一种支持海量用电信息采集的可靠通信网络系统和方法

技术领域

本发明涉及电网领域，具体涉及一种支持海量用电信息采集的可靠通信网络系统和方法。

背景技术

随着互联网及智能电网的发展，用户用电信息的采集和应用已成为研究热点。电力能源的智能化管理需要采集大量用户用电信息，用电数据采集过程的可靠和高效是获取高质量海量数据的关键。而目前用电信息计量自动化采集采用三层网络架构：采集监控设备层、数据采集层、主站层。采集监控设备层使用电表完成用电数据的计量；数据采集层使用采集器、集中器等实现自动抄表；主站层使用各类服务器完成用电数据的收集、处理和实时监控。采集监控设备层和数据采集层之间使用本地通信，数据采集层和主站层之间使用远程通信。这种三层网络架构无法满足庞大的电表数量及其高频次的采集需求带来的巨大压力，故无法支撑电力信息采集以至未来的综合能源采集。因此，支持海量用电信息采集的可靠通信网络架构是用电信息采集的基础。

当前使用三层网络架构完成用电信息采集最主要的压力来源于本地通信：由于电表数量庞大，造成本地通信接入点非常多，然而本地通信网络无法复用，使得本地通信网络无法承载高频次海量数据采集需求；由于本地通信过程采用固定的通信方式及频段，然而信道状况是时变的，使得其无法保障本地通信的可靠性；由于电表与集中器严格对应的逻辑树形采集方式，限制其只能采用固定通信链路，一旦链路不佳，会使得数据采集的可靠性无法保障。因此，缓解本地通信的压力，改善本地通信的可靠性、高效性是支持海量用电信息采集的可靠通信网络架构设计的关键。

针对本地通信的通信方式，目前主要有RS-485通信、电力线载波通信、微功率无线通信三种。RS-485通信具有数据采集成功率高、实时性好、错误率低等优点，但需要铺设专用的485线路，投入成本高，线路需要维护，增加了维护工作量。电力线载波通信是利用低压电力线缆作为载波传输媒介的一种通信方式，不需要重新架设网络，成本低廉。电力线宽带载波具有性能高、速率快、扩展性强的优点，正越来越多地被运用到用电信息采集系统中，或将成为主流趋势，但其相对较高的频率使得宽带单主节点采集系统在长线路传输和电网环境恶劣的情况下容易出现抄表不稳定或采集盲区等问题。此外，将电力线作为通信介质有许多非理想因素，如时变性强、负载动态变化范围大、信道衰减严重、干扰和噪声强等。因此，在负载重或者干扰强的条件下，电力线载波可能出现通信效果不理想的情况。微功率无线通信采用无线信道作为通信介质，不受电力线的各种非理想因素的影响，不受电网的重负载和强噪声干扰等因素影响，但无线信号容易被障碍物衰减、屏蔽或遮挡，例如当电能表安装在铁皮表箱内或墙壁较多的地方时，很难与集中器保持正常通信。

针对网络规模的减小方式，在智能电网家庭网络能源管理中，采集监控设备层将电表信息传输到路由器，再由路由器向上层转发，减少网络接入点，但每个电表都发送到路由器的方式会受到电表到路由器之间通信链路的影响，并且增设路由器增加了用电信息采集系统的成本。除此之外，将边缘计算服务器引入智能电网中，以提升实时性或进行异常数据检测预警，但目前边缘计算服务器加入智能电网的位置为集中器侧集成边缘计算服务器，或在收集用电数据后，于主站层之前发送到边缘计算服务器，但这种边缘计算服务器的位置设置并不能缓解本地通信的巨大压力，而是完成一些如异常数据检测等的具体任务，或者减轻远程通信的一些压力。现有技术存在以下不足：1、由于电表数量庞大，造成本地通信接入点非常多，然而本地通信网络无法复用，使得本地通信网络无法承载高频次海量数据采集需求。现有技术增设路由器，电表数据传输给路由器后，再通过路由器向上层传输，通过这种方式减小网络规模，但是需要保证电表与路由器之间的通信链路良好，并增加了成本。2、由于本地通信过程采用固定的通信方式及频段，然而信道状况是时变的，使得其无法保障本地通信的可靠性。现有技术采用了双模通信的方式，灵活的选择微功率无线或宽带电力线载波通信的通信方式，但其只能自主选择通信方式，而并不能自主选择通信使用的具体频段。3、关于边缘计算服务器引入智能电网中，目前边缘计算服务器加入智能电网的位置为集中器侧集成边缘计算服务器，或在收集用电数据后，于主站层之前发送到边缘计算服务器，但这种边缘计算服务器的位置设置并不能缓解本地通信的巨大压力，而是完成一些如异常数据检测等的具体任务，或者减轻远程通信的一些压力，并不能减轻本地通信的压力。4、现有技术没有改进电表与集中器严格对应的逻辑树形采集方式，仍然存在只能采用固定通信链路的限制，一旦链路不佳，会使得数据采集的可靠性无法保障。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种支持海量用电信息采集的可靠通信网络系统和方法。本发明的技术方案如下。

一种支持海量用电信息采集的可靠通信网络系统，包括采集监控设备层、数据采集计算层、集中器层和主站层；

采集监控设备层包括电表和簇头电表，电表包括感知共享模块；感知共享模块用于为电表感知信道状况，并在信道空闲时传输用电信息到簇头电表；

簇头电表包括无线接收模块和第一RS485接口模块，无线接收模块用于接收来自电表的数据，第一RS485接口模块用于实现簇头电表与数据采集计算层的通信；

采集监控设备层通过簇头电表完成用电信息的分组计量；

数据采集计算器层包括采集计算器，采集计算器包括第二RS485接口模块、边缘计算服务器模块、双模通信模块和本地双模通信；

第二RS485接口模块用于与簇头电表通信，接收来自簇头电表的用电数据，边缘计算器模块用于对用电数据的分析处理和打包汇总；

所述双模通信用于是实现微功率无线通信与宽带电力线载波两种通信方式的切换，以完成数据采集计算层与集中器层之间的数据传输；双模通信模块包括通信方式及频段决策模块、微功率无线通信模块、电力线宽带载波通信模块；通信方式及频段决策模块用于实现微功率无线通信及宽带电力线载波两种通信方式的切换；

数据采集计算层进行用电数据的分析处理和打包汇总，并经由双模通信传输到集中器层；

集中器层包括主集中器和若干集中器，集中器包含第一双模通信模块、第一打包汇聚模块；主集中器包含第二双模通信模块、第二打包汇聚模块、远程通信接入模块；第一打包汇聚模块、第二打包汇聚模块分别用于完成集中器、主集中器数据的打包汇聚，第一双模通信模块和第二双模通信模块分别用于完成集中器与主集中器之间的双模通信，远程通信接入模块用于完成主集中器与主之间的远程通信；

主集中器基于集中器的覆盖距离及双模通信方式对传输距离的限制，选取一个主集中器所管辖的集中器的数量，以解除固定链路对采集数据可靠性的限制；主集中器使来自数据采集计算层的用电数据根据信道情况选择对应的的集中器上传至主站层。

优选的，所述通信方式及频段决策模块用于实现微功率无线通信与宽带电力线载波两种通信方式的切换包括：统计每个频段上的各个采集计算器到新接入集中器的信号强度指示值，基于所述信号强度指示值计算干扰最小的信道频段。

优选的，所述主集中器基于集中器的覆盖距离及双模通信方式对传输距离的限制，选取一个主集中器所管辖的集中器的数量包括：将双模通信传输距离除以集中器覆盖距离的商取整得到距离比值，选定所述距离比值为主集中器对应的集中器的数量。

优选的，在得到距离比值后将所述距离比值向下取整。

优选的，在所选定的集中器中，计算每个集中器到其他所有集中器的距离之和，将距离之和最小的集中器增设为新的主集中器。

在主站中设置采集间隔时间。

一种支持海量用电信息采集的可靠通信网络系统的通信方法包括：

主站将预设的采集间隔时间经由远程通信传输给主集中器，主集中器根据采集间隔时间进行终端参数配置，并将采集间隔时间经由双模通信方式传输到与其连接的集中器，集中器根据采集间隔时间进行终端参数配置，并将采集间隔时间经由本地双模通信传输到与其连接的采集计算器，采集计算器根据采集间隔时间进行终端参数配置，以使得基于主站设置好的时间间隔，完成所有采集终端的参数配置；

电表进行信道感知，并在感知到信道空闲时将计量数据上传到簇头电表，簇头电表存储来自不同电表的数据，采集计算器对簇头电表的进行轮询，依次将簇头电表中存储的数据经由用户侧通信上传到采集计算器；采集计算器接收来自簇头电表的数据，并进行分析处理和打包汇总，并对采集计算器参数进行配置，采集计算器完成自动定时上送，将处理后的数据经由本地双模通信上传至集中器；

集中器接收来自采集计算器的数据，配置集中器参数，集中器完成自动定时上送，以双模通信的方式将计量数据经上传至主集中器，以使得采集终端根据参数配置，完成采集终端的定时自动采集，将数据汇总在主集中器中；

配置主集中器参数，主集中器完成自动定时发送，将数据经由远程通信上传至主站。

相对于现有技术，本发明的有益技术效果在于：本发明的监控设备层通过增设簇头电表完成用电信息的分组计量功能，数据采集计算层通过集成边缘计算服务器的功能完成数据处理并经由双模通信传输到集中器层；集中器层通过增设主集中器完成可靠灵活的自动抄表并传输到主站层。本发明通过电表集组、采集计算器集成边缘计算服务器的方式减小现有架构电表到集中器的本地通信网络规模，减小本地通信压力，从而保障高频次海量数据的传输；通过增设主集中器、选用双模通信方式解除对用电信息采集可靠性的限制，以此突破本地通信的限制，从而支持高频次海量数据的可靠传输。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为支持海量数据采集的可靠通信网络架构示意图；

图2为采集监控设备层示意图；

图3为集中器层示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本实施例的支持海量用电信息采集的可靠通信网络系统架构包括四层，分别为：采集监控设备层、数据采集计算层、集中器层、主站层。其中，所述采集监控设备层完成用电数据计量及分组采集，所述数据采集计算层完成数据预处理、打包汇总、数据管理、现有用电信息的分析和处理及智能化；所述集中器层4避免使用电表与单个集中器严格对应的方式，完成可靠灵活的自动抄表；所述主站层完成电力用户的用电信息收集、处理和实时监控。采集监控设备层和数据采集计算层之间通过用户侧通信实现通信连接及数据传输；数据采集计算层和集中器层之间通过本地双模通信7实现通信连接及数据传输；集中器层4和主站层之间通过远程通信实现通信连接及数据传输。

如图2所示，采集监控设备层以分组的形式进行电表数据的汇总，考虑在较小区域内，距离远近因其一定程度上表征了信道情况，可视为信号衰减的最主要原因，故根据距离远近完成电表的分组，在较小区域内，距离的远近可以表征信道情况，所以具体根据距离范围阈值完成电表分组，，示例性的，设置距离范围阈值为3米，在阈值范围内的电表集为一个电表组，在每个电表组中，计算每个电表与其他电表的距离之和，选取距离和值最小的作为簇头电表。每个电表组内包含多个电表和一个簇头电表，首先电表及簇头电表完成用电信息计量及数据存储，接着电表采用频谱感知共享的方式将数据传输到簇头电表，然后簇头电表完成整个电表组的数据汇总，最后簇头电表经由用户侧通信完成向上层数据采集计算层的通信。

电表由电源模块、控制模块、显示模块、计量模块、存储模块、感知共享模块构成，每个簇头电表由电源模块、控制模块、显示模块、计量模块、存储模块、无线接收模块、RS485接口模块构成。电源模块负责对电表(或簇头电表)供电，控制模块负责对整体电表(或簇头电表)的控制，显示模块负责电表(或簇头电表)的信息显示，计量模块负责电表(或簇头电表)的用电信息计量，存储模块负责电表(或簇头电表)的用电信息存储，感知共享模块负责为电表感知信道情况，并在信道空闲时传输用电信息到簇头电表，无线接收模块负责为簇头电表接收来自电表的数据，RS485接口模块负责实现簇头电表与上层数据采集计算层的通信。所述用户侧通信具体使用RS485通信方式，实现采集监控设备层、数据采集计算层之间的数据传输。

所述数据采集计算器层由采集计算器构成，每个采集计算器由电源模块、显示模块、存储模块、RS485接口模块、边缘计算服务器模块、双模通信模块构成。电源模块负责对采集计算器的供电，显示模块负责采集计算器的显示功能，存储模块15负责用电信息的存储，RS485接口模块负责簇头电表与采集计算器的通信，接收来自簇头电表的数据，边缘计算器模块负责对用电数据的预处理、打包汇总、数据管理，并完成现有用电信息的分析处理及智能化，同时，经分析处理后的用电数据量减少，从而减小数据上传到集中器的压力，双模通信模块实现采集计算器与集中器25之间可靠的双模通信。

所述本地双模通信实现微功率无线通信及宽带电力线载波两种通信方式的灵活选择，完成数据采集计算层、集中器层之间的可靠数据传输。双模通信模块的具体构成，具体包括通信方式及频段决策模块、微功率无线通信模块、电力线宽带载波通信模块。通信方式及频段决策模块根据信道好坏完成两种通信方式及频段的选择决策，具体频段选择实现过程如下：首先统计每个频段上的各个采集计算器到新接入集中器的信号强度指示值；接着根据得到的所述信号强度指示值计算干扰最小的信道频段；最后，选择使用干扰最小的频段。在通信方式及频段决策模块完成两种通信方式及频段的选择决策后，根据决策结果，微功率无线通信模块、电力线宽带载波通信模块完成对应的数据收发操作。

如图3所示，集中器层通过增设主集中的方式，避免集中器与电表严格对应的逻辑树形采集方式，使得来自数据采集计算层的数据可以根据信道情况选择不同的集中器上传，打破逻辑树的对应方式，是通过增设主集中器，而非增加采集计算层实现的。增加采集计算层是为了缓解本地通信压力，采集计算器只是与电表之间的对应不再严格，而对集中器仍然严格对应。增设主集中器的方式，使电表不再严格与集中器对应，而是与主集中器对应，增大区域灵活性。对比集中器的覆盖距离及双模通信方式对传输距离的限制，合理的选取一个主集中器管辖的集中器的个数，可以实现解除固定链路对采集数据可靠性的限制。具体实现方式如下：首先计算双模通信传输距离除以集中器覆盖距离，并向下取整，得到主集中器对应的集中器个数；接着按照上述个数选取距离相近的集中器，并计算每个集中器到其他所有集中器的距离之和；最后选取距离和最小的集中器，增设为主集中器。所述集中器层包括集中器、主集中器，首先集中器与主集中器分别完成来自数据采集计算层数据的打包汇聚，接着集中器把打包汇聚后的数据通过双模通信达方式传输到主集中器，最后数据在主集中器汇集后向采集系统主站传输。

远程通信实现集中器层和主站层之间的通信，通常可以选择使用光纤专网、无线专网、无线公网的方式实现。具体的，主站层包含采集系统主站，是对电力用户的用电信息进行收集、处理和实时监控的核心，由数据库服务器、磁盘阵列、应用服务器、前置服务器、接口服务器、工作站、全球定位系统(GPS)时钟、防火墙以及相关的网络设备组成。

本实施例的支持海量用电信息采集的可靠通信网络系统工作流程包括：

在主站中设置采集间隔时间。

主站将设置好的采集间隔时间以逐层的方式发送至各采集终端参数配置表，完成所有采集终端的参数配置。

具体地,主站将设置好的采集间隔时间经由远程通信传输给主集中器，主集中器根据采集间隔时间进行终端参数配置，并将这一采集间隔时间经由双模通信方式传输到与其连接的集中器，然后，集中器根据采集间隔时间进行终端参数配置，并将这一采集间隔时间经由本地双模通信传输到与其连接的采集计算器，接着采集计算器根据采集间隔时间进行终端参数配置。通过这种逐层方式，使用主站设置好的时间间隔，完成所有采集终端的参数配置。

采集终端根据终端参数配置表逐层自动完成采集。

具体地，电表首先完成信道感知，接着在感知到信道空闲、信道质量好，例如噪声小时，将计量数据上传到簇头电表，簇头电表存储来自不同电表的数据，然后采集计算器完成对簇头电表的轮询，依次将簇头电表中存储的数据经由用户侧通信上传到采集计算器；采集计算器接收来自簇头电表的数据，并进行处理、分析、汇总、打包，接着根据步骤中对采集计算器参数配置表的设置，采集计算器完成自动定时上送，将处理后的数据经由本地双模通信上传至集中器；集中器接收来自采集计算器的数据，然后集中器参数配置表的设置，集中器完成自动定时上送，以双模通信的方式将计量数据经上传至主集中器。通过这种逐层的方式，采集终端根据参数配置，完成采集终端的定时自动采集，将数据汇总在主集中器中。

对主集中器参数配置表的设置，主集中器完成自动定时发送，将数据经由远程通信上传至主站。

本发明以传感器网络的方式完成电表集组，可以根据电表间距离或信道状况完成电表分组，并增设簇头电表，完成电表数据的转发，不但减少本地通信的接入点，减小现有架构电表到集中器的本地通信网络规模，减小本地通信压力，从而保障高频次海量数据的传输，而且使用传感器网络保证了电表间的可靠通信。本发明为保证通信链路的可靠性，在双模通信方式基础上，增加自主选择通信频段的功能。本发明将边缘计算服务器与采集器结合，更靠近电表用户侧，经分析处理后的用电数据量减少，从而减小数据上传到集中器的压力，缓解本地通信的压力。本发明采用不限台区的方式，避免电表与集中器严格对应的逻辑树形采集方式，增设主集中器，电表的数据只要传输到规定的主集中器上即可，可以根据采集计算器与不同集中器之间的实时通信链路情况，选择上传的集中器，再由集中器传输到主集中器上，以此突破现有架构对本地通信的限制，支持高频次海量数据的可靠传输，解决现有三层架构本地通信网络无法承载高频次海量数据采集需求、数据传输可靠性低的问题，可以优化现有用电信息计量自动化采集的架构组成，缓解本地通信的压力，提升采集数据传输可靠性。

以上实施例对本发明所提供的一种基于混合神经网络的电网线路绝缘子破损图像识别方法进行了详细介绍。以上实施例的说明，只是用于帮助理解本专利的方法及其核心思想；同时本说明书内容不应理解为对本专利的限制，本领域技术人员，在没有创造性劳动的前提下，对本专利所做出的修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请中。