一种低压智能开关网络拓扑结构系统及其构建方法

1.本发明属于低压配电自动化技术领域，具体是一种低压智能开关网络拓扑结构系统。


背景技术：

2.由于我国低压配电网结构较复杂，进而出现了较多线路故障的监控问题。如因用户家中发生短路故障时，本应由用户家中空气断路器切除故障，但由于空气断路器选型不规范(如选用额定电流较大的空气断路器)，故障时用户家中空气断路器未动作，而上级线路保护被触发造成跳闸，扩大故障停电范围。
3.就目前市面上低压智能开关而言，大体分为单火线开关和零火线开关两种。零火线智能开关的设计比较简单，直接通过一个低压智能开关系统c-dc电源从零火线取电给后端控制通信模块供电，控制方式简单，开关布线相对比较复杂。单火线智能开关需结合单火线电源模块搭建智能供电系统，单火线电源模块提供稳定输出电压，保证后端控制系统正常工作。但市面上的低压智能开关无法有效监控和解决低压配电网线路故障的问题，也无法实现其网络拓扑结构的自构建，不适合用于远程低压配电网监测与控制。


技术实现要素：

4.为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种低压智能开关网络拓扑结构系统，有效控制和解决低压配电网线路故障的问题，保证供电的稳定性；同时实现低压智能开关网络拓扑结构的自构建，适用于远程低压配电网监测与控制。
5.本发明所采取的技术方案是：
6.一种低压智能开关网络拓扑结构系统，包括呈树型拓扑结构设置的一低压智能开关云服务器、若干个嵌入式网关系统及若干个低压智能开关系统；
7.每个所述嵌入式网关系统与所述低压智能开关云服务器通信连接；
8.每个所述低压智能开关系统设置有若干个开关节点，所述开关节点之间呈树型拓扑结构设置，第一层的所述开关节点与其相对应的所述嵌入式网关系统通信连接；
9.所述低压智能开关系统包括依次连接的过流检测模块、电力载波网络状态及信号检测模块、按键扫描处理模块、液晶屏显示模块、载波通信接收命令处理模块和模拟量检测与处理模块；
10.所述嵌入式网关系统包括依次连接的过流检测模块、电力载波网络状态及信号检测模块、液晶屏显示模块、载波通信接收命令处理模块、模拟量检测与处理模块、物联网状态监测模块及物联网命令解析与转发模块。
11.进一步地，所述嵌入式网关系统内存储有呈环形链式结构的网关数据，所述环形链式结构的链表主体上存储有两个指针，其分别指向于开关节点的mac地址信息及链表信息。
12.进一步地，所述mac地址信息包括第一层的所述开关节点的父节点及其所有子节
点的位置编码信息。
13.进一步地，所述嵌入式网关系统与所述低压智能开关云端服务器之间采用nb-iot方式进行通信连接。
14.进一步地，所述低压智能开关系统与所述嵌入式网关系统采用电力载波方式通信连接。
15.进一步地，所述开关节点与开关节点之间采用电力载波方式通信连接。
16.本发明所采取的另一个技术方案是：
17.一种低压智能开关网络拓扑结构的自构建方法，包括具体包括以下步骤：
18.s1、将低压智能开关系统中的第一层若干个开关节点分别与其相对应的嵌入式网关系统通信连接，再将每个所述嵌入式网关系统分别与低压智能开关云服务器通信连接，以形成原始的一种低压智能开关网络拓扑结构系统；
19.s2、当某个新开关节点接入原始的一种低压智能开关网络拓扑结构系统时，低压智能开关云服务器发送信息至若干个嵌入式网关系统，若干个嵌入式网关系统及该新开关节点接收来自所述低压智能开关云服务器的信息，而后低压智能开关云服务器不发送任何信息；
20.s3、在若干个嵌入式网关系统里找出最大瞬时信噪比的嵌入式网关系统，将其作为最优中继嵌入式网关系统；
21.s4、该新开关节点向对应的最优中继嵌入式网关系统上报入网接入申请指令；
22.s5、最优中继嵌入式网关系统发送入网信息查询指令至该新开关节点，该新开关节点向周边的若干个开关节点发送查询新开关节点的父节点指令；
23.s6、周边的若干个开关节点接收到查询新开关节点的父节点指令，查询并确认新开关节点的父节点后自动更新该新开关节点的mac地址信息；
24.s7、最优中继嵌入式网关系统根据若干个开关节点发送的父节点的入网信息确认消息，确认判断该新开关节点挂在确认后的父节点下是否合规：若合规，则最优中继嵌入式网关系统对其对应的低压智能开关系统中所有开关节点更新的位置编码信息进行处理并自动更新低压智能开关系统网络拓扑结构；若不合规，则重复步骤s2～s7；
25.s8、将最新形成的低压智能开关系统网络拓扑结构信息通过最优嵌入式网关系统上传至低压智能开关云服务器，以实现低压智能开关系统网络拓扑结构的构建。
26.进一步地，还包括中继节点的选取，其具体过程如下：第一层的i个开关节点和嵌入式网关系统直接通信，第二层的j个开关节点与第一层关联的开关节点转发数据和嵌入式网关系统间接通信，即需要通过一级中继节点实现数据交换；第三层的k个开关节点通过第一层及第二层关联的开关节点和嵌入式网关系统间接通信，即通过二级中继节点实现数据交换；各层依此类推，第n层的m个开关节点通过第一层、第二层、第三层......第(n-1)层关联的开关节点和嵌入式网关系统间接通信，即通过(n-1)级中继节点实现数据交换。
27.进一步地，所述新开关节点的接入流程具体如下：1)嵌入式网关系统收到该新开关节点的入网接入申请后，嵌入式网关系统采用动态内存分配函数申请一个包括数据指针、链表指针及该新开关节点的mac地址信息的内存空间；2)将新开关节点的mac地址信息放置于该内存空间并接入至环形链式结构中形成新的网关数据，以实现新开关节点的入网接入。
28.本发明的有益效果是：
29.1)本发明的系统占用内存小，构建方法灵活性及鲁棒性高；
30.2)本发明解决开关节点接入低压智能开关系统时的定位问题，；
31.3)通过电力载波通信模块mac地址为低压智能开关系统提供准确的定位特征信息，当增加开关节点时，通过筛选出最优中继嵌入式网关系统，而后根据开关节点接入情况选择最优中继路径，并自构建网络拓扑结构，及时有效解决低压配电网故障问题，保证低压配电网的正常运行。
附图说明
32.图1是本发明中的低压智能开关网络拓扑结构系统示意图；
33.图2是本实施例2中低压智能开关系统的二级中继开关节点的通信流程示意图；
34.图3是本实施例2中低压智能开关系统的二级中继开关节点的网络拓扑结构维护流程示意图；
35.图4是本发明中低压智能开关系统的软件流程图；
36.图5是本发明中嵌入式网关系统的软件流程图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
38.需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.实施例1
40.如图1所示，一种低压智能开关网络拓扑结构系统，包括呈树型拓扑结构设置的1个低压智能开关云服务器、g个嵌入式网关系统及g个低压智能开关系统，每个所述低压智能开关系统设置有nm个开关节点，其中n为层级，m为每层级的开关节点个数；所述开关节点之间呈树型拓扑结构设置，即每个所述低压智能开关系统中的第一层开关节点1i(i＝1,2,3,......g)与其相对应的所述嵌入式网关系统直接通信连接；每个所述低压智能开关系统中的第二层所述开关节点2j(j＝1,2,3，.....，j≦m)与开关节点1i直接通信连接，依次类推，每个所述低压智能开关系统中的第n层开关节点nm与第(n-1)层相对应的开关节点直接通信连接；
41.每个所述嵌入式网关系统均与所述低压智能开关云服务器通信连接；
42.所述低压智能开关系统包括依次连接的过流检测模块、电力载波网络状态及信号检测模块、按键扫描处理模块、液晶屏显示模块、载波通信接收命令处理模块和模拟量检测与处理模块；
43.所述嵌入式网关系统包括依次连接的过流检测模块、电力载波网络状态及信号检测模块、液晶屏显示模块、载波通信接收命令处理模块、模拟量检测与处理模块、物联网状态监测模块及物联网命令解析与转发模块；
44.其中，过流检测模块，其内部设置有定时器，用于检测系统中的电流状态是否处于过流状态；电力载波网络状态及信号检测模块，用于对系统网络状态的判断以及信号处理；按键扫描处理模块，用于识别按键是否按下以实现不同的功能；液晶屏显示模块，用于显示系统中多个参数；载波通信接收命令处理模块，用于接收及解析系统传来的命令并做出响应；模拟量检测与处理模块，用于检测及处理电压、电流、按键等模拟量；物联网状态监测模块，用于监测无人值守变电站房中的物联网设备；物联网命令解析与转发模块，用于解析和转发无人值守变电站房中的物联网设备的相关数据。
45.实施例2
46.如图1所示，一种低压智能开关网络拓扑结构的自构建方法，包括具体包括以下步骤：
47.s1、将低压智能开关系统中的第一层若干个开关节点分别与其相对应的嵌入式网关系统通信连接，再将每个所述嵌入式网关系统分别与低压智能开关云服务器通信连接，以形成原始的一种低压智能开关网络拓扑结构系统；
48.s2、当某个新开关节点接入原始的一种低压智能开关网络拓扑结构系统时，低压智能开关云服务器发送信息至若干个嵌入式网关系统，若干个嵌入式网关系统及该新开关节点接收来自所述低压智能开关云服务器的信息，而后低压智能开关云服务器不发送任何信息；
49.s3、在若干个嵌入式网关系统里找出最大瞬时信噪比的嵌入式网关系统，将其作为最优中继嵌入式网关系统；
50.s4、该新开关节点向对应的最优中继嵌入式网关系统上报入网接入申请指令；
51.s5、最优中继嵌入式网关系统发送入网信息查询指令至该新开关节点，该新开关节点向周边的若干个开关节点发送查询新开关节点的父节点指令；
52.s6、周边的若干个开关节点接收到查询新开关节点的父节点指令，查询并确认新开关节点的父节点后自动更新该新开关节点的mac地址信息；
53.s7、最优中继嵌入式网关系统根据若干个开关节点发送的父节点的入网信息确认消息，确认判断该新开关节点挂在确认后的父节点下是否合规：若合规，则最优中继嵌入式网关系统对其对应的低压智能开关系统中所有开关节点更新的位置编码信息进行处理并自动更新低压智能开关系统网络拓扑结构；若不合规，则重复步骤s2～s7；
54.s8、将最新形成的低压智能开关系统网络拓扑结构信息通过最优嵌入式网关系统上传至低压智能开关云服务器，以实现低压智能开关系统网络拓扑结构的构建。
55.具体的，所述步骤s3中找出最大瞬时信噪比的嵌入式网关系统具体的过程如下：
56.1)嵌入式网关系统与开关节点工作方式采用半双工通信，嵌入式网关系统频带服从正交频分复用，开关节点调制方式采用mpsk。
57.2)将1个低压智能开关云服务器简化为s，g个嵌入式网关系统简化为ri，nm个开关节点简化为d：当新开关节点接入系统时，嵌入式网关系统ri和开关节点d接收来自s的信息，根据公式(1)和(2)分别得出开关节点d接收到s的信号、嵌入式网关系统ri接收到的信号：为经过中继嵌入式网关系统接收处理后的信息
58.[0059][0060]
其中，sig
sd
、分别为开关节点d、嵌入式网关系统ri接收到低压智能开关云服务器s的信号，ps为低压智能开关云服务器s发射功率，g
sd
、分别为低压智能开关云服务器s发送到开关节点d、嵌入式网关系统ri的信道增益,n
sd
、分别为低压智能开关云服务器s到开关节点d、嵌入式网关系统ri的信道噪声；
[0061]
3)经过中继最优选择策略选出嵌入式网关系统的最优中继r
opt
参与最终协作传输：在g个嵌入式网关系统ri里找出瞬时信噪比最大的嵌入式网关系统作为最优中继r
opt
(opt＝1，2，
…
，m，m≤g)：
[0062][0063][0064]
其中，为开关节点d接收到嵌入式网关系统ri转发的信号，为嵌入式网关系统ri发射功率，为嵌入式网关系统ri到开关节点d智的信道增益，为经过中继嵌入式网关系统ri接收处理后的信号,为嵌入式网关系统ri到开关节点d的信道噪声，为嵌入式网关系统r与开关节点d传输链路中得到的信噪比。
[0065]
4)而后该最优中继嵌入式网关系统r
opt
转发接收到的低压智能开关云服务器s的信号；
[0066]
5)以此最优中继嵌入式网关系统r
opt
作为开关节点的父节点，并获取该父节点mac地址信息，再依据新开关节点mac地址信息，进而实现新开关节点与父节点的网络拓扑结构自构建。
[0067]
具体的，如图2所示，描述的是带二级中继低压智能开关系统的拓扑结构自构建流程图。当新增一开关节点接入系统时，根据开关节点接入情况选择最优中继路径，并自构建网络拓扑结构，具体流程如下：系统工作时，最优嵌入式网关系统ri中继接收到低压智能开关云服务器s检测控制命令时，先对所有开关节点进行直接通信，记录能直接成功通信的开关节点mac地址，作为一级中继；嵌入式网关系统ri再次发命令与剩余开关节点的通信，而后通过每个无中继表给剩余开关节点进行数据交换，并记录能成功与剩余开关节点通信的mac地址和数据交换时间，作为二级中继。如果不同一级中继表与同一开关节点能进行数据交换，则选择数据交换时间最短的路径作为开关节点的最优路由。以此为循环，直到所有开关节点与嵌入式网关系统数据交换成功，开关节点网络拓扑自构建完成。
[0068]
作为本实施的进一步，还包括中继节点的选取，其具体过程如下：第一层的i个开关节点和嵌入式网关系统直接通信，第二层的j个开关节点与第一层关联的开关节点转发数据和嵌入式网关系统间接通信，即需要通过一级中继节点实现数据交换；第三层的k个开关节点通过第一层及第二层关联的开关节点和嵌入式网关系统间接通信，即通过二级中继节点实现数据交换；各层依此类推，第n层的m个开关节点通过第一层、第二层、第三层......第(n-1)层关联的开关节点和嵌入式网关系统间接通信，即通过(n-1)级中继节点
实现数据交换。本实施例中，嵌入式网关系统对低压智能开关系统数据通信与控制过程实际上是父节点对其子节点的遍历轮询。
[0069]
作为本实施的进一步，所述新开关节点的接入流程具体如下：1)嵌入式网关系统收到该新开关节点的入网接入申请后，嵌入式网关系统采用动态内存分配函数申请一个包括数据指针、链表指针及该新开关节点mac地址信息的内存空间；2)将新开关节点接入至环形链式结构中形成新的网关数据，以实现新开关节点的入网接入。
[0070]
本实施例的进一步，由于低压智能开关系统使用的时变性导致低压智能开关系统在构建拓扑结构过程中发生变化，此时需要为部分低压智能开关系统寻找新的路径重新实现拓扑构建即低压智能开关系统拓扑结构维护，如图3所示，带二级中继低压智能开关系统拓扑结构的维护流程具体过程如下：最优嵌入式网关系统ri中继接收到低压智能开关系统云服务器s检测控制命令时，首先按已构建的拓扑结构图进行数据通信，路径已无效的低压智能开关系统将与嵌入式网关系统无法通信，而后嵌入式网关系统一次与所有未通信的低压智能开关系统进行通信，如成功通信则保存新拓扑路径，如果还有未通信的低压智能开关系统，则需将所有通信成功的无中继低压智能开关系统作为剩余低压智能开关系统的一级中继来进行数据通信，如成功通信则保存新的拓扑路径，如果还有未通信的低压智能开关系统，则将所有通信成功的带一级中继低压智能开关系统作为剩余低压智能开关系统的二级中继来进行数据通信，如成功通信则保存新路径；依此类推，直到所有低压智能开关系统通信成功，从而完成低压智能开关系统拓扑结构的维护。
[0071]
本发明的工作原理：通过低压智能开关云端服务器与若干个所述嵌入式网关系统通信连接，用以实现对低压智能开关系统进行远程操控；通过嵌入式网关系统与低压智能开关系统通信连接，用于控制所有开关节点以实现开关节点上传入网申请的处理、开关节点上传数据处理、判断开关节点在网络中的位置及构建整个开关节点网络的拓扑结构。本发明中的系统占用内存小，构建方法灵活性及鲁棒性高；本发明中的构建方法快速查询和处理新开关节点的入网申请命令，从而实现整个系统的网络拓扑结构构建，快速有效解决低压配电网故障问题，保证低压配电网的正常运行。
[0072]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明原理和实质的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。