一种基于HPLC通信的电能信息集抄方法

技术领域

本发明涉及电能信息集抄技术领域，且更确切地涉及一种基于HPLC通信的电能信息集抄方法。

背景技术

电能信息集抄通过采用通信技术和数据处理技术，对低压电能数据进行远程集抄、传输和处理，并实现用电信息管理。近些年来随着电力的需求越来越大，电能信息集抄适用于不同类型的用电场所，包括住宅领域、商业领域、工业领域和农业领域等，为人们生活提供了极大的方便。

然而，电能信息集抄也存在一些弊端，主要包括：

1、用电数据缺少安全性：传统的电能信息集抄在对用电信息进行采集和存储时，没有通过加密算法技术对电能采集终端提供完善的数据安全防护措施。

2、数据传输速度慢：传统的电能信息集抄在进行通信时通常采用窄带载波通信方式，这样不仅会提高使用成本，而且数据传输速度慢，不能满足快速采集和传输的需求。

3、容易受干扰：由于传统电能信息集抄系统采用高频载波及其它通信手段，存在电磁干扰、环境噪声等问题，对数据传输及系统稳定性产生一定影响。

综上所述，电能信息集抄仍然存在一些弊端，但是这并不表示该技术不能实现，这些弊端可以通过增强安全保障技术和改善通信方式进行优化，进而实现更加高效稳定的电能信息集抄。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明公开一种基于HPLC通信的电能信息集抄方法，通过DES加密算法实现接收所述集中器发送的数据并进行加密存储，通过HPLC通信网络实现数据收集、数据传输和数据存储，通过RS485通信协议实现各个模块之间的数据传输，本发明提升了电能信息集抄的速率和稳定性，增强了电能信息存储的安全性。

因此，本发明提供了一种基于HPLC通信的电能信息集抄方法，包括如下步骤：

步骤1、将集中器、电表和数据采集器通过HPLC通信网络连接，确保每个设备的正常通信；

采用HPLC通信网络进行数据配置；

步骤2、对电能信息进行采集和抄读；

采用数据采集模块对电能信息进行采集和抄读，所述数据采集模块包括数据采集器、集中器和电表，所述数据采集器用于从电网中采集电能信息，并将采集到的数据发送到HPLC网络中，所述集中器用于集中所有数据采集器和数据终端的数据，通过HPLC网络通信实现数据的汇聚和转发，所述电表通过法拉第电磁感应定律测量电路中的电能，通过HPLC网络通信传输给所述数据采集器,所述电表的输出端连接所述数据采集器的输入端，所述数据采集器的输出端连接所述集中器的输入端；

步骤3、将采集到的电能信息进行传输和储存；

采用数据管理模块传输和存储电能信息，所述数据管理模块包括数据通信单元和数据存储单元，所述数据通信单元采用DL/T645-2007通信协议实现HPLC网络和其他设备节点的连接，所述数据存储单元采用DES加密算法接收所述集中器发送的数据并进行存储，所述数据采集器的输出端连接所述数据通信单元的输入端，所述集中器的输出端连接所述数据存储单元的输入端；

步骤4、将存储的数据传输到后台服务器中，以便后续管理和使用；

采用管理系统对数据信息进行数据维护，所述管理系统包括后台服务器和数据库,所述后台服务器用于接收数据、处理数据和分析数据，并提供数据查询和管理的接口，所述数据库用于存储历史数据和统计数据，为数据分析和报表生成提供基础数据，所述后台服务器的输出端连接所述数据库的输入端；

步骤5、对采集的信息进行可视化显示；

通过应用程序为用户提供界面，方便用户查看数据和报表。

作为上述技术方案的进一步描述，所述数据采集器用于对电网中的数据进行采集和存储，所述数据采集器包括电能采集模块、数据处理模块、数据分析模块和数据输出模块，所述电能采集模块通过从电网中采集电流信号、电压信号、有功功率、无功功率和电能信号实现对电能信息的采集，所述数据处理模块通过A/D转换器将采集到的模拟信号转换成数字信号，并通过所述数据存储单元将处理后的信号进行存储，所述数据分析模块根据采集的电能数据采用电负荷功率曲线预测分析电能信息，所述数据输出模块通过RS485通信接口连接外部设备实现电能信息的传输，所述电能采集模块的输出端连接所述数据处理模块的输入端，所述数据处理模块的输出端连接所述数据分析模块的输入端。

作为上述技术方案的进一步描述，所述DES加密算法采用相同的密钥进行加密和解密，在加密过程中，将明文按照一定规则进行多轮的变换和替换最终得到密文，解密过程与加密过程相反。首先，经过初始置换后进行16轮的f函数加密迭代处理：

（1）

（2）

式（1）-（2）中，Tn代表左半部分密钥，Qn代表有半部分密钥，n代表输入密钥的层数，mn代表向第n层输入的48位的密钥，f是以

所述f函数包括四步运算：密钥置换、扩展置换、S-盒替换和P-盒置换，经过f函数的迭代运算后，进行逆初始置换，将交换后的左右部分组使用逆初始置换，还原成64位密文，同时，在解密过程中，按照相反的顺序使用相同的密钥进行加密即可还原明文。

作为上述技术方案的进一步描述，所述f函数包括密钥置换、扩展置换、S-盒替换和P-盒置换四步运算，所述密钥置换通过初始置换规则将64位密钥进行重新排列，所述扩展置换通过扩展置换规则将64位明文扩展成48位，并将前半部分位进行复制、交换和扩展操作处理，以便与每轮密钥进行异或运算，所述S-盒替换将所述扩展置换后的48位数据按照每6位一组分成8组，再将每组输入S-盒中进行替换从而得到32位输出，所述P-盒置换将32位数据按照代换置换规则进行重新排列以得到加密结果，所述f函数通过16轮加密循环实现明文到密文的转换。

作为上述技术方案的进一步描述，所述集中器包括主控制器、接收模块和传输模块，所述主控制器采用ARM控制器控制集中器的运行状态，并对通信协议进行解析和处理，所述接收模块通过HPLC通信网络接收外部设备传输的数据、命令和控制信号，所述传输模块采用DL/T645-2007通信协议通过通信接口连接外部设备，实现所述集中器和外部设备之间的数据通信，所述主控制器的输出端连接所述接收模块的输入端，所述接收模块的输出端连接所述传输模块的输入端。

作为上述技术方案的进一步描述，所述数据存储单元包括存储芯片、ARM处理器和电源管理单元，所述存储芯片采用24C64W6芯片，所述24C64W6芯片通过I²C串行通讯协议对采集到的电能数据进行储存和管理，所述ARM处理器通过HPLC通信接收所述集中器输入的数据信息命令实现数据的写入、读取、删除和备份，所述ARM处理器采用DES加密算法为所述数据存储单元提供安全保障，所述电源管理单元通过升降电压保护电源及实时监测和保护电池电量，所述存储芯片的输出端连接所述ARM处理器的输入端，所述电源管理的输出端连接所述存储芯片和所述ARM处理器的输入端。

作为上述技术方案的进一步描述，所述数据通信单元包括微控制器、通信芯片和通信接口，所述微控制器通过采用STM32型号微控制器实现对所述数据通信单元的控制，并对采集的数据信息进行封装和解析，所述通信芯片采用MAX3162型号芯片，所述MAX3162芯片实现所述数据通信单元和上层系统之间的数据传输，并协调数据的传输和收发，所述通信接口采用RS485通信接口实现所述数据通信单元与外部设备之间的通信连接，所述微控制器的输出端连接所述通信接口的输入端，所述通信接口的输出端连接所述通信芯片的输入端。

作为上述技术方案的进一步描述，所述数据处理模块通过计算瞬态电流计算电能信息的电流值：

（3）

通过计算瞬态电压计算电能信息的电压值，在公式（3）中，N表示计算次数，n表示计算排序，

（4）

在公式（4）中，

（5）

在计算电能数据采样时的电能值时，通过电流、电压偏差率和频率偏差来监测电能信息。

作为上述技术方案的进一步描述，所述数据分析模块的工作方法为：

将电能信息数据计量分析的问题函数化，对一次电能信息数据计量问题表述为公式（6）：

(6)

式(6)中，

(7)

式(7)中，表示电能信息数据模型函数对异常数据校对函数，

本发明区别于现有技术有益的技术效果在于：

本发明公开一种基于HPLC通信的电能信息集抄方法，通过DES加密算法实现接收所述集中器发送的数据并进行加密存储，通过HPLC通信网络实现数据收集、数据传输和数据存储，通过RS485通信协议实现各个模块之间的数据传输，通过对采集到的电能数据信息进行处理和分析，以实时显示电能信息数据信息，并能够根据实际情况进行数据信息分析，以提高电能信息集抄数据信息分析能力。本发明在降低使用成本的同时也提升了电能信息集抄的速率和稳定性，增强了电能信息存储的安全性。

附图说明

为了更加直观和清晰地理解和把握所述技术方案，在描述本发明实施例或现有技术时，常常会使用附图来补充和说明，需要注意的是，附图只是本发明实施例或现有技术的一种表达方式，实际上该技术方案还可以有其他的实现方式和变化，这些实现方式和变化均属于本发明的保护范围内，因此，技术人员可以根据需要设计出其他的附图,以实现本发明的技术方案，其中，

图1为本发明流程图；

图2为数据存储单元架构图；

图3为数据通信单元架构图。

具体实施方式

下面将通过本文实施例中的附图，对本文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文一部分实施例，而不是全部的实施例。同时，以下的说明中省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1-图3所示，一种基于HPLC通信的电能信息集抄方法，包括如下步骤：

步骤1、将集中器、电表和数据采集器通过HPLC通信网络连接，确保每个设备的正常通信；

采用HPLC通信网络进行数据配置；

步骤2、对电能信息进行采集和抄读；

采用数据采集模块对电能信息进行采集和抄读，所述数据采集模块包括数据采集器、集中器和电表，所述数据采集器用于从电网中采集电能信息，并将采集到的数据发送到HPLC网络中，所述集中器用于集中所有数据采集器和数据终端的数据，通过HPLC网络通信实现数据的汇聚和转发，所述电表通过法拉第电磁感应定律测量电路中的电能，通过HPLC网络通信传输给所述数据采集器,所述电表的输出端连接所述数据采集器的输入端，所述数据采集器的输出端连接所述集中器的输入端；

步骤3、将采集到的电能信息进行传输和储存；

采用数据管理模块传输和存储电能信息，所述数据管理模块包括数据通信单元和数据存储单元，所述数据通信单元采用DL/T645-2007通信协议实现HPLC网络和其他设备节点的连接，所述数据存储单元采用DES加密算法接收所述集中器发送的数据并进行存储，所述数据采集器的输出端连接所述数据通信单元的输入端，所述集中器的输出端连接所述数据存储单元的输入端；

步骤4、将存储的数据传输到后台服务器中，以便后续管理和使用；

采用管理系统对数据信息进行数据维护，所述管理系统包括后台服务器和数据库,所述后台服务器用于接收数据、处理数据和分析数据，并提供数据查询和管理的接口，所述数据库用于存储历史数据和统计数据，为数据分析和报表生成提供基础数据，所述后台服务器的输出端连接所述数据库的输入端；

步骤5、对采集的信息进行可视化显示；

通过应用程序为用户提供界面，方便用户查看数据和报表。

进一步地，所述数据采集器用于对电网中的数据进行采集和存储，所述数据采集器包括电能采集模块、数据处理模块、数据分析模块和数据输出模块，所述电能采集模块通过从电网中采集电流信号、电压信号、有功功率、无功功率和电能信号实现对电能信息的采集，所述数据处理模块通过A/D转换器将采集到的模拟信号转换成数字信号，并通过所述数据存储单元将处理后的信号进行存储，所述数据分析模块根据采集的电能数据采用电负荷功率曲线预测分析电能信息，所述数据输出模块通过RS485通信接口连接外部设备实现电能信息的传输，所述电能采集模块的输出端连接所述数据处理模块的输入端，所述数据处理模块的输出端连接所述数据分析模块的输入端。

所述数据采集器的工作原理为：所述数据采集器首先通过DL/T645-2007通信协议和HPLC数据通信单元与所述集中器建立通信连接，接着所述数据采集器向所述电表发送指令，并请求获得电表数据信息，所述电表接收到所述数据采集器的请求后，将电表数据编码成电信号，并通过红外光口发送给所述数据采集器，所述数据采集器接收电表数据后，通过所述数据处理模块对数据进行解码和处理，并将处理后的数据信息传输给所述集中器，所述数据采集器作为所述电表和集中器的中间传输节点，通过所述电能采集模块、数据处理模块、数据分析模块和数据输出模块实现了采集数据和传输电表数据，并保证数据的准确性和安全性，所述数据采集器具有一定的数据存储能力和缓存机制，可以在通信中断或故障时暂存数据，保证数据的完整性和连续性，同时，基于HPLC通信的电能信息集抄中所述数据采集器使用了高速附载线通信技术，具有通信稳定、突破距离限制、抗干扰等特点，在电能信息集抄中发挥着重要的作用。

进一步地，所述DES加密算法采用相同的密钥进行加密和解密，在加密过程中，将明文按照一定规则进行多轮的变换和替换最终得到密文，解密过程与加密过程相反。首先，经过初始置换后进行16轮的f函数加密迭代处理：

（1）

（2）

式（1）-（2）中，Tn代表左半部分密钥，Qn代表有半部分密钥，n代表输入密钥的层数，mn代表向第n层输入的48位的密钥，f是以

所述f函数包括四步运算：密钥置换、扩展置换、S-盒替换和P-盒置换，经过f函数的迭代运算后，进行逆初始置换，将交换后的左右部分组使用逆初始置换，还原成64位密文，同时，在解密过程中，按照相反的顺序使用相同的密钥进行加密即可还原明文。

所述DES加密算法工作原理为：首先，需要生成一组长度为64位的密钥。这个64位密钥被分成8个长度为8位的子密钥，经过一系列置换和选择操作得到每个子密钥，接着进行初始置换，将明文进行初始置换，初始置换将64位数据重新排列，得到一个新的64位数据，然后通过所述f函数进行16轮迭代加密，将密文传输给接收方，接收方进行解密。同时，DES解密算法操作与所述DES加密算法操作相似，只是在16轮迭代加密的过程中，密钥的使用顺序与加密相反，即先使用第16个子密钥，最后使用第一个子密钥，其他步骤和加密过程相同，最终解密得到原明文，数据加密算法有许多分类，如表1所示：

表1 加密算法影响因素

由表1可以知道，所述DES加密算法和AES加密算法都是对称加密算法，能够快速加密大量数据，主要应用于保护数据的机密性，RSA和ECC都是公钥加密算法，能够实现安全通信和数字签名等功能，但加密速率相对较慢，主要应用于保护数据的完整性和身份认证，根据所述表1显示的数据可以得出电能信息集抄采用DES加密算法为最佳选择。

进一步地，所述f函数包括密钥置换、扩展置换、S-盒替换和P-盒置换四步运算，所述密钥置换通过初始置换规则将64位密钥进行重新排列，所述扩展置换通过扩展置换规则将64位明文扩展成48位，并将前半部分位进行复制、交换和扩展操作处理，以便与每轮密钥进行异或运算，所述S-盒替换将所述扩展置换后的48位数据按照每6位一组分成8组，再将每组输入S-盒中进行替换从而得到32位输出，所述P-盒置换将32位数据按照代换置换规则进行重新排列以得到加密结果，所述f函数通过16轮加密循环实现明文到密文的转换。

所述f函数的工作原理为：所述f函数在DES加密算法中是一个重要的变换函数，其作用是将输入数据进行置换和变换，以满足加密所需的性质，首先，所述密钥置换通过初始置换规则将64位密钥进行重新排列，所述扩展置换通过扩展置换规则将64位明文扩展成48位，并将其中某些位进行复制、交换和扩展操作处理，以便与每轮密钥进行异或运算，所述S-盒替换将所述扩展置换后的48位数据按照每6位一组分成8组，每组输入S-盒中进行替换，得到4位输出，替换后得到32位输出，所述P-盒置换将32位数据按照代换置换进行重新排列，得到加密结果，通过这样的变换，所述f函数可以使输入数据的信息变得更加难以分析和推断，从而增加了加密算法的安全性，所述f函数在加密和解密过程中都需要使用，其密钥和输入数据也是不同的，在DES的加密中，密钥需要进行左移操作，而在解密中，密钥需要进行右移操作，使得加密和解密的过程是相互配合的。

进一步地，所述集中器包括主控制器、接收模块和传输模块，所述主控制器采用ARM控制器控制集中器的运行状态，并对通信协议进行解析和处理，所述接收模块通过HPLC通信网络接收外部设备传输的数据、命令和控制信号，所述传输模块采用DL/T645-2007通信协议通过通信接口连接外部设备，实现所述集中器和外部设备之间的数据通信，所述主控制器的输出端连接所述接收模块的输入端，所述接收模块的输出端连接所述传输模块的输入端。

所述集中器的工作原理为：所述集中器主要负责集中管理和处理电表数据，确保数据的完整性、准确性和连接性，所述集中器还可以通过上层系统对数据进行分析和应用，以实现对数据的监控、预测、能源管理等多项功能，所述集中器首先通过DL/T645-2007通信协议和HPLC数据通信单元与所述数据采集器建立通信连接，所述集中器接收所述数据采集器传输的电压、电流、电量等电能参数，并对数据进行处理和存储，同时，所述集中器采用了HPLC通信技术来实现数据的快速传输和可靠连接，具有抗干扰和通信稳定的优点，所述集中器通过HPLC通信技术将处理过后的数据信息传输到上层系统，所述集中器也会将采集到的运行数据存储在数据库中，为后期的数据分析、检测和维护提供支持，将所述集中器和HPLC通信网络结合，实现了实时、准确、高效地收集电力设备的运行数据，为电力监测和管理提供了可靠的技术保障。

进一步地，所述数据存储单元包括存储芯片、ARM处理器和电源管理单元，所述存储芯片采用24C64W6芯片，所述24C64W6芯片通过I²C串行通讯协议对采集到的电能数据进行储存和管理，所述ARM处理器通过HPLC通信接收所述集中器输入的数据信息命令实现数据的写入、读取、删除和备份，所述ARM处理器采用DES加密算法为所述数据存储单元提供安全保障，所述电源管理单元通过升降电压保护电源及实时监测和保护电池电量，所述存储芯片的输出端连接所述ARM处理器的输入端，所述电源管理的输出端连接所述存储芯片和所述ARM处理器的输入端。

所述数据存储单元的工作原理为：当所述集中器采集到电力设备的运行数据信息后，通过所述数据通信单元把数据传输到所述数据存储单元中进行存储，所述存储芯片采用24C64W6芯片负责存储数据，所述24C64W6芯片具有较大的存储容量和高速读写能力，可以满足大量数据存储的需求，所述ARM处理器主要负责解析数据和控制所述24C64W6芯片的操作，能够快速、高效地处理数据，并将数据存储到所述24C64W6芯片中，所述电源管理单元则用于管理数据存储单元的电源，为所述数据存储单元提供可靠的供电保障，所述数据存储单元通过运用数据存储技术、数据解析技术和电源管理技术，使得基于HPLC通信的电能信息集抄中所述数据存储单元能够快速、高效地完成数据存储、解析和管理工作，由于数据的格式和内容可能会发生变化，因此需要使用所述ARM处理器对数据进行解析和处理，从而确保数据传输的正确性和准确性，同时，所述数据存储单元需要长时间不间断地工作，需要使用电源管理单元来管理所述数据存储单元的电源，确保具有稳定可靠的工作能力。

进一步地，所述数据通信单元包括微控制器、通信芯片和通信接口，所述微控制器通过采用STM32型号微控制器实现对所述数据通信单元的控制，并对采集的数据信息进行封装和解析，所述通信芯片采用MAX3162型号芯片，所述MAX3162芯片实现所述数据通信单元和上层系统之间的数据传输，并协调数据的传输和收发，所述通信接口采用RS485通信接口实现所述数据通信单元与外部设备之间的通信连接，所述微控制器的输出端连接所述通信接口的输入端，所述通信接口的输出端连接所述通信芯片的输入端。

所述数据通信单元的工作原理为：所述微控制器、通信芯片和通信接口之间通过总线协议进行通信和协调，其中，所述微控制器采用STM32型号微控制器作为核心处理器，所述微控制器主要负责数据的获取、处理、分析和存储，所述通信芯片实现所述数据通信单元和上层系统之间的数据传输，并协调数据的传输和收发，通信接口是则是负责通信连接的接口，实现数据传输和接收，所述通信接口在HPLC通信过程中起到桥接作用，在数据传输过程中，所述通信接口和所述通信芯片共同处理数据的格式化和转换，当所述电表发送数据时，所述通信接口将数据传输给通信芯片进行处理；而当要向电表发送数据时，所述通信接口会将数据转换成所述电表所能识别且符合通信协议的格式，再传输到所述电表中，通过所述微控制器、通信芯片和通信接口在HPLC通信的电能信息集抄中共同协作，实现了数据的采集、处理、存储、转换和传输，从而为电能信息集抄提供了稳定、准确、高效的支持。

在上述实施例中，所述数据处理模块通过计算瞬态电流计算电能信息的电流值：

（3）

通过计算瞬态电压计算电能信息的电压值，在公式（3）中，N表示计算次数，n表示计算排序，

（4）

在公式（4）中，

（5）

在计算电能数据采样时的电能值时，通过电流、电压偏差率和频率偏差来监测电能信息。

多表合一信息采集装置可以根据不同的需求和应用场景进行个性化配置，以满足各种数据处理需求。电能信息集抄数据处理时，使用电能表、数据采集器等设备采集电能信息数据，包括电压、电流、功率、电量等。对传输过来的数据进行处理，包括数据清洗、格式化、数据转换等操作，以便于后续分析。通过上述电压计算和电流计算，能够计算出瞬态电能值。

在进一步的实施例中，所述数据分析模块的工作方法为：

将电能信息数据计量分析的问题函数化，对一次电能信息数据计量问题表述为公式（6）：

(6)

式(6)中，

(7)

式(7)中，表示电能信息数据模型函数对异常数据校对函数，

数据分析模块的工作原理是通过多次数据信息计算，不断锤炼电能信息数据计量过程中遇到的问题，将检定过程中计算出的问题和实际计量的问题进行对比和校验，以提高数据信息分析和计算能力。本发明将电能计量数据信息不同的宏观数据信息转换为微观分析，以提高数据信息分析能力和计算能力。

在数据采集时，假设测量次数为10次以上，重复次数也是10次以上，通过数据采集，输出的电能标准差估计值

（8）

式中：

S

E

——

n——重复测量的次数，n≥10。得出表2所示的数据记录表。

表2 测试数据记录表

通过具体化实施例，可以看到，本发明最后的计算误差都比较小，说明本发明的方法具有突出的技术进步性和实质的特点。

虽然本发明已经通过以上具体实施方式来进行了描述，但是技术人员应当理解，这些实施方式仅仅是作为示例而提供的，并且并不限定本发明的范围和应用。在不脱离本发明原理和实质的情况下，技术人员可以对本发明进行各种省略、替代和改变，以实现具有实质相似功能的结果，这些实施方式也属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。