基于混合协议的智能配电网无线通信系统

1.基于混合协议的智能配电网无线通信系统，包括由智能配电网控制中心控制的终端节点、配电网网关以及与变电站连接的有线网络，其特征在于，所述终端节点是配电所的远方终端单元FTU，所述变电站有线网络通过有线网络或无线网络与所述配电站网关连接通信，所述配电网网关通过无线通信与所述终端节点连接通信。
2.如权利要求1所述的基于混合协议的智能配电网无线通信系统，其特征在于：所述与变电站连接的有线网络是光纤骨干网和由以太网实现的接入网。
3.如权利要求1所述的基于混合协议的智能配电网无线通信系统，其特征在于：所述配电网网关通过zigbee协议与终端节点连接通信。
4.如权利要求1所述的基于混合协议的智能配电网无线通信系统，其特征在于：所述配电网网关通过802.11协议与终端节点连接通信。
5.如权利要求1所述的基于混合协议的智能配电网无线通信系统，其特征在于：所述变电站有线网络通过TD-TLE无线网络与所述配电站网关连接通信。
6.如权利要求1所述的基于混合协议的智能配电网无线通信系统，其特征在于：所述配电网网关与所述终端节点无线连接并进行控制和管理。

基于混合协议的智能配电网无线通信系统\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于混合协议的智能配电网无线通信系统。\n背景技术\n[0002] 目前，无线通信技术主要采用如下方式：\n[0003] 1）采用基于移动运营商的公网进行传输，如GPRS /CDMA/3G等无线通信方式。GPRS /CDMA/3G 无线公网通信方式具备部署成本低、产业链成熟等特征，但由于依赖公网运营商，数据传输带宽不足、稳定性欠缺、其安全性、可靠性、实时性不能保证，当接入用户数目增加时，通信速率受影响严重。因此不能满足配电网数据传输过程中高可靠性与低传输时延需求。\n[0004] 2）采用802.15 无线传感网，802.11 无线局域网等技术，特点是协议简单成熟，组网灵活，容易配置和管理，且工作在ISM 频段，无需专用的频段支持。缺点是功率和传输距离受限定，很难满足配电网终端的中远距离传输要求。\n[0005] 3）采用无线专网通信技术，作为配电通信网终端接入网建设的一种重要手段，符合地理位置复杂、通信点多、单点信息量较小但总信息量大的需求，对于电能量抄表、负荷控制、配电自动化等这些业务能充分发挥无线专网部署快速、扩充方便、不受地面环境限制等优点。目前已有的制包括230M配网专用数传电台技术，优势是除了每年频点费以外，平时运行无需额外费用，缺点是受地形、气候等外部条件的影响较大，造成系统的可靠性、实时性较差，且数据传输速率低，功能落后，系统功能扩展性不强。\n[0006] 光纤通信以光波作为信息载体,以光导纤维作为传输介质的通信手段.由于光纤和光电器件的自身故障率低,受电磁干扰小,因此光纤通信的可靠性高，传输速率高，传输损耗小。EPON 技术是一种新兴的宽带接入技术，在物理层采用了PON 技术，在链路层使用以太网协议，利用PON 的拓扑结构实现以太网接入。具有带宽高，易组网，方便接入，可靠性高，实时性高，安全性高，受环境干扰小的特点，但由于配网改造工程多，网络架构频繁变动等特点建设成本较高，光缆铺设难度大、费用太高；由于配网地域范围很广,子站及远方终端数量众多,使用光纤通信方式的经济投入过大。\n[0007] 电力线载波通信技术是综合运用多种调制解调技术，信道编码技术，网络通信技术，模拟前端技术以及耦合结合技术，实现以中压配电线路作为传输介质的通信。由于传输媒介是配电线路，所以不必额外建设通信通道，载波通道可以沿着配电线路从变电站到达配电站。建设成本较低，施工方便，无需布线，专网运行，安全性高，但是带宽低，可靠性，实时性一般，组网灵活性差。中压载波方式不够稳定，组网受一次网架构影响较大；\n[0008] 现有配电网通信技术存在的不足：\n[0009] （1）光纤EPON(Ethernet Passive Optical Network，以太网无源光网络) 技术，由于配网改造工程多，网络架构频繁变动等特点建设成本较高，光缆铺设难度大、费用太高；由于配网地域范围很广,子站及远方终端数量众多,使用光纤通信方式的经济投入过大。\n[0010] （2）电力线载波通信方式，带宽低，可靠性，实时性一般，组网灵活性差。中压载波方式不够稳定，组网受一次网架构影响较大；\n[0011] （3）无线通信技术\n[0012] 1）采用基于移动运营商的公网进行传输，依赖公网运营商，数据传输带宽不足、稳定性欠缺、其安全性、可靠性、实时性不能保证，当接入用户数目增加时，通信速率受影响严重。因此不能满足配电网数据传输过程中高可靠性与低传输时延需求。\n[0013] 2）采用802.15 无线传感网，802.11 无线局域网等技术，功率和传输距离受限定，很难满足配电网终端的中远距离传输要求。\n[0014] 3）采用无线专网通信技术，受地形、气候等外部条件的影响较大，造成系统的可靠性、实时性较差，且数据传输速率低，功能落后，系统功能扩展性不强。\n[0015] 在进行配电网接入层通信技术选择过程中，需要最大限度选取适应配电网智能化改造、满足已有或未来可能出现的应用需求，部署和维护成本低、产业链成熟等特征的通信技术体制。\n[0016] 目前TD-LTE标准做为中国在下一代移动通信技术，是我国3G自主技术，TD-SCDMA 的后续演进标准，带宽大，支持20Mbit/s以上的数据传输，技术成熟，体制先进，网络结构扁平、业务部署开展灵活，且采用128 bit AES加密来提高安全可靠性，可以满足配电网数据安全传输的需要，获得通信产业界的一致推崇，在世界范围内已经进入真正的商用阶段，国内的公网商业应用也已经开始。\n[0017] 此外，TD-LTE通过支持自管理、自配置和自优化技术，可以有效增加系统扩展性，提高系统功能，减小配网管理成本、降低网络运营复杂度。主要包括以下几个方面：\n[0018] （1）可以实现整个通信系统的自配置、自优化、自适应和自修复功能，可降低管理成本，容易维护，实现配电网数据传输管理的需要。\n[0019] （2）通过上下行链路的多业务Qos的自适应分组调度算法，对网络中不同流量的分类和管理，为配电自动化、计量自动化业务提供不同的延时、丢包率保证，完全匹配配电自动化、计量自动化、视频监控等多业务承载需求。\n[0020] 因此，在进行配电网接入层通信技术选择过程中，应选择需要最大限度选取适应配电网智能化改造、满足已有或未来可能出现的应用需求。在配网自动化中采用TD-LTE、\n802.15 和802.11 等协议的混合制式无线通信网络，一方面在局部多个配电终端节点通过\n802.15 和802.11 等无线协议采集、汇聚智能配电网节点的数据，无需专用的频段支持，组网灵活，易配置和管理。另一方面，数据汇聚、融合后，通过TD-LTE网关与已有移动运营商的TD-LTE网络相连接，实现中远距离数据宽带传输，且能有效利用TD-LTE技术的技术特性，实现配电网业务数据的QoS 管理和分级功能。\n[0021] 此外在国外应用于配网自动化较多的比较成熟的专用无线窄带数据通信系统还有ReFLEX、PLANET 、Mobitex和NexNet等几种技术成熟、使用广泛的专用移动数据通信系统。但这些无线专网制式应用维护和配置不够灵活和方便，整个专网需要专门的维护队伍，成本开支不菲。另一方面需要专用无线频段的支持，需要向无委会申请专门的频段，当前频段资源紧张，国家很难批准额外的专用频段。\n实用新型内容\n[0022] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于混合协议的智能配电网无线通信系统，该基于混合协议的智能配电网无线通信系统可实现配网自动化，通过设备之间数据通信格式的转换，对上行的数据格式进行统一，同时对下达到感知延伸网络( 变电站、配电所等) 的采集或控制命令进行映射，产生符合具体设备通信协议的消息。通过突破自管理、自配置和数据融合等关键技术难点，采用先进的通信技术手段，可以构建高带宽、易部署、具有自优化、自愈合能力的新一代智能配电网系统。\n[0023] 为解决上述技术问题，本实用新型提供了基于混合协议的智能配电网无线通信系统，包括由智能配电网控制中心控制的终端节点、配电网网关以及与变电站连接的有线网络，所述终端节点是配电所的远方终端单元FTU，所述变电站有线网络通过有线网络或无线网络与所述配电站网关连接通信，所述配电网网关通过无线通信与所述终端节点连接通信。\n[0024] 其中，所述与变电站连接的有线网络是光纤骨干网和由以太网实现的接入网。\n[0025] 其中，所述配电网网关通过zigbee协议与终端节点连接通信。\n[0026] 其中，所述配电网网关通过802.11协议与终端节点连接通信。\n[0027] 其中，所述变电站有线网络通过TD-TLE无线网络与所述配电站网关连接通信。\n[0028] 其中，所述配电网网关与所述终端节点无线连接并进行控制和管理。\n[0029] 本实用新型基于混合协议的智能配电网无线通信系统，其有益技术效果在于：\n[0030] （1）多协议配电网网关，实现多种无线通信协议之间的转换功能。在终端侧可选择支持 IEEE 802.15 、802.11 等多种无线接口；同时采用多模方式进行互联，包括有线以太网、TD-LTE 互联接口。\n[0031] （2）配电网网关与TD-LTE 网络的融合应用，通过协同传输带宽更宽，自适应选频和组网，有自愈能力等技术，并实现无线通信系统的自管理，自配置和自优化功能。\n[0032] （3）支持对业务的服务质量（QoS）分级管理功能，满足配电网的遥信，遥测和遥控的需要。\n[0033] （4）支持数据的融合功能，降低数据传输的冗余，减少数据发送量。\n[0034] 此外，本实用新型基于混合协议的智能配电网无线通信系统还具有如下的优点：\n[0035] （1）无线通信系统的自管理，自配置和自优化功能。\n[0036] （2）支持多种无线协议包括zigbee 、802.11 、WCDMA、TD-SCDMA和TD-LTE等无线通信协议之间的转换功能。\n[0037] （3）支持对业务的服务质量（QoS ）分级管理功能，满足配电网的遥信，遥测和遥控的需要。\n[0038] （4）支持数据的融合功能，减少冗余并减少数据发送量。\n附图说明\n[0039] 图1为本实用新型基于混合协议的智能配电网无线通信系统的系统结构示意图；\n[0040] 图2为图1所示配电网网管的结构原理图。\n具体实施方式\n[0041] 下面结合附图对本实用新型的优选实施方式进行详细说明。\n[0042] 实施例：\n[0043] 本实用新型智能配电网无线通信系统，其系统结构示意图如图1所示，分为有线网络和无线TD-TLE 构建的延伸两个部分，其中有线网络部分是供电系统部门现有的和以后计划建设的光纤骨干网和由以太网实现的接入网。\n[0044] 智能配电网由终端节点( 即配电所的远方终端单元FTU)、配电网网关（接入设备）、覆盖变电站的光纤/Internet 有线网络、应用管理节点( 供电系统配网自动化控制中心) 等部分构成。\n[0045] 终端节点散布在指定的区域内,实时采集相关数据并把数据传送到配电网网关，反之网关也可以用同样的方式将信息发送给各节点。网关把数据进行汇聚处理后通过TD-LTE 无线网络传送到固定节点( 变电站) ，再通过变电站直接通过光纤/Internet 或其他通信系统传送到上层应用。在终端网节点损坏、失效等问题出现的情况下，系统能够及时自动报警，从而确保整个系统的通信正常。\n[0046] 该结构清晰地阐述了智能配电网无线通信系统研究的主要内容和组成的逻辑关系。智能配电网采用分层的通信系统架构，在不同的层次上支持不同的通信协议。\n[0047] 配电网网关具备如下几个功能。1、广泛的接入能力。目前用于近程通信的技术标准很多，各类技术主要针对某一应用展开，缺乏兼容性和体系规划，如Lonworks主要应用于楼宇自动化，RUBEE适用于恶劣环境。如何实现协议的兼容性、接口和体系规划，目前在国内外已经有多个组织在开展物联网网关的标准化工作，如 3GPP、传感器工作组，以实现各种通信技术标准的互联互通。本项目采用应用面最广和技术最成熟的802.15 和802.11 协议相结合。2、协议转换能力。从不同的感知网络到接入网络的协议转换，将下层的标准格式的数据统一封装，保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。3、可管理能力。强大的管理能力，对于任何大型网络都是必不可少的。首先要对网关进行管理，如注册管理、状态监管等。\n网关实现子网内节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等以及远程唤醒、控制、诊断、升级和维护等。由于子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理能力不同。本项目提出基于模块化网关方式来管理不同的感知网络、不同的应用，保证能够使用统一的管理接口技术对末梢网络节点进行统一管理。\n[0048] 本实用新型是一种面向智能电网应用的，实现在智能配电网上的基于TD-LTE互联组网的无线通信系统。主要包括：\n[0049] 一、硬件设备\n[0050] 1、通过研究结合传感器技术和嵌入式软硬件技术，并结合智能配电网中设备实际应用场景，设计终端节点和网关的硬件架构。研究包括硬件架构研究以及各个硬件组成模块的研究，包括处理器单元、存储单元、时钟单元、接口单元、总线的研究。同时，硬件部分也需要研究通信扩展的情况，必须支持外接的通信扩展模块，即各种网络的调制解调模块。\n[0051] 2、研究在恶劣环境下，终端节点和网关的硬件如何能稳定可靠的工作。由于电力网络的电磁环境比较恶劣，对无线传输具有很大的影响，因此在环境较复杂的地方的可靠工作要求，对硬件设计提出了更高的要求。\n[0052] 二、底层驱动平台\n[0053] 终端节点和网关的底层驱动平台与无线通信系统的性能有着密切的关系，研究和采用合适的操作系统构成稳定的通信系统。 嵌入式系统在开发过程一般都采用" 宿主机/ 目标板" 开发模式，即利用宿主机（PC机）上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试工具来开发目标板上的软件，然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件，通过串口/USB/ 以太网等方式下载到目标板上，利用交叉调试器在监控程序运行，实时分析，最后，将程序下载固化到目标机上，完成整个开发过程。\n[0054] 目前用于嵌入式设备的操作系统有很多种，研究重点关注于根据本项目中对于终端节点和网关通用性以及可编程扩展性的需求，选取稳定、可靠、高效、开放的操作系统。\n[0055] 三、相关应用软件开发\n[0056] 应用软件包括协议栈和应用程序。\n[0057] 协议栈部分重点研究用来构成网关的各种国际标准协议，包括802.11 系列和\n802.15系列等规范了用于构成网络的物理层和MAC子层协议，包括 Zigbee、TCP/IP等用于通信的网络层协议等。同时，根据 OSI 分层概念，研究和规范支持第三方开发的接口，用以支持网关的扩展应用。\n[0058] 应用程序部分主要包括接口设配程序和相关管理程序，其中接口设配程序包括TD-LTE 通信链路和电力系统相关采集数据的接入、适配、数据差错编码、格式转换等。相关管理程序完成相关的参数配置，包括接口配置、网络配置等。配置程序研究的重点是如何设计并提供工作稳定、性能高效的程序集。\n[0059] 本实用新型基于试验平台，达到的技术指标如下所示：\n[0060] （1）单网关最大可支持信息传输速率不低于2 Mbit/s；\n[0061] （2）单配电终端节点上传数据最大可支持传输速率不低于20Kbit/s；多媒体 数据最大可支持传输速率不低于1.2Mbit/s。\n[0062] （3）遥测、遥信数据传输平均时延不多于3 s，可靠性不低于97%；\n[0063] （4）遥控数据传输平均时延不多于1s，可靠性不低于99%；\n[0064] 执行的相关质量标准，包括入下所示：\n[0065] （1） 射频测试标准\n[0066] 包括:欧洲标准 ETSI 300 328、美国 FCC 标准 Part 15.247、IEEE 802.11PHY及我国的GB15629.1102-2003（即WAPI）。\n[0067] （2）互操作性标准为Wi-Fi Alliance Test Plan。\n[0068] （3）工业、科学和医疗(ISM)射频设备(GB4824-2004)电磁骚扰特性、限值和测量方法。\n[0069] 最后需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，而不是对本实用新型技术方案的限定，任何对本实用新型技术特征所做的等同替换或相应改进，仍在本实用新型的保护范围之内。