|
第一部分 概述
日益緊張的能源供給和上漲的能源成本迫使電力供應(yīng)商更有效地計算、監(jiān)測和控制電能分配。
電網(wǎng)的老化和近年來屢次出現(xiàn)的電力中斷現(xiàn)象很清楚地顯示出輸電網(wǎng)的使用已經(jīng)達(dá)到極限。因此電網(wǎng)公司需要更多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行測算分析，以更有競爭力的價格買賣電能。
全世界的政府機構(gòu)都很重視可再生能源方面的技術(shù)，美國奧巴馬政府斥資45億美元鼓勵創(chuàng)新和促進可再生能源科技的推廣使用。其中創(chuàng)新之一便是公用事業(yè)智能表的改革。中國政府也于日前宣布了高規(guī)格的智能電網(wǎng)計劃。這些計劃將給智能電表行業(yè)帶來前所未有的發(fā)展契機。
智能表允許家用和商用電能系統(tǒng)自動將電能消費紀(jì)錄傳給公用事業(yè)管理中心和終端使用者，允許每個人跟蹤其電能使用情況并隨時調(diào)節(jié)使用量。如果用戶家中有數(shù)字工具可控制電能使用量，則在用電高峰時期輸電網(wǎng)的最大負(fù)荷就可減少高達(dá)15%，未來20年里不用再建新的發(fā)電廠和配套基礎(chǔ)設(shè)施，由此可節(jié)省700億美元。
從長期來看，保護環(huán)境的需要使得很多國家不得不另辟蹊徑以節(jié)約能源并減少石油消費和二氧化碳的排放量；另外，政府和公司也希望減少偷電等欺詐行為。
廈門才茂通信科技有限公司和系統(tǒng)集成商合作開發(fā)的基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的用電管理系統(tǒng)。它由智能電表、DTU、采集器及中心服務(wù)器組成。采集器實時采集用戶的用電數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)匯集到服務(wù)器。
本系統(tǒng)提供豐富的接口，可與電業(yè)系統(tǒng)的MIS系統(tǒng)鏈接或進行二次開發(fā)。
第二部分 第二部分系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)由帶系統(tǒng)軟件的主站、帶CM 3160P GPRS DTU傳輸終端、采集器及智能表組成。
一、 數(shù)據(jù)中心主站
智能電表系統(tǒng)的管理計算機（服務(wù)器或PC機）稱為主站，主站通過寬帶網(wǎng)絡(luò)與終端DTU相連。中心提供互聯(lián)網(wǎng)IP地址及互聯(lián)網(wǎng)出口（端口）。
中心條件
首先用一臺能上網(wǎng)的PC機，條件必須能讓外網(wǎng)訪問的到，如運行中心軟件的PC機在局域網(wǎng)里面，那要在局域網(wǎng)路由器做端口映射到本機PC，等這些條件具備之后在本機運行一個中心DEMO，開放一個端口，運行軟件等待DTU的連接。
系統(tǒng)軟件
管理系統(tǒng)的核心部分是系統(tǒng)軟件，它遵循DL/T645部標(biāo)通訊規(guī)約，并有擴展性。
管理軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為ORACLE數(shù)據(jù)庫，運行于WIN98/2000/XP、NT的操作系統(tǒng)，易于使用。軟件所能管理的用戶數(shù)量沒有限制。
系統(tǒng)的功能與特點有：
(一) 安全可靠：安全性由三方面構(gòu)成：第一，ORACLE數(shù)據(jù)庫是大型的、多用戶的數(shù)據(jù)庫，它的安全性高，允許多用戶同時使用同一數(shù)據(jù)庫而不會破壞完整性，用它來做抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)引擎可以保證數(shù)據(jù)的安全；第二，系統(tǒng)對用戶實現(xiàn)分級授權(quán)管理功能，通過檢查使用者的名字和授權(quán)密碼，賦予使用者相應(yīng)的操作權(quán)，借鑒銀行系統(tǒng)的密碼管理模式限制無關(guān)人員改變數(shù)據(jù)庫和硬件設(shè)置。第三，防火墻功能及完善的數(shù)據(jù)備份功能，防備系統(tǒng)受到人為的惡意攻擊，數(shù)據(jù)備份功能確保在硬件系統(tǒng)故障時，也能隨時在新的硬件設(shè)備上數(shù)據(jù)無丟失地啟動抄表系統(tǒng)。
(二) 完善的系統(tǒng)日志：系統(tǒng)日志記錄了進入系統(tǒng)，離開系統(tǒng)，收費，設(shè)置硬件，改變運行參數(shù)操作等及操作者，操作時間，凡是改變數(shù)據(jù)庫的操作都被記錄下來。
(三) 抄表速度快：抄表快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，抄表時PC機只讀采集器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸采用1200波特率，傳輸速度快，并對每個數(shù)據(jù)塊都有效驗碼，保證了傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
(四) 廣播對時功能：該功能使得系統(tǒng)中的所有電能表的時間基準(zhǔn)與PC機保持一致，對時成功后，由電池供電的電能表內(nèi)部時鐘，不再需要PC機的干預(yù)。因此，只要保證在對時時刻，PC機的時間是正確的，以后在運行的過程中，改變PC機的時鐘并不會影響電能表的時間。
(五) 自動抄表功能：按照設(shè)置的抄表開始時間和抄表間隔，到預(yù)定的抄表時刻，系統(tǒng)便會依次撥號去抄采集器或電表內(nèi)的數(shù)據(jù)。對于抄不上數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動補抄或人工發(fā)命令補抄。
(六) 電量凍結(jié)功能：可以方便地定義總表，安裝和刪除總表，給總表分配分表。通過安裝適當(dāng)?shù)目偙恚Y(jié)合抄凍結(jié)數(shù)據(jù)功能，就可得某一特定的時刻的總表讀數(shù)，各分表的讀數(shù)（由此得到讀數(shù)和），就可以計算出某部分電路的電能損耗，為確定電費提供依據(jù)。
(七) 電費管理功能：收電費前，統(tǒng)一抄錄一次電費數(shù)據(jù)。當(dāng)確保數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)反映最近的電表讀數(shù)后，利用程序中的功能自動計算出當(dāng)月用電量和電費。交納電費時，只需輸入用戶號，當(dāng)月用電量和電費由程序填寫。每筆電費都有詳細(xì)記錄，便于對帳。
(八) 設(shè)備管理功能，如告警：開箱告警、停電告警、逆相告警、超溫告警、過載告警、傾斜或移動報警等；控制：對欠費用戶進行拉閘等。并提供停電數(shù)據(jù)保護功能，在停電48--72小時內(nèi)仍可抄表和監(jiān)控。本系統(tǒng)結(jié)合聯(lián)通公司的短信平臺，在告警時，可根據(jù)具體內(nèi)容發(fā)短信給相關(guān)的管理人員。
本系統(tǒng)適應(yīng)范圍廣泛，單相版的軟件可用于小區(qū)管理，網(wǎng)絡(luò)版的軟件可用于供電公司實現(xiàn)一座城市或地區(qū)的用電管理。
二、終端設(shè)備---采用廈門才茂通信科技有限公司CM 3160P GPRS DTU
廈門才茂CM3160P/CM3160EP DTU采用高性能工業(yè)級嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺,超大內(nèi)存,內(nèi)嵌自主知識產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧。為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。針對網(wǎng)絡(luò)流量控制的用戶，產(chǎn)品支持語音，短信，數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數(shù)據(jù)中心備份，以及多數(shù)據(jù)中心同步接收數(shù)據(jù)等功能。公司產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于金融，水利，環(huán)保，電力，郵政，氣象等行業(yè)。CM3160P/EP是CM3150P/EP的升級和替代產(chǎn)品，3160改進了原來3150的無線模塊的鏈接方式，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，軟件、硬件和配置軟件和原來完全兼容。
一、 無線參數(shù)
1、支持EGSM900/GSM1800MHz雙頻，800/900/1800/1900MHz四頻可選
2、GPRS multi-slot class 10
3、編碼方案：CS1~CS4
4、符合SMG31bis技術(shù)規(guī)范
5、Compliant to GSM phase 2/2+
6、支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短信和傳真
三、 硬件系統(tǒng)
1、CPU：工業(yè)級高性能嵌入式處理器
2、接口：
UART:
CM3160P:
1個RS232串口。
串口速率： 110bps ~ 230400bps
數(shù)據(jù)位支持： 8位 或 7位
奇偶校驗位：無 或 奇數(shù)校驗 或 偶數(shù)校驗
停止位： 1位 或 2位
流控： 無 或 RTS/CTS
CM3160EP:
1個RS485接口。（根據(jù)需要，可支持RS232/422/TTL）
串口速率： 110bps ~ 230400bps
數(shù)據(jù)位支持： 8位
奇偶校驗位：無 或 奇數(shù)校驗 或 偶數(shù)校驗
停止位： 1位
流控： 無 或 RTS/CTS
控制口：
RS-232, 115200 bps, 8 data bits,1 stop bit, no parity (8N1)
指示燈：具有電源POWER、通信ACT及在線指示燈Online。
天線接口：標(biāo)準(zhǔn)SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐。
UIM卡接口：3V/5V標(biāo)準(zhǔn)的推桿式用戶卡接口。
電源接口：標(biāo)準(zhǔn)的3芯火車頭電源插座。
語音接口：標(biāo)準(zhǔn)的耳機麥克風(fēng)接口。
3、供電：
外接電源：DC 9V 500mA
寬電壓供電：DC 5-32V
通信電流：350mA
待機電流：35mA
4、尺寸
產(chǎn)品外形尺寸：92x62x22 mm（不包括天線及固定件）
產(chǎn)品包裝尺寸：298x226x60mm
5、重量
0.41KG
6、其他參數(shù):
工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC
儲存溫度 -40~+85ºC
相對濕度 95%(無凝結(jié))
四、 軟件功能
1. TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸；支持多種工作模式。心跳包技術(shù)。
2. 智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重?fù)�，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線。
3. 支持RSA，RC4加密算法
4. 支持虛擬值守VWM（Virtual Man Watch）功能，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠
5. 支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)（APN/VPDN）
6. 支持?jǐn)?shù)據(jù)中心動態(tài)域名和IP地址訪問
7. 支持DNS動態(tài)獲取，防止DNS服務(wù)器異常導(dǎo)致的設(shè)備當(dāng)機。
8. 支持雙數(shù)據(jù)中心備份
9. 支持多數(shù)據(jù)中心同時接受數(shù)據(jù)
10. 支持短信、語音、數(shù)據(jù)等喚醒方式以及超時斷開網(wǎng)絡(luò)連接。
11. 支持短消息備份及告警。
12. 多重軟硬件看門狗
13. 數(shù)據(jù)包傳輸狀態(tài)報告。
14. 標(biāo)準(zhǔn)的AT命令界面
15. 可以用做普通撥號MODEM
16. 支持telnet功能。
17. 支持遠(yuǎn)程配置，遠(yuǎn)程控制
18. 通過串口軟件升級
19. 同時支持LINUX、UNIX和WINDOWS操作系統(tǒng)
五、 產(chǎn)品特性
1. 三層系統(tǒng)保護： 在原來兩級（軟件保護+CPU內(nèi)置看門狗保護，外置硬件看門狗保護）系統(tǒng)保護的基礎(chǔ)上，增加一級系統(tǒng)監(jiān)測保護SWP（System Watch Protect），徹底解決了業(yè)內(nèi)”假在線”，”假死機”，”當(dāng)機”等疑難問題。
2. 高速處理CPU： 采用高速ARM9的工業(yè)級CPU，可以更加高速地處理各種協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，規(guī)避因CPU處理速度慢而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重傳和丟失等問題
3. DNS自動獲�。鹤詣荧@取DNS，不再需要人工配置輸入DNS，規(guī)避了因為選擇的DNS服務(wù)器異常，導(dǎo)致DTU設(shè)備當(dāng)機的嚴(yán)重現(xiàn)象！
4. 完善的協(xié)議棧： 新系統(tǒng)加載了完善的TCP/IP協(xié)議棧，采用了完善的TCP/IP協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)通信性能優(yōu)異。
5. EMC性能優(yōu)異：通過電力3000V電擊測試，特別適合在工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境惡劣下使用，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
6. 支持多中心：客戶數(shù)據(jù)可以同時往客戶指定的監(jiān)控中心發(fā)送，最大支持發(fā)送中心達(dá)256個
DTU在應(yīng)用之前首先要進行設(shè)置，通過光盤配套的參數(shù)配置軟件設(shè)置好數(shù)據(jù)中心的IP和端口及其它參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置好之后串口和采集器串口對接， DTU上電之后根據(jù)事先設(shè)置好的中心IP和端口進行連接，成功連接到中心軟件后即可雙向透明傳輸數(shù)據(jù)。
采集器：收集電表數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心，它連接主站和電度表。
智能電表：計量并顯示用戶的用電情況，將用電信息通過采集器傳輸?shù)?FONT color=#333333>DTU傳輸終端。
第三部分 第三部分組網(wǎng)實施
方案一：
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。
此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。
DTU直接向中心發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
方案二：
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的。
客戶先與DNS服務(wù)商聯(lián)系開通動態(tài)域名，DTU先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
方案三：
中心采用APN專線，所有點都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP
客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。
為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進入。
用戶在內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，作為內(nèi)部用戶接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能）。只有通過認(rèn)證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部安全。
用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。
移動終端和服務(wù)器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。
雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。
此種方案無論實時性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點比較多、實時性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。
業(yè)務(wù)流程
GPRS專網(wǎng)系統(tǒng)終端上網(wǎng)登錄服務(wù)器平臺的流程為：
1）用戶發(fā)出GPRS登錄請求，請求中包括由移動公司為GPRS專網(wǎng)系統(tǒng)專門分配的專網(wǎng)APN；
2）根據(jù)請求中的APN，SGSN向DNS服務(wù)器發(fā)出查詢請求，找到與企業(yè)服務(wù)器平臺連接的GGSN，并將用戶請求通過GTP隧道封裝送給GGSN；
3）GGSN將用戶認(rèn)證信息（包括手機號碼、用戶賬號、密碼等）通過專線送至Radius進行認(rèn)證；
4）Radius認(rèn)證服務(wù)器看到手機號等認(rèn)證信息，確認(rèn)是合法用戶發(fā)來的請求，向DHCP服務(wù)器請求分配用戶地址；
5）Radius認(rèn)證通過后，由Radius向GGSN發(fā)送攜帶用戶地址的確認(rèn)信息；
6）用戶得到了IP地址，就可以攜帶數(shù)據(jù)包，對GPRS專網(wǎng)系統(tǒng)信息查詢和業(yè)務(wù)處理平臺進行訪問。
附：系統(tǒng)安全
在系統(tǒng)安全方面，本公司除了采用大型、多用戶的ORACLE數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)對用戶實現(xiàn)分級授權(quán)管理和提供防火墻功能及完善的數(shù)據(jù)備份功能外，對網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)監(jiān)控中心還提供了安全技術(shù)解決方案，以確保數(shù)據(jù)安全可靠。
IP過濾技術(shù)
由于監(jiān)控中心服務(wù)于GPRS子網(wǎng)用戶，所有訪問客戶的IP必為GPRS子網(wǎng)內(nèi)的IP，即所有的用戶必須通過VPDN才可能訪問該服務(wù)器。因此，我們在系統(tǒng)中采用了IP過濾技術(shù)，對所有接受的數(shù)據(jù)包進行過濾，拋棄掉所有的非法IP數(shù)據(jù)報。這一過程就好像將系統(tǒng)置身于CMNET的防火墻保護之下，所有的非法用戶只有先穿過了VPDN的安全防護才有可能訪問到本系統(tǒng)，但對于安全措施非常強大的VPDN網(wǎng)絡(luò)來說，這將是非常的困難。
身分授權(quán)和密碼認(rèn)證體系
采用IP過濾技術(shù)盡管可以防止一些非VPDN網(wǎng)段用戶的侵襲，但由于系統(tǒng)處于GPRS子網(wǎng)以外，IP過濾只能起到簡單的安全防護，對于那些利用IP偽裝技術(shù)的非法用戶則無法識別。
由于該系統(tǒng)是專業(yè)化的服務(wù)系統(tǒng)，訪問客戶是預(yù)先確定的，利用這一特點，我們在系統(tǒng)中采用了用戶ID和密碼驗證技術(shù)，系統(tǒng)中存儲了有所客戶端的MAC地址以及密碼，對通過了IP過濾的數(shù)據(jù)包，再驗證其ID號和密碼。對于該系統(tǒng)以外的非法用戶，獲取合法的MAC地址和密碼將十分困難，所以這一步極大可能地增加了系統(tǒng)的安全性。
圖5 數(shù)據(jù)安全技術(shù)解決方案示意圖
數(shù)據(jù)安全加密通道
系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的SSL數(shù)據(jù)安全通訊協(xié)議在客戶端和服務(wù)器端建立加密數(shù)據(jù)通道，保證私有數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩�；系統(tǒng)在應(yīng)用層植入高可靠性的加密算法，使得數(shù)據(jù)在任何網(wǎng)絡(luò)出錯時都可以得到保證的高可靠性；采用MD5算法產(chǎn)生“報文摘要”已實現(xiàn)對所有發(fā)送報文的數(shù)字簽名，保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的完整性，防止數(shù)據(jù)被篡改。
訪問過程跟蹤
系統(tǒng)對所有的訪問過程進行日志記錄，包括用戶身份、IP、時間、數(shù)字簽名、操作事項等信息，向系統(tǒng)管理人員提供了詳細(xì)、完整、有效的操作證明。
總 結(jié) 電能計量是現(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的電量結(jié)算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)，在實時性、準(zhǔn)確性和應(yīng)用性等方面都存在諸多不足之處。智能電表是公用事業(yè)改革的一部分內(nèi)容，利用現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機技術(shù)以及電能量測量技術(shù)結(jié)合在一起，便能夠及時、準(zhǔn)確、全面地反映電量使用。智能表系統(tǒng)可自我管理，不需要派專人抄表或者派專人管理某處房子的電源系統(tǒng)。智能表系統(tǒng)工作壽命更長，管理成本更低。和傳統(tǒng)的儀表系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在行政費用結(jié)算以及登記管理開銷/注銷方面，成本更低；該系統(tǒng)具有可靠、高效和自主管理等優(yōu)點。
|
