基于双模异构并行的用电信息采集非对称双向通信方法及系统与流程

本发明属于电力系统用电信息采集领域，具体是基于双模异构并行的用电信息采集非对称双向通信方法及系统。

背景技术：

1、随着智能电网建设的深入推进，营销业务与配网业务对用电信息采集的实时性、并发处理能力和通信可靠性提出了更高的要求，现有用电信息采集系统普遍采用“主站—集中器—采集终端/电能表”三层架构，在本地通信层面，集中器作为主节点，负责管理与控制下属的各个从节点，在通信机制上，传统系统主要采用主站轮询模式，即由主节点按预定周期依次向各从节点发送数据请求命令，从节点在接收到命令后返回相应数据，主节点按地址顺序依次查询各从节点的数据，从节点仅在收到明确查询指令后才进行数据上报，异常事件通常需要等待主节点查询到该节点时才能被发现和上报。

2、然而，现有基于单一通信介质和传统轮询机制的采集方案存在以下技术问题与缺陷，现有单信道组网方案中所有通信任务均承载于同一物理介质，当台区接入节点数量大、数据采集频率高或需同时处理多种类型业务时，单一信道的带宽和处理能力迅速达到饱和，导致通信成功率下降、数据延迟增大，影响数据采集的完整性和时效性，同时hplc通信质量严重依赖于电力线路的物理状况，在老旧台区中线路老化、接头氧化、负载变化大等因素导致线路阻抗不稳定、噪声干扰严重，hplc通信误码率显著增加，甚至造成部分节点长期离线，微功率无线通信虽不受电力线质量影响，但在建筑物密集、地下室、金属屏蔽柜体等环境中，无线信号衰减和遮挡问题同样导致覆盖盲区和通信不稳定，单一介质方案无法兼顾不同环境下的通信可靠性，在复杂台区中难以保障全网节点的有效覆盖和稳定通信；

3、同时在传统的主站轮询模式下，从节点数据的更新和异常事件的上报完全依赖于主节点的查询时序。即使从节点已检测到异常事件，也必须等待主节点轮询到该节点时才能上报，造成显著的通信时延，在高并发通信场景中，大量从节点同时竞争信道资源，导致严重的信道碰撞和冲突，缺乏精准的时隙协调机制，数据包重传次数急剧增加，部分数据包因超过最大重传次数而丢失，造成采集成功率降低、命令执行失效，存在实用性与功能性低下的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出基于双模异构并行的用电信息采集非对称双向通信方法及系统，可以有效解决现有技术中信道选择缺乏量化评估、异常上报时延过大、信道资源分配不均以及终端功耗过高问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、基于双模异构并行的用电信息采集非对称双向通信系统，包括物理通信与链路质量管理模块、时间同步与资源调度模块、业务通信与事件处理模块、网络管理与拓扑优化模块、终端功耗与休眠控制模块；

4、所述物理通信与链路质量管理模块，包括hplc子模块、无线子模块以及双信道并行收发管理器，用以在主节点与从节点之间同时建立和维护hplc电力线载波通信链路与微功率无线通信链路，基于上报的双信道实时监测数据对各从节点在两个信道上的链路质量进行评估，据此决策每个从节点的主用信道和备用信道，并进行快速切换；

5、所述时间同步与资源调度模块，包括时间同步信标广播子模块以及节点优先级评估子模块，建立全网主从节点之间的时间同步，同时为每个从节点在hplc信道和无线信道上分别分配专用的上报时隙和下行监听时隙，通过双信道负载均衡机制动态调整各信道上的节点分布；

6、所述业务通信与事件处理模块，处理从节点检测到的各类异常事件的分类分级、优先级编码以及在公共竞争区的抢占仲裁，执行主动上报与即时下发的非对称双向联动机制，进行上行方向从节点的主动数据上报和下行方向主节点的即时命令下发；

7、所述网络管理与拓扑优化模块，执行网络初始化以及从节点入网管理，基于各节点的最后通信时间及连续未上报超帧计数识别离线节点，对弱覆盖区域节点执行拓扑优化；

8、所述终端功耗与休眠控制模块，包括休眠调度模块、唤醒接收模块，控制从节点的时隙化休眠与唤醒调度，在非工作时隙控制从节点进入低功耗休眠状态，在预分配的周期性上报时隙和下行监听窗口期间唤醒工作。

9、进一步的，所述物理通信与链路质量管理模块，包括以下步骤：

10、在主节点和从节点上电后，hplc子模块和无线子模块同时执行硬件自检，包括射频通路检测、晶振频率校准、存储器校验，自检通过后两个子模块分别进入信道扫描状态，其中主节点为集中器，从节点为各采集终端/电能表，双信道并行收发管理器以每个超帧周期为采集窗口，获取各从节点在hplc信道和无线信道上的实时物理层参数，包括接收信号强度指示rssi、信噪比snr、误包率per以及信道风暴系数storm；

11、自检通过后两个子模块分别进入信道扫描状态，hplc子模块在2至12mhz频段内进行背景噪声扫描，选择噪声功率最低的可用子带作为工作频段，无线子模块在470至510mhz频段内扫描，选择干扰最小的空闲信道作为工作信道，两个子模块各自锁定工作参数后，向双信道并行收发管理器报告信道就绪状态，双信道并行收发管理器确认双信道均就绪后，向上层协议栈上报物理层就绪信号；

12、其中，hplc子模块和无线子模块各自独立监听对应物理信道上的信号，当hplc子模块检测到前导码时，同步启动帧接收流程，依次完成同步头捕获、帧起始定界符检测、phy头解析、payload解调和fec解码，最后进行crc校验；

13、当校验通过后将含mac头部和有效载荷的完整数据帧提交至双信道并行收发管理器中，管理器执行发送判定，当目标地址一致则存入对应信道的接收队列并向上层递交；

14、各子模块将监测数据实时上报至双信道并行收发管理器，管理器汇总后形成双信道物理层状态报告，通过供链路质量评估子模块进行lq评分计算。

15、进一步的，所述各子模块将监测数据实时上报至双信道并行收发管理器，管理器汇总后形成双信道物理层状态报告，通过供链路质量评估子模块进行lq评分计算，具体包括以下步骤：

16、对步骤采集的原始参数执行线性归一化处理，将接收信号强度指示按映射至[0,1]区间，将信噪比按映射至[0,1]区间，误包率与信道风暴系数直接以0~1区间值参与运算，计算原始链路质量评分；

17、采用指数加权移动平均滤波对原始评分进行平滑处理，其递推关系为：

18、；

19、其中，为滤波后的评分，分别输出hplc信道评分lqhplc与无线信道评分lqrf，并进行主用信道与备用信道分配：

20、当同时满足lqhplc≥0.75且lqhplc−lqrf≥0.15，则判定hplc信道显著占优，将hplc设为主用信道，无线设为备用信道；

21、当同时满足lqrf≥0.75且lqrf−lqhplc≥0.15，则判定无线信道显著占优，将无线设为主用信道，hplc设为备用信道；

22、当，则判定两信道质量接近，以评分较高者为主用信道，并在后续通信过程中以200ms为周期重新轮询评估；

23、当lqhplc<0.40且lqrf<0.40，则判定该从节点处于弱覆盖区域，此时不执行常规主备用分配，通过网络管理与拓扑优化模块触发拓扑优化流程；

24、在通信过程中，主节点持续监测各从节点主用信道的实时链路质量，当连续3个超帧周期内同时满足主用信道的误包率大于15%、主用信道的链路质量评分小于0.50、备用信道的链路质量评分与主用信道评分之差大于0.20时触发信道切换；

25、在信道切换流程中，主节点构造包含新主用信道标识与生效超帧序号的切换指令帧，通过原主用信道与备用信道同时向目标从节点下发，从节点在指定的生效超帧起始时刻完成信道角色切换，并通过切换后的第一个周期性上报时隙回复确认帧，主节点收到确认后，通过递增时隙分配表版本号的方式通知全网节点同步更新时隙映射关系，整个切换流程在2个超帧周期内完成。

26、进一步的，所述时间同步与资源调度模块，包括以下步骤：

27、包括时间同步信标广播子模块，通过内置高精度时钟源以周期tsync=1秒通过hplc与无线双信道同时向所有从节点广播时间同步信标sync beacon，其中信标包含64位毫秒级绝对时间戳、当前超帧序号sfn及时隙分配表版本号tblver，从节点在任一信道接收syncbeacon后，执行信标有效性验证、基于往返时延rtt半值的传播时延补偿以及本地渐进式时钟修正，当从节点连续2个超帧周期未收到有效同步信标，则判定同步丢失并转入信道重新搜索状态；

28、根据台区当前注册从节点总数nslave、每从节点每超帧所需周期性上报次数r、单数据包传输所需时隙数spkt，计算最小周期性上报时隙总数，公共竞争区时隙数为，其中为竞争区占比，时隙长度ts取双信道中单包传输时间较大值并累加保护间隔，超帧周期为；

29、通过节点优先级评估子模块为每个从节点计算综合业务优先级权重，ftype、fact、fevent分别代表业务类型因子、基于过去20个超帧数据上报频率统计的历史活跃度因子、基于过去24小时事件触发记录的事件响应因子，通过时隙分配表生成子模块将所有从节点按pbw降序排列形成优先级队列，将nslot_min个周期性上报时隙均匀划分为r个区段，每个区段按优先级队列顺序依次分配时隙编号；

30、双信道负载均衡子模块以每个超帧为统计窗口，分别计算hplc信道与无线信道的综合负载指数cl：

31、；

32、其中，q为当前信道队列待发送数据包数量，qmax为队列最大容量，c为当前超帧内信道碰撞次数，cmax为理论最大碰撞次数，per为过去5个超帧的平均误包率；

33、当任一信道的cl指数达到预设触发门限0.75时，启动负载均衡迁移流程，基于过载信道当前负载为clover、该信道上从节点总数为nover以及目标负载，计算需迁移的节点数，选择在该信道上lq<0.70且另一信道lq≥0.60的从节点作为迁移候选项，主节点向各待迁移节点下发信道迁移指令，在3个超帧周期内完成均衡收敛，迁移完成后若连续3个统计窗口内两信道cl指数均低于0.675，则记录当前均衡参数作为当前台区的优化基准。

34、进一步的，所述业务通信与事件处理模块，包括以下步骤：

35、基于从节点内部的异常检测模块实时监测运行状态，当检测到异常事件时，对异常事件进行四级分类编码，包括p0级、p1级、p2级、p3级，分别代表紧急事件、重要事件、一般事件、提示事件；

36、当多个从节点在同一公共竞争区检测到事件并同时尝试抢占时，通过公共竞争区抢占仲裁子模块按以下仲裁规则处理，确保高优先级事件优先获得信道使用权：

37、当多个从节点在同一公共竞争区发生事件上报冲突时，比较事件编码etype，编码值小者优先级高，存在多个p0级事件冲突时进一步比对综合业务优先级权重pbw，选择综合业务优先级权重pbw高者优先，当pbw相同时比较节点标识号slaveid，以节点标识号小号优先；

38、对于非p0级事件，计算退避窗口，其中wmin=8个时隙单位，etype代表事件类型编码值，rand(0,wmin)为0到wmin之间的均匀分布随机整数；

39、当同一时刻hplc公共竞争区和无线公共竞争区均存在抢占请求，主节点根据两个竞争区的当前负载状况进行分流裁决，通过计算各竞争区的当前队列长度qhplc和qrf，当qhplc＜qrf则将当前抢占请求分配至hplc竞争区，当qhplc＞qrf则将当前抢占请求分配至无线竞争区，若qhplc=qrf，则按从节点的主用信道归属进行分配，将主用hplc的节点分配至hplc竞争区，主用无线的分配至无线竞争区，被分流至非主用信道的抢占请求，从节点通过备用信道完成上报，当抢占尝试超过最大重试次数仍未成功，则该事件标记为延迟上报并在下一周期性时隙强制插入；

40、通过上下行通信与任务调度子模块执行非对称双向联动机制，以进行上行方向从节点的主动数据上报和下行方向主节点的即时命令下发。

41、进一步的，所述通过上下行通信与任务调度子模块执行非对称双向联动机制，以进行上行方向从节点的主动数据上报和下行方向主节点的即时命令下发，包括以下步骤：

42、上行方向采用从节点主动上报机制，从节点在到达预分配的上报时隙时，主动将待上报数据通过主用信道发送至主节点，从节点以采集周期tsample完成电能量数据的采集和本地存储后，在到达预分配的周期性上报时隙时，从节点从休眠状态唤醒，执行以下发送流程：

43、从节点将待上报数据按apdu格式封装，最大长度256字节，帧结构中包含：从节点的节点标识号slaveid、帧序号seqno、采集时刻时间戳、数据类型标识、数据有效载荷以及crc校验，从节点通过主用信道发送数据帧至主节点，主节点在成功接收到数据帧后，在200ms内回复ack确认帧，当从节点在200ms内未收到ack，则在下一个可用时隙执行重传，当执行重传达到最大重传次数且均失败时，从节点将该数据标记为待延迟上报，在下一周期性时隙中再次尝试，同时通过物理通信与链路质量管理模块触发主用信道的lq重新评估，同时当从节点检测到异常事件时，按照分级策略执行抢占式上报；

44、下行方向采用即时下发机制，主节点执行任务优先级分级并执行下发流程，其中分级包括dp0级紧急控制类、dp1级参数更新类、dp2级查询召测类，主节点接收到下行任务后，选择目标从节点当前lq评分最高的信道作为下发信道，在下一时隙边界发送即时命令帧，帧内包含目标slaveid、命令类型编码、命令参数、命令序号cmdseq、超时时间tcmd、crc校验，从节点在下行监听时隙检测到发往本节点的命令后立即唤醒执行，执行结果通过下一可用上行时隙返回主节点。

45、进一步的，所述网络管理与拓扑优化模块，包括以下步骤：

46、主节点上电后以周期tbeacon=500ms通过hplc与无线双信道同步广播组网信标，其中信标包含主节点标识masterid、网络版本号及双信道工作参数；

47、从节点上电后进入双信道监听状态，在任一信道上连续收到3个有效组网信标后，选择rssi不低于-85dbm的信道发送入网请求帧，其中帧内包含从节点64位硬件标识deviceid、协议版本号及双信道能力声明，主节点在收到入网请求后的下一个信标周期内回复入网确认帧，为从节点分配16位逻辑地址，调用lq评分算法完成主备用信道决策，并将决策结果及初始时隙分配信息一并封装于入网确认帧中下发，从节点收到后完成入网并进入同步状态；

48、主节点维护从节点状态表时，记录各节点的最后通信时间及连续未上报超帧计数，当从节点连续3个超帧周期未进行任何数据上报或响应，则判定为离线状态，执行以下处理：

49、通过双信道分别发送重激活命令，各间隔1个超帧连续发送3次，若无响应则查询该节点周边邻居节点并通过邻居节点发送中继探测请求以确认目标节点是否处于通信盲区，若上述尝试均失败，则将该节点标记为离线，回收其占用的时隙资源并上报告警至采集主站；

50、对弱覆盖区域节点执行拓扑优化，包括中继节点候选选择、中继路径评估以及中继配置下发。

51、进一步的，所述对弱覆盖区域节点执行拓扑优化，包括中继节点候选选择、中继路径评估以及中继配置下发，包括以下步骤：

52、当物理通信与链路质量管理模块判定从节点处于lqhplc<0.40且lqrf<0.40的弱覆盖区域时，对弱覆盖区域执行拓扑优化：

53、从当前从节点的物理邻近区域选择lq评分≥0.75的从节点作为中继候选节点，完成中继节点候选选择，主节点向候选中继节点发送探测指令，要求其转发探测帧至弱覆盖目标节点，测量转发成功率和往返时延，选择成功率最高、时延最小的路径作为中继路径，完成中继路径评估；

54、主节点向弱覆盖节点和中继节点同时下发中继配置指令，将弱覆盖节点的通信模式切换为中继模式，其数据通过中继节点转发至主节点，中继节点在自身的时隙分配中额外承担转发任务，转发时隙由主节点在时隙分配表中额外分配，完成中继配置下发。

55、进一步的，所述终端功耗与休眠控制模块，包括以下步骤：

56、包括休眠调度模块、唤醒接收模块，其中休眠调度模块位于从节点内部，根据本地缓存的时隙分配表维护唤醒时刻列表，列表包含每个超帧内分配给本节点的r个周期性上报时隙起始时刻以及每个超帧内分配给本节点的下行监听时隙起始时刻，在非唤醒时段从节点进入深度休眠状态；

57、唤醒接收模块以低功耗周期性开启，其中开启周期与超帧时隙对齐，检测信道上的前导码信号，当通过匹配前导码中的目标地址短标识检测到发往本节点的信号时，唤醒接收模块触发主接收机电路上电，进入完整的数据接收状态，当未检测到有效信号，则立即返回休眠状态。

58、基于双模异构并行的用电信息采集非对称双向通信方法，包括以下步骤：

59、s1、通过hplc子模块、无线子模块以及双信道并行收发管理器，以在主节点与从节点之间同时建立和维护hplc电力线载波通信链路与微功率无线通信链路，基于上报的双信道实时监测数据对各从节点在两个信道上的链路质量进行评估，据此决策每个从节点的主用信道和备用信道，并进行快速切换；

60、s2、通过时间同步信标广播子模块以及节点优先级评估子模块，建立全网主从节点之间的时间同步，同时为每个从节点在hplc信道和无线信道上分别分配专用的上报时隙和下行监听时隙，通过双信道负载均衡机制动态调整各信道上的节点分布；

61、s3、针对从节点检测到的各类异常事件，对各类异常事件进行分类分级、优先级编码以及在公共竞争区的抢占仲裁，执行主动上报与即时下发的非对称双向联动机制，进行上行方向从节点的主动数据上报和下行方向主节点的即时命令下发；

62、s4、执行网络初始化以及从节点入网管理，基于各节点的最后通信时间及连续未上报超帧计数识别离线节点，对弱覆盖区域节点执行拓扑优化，同时通过眠调度模块、唤醒接收模块，控制从节点的时隙化休眠与唤醒调度，在非工作时隙控制从节点进入低功耗休眠状态，在预分配的周期性上报时隙和下行监听窗口期间唤醒工作

63、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

64、在本发明中，通过四维度链路质量量化评分算法，融合rssi、snr、per及风暴系数，实现了对双信道质量的客观自动化评估，提高了使用过程中系统的信道最优选择率，配合双信道并行下发以在电力线阻抗突变等信道恶化场景下，实现业务层面的零感知无损切换；

65、在本发明中，通过四级事件分类编码与公共竞争区抢占仲裁算法，使从节点在检测到不同级别的异常事件时，能够依据优先级自主发起主动上报，尤其是针对停电、设备故障等紧急事件，可抢占信道资源快速完成上报告警，使得主站系统能够第一时间感知现场异常，进而启动故障隔离、快速复电等处置流程，相比传统轮询模式，显著降低了各类事件的上报时延；

66、在本发明中，基于业务优先级的超帧时隙动态分配算法以及基于cl指数的双信道负载均衡机制，确保不同优先级业务都能获得对应的通信资源保障，避免因节点数增多或采集频率提高导致的信道饱和，根据业务流量的实时变化，自动将部分节点从过载信道迁移至轻载信道，实现双信道资源的高效协同利用，提升信道资源利用率；

67、在本发明中，通过主动上报、即时下发的非对称双向联动机制，将上行周期性采集业务与下行实时控制业务在时间资源和物理信道上进行分割与分流，保证大量上行数据的有序上报，且让紧急控制命令能够在下行方向获得即时响应的通道资源；

68、在本发明中，通过时隙化通信架构使从节点在非工作时隙可进入低功耗休眠状态，仅在分配的周期性上报时隙，从节点在非工作时隙仅保留极低功耗的唤醒定时模块，仅在专属的通信时隙短暂唤醒工作，其余绝大部分时间处于深度休眠状态，提高了续航能力。