个调用的模块退出后释放内存库；各模块通过内存库的SO接口来访问、读写内存库；
物理设备基类l i bDev i ce.so，实现了对物理设备打开、关闭、读写数据功能，并将读取的数据放到公共缓冲区；在移植过程中，可能需要对物理设备加载与识别的接口作相应的处理。
物理设备基类目前已经实现了以下设备：
电力规约通信基类l i bDLPc l.so，电力规约通信基类主要提供实现规约的一些标准接口函数原型、物理设备的操作接口、电力数据信息映射管理接口(实现间接访问共享内存库，包括采集规约采集的电力数据存入内存库、转发规约从内存库中读取电力数据转发)；
主程序DMP6800Ma i n，主要包括通信系统的规约运行管理、扩展模块调用、看门狗的实现；
图形接口客户端GD I_C，以及界面显示服务端接口GD I_S，实现与配置界面的通讯，将实时数据传送到图形接口客户端GD I_C，供用户查看实时遥测、遥信、通讯原码、通讯报文。
之间的数据传输关系见图5。
其中，电力规约通信基类l i bDLPc l.so包括：
规约处理基类模块TDLProtoco l Base，该模块为规约通信基类，基类中提供了实现规约所需要的所有接口函数，包括操纵设备的接口TDLDev i ce的继承类、访问内存库、信息表、转发表的TDL I nfoMap以及实现规约的一些标准接口函数原型；
电力数据信息映射管理模块T DL I nfoMap：管理具体规约的四遥信息表与系统实时数据内存的映射关系，实现间接访问共享内存库，包括采集规约采集的电力数据存入内存库、转发规约从内存库中读取电力数据转发；以及
规约处理模板TDLProtoco l：该模板为继承TDLProtoco l Base基类的一个规约处理模板类。
能源路由器终端能按照规定设定的时间间隔采集电、热、气、环境等参数；
所述数据采集的方式包括
a)实时采集：终端直接采集指定采集设备的相应数据项，或采集相应设备存储的各类能源数据、参数和事件数据；
b)定时自动采集：终端根据主站设置的方案自动采集数据；
c)自动补抄：终端对在规定时间内未抄读到数据有自动补抄功能；补抄失败时，生成事件记录，并向主站报告；
数据采集的种类至少包括电参数采集、热力参数采集、燃气参数采集、环境参数采集中的一种或几种。
1)电参数采集
电参数主要采集数据包括：
a)电能表的输出值：包括相电压、线电压、电流、单相有/无功功率，总有/无功功率、单相视在功率、总视在功率、正向有功电能、反向有功电能、正向无功电能、反向无功电能，功率因数、频率等；
b)状态量：断路器位置信号、刀闸位置信号、手车位置信号、阀开关信号、设备故障信号、通信告警信号、事故总信号等。
2)热力参数采集
热力参数主要采集参数包括：
a)热量表的输出值，包括实时流量、累计流量、供回水温度、温差和累计工作时间等；
b)状态量：阀位位置信号、故障信号等。
3)燃气参数采集
燃气参数主要采集参数包括：
a)气表的输出值，包括实时时间、实时流量，累积量、表记地址等。
b)状态量：阀位位置信号、故障信号等。
4)环境参数采集
环境参数采集采用相应的温湿度传感器等，采集环境温度、湿度等。
在数据传输方面
能源路由器终端能够可对处理过的数据及信息按照设定的规约上送到平台或上级系统，支持以下数据转发模式：
1)支持多路同时转发；
2)支持多路不同协议、接口独立转发；
3)支持多址转发；
4)支持双通道冗余；
5)支持本地数据定时、分段发送；
6)支持共享传输模式；
7)支持断点续传功能；
8)支持远程订阅功能；
另外，能源路由器终端具有断点续传功能。数据中断，恢复连接，可继续上传数据，不丢失。
能源路由器终端具有数据存储功能，数据统一保存在数据中心APP，支持数据的本地存储，可存储所有的采集数据、转发数据、日志信息、联动信息、告警信息，保存支持本地XML文件存储和SQL ite数据库存储。
可以保存典型工况控制策略，并可在策略中保存用户设置的相关参数。
可以保存接口配置参数、采集间隔设置参数及存储时间设置参数。
可以保存用户注册信息、协议信息等。
产品能满足不低于90天的数据存储要求，具备存储扩容功能。
能源路由器具有以下特点：
(1)数据处理
能源路由器终端基于LXC多容器技术通过统一的MQTT消息总线技术，提供标准接口供容器内运行的各类业务相关应用程序(App)调用。实现了业务程序和底层硬件、操作系统的解耦合，业务程序可独立于硬件进行部署和迭代开发。支持客户或第三方开发和部署应用。支持C、Java、Python等多种开发语言。
能源路由器终端具有边缘计算功能，支持客户或第三方开发和部署应用，提供标准接口供相关应用程序调用。
数据处理支持逻辑运算与算术运算功能，支持时标和品质的运算处理、通信中断品质处理功能，满足如下要求：
a)支持遥信信号的与、或、非等运算；
b)支持遥测信号的加、减、乘、除等运算；
c)计算模式支持周期和触发两种方式；
d)运算的数据源可重复使用，运算结果可作为其他运算的数据源；
e)合成信号的时标为触发变化的信息点所带的时标。
常用数据处理功能如下：协议处理、本地数据库、数据清洗、数据运算、逻辑判断、自动控制、信号联动、断点续传、故障研判、设备管理、资产管理、极值处理等。
(2)应用层协议
能源路由器终端支持以下协议：政府部门既定通信协议(如EMS等)、电力部门标准通信协议(如60870-5-101、60870-5-103、60870-5-104、MODBUS-RTU、DL/T 645、DL 451等)、物联网通用协议(如MQTT等)，并可根据客户侧实际需求支持定制化协议开发。支持通过NETCONF协议与管控中心通信；
(3)安全功能
能源路由器终端对外通信符合下述要求：
a)满足中华人民共和国国家发展和改革委员会2014年第14号令和GB/T36572—2018对网络安全的要求；
b)具有通信故障报警、记录及恢复功能；
c)具备安全加密功能，包括支持白名单识别认证、支持双向加密传输功能要求、支持网络防火墙。
(4)联动功能
能源路由器终端具有联动功能。可按照配置的联动规则联动相关的设备。支持策略更新，更新方式应包括但不限于：接收上级控制中心下发的更新策略。
能源路由器终端可实现下列联动功能：
1)门禁联动照明、视频；
2)温度联动空调；
3)SF6联动风机；
4)火灾报警联动门禁、警铃、视频；
5)红外联动视频；
6)水侵水位联动水泵；
7)温度联动取暖器；
8)电子围栏入侵联动警铃、照明、视频；
9)开关变位联动视频；
10)设备遥控联动视频。
(5)管理功能
能源路由器终端可通过统一管理平台，实现远程可视化管理，主要管理内容涵盖设备管理、运行、维护、升级等。
能源路由器通过集成硬件安全芯片或软件密码模块，并基于公司统一密码基础设施进行数字证书和密钥管理，所述安全芯片支持国家密码管理部门认可的SM1、SM2、SM3密码算法，强化智慧能源物联代理底层设施的安全性。
能源路由器具备对自身应用、固件、漏洞补丁等重要程序代码，以及配置参数和控制指令等重要操作的数字签名和验证能力。支持远程安全升级与版本安全更新，并具备升级失败回退功能。
能源路由器具备自身安全监测和分析功能，实时设备的安全情况，对于相关风险及时上报物联管理平台。同时利用软件定义安全策略，与物联管理平台进行协同联动，加强智能处置能力，实现相关风险及时有效处置。
能源路由器按照等保要求实现物理安全防护，重点防止物理破坏，同时关闭设备调试接口(USB/JTAG/SWD接口等)以及闲置端口，防范软硬件逆向工程及非法接入。
能源路由器可通过系统加固、漏洞修复、可信计算等技术，并加强统一安全管理和日志分析，保障智慧能源物联代理本体安全。
强化智慧能源物联代理底层设施的安全性。
能源路由器具备对自身应用、固件、漏洞补丁等重要程序代码，以及配置参数和控制指令等重要操作的数字签名和验证能力。支持远程安全升级与版本安全更新，并具备升级失败回退功能。
能源路由器具备自身安全监测和分析功能，实时设备的安全情况，对于相关风险及时上报物联管理平台。同时利用软件定义安全策略，与物联管理平台进行协同联动，加强智能处置能力，实现相关风险及时有效处置。
能源路由器按照等保要求实现物理安全防护，重点防止物理破坏，同时关闭设备调试接口(USB/JTAG/SWD接口等)以及闲置端口，防范软硬件逆向工程及非法接入。
能源路由器可通过系统加固、漏洞修复、可信计算等技术，并加强统一安全管理和日志分析，保障智慧能源物联代理本体安全。
本发明主要解决了现有能源路由器的以下技术难点：
基于Docker容器设计的能源路由器软硬件解耦技术
边缘计算平台需要容器技术在智能网关或边缘云中通过隔离主机资源，实现分布式计算框架的资源调度，实现软硬件解耦和资源共享。通过容器技术进行资源的隔离，不仅对CPU、内存和存储的额外开销非常小，而且使容器的生命周期管理非常快捷，可以实现毫秒级开启和关闭容器。容器运行在操作系统之上，提供应用APP所需统一标准的虚拟环境，完成应用APP与操作系统和硬件平台的解耦，实现不同容器中应用APP的隔离，支持容器管理、容器监控等功能。
本发明的具体数据采集方案如下：
能源路由器的实时数据采集处理系统通过I/O、通信接口、专用仪表或第三方系统收集满足能源管理平台的数据要求，数据采集功能将按照可靠、完整、高效和稳定的要求进行设计，并把数据处理结果保存到实时数据库系统中，为数据展现或其它高级应用提供统一的数据源。
(1)计量数据采集模块
多功能电表、预付费电表、远传水表、智能流量计、智能热量计等计量设备可根据现场情况选择不同本地通信接口，，例如串口485、电力载波、以太网等方式。
(2)实时数据采集模块
能源路由器与后台前置采用MQTT、电力104等规约，后台页面与前置之间通讯通过数据库实现。数据库中建设有当前指令表，系统实现电表充值、退电、设置囤积电量限值、透支电量限值、电流互感器变比、电压互感器变比等功能。这些功能在页面界面中选择设置，并将设置的结果放在数据库指令表中，前置程序定时读取当前指令记录集，根据指令执行指令，根据执行结果生成日志记录。页面界面在线等待执行结果，将结果查询到界面上显示。
能源路由器的数据采集模块实时采集整个集团网络覆盖的用电信息，主要实现的实时采集与控制功能如下：
1)遥测功能
电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电网频率等；
2)遥信功能
拉闸灯闪烁、欠费、保电、预跳过闸、远程拉闸等；
3)遥控功能
分闸、合闸、报警、报警解除、保电、保电解除等；
4)遥脉功能
总有功电度、总无功电度、当前剩余电量、当前透支电量等；
5)遥设功能
充值：将当前剩余电量值增加充值量
退电：将当前剩余电量值减去退电量
囤积电量限值：设置当前剩余电量限值
透支电量限值：设置当前剩余电量最大负值
电流互感器变比、电压互感器变比：设置CT和PT变比值。
(3)数据处理模块
采集到的数据进行分类归档(实时数据、短时数据、统计数据、历史数据、记录等)，采集到的数据或直接显示、或通过统计计算生成新的直观的数据信息再显示，并对重要的信息量进行数据库存储，向系统其他模块(如综合监控模块、企业能源管理分析模块、能源计量模块等)提供数据。
1)数据的验证
为了避免数据中的奇异，系统提供数据验证引擎。此验证引擎参照一组根据用户具体需求设定的参数监控进入系统的数据。对于每一个未通过验证的数据，用户可以选择接受和编辑修改这些值。验证规则可以是原生和自定义的，可应用于不同的通道，从而保证提供最合适的数据，以创建用户所需要的报表。
2)数据的估算
对于未经过验证的数据或者丢失的数据，系统提供对这些数据的估算值，估算使用的是负责的数学算法，比简单的插值准确。系统采用开放式结构，因此这些算法实现起来较容易。估算可以自动执行和手动执行。用户可以通过用户界面启动估算进程。
目前本发明模拟的工程示范发明组网，具体设计见图6；
云边路由器通过I P化HPLC、RS485与各传感器、多功能表等组成通信网络，通过4G、光纤网络上送数据到云平台。
接入的能源数据包括：
用户配电房电力运行监测，包括电力三相相电压、线电压、三相电流、有功负荷、无功负荷、功率因数、频率、四象限电能量，电流互感器采用开口式互感器，电力运行监测精度等级为0.5级，满足能耗系统监测要求；
平台对接入的能源数据进行实时监控、数据统计与分析、能效诊断、能效评价与管理、异常预报警、历史数据/告警数据查询、智能报表、设备管理等。
通过对现场能耗信息长期监测，对能源数据进行统计和分析，挖掘节能空间，提供节能方案与实施并通过平台不断持续监测节能实施效果。
水接自来水公司总表；
气自用气，主要包括溴化锂空调、供暖锅炉、超市用气等。
工程示范智慧能源控制应用展示
(1)能源在线监测
为保障能源日常运维，实现对能源基础设施、生产系统、辅助系统、重点用能设备的能源消耗量(包括水、电、气等)、能源质量(包括电力参数、压力、温度等)，设备运行数据的在线监测，系统对所有能耗数据(如水、电、气等)进行监测和展示。
基于监测点所在的位置统计，用户可以在能源图上快速查看当前设备或监测点的状态。
实时能耗数据查询，根据自定义的查询条件，对实时能耗和费用进行查询与统计，支持实时数据查询和各种图形化展示(饼图、柱状图、曲线图等)。。
对变压器运行参数的实时监测，如谐波和温度等。
(2)能源统计分析
系统实现自动在线抄表，数据统计与分析，通过多种分析与评价手段，实现对医院各种类型能源的日、周、月、年的能源消耗总量的统计与分析，可从时间、管理、能源类型、同比环比、成本等多维度对能源情况进行统计。另外实现不同形式的能源报表的查询及数据导出，获取社区的能源使用量信息，为社区管理提供数据基础。
支持任意时间段、时间点(今、昨天；本、上周；本、上月；今、去年)能源性能数据查询且性能图表(曲线、折线)可以自由导出，支持PNG/JPG/PDF等格式。对企业能源成本中心和监测点的能耗进行查询追踪和展示。
1)监测点能耗统计
根据自定义的查询条件，对各监测点历史能耗进行查询与统计，支持各种图形化展示(饼图、柱状图、曲线图等)。对于电能，支持尖、峰、平、谷时段用能显示。
2)能源成本统计
根据自定义的查询条件，对监测点或区域用能成本进行查询与统计，支持各种图形化展示(饼图、柱状图、曲线图等)。对于电能，支持尖、峰、平、谷时段不同能源费用的统计
3)标煤统计
根据自定义的查询条件，对监测点或区域用能进行标煤的查询与统计，支持各种图形化展示(饼图、柱状图、曲线图等)。
4)以上三种统计分析支持对比分析、时比分析和同环比分析。
对比分析：以监测点或区域为单位，支持多个测点或区域同时进行对比，以柱状图或曲线图展现。
时比分析：监测点或区域为单位，对不同时段的能耗进行对比分析，以柱状图或曲线图展现。
(3)能效分析
1)变压器经济性分析
实时监测各个变压器，通过变压器的视在功率和额定容量计算出变压器的负载率，从而判断分析该变压器经济性状况，为企业变压器节能提供依据。
2)设备负荷分析
通过实时监测设备每天的运行负荷时间和待机时间，计算出设备利用率。
3)尖峰负荷分析
实时监测各个监测点的尖峰负荷情况，可查询日月年等不同时间段的负荷情况，为制定节能策略提供数据基础。
4)线损率分析
通过对变压器进线和出线的监测，计算线损率，分析用电损耗情况。
(4)能源费用管理
1)预付费分析
严格区分对外出租部分的电能计表，通过远程监控实现预交电费功能，达到全额回收经营电费的目标，实现商场对外出租部分的预付费管理，减少人为错误、提高效率、避免纠纷、加快资金周转，从而大大提升商场的经济效益。
商户维护，与仪表关联维护；商户汇总，商户详情，可查看用户的用能状态，对预警、欠费的用户及时通知；商户充值控制，如通知后该用户仍无法正常缴费则远程控制实现断电，直至其正常缴费后正常供电；日志查询，账单汇总、查询。
2)费用账单
为商业用户提供电能结算的表单，用户可从网上下载，核实电费明细。
(5)智能监控
与现有监控系统进行数据交互，获取设备的运行状态信息，实现远程集中监视和控制，适应无人值守的需求。调度员和集控员根据其权限范围对其范围内的设备进行监视和控制。其控制功能的实现具备相应的防误措施和闭锁。
1)照明实时监控
为公共区域照明安装智能控制装置，放置于在继电器中，监测照明开关的状态，实现远程监控，消灭“长明灯”，在设备出现问题时发出故障告警，及时更换过度老化设备。提升照明系统的用能效率，保障公共设备科学运营，减少能源费用的支出。
系统主要功能如下：实时采集照明的用电量，统计分析各楼层照明的能耗信息，实现照明设备能耗和状态的实时监测；照明灯具设备出现问题时发出故障告警，及时发出通知；实现室内外照明控制，可根据时间室内照明按照管理行为控制，室外景观开启时间、照度运行，根据环境变化合理调整控制策略，提升运维管理水平；根据傍晚、夜晚、深夜设置场景，自动控制，并且工作人员可以随时灵活更改。设置照度感应，当出现暴雨天气可自动调整、节假日的场景设置、提升照明舒适度、美观度；根据区域功能和工作日历，分门别类进行诊断分析，给出节能建议。
2)电梯运行监控
与电梯运行监控系统进行数据对接，实现电梯运行状况及故障的实时运行监控，对困人等严重故障进行告警，提供日常的电梯信息及维保工作管理，降低电梯的事故率，在发生事故时及时通知施救，减少损失，从而提升服务品质。
实时展示多个电梯的实时运行状况，获取电梯的运行状态、运行方向、运行速度、当前楼层、轿门开关、是否有人)，电梯是否处于异常故障(门区外停梯、冲顶、蹲底、运行中开门、超度、超载等)、内视频信号、环境信息，实现集中监控；实现卡层报警、困人报警等服务，及时发出通知；实现统计报表，实现故障分类统计和故障电梯统计，为物业有针对性的提供保养和维护。
3)空调智能监控
系统与空调监控系统进行数据交互，对空调进行智能监控，对空调能耗进行分项计量、数据远程传输、数据采集与存储、数据统计与分析、远程监控等功能，实现对空调能耗情况的远程实时监测和空调状态的远程监控。为空调的能源诊断、质量监测、节能效果验证等提供有效手段，以达到在不影响舒适度的前提下，削减空调负荷，降低空调能耗。
包括监测和控制两部分内容：
监测的数据项包括但不限于主机运行状态、运行模式、故障状态、冷冻水出回水温度、冷却水出回水温度、运行电流百分比、冷凝器和蒸发器工作状态、压缩机工作状态等。
系统采用优化的控制策略对空调进行实时管理和控制，能够设置主机的出水温度、主机电流运行参数，能够设置主机启动组合控制，在不影响舒适度的前提下对空调进行柔性调控，满足调控主站对空调主机的有序削峰、虚拟调峰、需求响应的要求。
根据室外温湿度情况，以及冷冻水冷却水回水温差，给出主机和冷却塔的开启个数建议。根据冷冻水冷却水温度，给出空调主机功率、开启关闭状态建议。根据室内温度、湿度、二氧化碳浓度，给出房间新风机、排风机状态建议。
根据房间功能，给出合理建议温度、湿度控制范围，越线及时预警。根据电能峰平谷给出结论意见，如结合空调介质参数，在峰值电价时段前，预热空调一段时间，确保峰值来到时，利用介质热容性能，减少用电。
另外监控中心会详细记录主站发出的所有调控信号、对设备控制动作、设备状态量发生变化、与主站和设备的通信故障、重点监测点位越线记录并生成日志，方便用户查询操作记录。
本发明通过了解国内外的信息屋里融合建模、建筑能耗统计分析、能源路由器的研究现状，基于信息物理融合建模理论，研究利用虚拟空间路径量化表达全范围能源期望交互能力，量化评估多能节点、线路、网络供需能力的方法；分析能源互联网供用能特性及用户自主消费需求，基于能源供给特性，研究虚拟能源路由机制和多能互补耦合机理器；基于客户侧能源路由器，实现客户侧各类用能信息、能源网络运行信息、环境信息等方面的实时感知检测，建成客户侧智慧能源控制应用，服务客户侧多种用能设备的便捷接入、即插即用、智能控制。
本发明的研究成果有助于实现各类用能信息、能源网络运行信息、环境信息等的实时感知检测，实现“源–网–荷–储”的实时联动、协调优化运行；有助于提升电力运维的效率，实现智能化精准运维，提高故障排除效率，缩短故障排除时间；应用多容器和边缘计算技术实现软硬件解耦，硬件平台化，应用软件APP化，提升设备部署效率，降低设备运维难度。
本发明主要完成的研究工作如下：
(1)理论方面：针对能源局域分析能源互联网供用能特性及用户自主消费需求，基于能源供给区域特性，完成虚拟能源路由机制和多能互补耦合机理器的研究。通过建立信息与物理融合模型，研究虚拟路径能源交互能力以及多能节点、线路、网络对能源的供需能力。以物模型为基础，以某一具体的局域能源互联网为对象，对对象功能进行分解，绘制逻辑节点关系图，分配数据类型和数据属性，建立信息物理融合模型。根据功率的供需平衡，以最大传输功率和最小能源损耗为原则，构建虚拟路径能源流计算方法。
(2)设备方面：完成能源路由器的硬件设计与软件开发，研究多通道转发技术、容器技术、边缘计算技术、多路不同协议、接口独立转发技术等关键技术，提出客户侧能源路由器装置设计原理，完成客户侧能源路由器样机研制。
(3)应用方面：基于客户侧能源路由器，以模拟数据工程示范发明，对水、电等能源监测数据进行采集与处理，实现客户侧各类用能信息、能源网络运行信息、环境信息等方面的实时感知检测，建成客户侧智慧能源管理平台，服务客户侧多种用能设备的便捷接入、即插即用、智能控制。
本发明各项成果的获得，将确立公司在能源路由器研发技术领域的领先地位，为公司培养智慧能源控制应用专业技术人才，全面扩大公司在国内外能源路由器领域的技术影响力，为公司在人才培养和知识产权方面提供强有力的支撑，进一步推动公司泛在电力物联网的建设进程。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，其特征在于：
它分为硬件系统和运行系统；
所述硬件系统包括主控芯片、安全芯片、定位模块、主控模块、存储模块、电源模块以及通信模块；所述通信模块分为本地通信接口以及远程通信接口；
所述通信模块支持支持Modbus、DL/T 645、DL/T 634、Q/GDW 1376.1、Q/GDW1376.4、MQTT通信规约中的一种或多种混合；
所述远程通信接口为以太网接口、4G接口中的一种或多种混合；
所述本地通信接口为RS485接口、HPLC接口、CAN接口、WIFI接口、以太网接口、USB接口、遥控接口、遥信接口中的一种或多种混合；
所述本地通信接口以及远程通信接口均与主控芯片连接，安全芯片、定位模块、主控模块以及存储模块也分别与主控芯片连接；
所述远程通信接口以及本地通信接口与各类终端连接实现数据采集；
所述存储模块内设有操作系统；
所述运行系统包括运行于操作系统且基于边缘计算框架的若干容器，所述容器独立同时运行，且容器之间存在数据通信，不同容器之间运行独立业务的应用，且容器对各类终端中业务领域匹配的终端实现数据采集和就地控制。
2.根据权利要求1所述的一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，其特征在于：所述容器分为四类，用于部署相应的应用；
容器一类：负责通信采集控制业务；内部集成Modbus-APP、IEC104-APP、DL/T645-APP采集、转发规约；
容器二类：负责数据存储以及与云平台的数据交互业务；内部集成数据中心app、与云平台之间的MQTT数据交互；
容器三类：负责对上基础应用业务以及提供给第三方厂家开发的APP使用；
容器四类：负责对下高级应用业务的APP使用；
各容器间共用一条数据总线实现数据通信，数据总线模式是基于MQTT的消息总线。
3.根据权利要求1所述的一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，其特征在于：
所述通信模块包括有
内存库libShareMem.so，远动通信系统运行的内存库，内存库在首次装载时创建内存库，在最后一个调用的模块退出后释放内存库；各模块通过内存库的SO接口来访问、读写内存库；
物理设备基类libDevice.so，实现了对物理设备打开、关闭、读写数据功能，并将读取的数据放到公共缓冲区；在移植过程中，可能需要对物理设备加载与识别的接口作相应的处理。
电力规约通信基类libDLPcl.so，电力规约通信基类主要提供实现规约的一些标准接口函数原型、物理设备的操作接口、电力数据信息映射管理接口；
主程序DMP6800Main，主要包括通信系统的规约运行管理、扩展模块调用、看门狗的实现；
图形接口客户端GDI_C，以及界面显示服务端接口GDI_S，实现与配置界面的通讯，将实时数据传送到图形接口客户端GDI_C，供用户查看实时遥测、遥信、通讯原码、通讯报文。
4.根据权利要求3所述的一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，其特征在于：
其中，电力规约通信基类libDLPcl.so包括：
规约处理基类模块TDLProtocolBase，该模块为规约通信基类，基类中提供了实现规约所需要的所有接口函数，包括操纵设备的接口TDLDevice的继承类、访问内存库、信息表、转发表的TDLInfoMap以及实现规约的一些标准接口函数原型；
电力数据信息映射管理模块T DLInfoMap：管理具体规约的四遥信息表与系统实时数据内存的映射关系，实现间接访问共享内存库，包括采集规约采集的电力数据存入内存库、转发规约从内存库中读取电力数据转发；以及
规约处理模板TDLProtocol：该模板为继承TDLProtocolBase基类的一个规约处理模板类。
5.根据权利要求1所述的一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，其特征在于：所述数据采集的方式包括
a)实时采集：终端直接采集指定采集设备的相应数据项，或采集相应设备存储的各类能源数据、参数和事件数据；
b)定时自动采集：终端根据主站设置的方案自动采集数据；
c)自动补抄：终端对在规定时间内未抄读到数据有自动补抄功能；补抄失败时，生成事件记录，并向主站报告；
数据采集的种类至少包括电参数采集、热力参数采集、燃气参数采集、环境参数采集中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，其特征在于：所述存储模块用于所有的采集数据、转发数据、日志信息、联动信息、告警信息，保存支持本地XML文件存储和SQLite数据库存储。
7.根据权利要求1所述的一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统，其特征在于：所述安全芯片支持国家密码管理部门认可的SM1、SM2、SM3密码算法。
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| CN202211501505.7A CN116723148A (zh) | 2022-11-28 | 2022-11-28 | 一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202211501505.7A CN116723148A (zh) | 2022-11-28 | 2022-11-28 | 一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统 |
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| CN202211501505.7A Pending CN116723148A (zh) | 2022-11-28 | 2022-11-28 | 一种实现信息流和能量流融合的能源路由器系统 |
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2022
- 2022-11-28 CN CN202211501505.7A patent/CN116723148A/zh active Pending
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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