基于通信協(xié)議多元接入的計(jì)量自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制研究

(1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，廣西 南寧 530023；2.南寧百會(huì)藥業(yè)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530003)

0 引 言

為響應(yīng)南方電網(wǎng)公司“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃對(duì)計(jì)量信息安全防護(hù)體系的建設(shè)要求[1]，廣西電網(wǎng)正大力推進(jìn)費(fèi)控電能表和低壓集抄終端100%覆蓋的“兩覆蓋”工作。隨著廣西省集中計(jì)量主站的建設(shè)和費(fèi)控電能表的推廣使用，廣西電網(wǎng)存在現(xiàn)場(chǎng)安裝的計(jì)量設(shè)備的通訊協(xié)議和技術(shù)要求不統(tǒng)一，現(xiàn)行的電能表和低壓集抄系列技術(shù)規(guī)范通信協(xié)議費(fèi)控控制功能定義不明確的問題[2]。為保障廣西電網(wǎng)公司計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程費(fèi)控功能模塊的正常應(yīng)用，針對(duì)不同類型的電能表和計(jì)量終端模擬現(xiàn)場(chǎng)條件組織開展了遠(yuǎn)程拉合閘功能測(cè)試試驗(yàn)；針對(duì)不同儀表設(shè)備組合給出可行的遠(yuǎn)程控制方案，并結(jié)合通訊報(bào)文分析了試驗(yàn)中拉合閘失敗案例的原因，為各地計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程費(fèi)控功能開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。

1 廣西電能表遠(yuǎn)程控制現(xiàn)狀

目前廣西電網(wǎng)在用的支持遠(yuǎn)程拉合閘的電能表通訊規(guī)約類型包括：1)符合南方電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范的費(fèi)控電能表(簡(jiǎn)稱南網(wǎng)費(fèi)控表)，采用07規(guī)約帶南網(wǎng)規(guī)范ESAM安全模塊，其大多數(shù)的參數(shù)修改和遠(yuǎn)程控制過程需通過密文+MAC的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和驗(yàn)證，需經(jīng)過密碼機(jī)進(jìn)行拉合閘[3]。2)符合南方電網(wǎng)規(guī)范的DL/T 645-2007規(guī)約普通電子式電能表(簡(jiǎn)稱南網(wǎng)07表)[4]，不帶安全模。廣西電網(wǎng)在南網(wǎng)規(guī)范的基礎(chǔ)上結(jié)合大用戶“先購(gòu)電再用電”的需求制定了預(yù)付費(fèi)電能表的技術(shù)規(guī)范，其遠(yuǎn)程拉合閘的機(jī)制與南網(wǎng)07表一致[5]。3)符合廣西電網(wǎng)公司電子式電能表通信規(guī)約的電能表(簡(jiǎn)稱廣西97表)，該規(guī)約是在DL/T 645-1997規(guī)約基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來，為廣西特有，不帶安全模塊。

廣西常見終端規(guī)約類型包括：1)符合南網(wǎng)規(guī)范的計(jì)量終端(簡(jiǎn)稱南網(wǎng)終端)，采用南網(wǎng)2013版上行通信規(guī)約，支持寫控制參數(shù)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式對(duì)電表進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[6]。2)符合廣西電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范的計(jì)量終端(簡(jiǎn)稱廣西終端)，采用2008年廣西地方自行發(fā)布施行的計(jì)量終端上行數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，大部分可通過遠(yuǎn)程通斷電控制命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方式對(duì)電表進(jìn)行拉合閘；但由于廣西2017年省集中計(jì)量主站建設(shè)之前，舊主站一直采用控制命令方式，因此部分終端在驗(yàn)收時(shí)未對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能做強(qiáng)制要求。

由于上述多種上行通訊協(xié)議的計(jì)量終端和下行協(xié)議的電能表同時(shí)接入計(jì)量系統(tǒng)使用，不同設(shè)備不同協(xié)議的配合在通訊應(yīng)用時(shí)缺乏完整有效的組合控制方案，無法保證拉合閘功能的實(shí)現(xiàn)，給新計(jì)量主站的遠(yuǎn)程費(fèi)控功能開發(fā)帶來困難。

2 計(jì)量終端與電表的控制方案

廣西常見計(jì)量終端與電能表的6種控制組合見表1?？刂品桨傅倪x擇需考慮電能表和計(jì)量終端通訊協(xié)議的兼容性、升級(jí)改造的成本和對(duì)費(fèi)控安全防護(hù)體系的硬件需求等方面。

如表1所示，對(duì)于南網(wǎng)費(fèi)控表，由于目前計(jì)量終端缺少安全模塊的型式定義，故無法安裝安全模塊與費(fèi)控密碼機(jī)交互實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的加密和解密，故只能通過計(jì)量主站連接加密機(jī)，以中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。廣西上行通信規(guī)約的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與南網(wǎng)規(guī)約對(duì)中繼轉(zhuǎn)發(fā)命令的功能定義大體相同，區(qū)別僅在于廣西規(guī)約未對(duì)中繼類型進(jìn)行區(qū)分。但由于第1節(jié)所述的歷史管理問題，部分廣西終端不支持?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，由于這部分終端在現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用，現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)人力成本高，故廣西終端常采用遠(yuǎn)程升級(jí)方式，常見方式有兩種：方案A為搭建升級(jí)專用臨時(shí)服務(wù)器，修改終端IP地址，連接該服務(wù)器，服務(wù)器升級(jí)程序遠(yuǎn)程發(fā)送升級(jí)包進(jìn)行升級(jí)；方案B為計(jì)量主站新建一個(gè)專用升級(jí)TCP端口并在原應(yīng)用服務(wù)器上部署升級(jí)程序，利用原來的上行鏈路進(jìn)行升級(jí)。由于方案B對(duì)主站服務(wù)器存在信息安全風(fēng)險(xiǎn)，需經(jīng)電網(wǎng)公司嚴(yán)格審核，故常選擇方案A。

表1 計(jì)量終端與電表的控制方案

對(duì)南網(wǎng)07表，根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，理論上南網(wǎng)終端和廣西終端均支持通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)/中繼轉(zhuǎn)發(fā)和控制命令方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。廣西上行通信規(guī)約的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能與南網(wǎng)規(guī)約的中繼轉(zhuǎn)發(fā)的定義大體相同，區(qū)別僅在于廣西規(guī)約未對(duì)中繼類型進(jìn)行區(qū)分。與廣西規(guī)約的通斷電控制命令不同，南網(wǎng)規(guī)約的控制命令是以寫測(cè)量點(diǎn)控制參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)的，且補(bǔ)充了測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)地址匹配驗(yàn)證的功能和控制有效時(shí)間的定義。但通過方案A升級(jí)終端需到現(xiàn)場(chǎng)修改終端IP，廣西部分終端安裝在偏遠(yuǎn)山區(qū)，給升級(jí)帶來困難，目前部分終端存在未及時(shí)升級(jí)的情況，故廣西終端控制南網(wǎng)07表以及廣西97表，推薦優(yōu)先采用通斷電控制命令方式。

廣西97表主要應(yīng)用于國(guó)家發(fā)改委2008年DL/T645-2007電能表通信規(guī)約實(shí)施之前，廣西電網(wǎng)根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)DL/T 645 -1997規(guī)約進(jìn)行增補(bǔ)，自行定義了通斷電控制機(jī)制，且對(duì)密碼權(quán)限等級(jí)沒有明確定義，需向電表資產(chǎn)管理方確認(rèn)控制權(quán)限密碼等級(jí)和密碼。且其拉合閘機(jī)制與其他電能表不同(見圖1)，拉合閘時(shí)遵循“先告警后控制”機(jī)制[7]，即需先對(duì)電表下發(fā)產(chǎn)生/解除斷電控制告警命令，然后電能表才能響應(yīng)拉合閘命令。如表1，由于南網(wǎng)終端規(guī)范主要針對(duì)南網(wǎng)通用表型制定，未考慮對(duì)廣西97表規(guī)約控制機(jī)制的兼容性，故南網(wǎng)終端目前不支持對(duì)廣西97表的寫參數(shù)控制方式，只能通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)拉合閘。此外，與南網(wǎng)規(guī)范的電能表相比，廣西終端上行規(guī)約的通斷電命令方式有延時(shí)控制參數(shù)定義，故廣西終端對(duì)廣西97表可實(shí)現(xiàn)延時(shí)拉閘；但廣西97表的技術(shù)規(guī)范中無拉閘延時(shí)參數(shù)定義，南網(wǎng)終端上行規(guī)約的寫控制參數(shù)方式無延時(shí)控制參數(shù)定義，故南網(wǎng)終端對(duì)廣西97表目前無法實(shí)現(xiàn)延時(shí)拉閘。

圖1 3種類型電表的拉合閘流程

如圖1，上述3種類型電能表的遠(yuǎn)程拉合閘流程為：首先由計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)主站核對(duì)用戶檔案無誤且電能表的用電信息數(shù)據(jù)能正常采集，然后對(duì)不同類型的電表采取不同的拉合閘控制方式。

1)南網(wǎng)費(fèi)控表：拉閘時(shí)首先經(jīng)計(jì)量主站連接密碼機(jī)獲取密鑰更新數(shù)據(jù)和隨機(jī)數(shù)，然后以中繼命令的方式對(duì)電能表下發(fā)遠(yuǎn)程身份認(rèn)證指令；電能表內(nèi)的安全模塊對(duì)該隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密，并與主站的加密結(jié)果進(jìn)行密文匹配認(rèn)證，若身份認(rèn)證通過，則更新密鑰并返回認(rèn)證信息；接著由主站下發(fā)控制命令，電表執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。此外，當(dāng)終端收到主站的遠(yuǎn)程控制命令后，若目標(biāo)電表具備拉合閘功能，集中器將立即向主站正常應(yīng)答，而不必考慮受控電能表是否已經(jīng)真正動(dòng)作。若目標(biāo)電能表不具備拉合閘功能，集中器應(yīng)向主站返回異常應(yīng)答。接著，在控制生效時(shí)間內(nèi)，終端將下發(fā)相應(yīng)的下行控制命令給目標(biāo)電表，并持續(xù)檢測(cè)目標(biāo)電能表的控制狀態(tài)，若控制執(zhí)行成功，電能表將更改電能表狀態(tài)字3的繼電器狀態(tài)位；若控制失敗，電能表將形成“開關(guān)誤動(dòng)作”事件，終端產(chǎn)生“電能表拉合閘失敗”告警?？梢姡髡鞠掳l(fā)控制命令后，終端回復(fù)確認(rèn)應(yīng)答，并不一定說明電能表已經(jīng)成功拉合閘，可參考電能表狀態(tài)字和終端告警數(shù)據(jù)確定該狀態(tài)，最穩(wěn)妥的做法是去現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)電能表外置負(fù)荷開關(guān)或內(nèi)置繼電器的狀態(tài)。

2)南網(wǎng)07表：在南方電網(wǎng)2016年費(fèi)控表正式推廣前應(yīng)用較廣，它支持6位密碼口令防護(hù)，密碼分二級(jí)管理，出廠默認(rèn)密碼統(tǒng)一為000000，但各地根據(jù)管理需求可能會(huì)更改密碼，拉合閘前需向資產(chǎn)管理方確認(rèn)03級(jí)控制權(quán)限密碼，它支持主站的寫控制參數(shù)命令和中繼轉(zhuǎn)發(fā)下行控制命令兩種遠(yuǎn)程控制方式。

3)廣西97表：它對(duì)密碼權(quán)限等級(jí)沒有明確定義，需向資產(chǎn)管理方確認(rèn)控制權(quán)限密碼等級(jí)和密碼?？刂茩C(jī)制為“先告警后控制”機(jī)制。

3 案例分析

3.1 拉合閘設(shè)備配合情況測(cè)試

為研究不同廠家設(shè)備通信的兼容性，對(duì)3個(gè)不同電能表通信模塊和集中器廠家組合的拉合閘配合情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)為某城市居民試點(diǎn)小區(qū)，集中器上行通過移動(dòng)4G信號(hào)與主站通信，下行通過載波方式與電能表通信。將3個(gè)廠家的集中器分別與3個(gè)廠家的載波通訊模塊兩兩組合進(jìn)行拉合閘測(cè)試，反復(fù)操作100次，記錄從命令下發(fā)到電能表拉/合閘動(dòng)作的時(shí)間，計(jì)算每種組合的平均拉閘時(shí)間如圖2所示，同時(shí)可見：1)集中器并不能支持所有類型的載波模塊，即不能實(shí)現(xiàn)所有廠家的互聯(lián)互通，如組合3，即威勝電氣南網(wǎng)規(guī)約集中器不識(shí)別深圳陽(yáng)光智慧SG3000型載波模塊，原因是集中器不兼容國(guó)網(wǎng)1376.2載波協(xié)議的通信模塊，從而無法通信。2)大部分集中器的拉閘平均時(shí)間集中在8～16 s范圍內(nèi)，可見該拉閘時(shí)間范圍可代表該條件下的正?？刂祈憫?yīng)時(shí)間。從整體上看，南網(wǎng)規(guī)約集中器拉閘響應(yīng)速度比廣西規(guī)約集中器快，但差別不大。3)組合2(中電華瑞集中器+陽(yáng)光智慧載波通訊模塊)的平均拉閘時(shí)間超過16 s，原因是這兩個(gè)廠家的設(shè)備載波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)匹配性較差[8]，通訊延時(shí)較長(zhǎng)，建議通過磨合優(yōu)化組網(wǎng)交互流程。

圖2 集中器拉閘響應(yīng)時(shí)間比較

3.2 遠(yuǎn)程控制異常問題分析

在對(duì)計(jì)量主站遠(yuǎn)程控制功能的通訊規(guī)約進(jìn)行調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)的常見異常問題如下：

1)主站下發(fā)抄讀電能表運(yùn)行狀態(tài)字3后，發(fā)現(xiàn)終端返回的數(shù)值為FFFF，即不支持該數(shù)據(jù)項(xiàng)，報(bào)文如圖3所示。根據(jù)南網(wǎng)2013上行規(guī)約，應(yīng)用層功能碼AFN分類定義了16種類型的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用功能，AFN=0AH表示讀參數(shù)(H表示0A為16進(jìn)制數(shù)據(jù))，AFN=0CH表示讀當(dāng)前數(shù)據(jù)。電能表運(yùn)行狀態(tài)字應(yīng)屬于測(cè)量點(diǎn)當(dāng)前數(shù)據(jù)，AFN應(yīng)為0CH，圖中錯(cuò)誤的報(bào)文是主站通訊規(guī)約研發(fā)人員對(duì)規(guī)范理解有誤，認(rèn)為電能表狀態(tài)字3屬于測(cè)量點(diǎn)參數(shù)造成的。

2)對(duì)某批南網(wǎng)費(fèi)控表(單相表，內(nèi)置負(fù)荷開關(guān))進(jìn)行拉合閘測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)存在負(fù)荷開關(guān)誤動(dòng)作事件記錄異常的問題。根據(jù)南網(wǎng)2017年8月對(duì)費(fèi)控電能表拉合閘控制的要求“電能能表拉閘動(dòng)作時(shí)，若第一次檢測(cè)結(jié)果為斷路器成功拉閘，電能表持續(xù)檢測(cè)，如檢測(cè)到斷路器誤動(dòng)或拒動(dòng)，上報(bào)并做負(fù)荷開關(guān)誤動(dòng)作事件記錄”。由于電能表只能存儲(chǔ)最近10次事件，為避免事件重復(fù)生成擠占電能表存儲(chǔ)空間[9]，要求電能表“在合閘動(dòng)作前只記錄1次”。

為測(cè)試電能表能否滿足上述要求，測(cè)試方法如表2，電能表在合閘后首先第1次下發(fā)拉閘命令，成功收到命令后電能表運(yùn)行狀態(tài)字3中的繼電器命令狀態(tài)位bRC變?yōu)?，然后短接電能表的強(qiáng)電1和2端子(電流L和N端子)，由于此時(shí)內(nèi)置開關(guān)的費(fèi)控電能表繼電器狀態(tài)檢測(cè)回路檢測(cè)到費(fèi)控表的電流回路狀態(tài)為通，從而誤認(rèn)為沒有拉閘成功，將繼電器狀態(tài)位bR置0，當(dāng)bRC≠bR時(shí)產(chǎn)生負(fù)荷開關(guān)誤動(dòng)作事件，事件中記錄了負(fù)荷開關(guān)誤動(dòng)作總次數(shù)、發(fā)生時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻等。通過這種方式模擬電能表拉閘失敗，此時(shí)生成1次負(fù)荷開關(guān)誤動(dòng)作事件，然后再重復(fù)模擬電能表拉閘失敗2次，檢查電能表記錄情況。測(cè)試發(fā)現(xiàn)該功能異常的廠家隨著模擬操作次數(shù)的增加不斷形成開關(guān)誤動(dòng)作事件，負(fù)荷開關(guān)誤動(dòng)作總次數(shù)不斷增加，從1次增加到3次。而正常廠家的誤動(dòng)作總次數(shù)在第1次事件后記錄1次，然后在下一次合閘前保持不變。合閘后再進(jìn)行第2次拉閘，重復(fù)上述事件模擬，情況依舊。異常廠家與正常廠家的電能表運(yùn)行狀態(tài)字3變化測(cè)試情況見表2。

表2 負(fù)荷開關(guān)誤動(dòng)作事件測(cè)試結(jié)果

3)南網(wǎng)規(guī)約的集中器對(duì)廣西97表拉合閘失敗的問題。如圖4，根據(jù)廣西電能表規(guī)約要求，電能表進(jìn)行拉閘，即斷電控制時(shí)應(yīng)先產(chǎn)生斷電控制報(bào)警(數(shù)據(jù)區(qū)控制參數(shù)為6D F3)，再進(jìn)行拉閘操作(數(shù)據(jù)區(qū)控制參數(shù)為6F F3)，此時(shí)電能表返回正常應(yīng)答幀(控制碼C=84H)。合閘時(shí)應(yīng)先清除斷電控制報(bào)警(數(shù)據(jù)區(qū)控制參數(shù)為6E F3)，再進(jìn)行通電控制，即合閘操作(數(shù)據(jù)區(qū)控制參數(shù)為70 F3)。圖4的異常報(bào)文未產(chǎn)生斷電控制報(bào)警就直接進(jìn)行拉閘操作，故電能表回復(fù)異常應(yīng)答幀(控制碼C=C4H)，故拉閘失敗。

4)南網(wǎng)上行規(guī)約集中器對(duì)南網(wǎng)費(fèi)控表拉合閘失敗的問題。根據(jù)南網(wǎng)技術(shù)要求，南網(wǎng)費(fèi)控表拉合閘采用密文方式，但由于南網(wǎng)計(jì)量終端目前未有配置安全模塊的技術(shù)要求，故計(jì)量終端目前無法進(jìn)行密鑰更新，從而無法通過身份認(rèn)證和生成密文，故無法實(shí)現(xiàn)通過寫控制參數(shù)的方式拉合閘。圖5中案例的異常報(bào)文以明文組成寫拉閘控制參數(shù)的方式對(duì)電表進(jìn)行遠(yuǎn)程拉閘控制(信息體數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)編碼FN=E0001100)，終端此時(shí)雖然回復(fù)確認(rèn)幀(錯(cuò)誤碼=00)，這里僅表示終端收到了正確格式的報(bào)文，但電能表實(shí)際沒有拉閘成功，因?yàn)榇藭r(shí)終端下發(fā)給電能表的是明文方式的拉閘命令，此時(shí)返回異常應(yīng)答幀(錯(cuò)誤碼ERR = 37H)，對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤原因是未授權(quán)操作。根據(jù)表1，正確的方式應(yīng)為中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式且需先進(jìn)行身份認(rèn)證。此外，根據(jù)南網(wǎng)發(fā)布的費(fèi)控電能表系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)答疑，費(fèi)控表可通過明文合閘，此時(shí)應(yīng)對(duì)應(yīng)采用03級(jí)控制密碼。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著廣西電網(wǎng)計(jì)量自動(dòng)化“兩覆蓋”和計(jì)量信息安全防護(hù)體系建設(shè)的深入，通訊協(xié)議多元化計(jì)量設(shè)備的接入將對(duì)計(jì)量系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮帶來新的問題。前面分析了廣西電網(wǎng)常見的電能表和計(jì)量終端遠(yuǎn)程控制通信協(xié)議的特點(diǎn)，并給出了推薦控制方案和流程。接著通過實(shí)例分析了不同通信模塊和集中器廠家組合的拉閘平均響應(yīng)時(shí)間的差異特點(diǎn)，最后對(duì)開關(guān)誤動(dòng)作事件異常、拉合閘機(jī)制不匹配、安全認(rèn)證失敗等異常問題進(jìn)行了通訊報(bào)文的實(shí)例分析?？梢姡挥刑岣哌\(yùn)維人員的規(guī)約解析能力和故障分析水平，準(zhǔn)確識(shí)別和處理故障，才能確保用戶的正常用電。