0  引言

    電網(wǎng)營銷計量通信系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)傳及本地通信系統(tǒng)兩部分組成，本地通信系統(tǒng)是指智能電表到集中器/采集器端，完成電表電能基礎(chǔ)信息的上傳及緩存，一般采用載波、微功率無線等方式靈活組網(wǎng)；遠(yuǎn)傳單元是指將集中器/采集器端到后臺主站，目前主要采用光纖和4G無線傳輸方式，將集中器緩存的信息遠(yuǎn)傳到主站。本地通信基本無實際控制功能，所謂的雙向管控基本由主站統(tǒng)一集中管控，并未將部分權(quán)利下放到本地。由于主站距離電表終端較遠(yuǎn)，且所轄的電表數(shù)量極大，信息處理過程所需時間較長，將所有壓力集中到主站側(cè)，判斷末端運行性能的綜合能力會減弱，因此可考慮分配一部分非重要且對時限要求嚴(yán)格的功能到本地化通信端，能緩解通信網(wǎng)絡(luò)及平臺的壓力。

1  集中器采集方式

    集中器主要采集3種類型數(shù)據(jù)：日凍結(jié)數(shù)據(jù)、全事件采集數(shù)據(jù)、小時曲線數(shù)據(jù)，3類數(shù)據(jù)通過集中器緩存后透傳給主站系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息采集系統(tǒng)日凍結(jié)數(shù)據(jù)采集功能時，對本地通信信道總通信速率要求為20.24 b/s；實現(xiàn)日凍結(jié)數(shù)據(jù)采集功能與全事件采集功能，對本地通信信道總通信速率要求為440.56 b/s；實現(xiàn)日凍結(jié)數(shù)據(jù)采集功能、全事件采集功能與小時曲線采集功能時，對本地通信信道總通信速率要求為2 148.23 b/s。采集計量本地化通信方式目前采用載波通信和無線通信相結(jié)合的方式，無線方式將會逐步替代有線方式。集中器除了透傳和緩存功能外，沒有控制分析功能，當(dāng)電表出現(xiàn)竊電或者故障時，電能數(shù)據(jù)會發(fā)生較大偏差，但也必須傳輸?shù)街髡竞螅ㄟ^主站軟件分析判斷后給出控制動作，往返時延較長，給故障處理造成很大的困擾。

    電力線窄帶載波技術(shù)受電力線的高衰減、低阻抗、諧波干擾、相鄰臺區(qū)載波信號干擾等因素影響，通信距離大幅縮短；由于其帶寬限制，通信速率低且通信信道實時性差、可靠性不高，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；相鄰臺區(qū)載波信號干擾亦嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)采集效果。電力線寬帶載波通信技術(shù)依托于電力線，通信頻段使用2~12 MHz，可分頻段使用，調(diào)制解調(diào)技術(shù)使用OFDM技術(shù)，頻譜利用率高，通信速率為1~10 Mb/s；支持自動快速組網(wǎng)及動態(tài)路由維護(hù)，支持多路徑尋址，最大可支持1 000個節(jié)點組網(wǎng)；節(jié)點支持自動中繼，最大可支持 16級中繼；點對點單跳架空電力線傳輸距離小于5 km，地埋電力電纜小于1 km，通過中繼組網(wǎng)可以覆蓋整個低壓覆蓋區(qū)域；支持白名單功能，解決臺區(qū)信號串?dāng)_問題；支持在線升級與遠(yuǎn)程網(wǎng)管功能。

    微功率無線通信技術(shù)工作于470~510 MHz免申請計量頻段，調(diào)制方式使用FSK，發(fā)射功率不超過50 mW，速率可達(dá)10~100 kb/s。微功率無線通信模塊具備自動組網(wǎng)和路由自動建立功能，無需人工干預(yù)，通信節(jié)點之間能自動建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚申P(guān)系，路由層數(shù)最高達(dá)到7跳8級，工程安裝簡單、組網(wǎng)靈活、容易維護(hù)。使用微功率無線技術(shù)不受實際臺區(qū)線路影響，無臺區(qū)管理概念，可靈活規(guī)劃通信網(wǎng)絡(luò)。但微功率無線技術(shù)容易受環(huán)境干擾，在空曠地區(qū)傳輸距離較遠(yuǎn)，但穿透墻體和建筑物時信號衰減較大。

    電力線窄帶載波技術(shù)已經(jīng)無法滿足用電信息采集系統(tǒng)的現(xiàn)有及未來的應(yīng)用業(yè)務(wù)需求，無線替代有線的方式是未來發(fā)展的必然趨勢。微功率無線通信方式作為末端補盲是首選技術(shù)，230M無線專網(wǎng)技術(shù)不斷成熟和完善，將NB概念融入到230M中，提升230M末端的接收能力。計量通信系統(tǒng)就不需要經(jīng)過幾段式傳輸，一站到底的方式節(jié)省了建設(shè)運維成本，減少了安全風(fēng)險節(jié)點。

2  基于230M無線專網(wǎng)的本地化計量通信

    計量本地化通信雖然具備雙向通道，但實則沒有從集中器直接向下控制電表的信息。針對某些電表簡單故障問題，集中器應(yīng)具備及時控制修復(fù)功能，保證了在最短時間內(nèi)處理故障；針對于應(yīng)急檢修等信息，集中器也應(yīng)具備應(yīng)答能力；如果某個集中器故障，意味著下掛電表信息均不能正常上傳，如一定區(qū)域內(nèi)的集中器可自組織組網(wǎng)，故障集中器業(yè)務(wù)可無縫軟切換到鄰近集中器，修復(fù)后自動歸位。

    根據(jù)未來集中器接入模式發(fā)展形勢需求，230M無線專網(wǎng)盡力向著需求升級優(yōu)化，從終端到核心網(wǎng)管控模式上都應(yīng)作一定調(diào)整。

    （1）深度強覆蓋：230M終端接入數(shù)量有限，230M頻點總帶寬為1 MHz，每個子載波為25 kHz，子載波為40個。由于計量系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)帶寬很小，2 kHz足夠了，因此可制定更小的子載波帶寬，在有限的頻帶下能夠接入更多的終端。NB設(shè)定的是3.75 kHz，滿足帶寬需求。其次采用覆蓋增強技術(shù)，利用多次信道重傳技術(shù)，設(shè)計最小耦合路損值，增加傳輸功率，提升傳輸信號強度，能夠?qū)⑤^隱蔽或干擾較大地方的業(yè)務(wù)全覆蓋。

    （2）基站映射部分核心網(wǎng)功能：由于將過去核心網(wǎng)集中管控轉(zhuǎn)變?yōu)楸镜鼗芸兀緝?nèi)部集成了部分核心網(wǎng)功能，MME、SGW、PGW的功能映射到基站中，基站可對所轄終端進(jìn)行隨機(jī)調(diào)控；通過信令控制集中器間的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，集中器和表計出現(xiàn)故障時，基站將最近距離發(fā)送決策信令，指揮終端下一步自操作。為降低基站設(shè)備功耗，基站內(nèi)并不是重新增加核心設(shè)備模塊，而是采用功能映射方式，降低了重復(fù)建設(shè)成本，也實現(xiàn)了本地化控制功效。

    （3）集中器間自組網(wǎng)：230M無線專網(wǎng)融入物聯(lián)網(wǎng)思想，可實現(xiàn)自組網(wǎng)功能。基站獨立管控多個集中器，集中器間可像傳感網(wǎng)一樣互聯(lián)互通，每個集中器都緩存了部分鄰近集中器的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)同區(qū)域內(nèi)某個集中器故障時，可將下屬資源軟切換到附近的集中器上，并且根據(jù)通道的業(yè)務(wù)質(zhì)量要求保障傳輸不中斷；集中器將故障上傳到主站后再下傳，不耽誤數(shù)據(jù)正常采集。圖1為集中器mesh組網(wǎng)連接拓?fù)鋱D。

    傳統(tǒng)集中器部署由主站集中控制，集中器之間是無法互通信息的，只能通過每個點冗余部署多臺集中器來保障故障時能成功采集信息，集中器故障幾率較小，浪費了大部分資金在空閑集中器上。將基站和所轄集中器結(jié)合起來部署為一個小型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點為基站，集中器間為自組網(wǎng)分布式節(jié)點，形成一個網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點的失效都不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，鄰近節(jié)點會預(yù)先存儲靠近集中器的部分傳輸信息，當(dāng)本節(jié)點故障時可立即切換到信號好的鄰近節(jié)點，基站可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際需求，隨機(jī)調(diào)配集中器間的通信資源，保障網(wǎng)絡(luò)通信的自愈性。

    （4）集中器可獨立控制電表：集中器到電表側(cè)可真正意義上做到雙向互動，將傳統(tǒng)主站下達(dá)控制命令變?yōu)榧衅髦苯酉逻_(dá)控制信息，提升了系統(tǒng)解決問題的效率。保障集中器本地化測量的關(guān)鍵是依靠230M無線通信網(wǎng)絡(luò)的本地化通信和互聯(lián)功能。

3  本地化計量模式分析

    本地化計量的意思是通過集中器來直接管控電表，不需要主站下達(dá)控制命令，這樣部署通信網(wǎng)絡(luò)的好處是能夠及時獲取電表現(xiàn)場運行信息，如果出現(xiàn)故障，可第一時間由集中器下發(fā)控制信息，將電表跳閘或自動重啟，等待主站獲取信息后安排人員現(xiàn)場確認(rèn)維修。新型集中器的組成模塊如圖2所示。

    其中包括存儲模塊、控制模塊、通信模塊、電源模塊、系統(tǒng)管理模塊等。核心控制器可根據(jù)采集線損值、電流、電壓值及時判斷電表運行情況，控制器中存儲有部分主站控制模塊功能，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，集中器和電表間有控制信令的交互，由信令控制動作，啟動電表調(diào)控電路，嚴(yán)重情況下可直接關(guān)閉電表電源，并上傳緊急故障報修信息到主站端，立即安排現(xiàn)場排查人員進(jìn)行檢修。

    在日凍結(jié)數(shù)據(jù)采集、全事件采集基礎(chǔ)上，為了滿足對現(xiàn)場電能表運行情況的監(jiān)控，用電信息采集系統(tǒng)增加了小時曲線數(shù)據(jù)的采集功能。小時曲線數(shù)據(jù)采集功能通過采集終端增加定時任務(wù)，每小時采集一次電能表的實時數(shù)據(jù)，并存儲在采集終端中，用于繪制該電能表不同數(shù)據(jù)項對應(yīng)的曲線。集中器中控制器主要根據(jù)實時采集的小時曲線同本戶正常的分時計量曲線進(jìn)行對比，控制器設(shè)置偏差閾值。不同時段的電量發(fā)生行為曲線是不一樣的，因此會在不同季節(jié)的每小時自適應(yīng)形成用電行為函數(shù)f(t),t={1,2,3,…,24}，函數(shù)初始值根據(jù)輸入的參數(shù)來定值，如圖3所示。

    春夏秋冬四季及當(dāng)天具體時段用戶的用電行為都不一樣，集中器規(guī)劃位置的不同也會有所影響，如城區(qū)和農(nóng)村、小型用戶和專變用戶所產(chǎn)生的用電行為各異，每小時用電行為函數(shù)的初始值根據(jù)以往當(dāng)?shù)氐挠秒娏?xí)慣而制定。判斷函數(shù)閾值選擇為{-a,a}，并將超過閾值的部分值分為3個等級，1等級為電表自調(diào)整，2等級為電表重啟動調(diào)整，3等級立即切斷電表電源，1~3等級級別逐步嚴(yán)重。自適應(yīng)調(diào)控方式減輕了主站系統(tǒng)監(jiān)控壓力，也提升了故障檢修效率。具體的維護(hù)流程如圖4所示。

    （1）根據(jù)電量運行的經(jīng)驗值，在集中器的控制模塊中存儲集中器及電表拓?fù)潢P(guān)系映射圖、集中器所轄電表電量和曲線數(shù)據(jù)，并將每個電表的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計存儲；

    （2）導(dǎo)入量測模型，自適應(yīng)根據(jù)不同時段、地點生成量測模型庫；

    （3）將輸入的計量曲線和測量模型進(jìn)行比對，并判斷出故障等級；

    （4）如沒有故障則直接等待下次判斷循環(huán)，如有故障則將值輸出到預(yù)警模塊，下發(fā)警示信息到電表端；

    （5）當(dāng)電表根據(jù)控制信息行為發(fā)生后，返回執(zhí)行確認(rèn)信號。

4  本地化計量安全性能研究

    計量信息數(shù)據(jù)的安全直接關(guān)乎民生財產(chǎn)的安全，例如一些高科技竊電行為會造成國家財產(chǎn)的大量損失，因此傳統(tǒng)的計量方式都采用集中管控方式，集中器僅僅起到透傳的作用，一旦將部分管控功能下放到集中器，集中器點多，且部署分散，就會增加各種安全風(fēng)險。風(fēng)險主要分為終端設(shè)備風(fēng)險、通信設(shè)備風(fēng)險和通信信道風(fēng)險。

    （1）智能計量系統(tǒng)采集終端包括智能電表、集中器、采集器等設(shè)備，處理計量功能外，還能實現(xiàn)負(fù)荷限制和預(yù)付費等功能，會受到竊聽、篡改和身份偽造等攻擊威脅，還可能會遭受報文重傳攻擊。采集終端的重要參數(shù)和數(shù)據(jù)在運行過程中，由于硬件或軟件故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者破壞。有些電能表雖然有加密芯片，但算法較單一，篡改密碼也很容易；攻擊者對截取到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，可以定位電表位置，或破譯用戶的IC卡，達(dá)到非法目的；位于用戶側(cè)的計量終端因為處于一種開放的環(huán)境中，很容易遭受物理破壞。

    （2）通信設(shè)備包括基站和集中器中的無線通信模塊，不法分子可通過偽基站或偽模塊等方式將傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行復(fù)制，并發(fā)送假信息，控制電表及集中器裝置動作；還可通過設(shè)置中間設(shè)備截取傳輸信息，造成通信故障。

    （3）集中器本地化通信采用230M無線方式，相對于光纖方式而言會增加更多的風(fēng)險，無線網(wǎng)絡(luò)防護(hù)能力較弱，無線通道分散在空間，攻擊者可隨意找到攻擊點破壞通信通道。例如中間者攻擊方式是典型的攻擊方式，攻擊者會在通信途中惡意截取發(fā)送者的信息并解密，再次偽造信息發(fā)送給接收方，通過修改虛假信息，造成對方難以預(yù)料的損失。攻擊者在集中器間組網(wǎng)域中添加一個惡意設(shè)備，對設(shè)備發(fā)送惡意控制命令，會將惡意信息發(fā)送給其他集中器或電表，造成電表的錯誤行為。

    非本地化計量方式由于集中器沒有控制功能，因此即使本地化采用微功率無線等通信方式也不會太影響計量信息的安全。采用本地化通信后，基站賦予了更大的權(quán)利，集中器可以直接控制電表，計量系統(tǒng)本地化漏洞會更多。需采用完備的安全管理架構(gòu)，輔助先進(jìn)的加密技術(shù)，將各類可能存在的攻擊屏蔽在始端。具體的安全架構(gòu)如圖5所示。

    （1）基站側(cè)：在基站側(cè)應(yīng)部署安全接入?yún)^(qū)，利用無線VPN虛擬通道將不同集中器上傳的業(yè)務(wù)隔離，保障業(yè)務(wù)間的獨立性。前端部署的路由器裝置中導(dǎo)入無線mesh路由協(xié)議，控制集中器間的自適應(yīng)組網(wǎng)，路由協(xié)議可跟蹤鏈路質(zhì)量，并通過設(shè)置不同業(yè)務(wù)配置QCI優(yōu)先級，針對QCI優(yōu)先級提供資源保障；當(dāng)某個節(jié)點負(fù)載過大或故障時，可安全地將其切換到其他鏈路上，并通過握手的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和對端集中器聯(lián)系，保障了切換過程的可靠性。基站對接收報文進(jìn)行內(nèi)容審計過濾及流量控制，對收到的報文進(jìn)行合法性校驗，校驗參數(shù)是報文的源地址、源端口號、目的地址、目的端口號、報文協(xié)議類型等。對于校驗后判斷為非法的報文，核心網(wǎng)直接丟棄。

    （2）集中器：集中器配置一套完整的計量數(shù)據(jù)認(rèn)證加密方案，通過無線路由安全協(xié)議，使得每個智能電表在接入計量網(wǎng)絡(luò)時進(jìn)行自身身份的合法認(rèn)證。為了保證數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)狀網(wǎng)環(huán)境下快速傳輸，系統(tǒng)采用輔助節(jié)點的辦法，解決了單一根節(jié)點造成的通信瓶頸，通過最優(yōu)路徑減小通信壓力和鏈路阻塞。集中器的聚合操作也是以密文的形式進(jìn)行的，即使敵手入侵了匯聚中心，也無法獲得關(guān)于用戶用電量的信息，保障了信息的保密性。采用短簽名的簽名方式，與批校驗結(jié)合，對匯聚信息的所有簽名一同進(jìn)行校驗，若校驗成功，則消息在傳輸過程中未受到篡改或截取，消息完整性得到認(rèn)證。此外，結(jié)合雙線性對的性質(zhì)，可以對消息源進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證電表的身份，保障了信息的完整性。

    （3）電表：在電表內(nèi)安裝有無線通信加密芯片，主要用于無線信息交換安全認(rèn)證，實現(xiàn)安全存儲、數(shù)據(jù)加解密、雙向身份認(rèn)證、存儲權(quán)限控制、線路加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ埽ＷC信息的加密性和完整性。在電表計量箱外側(cè)安裝無線校驗裝置，當(dāng)存在無線電磁干擾時，電表可自動調(diào)節(jié)為正常。

5  結(jié)論

    計量系統(tǒng)是電網(wǎng)最末端，和民生直接相關(guān)，它的各方面性能都會體現(xiàn)在用戶使用滿意度上，因此系統(tǒng)的建設(shè)和完善需從用戶使用角度出發(fā)。在樓道建設(shè)的美觀方面，選擇無線方式是最好的布線形式；在雙向互動方面，選擇最快的響應(yīng)客戶時間為滿意的時效；在設(shè)備報修方面，應(yīng)在最短的時間內(nèi)完成檢修流程，并盡量保障設(shè)備的安全性，減少設(shè)備維修次數(shù)。從客戶的需求出發(fā)，本文選擇采用230M無線專網(wǎng)方式并實現(xiàn)集中器本地化控制功能，從集中器本地化采集互通信方式等方面研究本地化通信實現(xiàn)的具體模式，制定了一套完備的本地化通信安全方案，將認(rèn)證、加密、路由協(xié)議、雙向鑒權(quán)等技術(shù)部署在計量系統(tǒng)每一個設(shè)備及環(huán)節(jié)中，防御各方面可能存在的攻擊，為計量系統(tǒng)增加一道安全穩(wěn)固的防火墻。本地化集中器管控系統(tǒng)提升了系統(tǒng)時效、安全、通信效率等各方面性能，為計量系統(tǒng)未來發(fā)展提供創(chuàng)新支撐。

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作者信息:

張曉東，竇圣霞，江  偉

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司 電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川750011）