CN106505737A - 一种基于自组网无线通信的智能配电终端 - Google Patents

一种基于自组网无线通信的智能配电终端 Download PDF

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朱义勇
苏毅方
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梁晨
梁一晨
郑贤舜
余成彪
刘强
马振宇
章毅
黄红兵
王彦波
汤耀景
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Abstract

本发明公开了一种基于自组网无线通信的智能配电终端，用于与外部无线路由器通信连接，外部无线路由器通过光纤以太网与配电主站***耦接，包括：无线通信模块；信号采集模块；数据处理模块，安全接入模块，安全接入模块包括证书模块和签名模块，所述签名模块耦接于数据处理模块和无线通信模块，外部无线路由器内存储有主站私钥。本发明的基于自组网无线通信的智能配电终端，通过信号采集模块、数据处理模块和无线通信模块的设置，就可以有效的采集电网的信号传输到配电主站***内了，而通过安全接入模块的设置，就可以有效的对无线传输的信号进行有效的加密作用，有效的提升了应用层的报文的安全性。

Description

一种基于自组网无线通信的智能配电终端
技术领域
本发明涉及电力***及其自动化领域，更具体的说是涉及一种基于自组网无线通信的智能配电终端。
背景技术
配电自动化终端，是建设配电网自动化的一个重要组成部分，它充分利用配电自动化新技术，能够确保配电网的安全、稳定、可靠运行，意义重大，配电网直接面向用户，担负着电能分配的重要任务。配电网分布广泛、构成复杂、影响面广，其供电能力、供电可靠性和供电质量对经济社会影响巨大，是智能电网的重要环节。
配电通信网是配电自动化***的重要组成部分，配电网网运行状态的监视、控制和故障处理都依赖通信网来实现，采用以太网无源光网络技术无疑是一个比较好的选择，但是由于城市建设和电力线路规划的原因，存在光缆施工困难、布设成本高等因素，因此考虑采用无线通信方案来实现配电自动化数据采集，目前主流方案是使用无线公网通信，配电网数据利用GPRS/CDMA、3G/4G进行数据传输，但由于公用通信网公众应用的特点，公网为用户共享，业务带宽和安全性无保证，因此，数据传输应用适用于少量的或突发性的数据传输。初期投资小，见效快，但因其租用的性质，与专网通信相比存在安全性、可控性、长期经济性等问题，不适合电力自动化的大规模专网需求。
另一方面随着通讯条件的复杂性增加，通讯安全尤其是配电应用中遥控的安全问题也愈发突出。配电自动化终端处于室外环境，终端设备安全极为重要，因此，对通信接入安全控制与配电通讯中的应用层报文加密有很强的必要性和紧迫性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于自组网无线通信的智能配电终端设计方案，利用自组网无线通信技术和多跳网络结构，实现配电终端输出信号的加密更好更加安全。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于自组网无线通信的智能配电终端，用于与外部无线路由器通信连接，外部无线路由器通过光纤以太网与配电主站***耦接，包括：
无线通信模块，用于与外部无线路由器无线通信，以将数据进行上报和接收；
信号采集模块，与外部电网连接，用于采集外部电网信号；
数据处理模块，耦接于信号采集模块和无线通信模块，以将信号采集模块采集到的信号进行处理后，输入到无线通信模块，通过无线通信模块将处理好的信号传输至外部无线路由器；
安全接入模块，耦接于数据处理模块，用以将数据处理模块输出的信号进行加密后输入到无线通信模块内；其中，安全接入模块包括证书模块和签名模块，所述证书模块与无线通信模块耦接，用以给无线通信模块附加数字证书，并将数字证书进行存储，所述签名模块内存储有主站公钥，所述签名模块耦接于数据处理模块和无线通信模块，以将数据处理模块输出的信号通过主站公钥信号加密后输入到无线通信模块，外部无线路由器内存储有主站私钥，当无线通信模块将信号传输到外部无线路由器时，外部无线路由器内的主站私钥对信号进行解密，其中，信号经主站公钥加密后只能使用主站私钥对信号进行解密。
作为本发明的进一步改进，所述无线通信模块为RF收发器，外部无线路由器采用RF无线路由器，所述RF收发器的型号为CC1200。
作为本发明的进一步改进，所述信号采集模块为二次信号采集器，其与外部电网耦接，用于采集二次电压、电流、频率、有功、无功和功率因数、开关量信号。
作为本发明的进一步改进，所述数据处理模块包括相互连接的ARM处理器和DSP处理器，所述ARM处理器与无线通信模块和安全接入模块连接，所述DSP处理器与信号采集模块连接，其中，信号采集模块采集信号输入到DSP处理器，DSP处理器预处理后将信号输入到ARM处理器，ARM处理器与安全接入模块通信，利用主站公钥对信号加密后输入到无线通信模块内。
作为本发明的进一步改进，所述ARM处理器的型号为AM3352，所述DSP处理器的信号为BF533，所述ARM处理器和DSP处理器均具有UART引脚，所述ARM处理器和DSP处理器通过UART引脚相互连接。
作为本发明的进一步改进，所述ARM处理器还具有GPIO引脚和RMII引脚，所述GPIO引脚耦接有LED显示屏，所述RMII引脚耦接于外部以太网，所述ARM处理器还具有SPI引脚，所述无线通信模块与SPI引脚耦接。
作为本发明的进一步改进，使用上述终端进行通信的方法如下：
步骤一，使用信号采集模块采集外部电网的二次电压、电流、频率、有功、无功、功率因数、开关量信号，并将上述采集到的信号打包成数据包输出；
步骤二，将数据包输入到数据处理模块内，数据处理模块与安全接入模块通信，调用安全接入模块内部的数字证书和主站公钥，通过主站公钥将输入到数据处理模块内的数据进行加密，并将加密后的信号输出；
步骤三，将加密后的信号输入到无线通信模块内，无线通信模块根据无线通信协议将加密后的信号转换成无线信号发送出去；
步骤四，用无线路由器接收无线通信模块发送出来的无线信号，利用其内的主站私钥对无线信号内加密的数据包进行解密，解密之后传输到配电主站***内。
作为本发明的进一步改进，所述步骤一中信号采集模块采集信号的步骤如下：
1、将二次信号采集器与电网二次设备的信号输出端连接；
2、利用二次信号采集器内的电压检测模块检测二次设备的输出电压数据和频率数据，利用二次信号采集器内的电流检测部分检测二次设备的电流数据，将采集到的电压和电流通过功率公式计算出有功功率数据和无功功率数据，利用计算得出的有功功率数据和无功功率数据计算功率因素；
3、将步骤2中获得电压数据、频率数据、电流数据、有功功率数据、无功功率数据和功率因素数据整合成一个数据包输入到数据处理模块内，完成数据的采集。
作为本发明的进一步改进，还包括开关量采集与输出步骤，该步骤是将二次信号采集器与电网的断路器内的控制板连接，接收断路器输出的合闸和分闸信号，完成开关量信号的采集，以及数据处理模块输出开关量信号到二次信号采集器内，二次信号采集器传输到电网的断路器内，完成开关量信号的输出。
本发明的有益效果，通过信号采集模块的设置，就可以有效的将电网二次设备的信号数据有效的采集过来，然后通过数据处理模块的设置就可以有效的对信号采集模块采集过来的信号数据进行有效的处理了，而通过无线通信模块的设置，就可以有效的将数据处理模块处理好的数据通过无线通信的方式传输到无线路由器上了，而由于现有的无线网为公用网，因而通过安全接入模块的设置，就可以有效的对数据处理模块传输到无线通信模块内的信号进行加密作用，而将安全接入模块设置成证书模块和签名模块，就可以有效的实现利用主站公钥对信号进行加密了，而通过主站公钥加密和主站私钥解密的方式，这样就可以实现终端发出的信息只能够让配电主站***查看，终端本身以及其他外部通信设备就不能够看到的效果，大大的提升了报文的安全性，同时通过证书模块的设置，就可以有效的对无线通信模块进行身份认证，这样就可以有效的知道信号数据是通过哪个无线通信模块发送过来的，如此便可以有效的知道数据的来源情况了，在数据出现问题的时候，可以准确有效的进行核对了，因而本发明将自组网无线通信技术运用于智能配电终端设计，给配电自动化***提出一种可靠且便利的无线通讯解决方案，依托无线网络核心解决方案，提高无线网络的健壮性和通讯可靠性、利于***维护和扩展性，从而使得配电网业务更可靠灵活、更智能；2、采用证书的方式对无线设备进行认证身份以实现设备接入控制，采用数字签名技术对配电通信协议进行应用层数据加密处理，增强配网通讯的安全性，防止数据篡改；3、自组网无线技术应用到电力行业的智能配电终端***中是无线技术的又一创新应用，同时也使配电终端朝着智能化、现代化、高效化的方向发展。解决制约配电自动化***发展的瓶颈，利于配电自动化大面积推广。
附图说明
图1是本发明配电终端自组网通信网络框架示意图；
图2是本发明的硬件框架示意图；
图3是本发明安全接入模块数字签名部署示意图。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1至3所示，本实施例的一种基于自组网无线通信的智能配电终端，用于与外部无线路由器通信连接，外部无线路由器通过光纤以太网与配电主站***耦接，包括：
无线通信模块1，用于与外部无线路由器无线通信，以将数据进行上报和接收；
信号采集模块2，与外部电网连接，用于采集外部电网信号；
数据处理模块3，耦接于信号采集模块2和无线通信模块1，以将信号采集模块2采集到的信号进行处理后，输入到无线通信模块1，通过无线通信模块1将处理好的信号传输至外部无线路由器；
安全接入模块4，耦接于数据处理模块3，用以将数据处理模块3输出的信号进行加密后输入到无线通信模块1内；其中，安全接入模块4包括证书模块41和签名模块42，所述证书模块41与无线通信模块1耦接，用以给无线通信模块1附加数字证书，并将数字证书进行存储，所述签名模块42内存储有主站公钥，所述签名模块42耦接于数据处理模块3和无线通信模块1，以将数据处理模块3输出的信号通过主站公钥信号加密后输入到无线通信模块1，外部无线路由器内存储有主站私钥，当无线通信模块1将信号传输到外部无线路由器时，外部无线路由器内的主站私钥对信号进行解密，其中，信号经主站公钥加密后只能使用主站私钥对信号进行解密，在需要将信号传输到配电主站***的时候，首先信号采集模块2采集电网的二次信号，采集二次信号中的二次电压、电流、频率、有功、无功和功率因数、开关量信号采集与输出，之后将采集到的信号输入到数据处理模块3内，数据处理模块3就会对采集到的信号进行处理，在处理的过程中，数据处理模块3就会利用安全接入模块4内的证书模块41查看发过来的无线通信模块1的证书信息，之后在通过签名模块42内的主站公钥，通过公钥加密算法对数据进行加密，在加密完成以后传输到无线通信模块1内，无线通信模块1就会将经过加密的数据进行无线调制，利用无线信号发送到无线路由器内，无线路由器就会将无线信号接收并解调，得到加密的数据，然后利用主站私钥算法对数据进行解密，解密完成以后就可以有效的获得信号了，如此完成了终端信号的传输，由于之前传输的过程中，是通过公钥算法进行加密了，因而只能够通过无线路由器内的主站私钥才能够解密，如此保证了信号只能够被无线路由器识别接收，相比现有技术中采用普通的无线通信的方式，安全性、可控性、长期经济性更强，更加的适用于配电自动化***。
作为改进的一种具体实施方式，所述无线通信模块1为RF收发器，外部无线路由器采用RF无线路由器，所述RF收发器的型号为CC1200，通过将无线通信模块1使用RF收发器，就可以有效的利用RF协议进行无线通信了，而型号为CC1200的RF收发器，为智能收发器，其内具有一定的数据处理能力，用在这里可以能够有效的实现通过RF协议进行无线通信的效果了。
作为改进的一种具体实施方式，所述信号采集模块2为二次信号采集器，其与外部电网耦接，用于采集二次电压、电流、频率、有功、无功和功率因数、开关量信号，本实施例中的信号采集器可以选用型号为MT-EXX系列，利用上述的信号采集器就可以有效的采集二次电压、电流、频率、有功、无功、功率因数、开关量信号，而上述信号基本代表了电网中二次设备运行过程中所有参数，因而通过采集上述信号，并对上述信号进行处理，便可以快速有效的实现检测电网运行状态的效果。
作为改进的一种具体实施方式，所述数据处理模块3包括相互连接的ARM处理器31和DSP处理器32，所述ARM处理器31与无线通信模块1和安全接入模块4连接，所述DSP处理器32与信号采集模块2连接，其中，信号采集模块2采集信号输入到DSP处理器32，DSP处理器32预处理后将信号输入到ARM处理器31，ARM处理器31与安全接入模块4通信，利用主站公钥对信号加密后输入到无线通信模块1内，采用将数据处理模块3分成ARM处理器31和DSP处理器32，在对信号采集模块2采集数据过来以后，通过DSP处理器32设置就可以先对采集过来的数据进行一个预处理的作用，在预处理完成以后再进入到ARM处理器31内，通过ARM处理器31将预处理完成的数据暂时存储，然后与安全接入模块4通信，调用出安全接入模块4内的证书数据和主站公钥，然后利用证书数据和主站公钥算法对经过DSP处理器32预处理后的数据进行加密，如此便可以有效的完成了数据的处理，由于此时采用了DSP处理器32现将数据进行了数字化处理，可以有效的去除传输过程中产生的干扰信号，使得ARM处理器31能够更好的给处理后的数据进行加密作用了，相比采用单个处理器同时处理数字化和加密的方式，效率更高。
作为改进的一种具体实施方式，所述ARM处理器31的型号为AM3352，所述DSP处理器32的信号为BF533，所述ARM处理器31和DSP处理器32均具有UART引脚，所述ARM处理器31和DSP处理器32通过UART引脚相互连接，UART引脚具有信号传输速度快的特点，用在这里可以有效的提升DSP处理器32和ARM处理器31之间的信号传输速度，使得两个处理器之间的工作配合度更高，效率更高。
作为改进的一种具体实施方式，所述ARM处理器31还具有GPIO引脚和RMII引脚，所述GPIO引脚耦接有LED显示屏，所述RMII引脚耦接于外部以太网，所述ARM处理器还具有SPI引脚，所述无线通信模块1与SPI引脚耦接，GPIO引脚是输入输出引脚，用在这里就可以实现ARM处理器31向LED显示屏输出信号，控制LED显示屏显示信息了，SPI引脚串行通信引脚，用在这里可以有效的与无线通信模块1实现串行通信，使得加密后的数据能够更快更加有效的传输给无线通信模块1了。
作为改进的一种具体实施方式，使用上述终端进行通信的方法如下：
步骤一，使用信号采集模块2采集外部电网的二次电压、电流、频率、有功、无功和功率因数、开关量信号，并将上述采集到的信号打包成数据包输出；
步骤二，将数据包输入到数据处理模块3内，数据处理模块3与安全接入模块4通信，调用安全接入模块4内部的数字证书和主站公钥，通过主站公钥将输入到数据处理模块3内的数据进行加密，并将加密后的信号输出；
步骤三，将加密后的信号输入到无线通信模块1内，无线通信模块1根据无线通信协议将加密后的信号转换成无线信号发送出去；
步骤四，用无线路由器接收无线通信模块1发送出来的无线信号，利用其内的主站私钥对无线信号内加密的数据包进行解密，解密之后传输到配电主站***内，通过步骤一的设置就可以有效的完成对信号的采集，通过步骤二的设置就可以有效的完成对采集到的信号进行数字化处理和加密处理，通过步骤三的设置就可以将加密后的文件通过无线的方式传输出去，通过步骤四的设置，就可以有效的利用主站私钥对加密的文件进行解密，而其他方式均不能够对加密的文件进行解密，因而大大的提升了安全性，保证了文件只能够让配电主站***接收的效果。
作为改进的一种具体实施方式，所述步骤一中信号采集模块2采集信号的步骤如下：
1、将二次信号采集器与电网二次设备的信号输出端连接；
2、利用二次信号采集器内的电压检测模块检测二次设备的输出电压数据和频率数据，利用二次信号采集器内的电流检测部分检测二次设备的电流数据，将采集到的电压和电流通过功率公式计算出有功功率数据和无功功率数据，利用计算得出的有功功率数据和无功功率数据计算功率因素；
3、将步骤2中获得电压数据、频率数据、电流数据、有功功率数据、无功功率数据和功率因素数据整合成一个数据包输入到数据处理模块3内，完成数据的采集，通过步骤1的设置就可以有效的将信号采集模块2与外部电网二次设备连接起来，通过步骤2的设置就可以简单有效的获得二次设备的信号，通过步骤3的设置，就可以将获得的二次设备的信号进行整合成一个数据包，然后采用数据包的形式发送出去，如此便可以有效的完成了数据的采集。
作为改进的一种具体实施方式，还包括开关量采集与输出步骤，该步骤是将二次信号采集器与电网的断路器内的控制板连接，接收断路器输出的合闸和分闸信号，完成开关量信号的采集，以及数据处理模块3输出开关量信号到二次信号采集器内，二次信号采集器传输到电网的断路器内，完成开关量信号的输出，开关量信号，即是电网内部断路器的控制发出的分闸信号和合闸信号，因而通过将二次信号采集器与电网的断路器的控制板相连，就能够很好的实现采集开关量信号的效果了。
综上所述，本发明的基于自组网无线通信的智能配电终端，利用信号采集模块1的设置就可以有效的采集到电网二次设备的信号，通过数据处理模块3的设置，就可以有效的实现对信号采集模块2采集到的信号进行数字化处理和加密的效果了，如此实现了采用了公钥对信号进行加密，安全性、可控性、长期经济性更强，更加的适用于配电自动化***，因此本发明的基于自组网无线通信的智能配电终端，将自组网无线通信运用于配电通信网络，利用无线通信技术和多跳网络结构，实现配电终端自动组网、网络故障自愈、即装即用的功能，为配电自动化通信网络安装、管理、维护提供一种有效解决方案；同时无线自组网技术应用到电力行业的智能配电终端***中是无线自组网技术的又一创新应用，同时也使配电终端朝着智能化、现代化、高效化的方向发展。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于自组网无线通信的智能配电终端，用于与外部无线路由器通信连接，外部无线路由器通过光纤以太网与配电主站***耦接，其特征在于：包括：
无线通信模块（1），用于与外部无线路由器无线通信，以将数据进行上报和接收；
信号采集模块（2），与外部电网连接，用于采集外部电网信号；
数据处理模块（3），耦接于信号采集模块（2）和无线通信模块（1），以将信号采集模块（2）采集到的信号进行处理后，输入到无线通信模块（1），通过无线通信模块（1）将处理好的信号传输至外部无线路由器；
安全接入模块（4），耦接于数据处理模块（3），用以将数据处理模块（3）输出的信号进行加密后输入到无线通信模块（1）内；其中，安全接入模块（4）包括证书模块（41）和签名模块（42），所述证书模块（41）与无线通信模块（1）耦接，用以给无线通信模块（1）附加数字证书，并将数字证书进行存储，所述签名模块（42）内存储有主站公钥，所述签名模块（42）耦接于数据处理模块（3）和无线通信模块（1），以将数据处理模块（3）输出的信号通过主站公钥信号加密后输入到无线通信模块（1），外部无线路由器内存储有主站私钥，当无线通信模块（1）将信号传输到外部无线路由器时，外部无线路由器内的主站私钥对信号进行解密，其中，信号经主站公钥加密后只能使用主站私钥对信号进行解密。
2.根据权利要求1所述的基于自组网无线通信的智能配电终端，其特征在于：所述无线通信模块（1）为RF收发器，外部无线路由器采用RF无线路由器，所述RF收发器的型号为CC1200。
3.根据权利要求1或2所述的基于自组网无线通信的智能配电终端，其特征在于：所述信号采集模块（2）为二次信号采集器，其与外部电网耦接，用于采集二次电压、电流、频率、有功、无功、功率因数、开关量信号。
4.根据权利要求1或2所述的基于自组网无线通信的智能配电终端，其特征在于：所述数据处理模块（3）包括相互连接的ARM处理器（31）和DSP处理器（32），所述ARM处理器（31）与无线通信模块（1）和安全接入模块（4）连接，所述DSP处理器（32）与信号采集模块（2）连接，其中，信号采集模块（2）采集信号输入到DSP处理器（32），DSP处理器（32）预处理后将信号输入到ARM处理器（31），ARM处理器（31）与安全接入模块（4）通信，利用主站公钥对信号加密后输入到无线通信模块（1）内。
5.根据权利要求4所述的基于自组网无线通信的智能配电终端，其特征在于：所述ARM处理器（31）的型号为AM3352，所述DSP处理器（32）的信号为BF533，所述ARM处理器（31）和DSP处理器（32）均具有UART引脚，所述ARM处理器（31）和DSP处理器（32）通过UART引脚相互连接。
6.根据权利要求4所述的基于自组网无线通信的智能配电终端，其特征在于：所述ARM处理器（31）还具有GPIO引脚和RMII引脚，所述GPIO引脚耦接有LED显示屏，所述RMII引脚耦接于外部以太网，所述ARM处理器还具有SPI引脚，所述无线通信模块（1）与SPI引脚耦接。
7.根据权利要求3所述的基于自组网无线通信的智能配电终端，其特征在于：使用上述终端进行通信的方法如下：
步骤一，使用信号采集模块（2）采集外部电网的二次电压、电流、频率、有功、无功和功率因数、开关量信号，并将上述采集到的信号打包成数据包输出；
步骤二，将数据包输入到数据处理模块（3）内，数据处理模块（3）与安全接入模块（4）通信，调用安全接入模块（4）内部的数字证书和主站公钥，通过主站公钥将输入到数据处理模块（3）内的数据进行加密，并将加密后的信号输出；
步骤三，将加密后的信号输入到无线通信模块（1）内，无线通信模块（1）根据无线通信协议将加密后的信号转换成无线信号发送出去；
步骤四，用无线路由器接收无线通信模块（1）发送出来的无线信号，利用其内的主站私钥对无线信号内加密的数据包进行解密，解密之后传输到配电主站***内。
8.根据权利要求7所述的基于自组网无线通信的智能配电终端，其特征在于：所述步骤一中信号采集模块（2）采集信号的步骤如下：
1、将二次信号采集器与电网二次设备的信号输出端连接；
2、利用二次信号采集器内的电压检测模块检测二次设备的输出电压数据和频率数据，利用二次信号采集器内的电流检测部分检测二次设备的电流数据，将采集到的电压和电流通过功率公式计算出有功功率数据和无功功率数据，利用计算得出的有功功率数据和无功功率数据计算功率因素；
3、将步骤2中获得电压数据、频率数据、电流数据、有功功率数据、无功功率数据和功率因素数据整合成一个数据包输入到数据处理模块（3）内，完成数据的采集。
9.根据权利要求8所述的基于自组网无线通信的智能配电终端，其特征在于：还包括开关量采集与输出步骤，该步骤是将二次信号采集器与电网的断路器内的控制板连接，接收断路器输出的合闸和分闸信号，完成开关量信号的采集，以及数据处理模块（3）输出开关量信号到二次信号采集器内，二次信号采集器传输到电网的断路器内，完成开关量信号的输出。
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