[发明专利]一种即用式在线监测实现系统及方法

摘要

本发明提供一种即用式在线监测实现系统及方法，包括在线监测节点、无线通讯网关和控制软件系统；控制软件系统用于通过所述无线通讯网关对各个所述在线监测节点采用动态加密方法进行连接安全验证，包括采集参数密匙和指令密匙，提高数据通信的安全性。在线监测节点包含采集器、数据转换模块、前置缓存、处理器、通讯缓存、无线传输模块、电池系统和复位电路。优点为：能够对变电站、供电台区内电力设备的健康状况进行实时监测，实现在线监测的即装即用；通过在现场快速搭建信息采集设备，实现电力设备的远程实时监控，提高系统运行效率，降低人力物力，节省成本，具有布置速度快、系统组网灵活、低成本、低功耗、可扩展性强等优点。

主权项

1.一种基于即用式在线监测实现系统的即用式在线监测实现方法，其特征在于，即用式在线监测实现系统包括在线监测节点、无线通讯网关和控制软件系统；/n所述在线监测节点包括多种独立数据采集类型的在线监测节点，分散布置于被监测点；所述在线监测节点为即装即用的在线监测节点，每个在线监测节点具有独立的数据采集、数据分析和通讯功能；/n在线监测节点用于电力信息采集，具有独立采集、数据分析、无线通讯功能；在线监测节点均内置电源，无需外接电源；户外在线监测节点需采用防腐蚀密封设计；无线通讯频率433MHz；采用无线空中唤醒、休眠侦听方式降低功耗；/n具体的，在线监测节点包括多种独立数据采集类型的在线监测节点，分散布置于被监测点，对电力设备进行信息采集；每种在线监测节点上挂接了一个不同类型的采集器，包括电压、电流、电能质量、温度、湿度、有害气体、噪声、红外、紫外、覆冰厚度、485接口、位置信号、电力设备接口数据信息；在线监测节点采集在线监测节点数据；使用时可以挂接在线监测节点实现不同的电力信息采集功能；在线监测节点为即装即用的在线监测节点，每个在线监测节点具有独立的数据采集、数据分析和通讯功能；/n所述无线通讯网关采用TG-Inwicos通讯组网技术实现电力无线组网监测，实现多频段、多地址在线监测节点的接入；/n无线通讯采用星型网络结构实现各个在线监测节点与控制软件系统之间的双向交互，无线通讯网关可以兼容多类型监测数据、多频段的在线监测节点，无线通讯网关采用TG-Inwicos通讯组网技术，实现较大范围的电力无线组网监测，实现多频段、多地址在线监测节点的接入；/n系统采用星型网络结构，控制软件系统通过无线通讯网关同各个在线监测节点进行信息的双向交互；/n所述控制软件系统用于通过所述无线通讯网关对各个所述在线监测节点采用动态加密方法进行连接安全验证，在验证通过后，与所述在线监测节点建立有效连接，实现在线监测节点的即时接入；然后，所述控制软件系统配置各个所述在线监测节点的工作参数，接收各个所述在线监测节点上传的采集数据，并对所述采集数据进行分析、数据展示和数据监视预警；/n所述控制软件系统用于实现软件系统配置、数据展示、数据分析、数据监视预警和数据管理功能；所述控制软件系统包括：系统配置子系统、采集子系统、监控配置子系统、监控子系统和管理子系统；/n控制软件系统安装于服务器上，通过无线通讯网关实现与在线监测节点的通讯控制，控制软件系统采用更为扁平化的接入方式，实时侦听在线监测节点接入情况；控制软件系统包含数据记录、管理、预警设置、报表生成功能；包含软件监控界面，具有编辑操作界面的图形，编辑各个监测节点的数据类型、告警上下限、显示值功能；/n控制软件系统用于通过无线通讯网关对各个在线监测节点采用动态加密方法进行连接安全验证，在验证通过后，与在线监测节点建立有效连接，实现在线监测节点的即时接入；然后，控制软件系统配置各个在线监测节点的工作参数，接收各个在线监测节点上传的采集数据，并对采集数据进行分析、数据展示和数据监视预警；/n控制软件系统通过无线通讯网关，对在线监测节点的工作频段，433MHz至480MHz频段进行扫描，发现在线监测节点后，控制软件系统通过无线通讯网关与在线监测节点通过动态加密算法，包括采集参数密匙和指令密匙进行验证，验证通过后建立通讯链接，实现在线监测节点的即时接入；/n所述系统配置子系统包括系统配置模块、关联设置模块和数据管理模块；/n系统配置子系统主要功能是配置中心、数据采集节点和通讯口的各类基本参数信息以及相互之间的关联信息；按照系统功能划分，包括系统配置模块、关联设置模块和数据管理模块；/n所述系统配置模块，用于配置各个在线监测节点的基础参数，包括：监测区域的分区划分、变电站属性、在线监测节点的地理位置和在线监测节点所属变电站；/n所述关联设置模块，用于定义控制软件的模拟量采集通道、开关量采集通道与在线监测节点的关联关系；/n所述数据管理模块，用于生成系统配置安装报表、导入与备份系统配置数据以及对在线监测节点采集数据的整理；/n所述采集子系统用于实现对在线监测节点的数据采集、数据分析、数据保存和数据浏览功能；所述采集子系统包括通信口及在线监测节点采集模块、在线监测节点数据缓冲区、数据分析模块、上层通讯模块、本地数据库和运维人员界面模块；/n所述通信口及在线监测节点采集模块，用于利用多线程技术对多个通信口进行并发访问，完成对在线监测节点的快速轮巡采集；/n所述在线监测节点数据缓冲区，用于保存在线监测节点实时上传的实时数据，保证数据浏览的实时性和告警的迅速上报；/n所述数据分析模块，用于对控制软件系统的运行状态进行分析以及对各个在线监测节点的状态进行分析，进而保证系统长期稳定运行；/n所述上层通讯模块，用于通过TCP/IP接入整个监测系统；将告警数据、变化数据、统计数据和实时数据传送给监控子系统或本地数据库；监控子系统的命令通过所述上层通讯模块传输给所述采集子系统；/n所述本地数据库，采集子系统所配置的通信口、在线监测节点、采集通道全部保存在本地数据库中的不同数据表中；本地数据库根据配置需要保存一定时间的数据，保存时间以外的数据自动删除并维护数据表格；/n所述运维人员界面模块，用于提供监测数据的实时查询界面和历史查询界面，以及提供任意采集通道的数据，提供在线监测节点的采集信息，包括采集次数和采集故障次数；/n所述监控配置子系统，用于为系统配置层次化的可视化图形监控界面，包括监控元素的配置模块、界面元素的配置模块和拓扑结构的配置模块；/n所述监控元素的配置模块，用于实现区域、局站的配置，逻辑组的配置，设备的配置和参数的配置，其中参数使用组件配置包括湿度、温度、SF6、开关位置，由此生成监控子系统的监控层次；/n所述界面元素的配置模块，用于提供图文元素配置友好的应用系统界面，具体包括：文本的配置，线条的配置，图片的配置，立体线、面板和分组框的配置；/n所述拓扑结构的配置模块，用于实现系统拓扑结构的配置；/n所述监控子系统，用于以图形、列表、文字、仿真控件多种形式将被监控设备的运行参数展现在运维人员面前，进而使监控系统运维人员实时监测设备的运行状况，及时提示设备的告警，迅速地对设备进行遥控；监控子系统还具有快捷的浏览方式、告警预设、在线告警、信息记录回放系统功能；所述监控子系统包括监控界面模块、控制设备模块、操作设备模块、在线调整设备参数模块和告警处理模块；/n所述监控界面模块，用于实时地以多种显示方式提供运维人员浏览设备的参数运行情况，方便运维人员从整体上了解监控设备的运行状况；当中心监控区的图标被单击时，进入设备监控区；在设备监控区中，显示在线监测节点实时发回的数据，并形成曲线图形；在监控设备的仿真图形的周围排放着以文字、刻度、时间周期、曲线方式显示的在线监测节点数据；当需在同一界面上浏览更多数据时，左键右击鼠标选择添加在线监测采集节点，即可弹出在线监测采集节点浏览窗口进行选择；/n所述控制设备模块，用于提供给运维人员设备接入和命名功能，运维人员为配置好的在线监测节点设置访问名称、告警预设值；/n所述操作设备模块，用于自动记录在线监测数据，当设备有告警时，用鼠标右键单击告警信息，显示告警的设备名称、超限值、超限时刻信息；/n所述在线调整设备参数模块，用于调阅远程局站上的每个采集通道的配置信息，并在监控平台上修改设备参数的配置信息，进而在线调整设备参数；/n所述告警处理模块，实现告警窗口自动弹出、告警消除、告警光提示、告警声提示、告警响应的功能；/n所述管理子系统采用Windows XP操作系统，使用CLIENT/SERVER开发工具，管理子系统配合控制软件系统，实现智能辅助控制系统的各项管理、维护工作，包括系统管理模块、告警管理模块和报表管理模块；/n所述系统管理模块，用于系统的安全性管理，包括运维人员管理、权限管理以及系统日志查询三个部分；在运维人员管理中，可注册新运维人员，定义运维人员的有效时间，分配运维人员权限，划分运维人员组；在权限管理中，用于设置权限级别以及分解权限；系统日志查询用于系统历史数据查询、回看；/n所述告警管理模块，用于告警的屏蔽设置、时延设置、告警记录查询、告警统计分析、告警分时分析；具体用于变电站间告警量的比较分析、不同类型不同设备不同时间的告警统计、某设备的告警趋势分析、某类型设备的告警趋势分析；/n所述报表管理模块，用于各类报表配置以及报表的统计及打印工作；/n即用式在线监测实现方法包括以下步骤：/n步骤1，控制软件系统对整体在线监测系统的拓扑结构进行配置；对于从来没有接入过的在线监测节点，控制软件系统对在线监测节点的基础参数进行初始化配置，一方面，所述控制软件系统保存所述在线监测节点的基础参数；另一方面，所述控制软件系统将所述基础参数存入对应的所述在线监测节点；其中，所述基础参数包括在线监测节点地址、数据采集类型、数据采集频率、通讯频率、数据上传方式、帧头信息以及时标初始值；/n步骤2，控制软件系统通过控制无线通讯网关，对在线监测节点的工作频段进行扫描，当扫描到待加入的某个在线监测节点时，控制软件系统采用动态加密方法对在线监测节点进行安全性验证，如果通过验证，则与在线监测节点建立通讯链接，实现在线监测节点的即时安全接入；否则，拒绝在线监测节点的加入；/n其中，安全性验证方式包括采用采集参数密匙进行安全性验证的方法，以及采用指令密匙进行安全性验证的方法；/n所述采用采集参数密匙进行安全性验证的方法，包括以下步骤：/n步骤2.1，在线监测节点预存储基础参数；所述在线监测节点按照配置的数据采集频率实时采集到一定长度的实时监测数据；所述在线监测节点对所述实时监测数据进行处理，按采样先后顺序从所述实时监测数据中提取多个特征数据组成采集参数密匙；/n然后，所述在线监测节点将所述采集参数密匙发送给所述控制软件系统；/n步骤2.2，所述控制软件系统对所述采集参数密匙进行分析，识别出在线监测节点的数据采集类型；/n步骤2.3，然后，所述控制软件系统比对步骤2.2识别到的数据采集类型是否与预存储的该在线监测节点对应的数据采集类型相一致，如果一致，则通过安全验证；否则，拒绝通过安全验证；/n所述采用指令密匙进行安全性验证的方法，包括以下步骤：/n步骤2.1，控制软件系统确定在线监测节点是否为首次接入，如果为首次接入，执行步骤2.2；如果为非首次接入，执行步骤2.3；/n步骤2.2，在线监测节点通过读取所述基础参数，获得数据采集频率、通讯频率、数据上传方式、在线监测节点地址、帧头信息以及时标初始值；然后，所述在线监测节点将数据采集频率、通讯频率和数据上传方式组合形成固有参数；将在线监测节点地址、帧头信息以及时标初始值组合形成协议报文控制字；/n所述在线监测节点将所述固有参数和所述协议报文控制字组合形成指令密匙，并将所述指令密匙发送给所述控制软件系统；/n所述控制软件系统比对所述指令密匙中的各个参数以及本地存储的在线监测节点对应的相关参数，如果二者一致，则通过安全验证；否则，拒绝通过安全验证；/n步骤2.3，对于非首次接入的在线监测节点，在线监测节点和所述控制软件系统均存储最近一次的用于配置在线监测节点的基础配置参数以及最近一次的监测数据；其中，所述基础配置参数包括在线监测节点地址、数据采集类型、数据采集频率、通讯频率、数据上传方式以及帧头信息；所述在线监测节点和所述控制软件系统均对所述最近一次的监测数据进行分析，各自提取到最近一次的采样时标信息；/n然后，在线监测节点通过读取所述基础配置参数，获得数据采集频率、通讯频率、数据上传方式、在线监测节点地址以及帧头信息；然后，所述在线监测节点将数据采集频率、通讯频率和数据上传方式组合形成固有参数；将在线监测节点地址、帧头信息以及自己提取到的最近一次的采样时标信息组合形成协议报文控制字；/n所述在线监测节点将所述固有参数和所述协议报文控制字组合形成指令密匙，并将所述指令密匙发送给所述控制软件系统；/n所述控制软件系统比对所述指令密匙中的各个参数以及本地存储的在线监测节点的基础配置参数和自己提取到的最近一次的采样时标信息，如果二者一致，则通过安全验证；否则，拒绝通过安全验证；/n步骤3，对于通过安全验证的在线监测节点，采用休眠侦听方式与所述控制软件系统进行数据交互，具体过程为：/n在线监测节点包含采集器、数据转换模块、前置缓存、处理器、通讯缓存、无线传输模块、电池系统和复位电路；在线监测节点实时侦听是否存在控制软件系统下发的控制命令或数据请求命令，如果没有侦听到，则在线监测节点处于休眠侦听模式，使处理器和无线传输模块处于休眠状态；如果侦听到，在线监测节点随即进入工作模式，唤醒处理器和无线传输模块，执行控制软件系统所下达的命令；在执行完成控制软件系统所下达的命令后，如果达到规定时间没有新命令下发时，在线监测节点转入休眠状态；/n采集参数密匙由在线监测节点实时采集的数据动态生成，每一种类型的在线监测节点具有唯一的采集数据类型，在线监测节点投入使用的时候，在线监测节点内部处理器按照一定周期提取所采集数据，并按照一定的顺序和逻辑关系生成特征值，按照约定方式抽取特征值的数据段生成采集参数密匙；而每个在线监测节点的采集参数类型预先存储在控制软件系统中，因此，控制软件系统基于采集参数类型进行安全性验证；/n以电流信号为例，频率50Hz、正玄波信号为电流信号的特征，在线监测节点按照每秒6400个点的频率从电流信号采集节点提取数据生成特征值，并随机截取128个数据作为采集参数密匙；控制软件系统接收到采集参数密匙后，按照电流信号采集节点密匙校验方式进行安全验证，验证方式为：第n个数据和第n+64个数据进行比较，绝对值近似相则可推断该采集参数类型为正玄波信号，从而识别到密匙正确；/n由于指令密匙由在线监测节点内部固有参数和协议报文控制字生成；固有参数是每一种类型的在线监测节点的采集频率、通讯频率、数据上传方式参数，该参数为控制系统软件最后一次成功配置在线监测节点的参数，因每次在线监测节点使用后固有参数会存在一定差异，所以具有一定的随机性，可用于安全验证；/n协议报文控制字包含在线监测节点地址、时标、帧头，每个采集的数据都带有时标，即采集时刻数据字段，因为时标为随机性参数，所以密匙会具备随机性，可用于安全验证；/n将固有参数和协议报文控制字按照一定的顺序进行提取和混合，生成指令密匙；/n同时因为控制软件系统保存了该在线监测节点最后一次成功配置在线监测节点的参数和报文控制字，因此，可以生成相同的指令密匙，通过比较的方式即可验证在线监测节点密匙的正确性；/n在线监测节点为了降低功耗，大部分时间处于休眠状态，此时段处理器和无线传输模块处于休眠侦听模式，当侦听到控制软件系统下发的控制命令或数据请求命令的时候，在线监测节点随即进入工作模式，执行控制软件系统所下达的命令；执行完成控制软件系统所下达的命令后20秒，无新命令下发，处理器和无线传输模块即进入休眠侦听模式；/n在线监测节点采集数据并发送的过程为：在线监测节点内部的采集器采集到原始信号后，经过内部采集器进行信号调理和数据转换，根据预先设置的采样速率采样进行数模转换，转换后的数据按照顺序堆栈入数据缓存内部；在线监测节点内的处理器根据控制软件系统下发的采样速率从前置缓存读取数据，进行运算处理和和加密处理，并将结果存放入无线传输模块对应的通讯缓存；无线传输模块计算信道占用情况、信号强度，按照适合的通讯速率向无线通讯网关发送数据。/n