IP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在電能表數據采集系統應用

一．引言
中國共產(chǎn)黨的十六大報告指出：信息化是我國加快實(shí)現工業(yè)化和現代化的必然選擇。堅持以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走出一條科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子。形成以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為先導、基礎產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)為支撐、服務(wù)業(yè)全面發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。電力行業(yè)也要信息化，電能表數據采集系統就是很好的應用。

現有的電能表集抄模式由于受到技術(shù)、經(jīng)濟的制約，還存在著(zhù)諸如220V低壓電網(wǎng)的諧波干擾問(wèn)題；掌上機紅外抄表的人工問(wèn)題；自建網(wǎng)絡(luò )的費用、維護問(wèn)題；電信電話(huà)的資費問(wèn)題；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳輸質(zhì)量與速率問(wèn)題等等。為了尋求一種能夠較好地解決這些問(wèn)題的通訊方式，我們將目光轉向了寬帶網(wǎng)。

近年來(lái)，隨著(zhù)全球信息化、信息數字化的飛速發(fā)展，我國在信息產(chǎn)業(yè)方面投入了巨大的人力和物力，提出了“千兆到小區，百兆到樓層，十兆到家庭”的目標，并取得了可喜的成績(jì)。許多城市和地區為了打造“數字信息港”都在花巨資加強基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )基礎設施建設，并且已經(jīng)解決了“最后一公里”的接入問(wèn)題，為在網(wǎng)絡(luò )上構建適應不同需求的應用服務(wù)及培育良好的電子商務(wù)市場(chǎng)環(huán)境打下了堅實(shí)的基矗因此充分利用快捷、可靠、免維護和相對廉價(jià)、并且逐步降價(jià)的公共有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)傳輸電能表信息，是電能表集抄未來(lái)發(fā)展的一大趨勢，也是城市信息港計劃中增值服務(wù)的重要組成部分。

二．網(wǎng)絡(luò )集中抄表系統的工作原理

網(wǎng)絡(luò )集抄系統由數據采集設備、數據上網(wǎng)設備、寬帶網(wǎng)及集抄主站（包括前臺軟件、后臺數據庫）組成。其中數據采集設備也即采集終端，它既可以采集脈沖式電子表的脈沖輸出并將其轉換為電能表數據，又可以采集多功能表通過(guò)485口輸出的數據。數據上網(wǎng)設備是指網(wǎng)絡(luò )通訊服務(wù)器或IP服務(wù)器，它具有將采集終端發(fā)出的數據打包成符合相關(guān)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的數據包、并進(jìn)行雙向傳輸的功能。寬帶網(wǎng)具有在集抄主站計算機與電能表之間傳輸數據的功能，其中的網(wǎng)絡(luò )監視儀具有監視系統運行情況、確定故障點(diǎn)、劃分維護職責的功能；網(wǎng)絡(luò )終端集線(xiàn)器是網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商（Internet Service Provider，簡(jiǎn)稱(chēng)ISP）在各住宅樓單元內的終端設備，通信服務(wù)器通過(guò)它接入寬帶網(wǎng)。而集抄主站具有處理各種數據并與計費系統相連的功能。

網(wǎng)絡(luò )集抄系統的工作原理及數據流程如圖1所示。采集終端對采集到的電能表數據進(jìn)行處理和儲存，等待后臺定時(shí)或隨時(shí)發(fā)出命令后，將數據送到網(wǎng)絡(luò )通訊服務(wù)器，經(jīng)其處理變成符合相關(guān)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的數據流，傳送至供電局集中抄表主站。抄表主站對所抄收數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的統計計算，以供抄表專(zhuān)工進(jìn)行初步的分析判斷，并最終將數據送到用電計費系統。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò )集抄系統在短時(shí)間內就能完成大面積、乃至全市的抄表、計費工作。同時(shí)，對重點(diǎn)企業(yè)或需要監視的用戶(hù)可設置階段性采集和隨機采集，以滿(mǎn)足監控需要。



圖1. 網(wǎng)絡(luò )集中抄表系統工作原理
值得一提的是，在需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )集抄的區域，如果采集終端不能就近上網(wǎng)，還可采用“高速PLC”系統以解決“最后一公里”的接入問(wèn)題。PLC即電力線(xiàn)通信技術(shù)(Power Line Communication Technology)，是指利用電力線(xiàn)傳輸數據和話(huà)音信號的一種通信方式?！案咚貾LC”系統由PLC調制解調器、PLC路由器及中繼器等設備組成，這些設備的傳輸速率可達2～45Mbps。PLC調制解調器的作用與普通MODEM類(lèi)似，負責將采集終端發(fā)出的數據打包并傳輸到電力線(xiàn)上。PLC路由器安裝在配電變壓器旁，負責收集各相配電線(xiàn)上由PLC調制解調器發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，然后通過(guò)光纖等高速通信手段將數據送到Internet上。當PLC調制解調器與PLC路由器之間的通信距離超過(guò)300米時(shí)，還可以使用中繼器對所傳輸的數據進(jìn)行信號放大。

三．網(wǎng)絡(luò )集中抄表系統中的安全措施

網(wǎng)絡(luò )集抄系統的正常運行需要具備以下條件：

(1) 豐富的IP地址資源，如：小區局域網(wǎng)或公網(wǎng)上的VPN等；

(2) 能防范各種專(zhuān)業(yè)入侵者的非法活動(dòng)；

(3) 能及時(shí)、自動(dòng)判別系統故障點(diǎn)，確定出故障的設備。

為此，網(wǎng)絡(luò )集抄系統在數據采集終端、網(wǎng)絡(luò )通信服務(wù)器及寬帶網(wǎng)三個(gè)方面分別采取了不同的措施，以保障自身的安全運行。

1．數據采集終端

數據采集終端中的數據存儲和傳輸采用了專(zhuān)門(mén)的編碼規則，由于編碼規則對外保密且是行業(yè)內部機密，攻擊者不知道編碼規則就無(wú)法恢復竊取到的數據。

行業(yè)內部機密，攻擊者不知道編碼規則就無(wú)法恢復竊取到的數據。

2．網(wǎng)絡(luò )通訊服務(wù)器

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet已深入千家萬(wàn)戶(hù)，特別是隨著(zhù)寬帶網(wǎng)規模的不斷擴大，設備低成本地接入Internet已經(jīng)成為趨勢，這些都為普及包括網(wǎng)絡(luò )集中抄表在內的各類(lèi)網(wǎng)絡(luò )應用創(chuàng )造了條件。通信服務(wù)器通過(guò)將RS232/485/422等串行數據轉換為符合TCP/IP協(xié)議的數據包，解決了普通串口設備在Internet/Intranet上的通信問(wèn)題。通信服務(wù)器一般都具有一個(gè)10 Mbps 以太網(wǎng)接口，可以直接和以太網(wǎng)連接；一個(gè)或多個(gè)RS232串行接口，可以擴展為RS485等其它形式的串口，用于連接終端設備。

網(wǎng)絡(luò )通信服務(wù)器的安全措施包括：

(1) 專(zhuān)門(mén)設計的數據傳輸協(xié)議：服務(wù)器中有專(zhuān)門(mén)的數據通信協(xié)議，攻擊者由于無(wú)法得知協(xié)議的細節，很難從協(xié)議方面進(jìn)行攻擊。

(2) 數據加密機制：在專(zhuān)有通信協(xié)議的基礎上，服務(wù)器同時(shí)對傳輸數據進(jìn)行了加密，攻擊者在不知道加密算法及加密密碼的情況下，很難得到明文數據。

(3) 密碼認證機制：服務(wù)器中設計了密碼認證機制，密碼傳輸全部采用密文傳輸，充分保證了系統安全性。

3.虛擬專(zhuān)用網(wǎng)(VPN)

為充分利用網(wǎng)絡(luò )資源，獲得經(jīng)濟、靈活的連網(wǎng)方式，節省用戶(hù)在設備、人員和管理方面的投資，網(wǎng)絡(luò )集中抄表系統采用了基于MPLS的VPN解決方案。
虛擬專(zhuān)用網(wǎng)（Virtual Private Network ，簡(jiǎn)稱(chēng)VPN）是網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商利用公眾網(wǎng)的資源為客戶(hù)構成專(zhuān)用網(wǎng)的一種業(yè)務(wù)。VPN有兩層含義：一、它是虛擬的網(wǎng)，即沒(méi)有固定的物理連接，網(wǎng)絡(luò )只有用戶(hù)需要時(shí)才建立；二、它是利用公眾網(wǎng)設施構成的專(zhuān)用網(wǎng)。VPN兼備了公眾網(wǎng)和專(zhuān)用網(wǎng)的許多特點(diǎn)，將公眾網(wǎng)可靠的性能、豐富的功能與專(zhuān)用網(wǎng)的靈活、高效結合在一起，是介于公眾網(wǎng)與專(zhuān)用網(wǎng)之間的一種網(wǎng)絡(luò )。

MPLS（Multiprotocol Label Switching）即多協(xié)議標記交換，它屬于引入了基于標記機制的第三層交換技術(shù)。MPLS把選路和轉發(fā)分開(kāi)，由標簽來(lái)規定一個(gè)分組通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的路徑。在MPLS網(wǎng)絡(luò )中，數據包所經(jīng)過(guò)的沿途并非按照IP 包頭，而是通過(guò)交換標簽來(lái)實(shí)現轉發(fā)；當數據包要退出MPLS網(wǎng)絡(luò )時(shí)，數據包被解開(kāi)封裝，繼續按照IP包的路由方式到達目的地。在網(wǎng)絡(luò )邊緣的節點(diǎn)被稱(chēng)作標簽邊緣路由器(LER)，而網(wǎng)絡(luò )的核心節點(diǎn)則被稱(chēng)為標簽交換路由器 (LSR)。LER節點(diǎn)在MPLS網(wǎng)絡(luò )中完成的是IP包的進(jìn)入和退出過(guò)程，LSR節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中提供高速交換功能。在MPLS節點(diǎn)之間的路徑就是標簽交換路徑(LSP)。一條LSP可以看作是一條貫穿網(wǎng)絡(luò )的單向隧道。