終端在智能電表現場檢測中的應用研究

張軍朝

0 研究背景

隨著統一智能電表的推廣，目前邢臺已完成智能電表的安裝30多萬臺，為智能電網的建設提供了基礎運行平臺環境。智能電表以其精度高、安全穩定、多功能的特性，得到電力公司和客戶的認可，但是正式其多功能、多種復雜通訊方式，造成了一旦出現問題，對造成故障判斷就十分困難，在缺少有效手段的情況下，對于現場服務人員來講，為了避免產生用電糾紛，基本采取的措施就是換表，造成電力供公司人員和資產的極大浪費，隨著安裝計量設備的不斷增多，勢必投入更大的人力和財力才能維護正常的客戶服務水平，能否根據智能電表的技術特性和規范要求，采用科學的技術手段，解決客戶服務人員現場服務的問題是擺在營銷一道難題。

1 主要問題

為了探究表計故障原因，我們將所有現場返庫的表計進行了全面的質量分析，發現很多所謂的故障主要體現為購電輸不進、數據抄收效果不好，通過對其的仔細，發現表的基本功能都是正常的，造成的主要問題都是卡信息和表計信息不一致、密鑰未正常下裝等問題，都是操作環節的問題居多，占了整個故障表計的80%以上。

2 問題探源

針對上述情況，我們走訪了表廠、方案商、系統開發商，深入研究了國網智能電表宣貫技術要求，發現主要根源是：

1）國網智能卡表沒有提供檢查卡功能，服務人員無法通過檢查卡檢查用戶表計信息;

2）現場無法獲取用戶卡信息的正確性，只能憑借表計故障代碼進行粗淺的判斷，對于用戶卡只能到營業網點獲取卡片信息;

3）無法獲取當前用戶的客戶信息，缺少判斷問題的技術依據;

4）載波模塊的故障，非專業技術人員很難判斷，設備在安裝階段就已經埋下了禍根。

以上這些問題，都是造成服務人員重復工作、效率底細的根本原因，有時為了一個故障表服務人員要反復幾次，極大打擊了服務人員的積極性，索性不如拆表了事，造成了非故障表計換表的問題頻繁出現。

3 解決問題思路

針對以上問題，我們通過與現場服務人員交流，結合以往的工作經驗，我們得出的結論是需要研發出一款便攜的、移動獲取客戶信息、現場讀取客戶電卡信息、實時獲取表計信息的設備，就可以很好的解決問題。

首先，便攜解決了服務人員可以隨身攜帶的問題，移動獲取客戶信息提供了分析卡片信息和用戶實時數據的手段，其次現場讀取用戶卡信息，最后再與表計目前的實際信息做比較，這個就構成一套完整的現場分析系統，為服務人員提供一個移動的智能業務輔助解決設備。

針對以上思路，我們對設備的規劃如下：

1）提供IC卡讀卡接口，讀取用戶卡信息;

2）通過紅外接口獲取電表實施運行信息;

3）通過遠程網絡GPRS，實時獲取后臺客戶運行信息;

4）通過附屬模塊，檢測載波通訊情況。

針對以上情況，我們對各種設備進行了選型，找到了匹配運行要求的設備，研發了相關軟件，系統整體設計如下。

4 系統整體介紹

智能電網用電信息采集系統主要由采集主站、集中器、智能電能表、負荷控制終端等組成。將電力公司大量場外的計量設備采用公用網絡等方式連接起來，實現數據采集、數據下發等功能，達到用電用戶全覆蓋、全采集的目標。

圖1 智能移動終端現場應用結構圖

電力公司計量設備分布廣泛，特別是低壓用戶數量龐大，所以在系統建設過程中，不僅要更換現有電能表，還需要在每個臺區新增集中器，在臺區變壓器處新增配變終端、在大用戶用電現場增加負荷控制終端等設備。由此可見這些現場設備的安全穩定運行，成為整個系統成敗的關鍵。

設備的安裝和維護都需要工作人員現場進行安裝、調試、巡檢、消缺等工作，需要實時接入采集主站查看所管理臺區設備情況，現場工作后可以快速測試、查看結果。

項目建設過程中，現場工作人員數量龐大，如何保證現場操作能按照標準的作業流程進行也成為采集系統建設的一項重要工作。

基于以上分析，為現場工作人員提供可以接入采集主站的現場作業終端來支持現場作業的便利性和一致性成為在采集系統建設期和運維期的一項重要工作。現場作業終端具有GPRS 連接能力，可以實時連接采集主站，獲取和回傳現場的相關數據;具有紅外、載波、RS232、RS485 等連接能力可以與現場設備交互;具有激光頭可以掃描現場設備的資產條碼，可以快速定位設備，監督工作人員是否到達作業現場;具有GPS 功能，可以采集集中器等設備的GIS信息。

基于以上分析，現場作業終端在主站系統的網絡支持下，按照采集系統的建設階段實現以下功能：

（1）采集系統建設期

①集中器安裝選址

②電表信息采集

③集中器信息建檔

④集中器參數設置并建檔上傳

（2）采集系統調試期

①系統在線調試

②系統離線調試

a.集中器調試

b.智能電表調試

（3）采集系統運行維護期

①集中器消缺

②智能電表消缺

③現場設備巡檢

④智能電表參數修改

⑤催費現場停復電

在系統建設期，現場作業終端可以為集中器選址，集中器安裝、調試、初始參數設置檢查，智能表安裝、費控功能調試，臺區聯調等工作提供標準化作業流程;在系統運行維護期，可以為載波診斷、集中器巡檢、終端巡檢、智能電表消缺等工作提供支持。

5 系統建設

5.1 網絡連接方式

系統由現場作業終端和接入平臺兩部分構成，兩者之間采用GPRS 等方式連接保證工作人員使用作業終端可以實時獲取電力公司內部各個系統（如：采集主站、營銷系統、售電系統、采集主站等）的實時參數數據，同時上傳現場設備的參數信息。

5.1.1 網絡協議

現場作業終端和接入平臺通常是基于不同操作系統的設備，在他們直接進行網絡連接通常采用與系統無關的socket 方式或WebService 方式。

WebService 是一種可以接收從Internet 或者Intranet 上的不同系統中傳遞過來的請求，基于應用層，是輕量級的獨立通訊技術，一般分為httpwebservice ，soap webservice 兩種，都是基于http 通信協議，交互xml 格式的數據。Socket （通常稱為套接字）是一種以字節流的方式傳輸數據的網絡接口，也是最早出現的一種網絡接口，被各個平臺廣泛的使用。Socket 主要是基于傳輸層，多用于C/S 通信，且可以使用不同的端口。對比這兩種連接方式，WebService 開發快速，接口調用清晰，但傳輸數據較大;Socket 連接具有更好的靈活性和較高的通訊效率，并且可以將不同的應用綁定到不同端口從而更加清晰地區分不同應用。

對于本系統來說，將采用的GPRS 連接方式理論速度不高，并將采用C/S的開發方式，因此需要靈活性和通訊效率，故建議采用socket 方式進行網絡連接

5.1.2 通訊協議

在通訊協議方面，我們建議在現有的376.1 通訊協議上進行適當擴充來滿足現場系統的業務需求。首先，工作人員現場作業的對象集中器、電表、各類終端均按照376.1 協議與采集主站進行連接，作業終端沿用該協議可以保持協議的一致性，易于各方理解和開發。經過多年實踐應用，協議的安全性、穩定性已經日趨成熟。

對于接入平臺來說，可以利用現有的現場終端平臺進行業務開發，避免了重復的協議開發，可以集中進行業務邏輯開發。

5.2 現場作業終端與接入平臺通訊接口定義

為了完成現場作業終端的相關作業需求，作業終端需要與接入平臺之間

定義業務接口。

1）操作員身份操作

操作員登陸規約交互核心參數

2）作業終端與 SIM 卡綁定

3）電表 ESAM 身份認證

本功能用于現場作業終端與采集主站的ESAM 身份認證，現場作業終端對電能表進行任何操作前必須先通過此認證。

①使用現場作業終端向電能表發送讀取表號指令。

②能表收到并驗證指令后返回表號。

③現場作業終端根據表號組合分散因子，向采集主站發起身份認證，將分散因子發送給采集主站。

④采集主站根據分散因子返回隨機數1 和密文1。

⑤現場作業終端收到隨機數1 和密文1 后組織身份認證幀向電能表發送。

⑥電能表收到隨機數1 和密文1 后，加密隨機數1 得到密文2，比較密文1 與密文2進行甄別

4）電表遠程控制

本功能是現場作業終端用于對電能表的相應控制，控制功能有：跳閘、合閘、報警、報警解除、保電、保電解除等。

①首先進行ESAM 身份認證，獲取隨機數2 和ESAM 序列號。

②現場作業終端向采集主站發送隨機數2、分散因子、ESAM 序列號、遠程控制信息明文。

③采集主站根據收到的信息進行加密并計算出MAC，返回帶MAC 的控制信息密文。

④現場作業終端根據收到的帶MAC 的控制信息密文組織遠程控制幀，發送給電能表。

⑤電能表驗證MAC 成功后解密控制信息并執行控制命令。

5）電表充值（擴展功能）

電能表充值功能是在電能表的剩余金額基礎上增加充值金額值。為了有效的防止攻擊及卡片誤操作，要求只有在充值數據幀中的購電次數或用戶卡中的購電次數比電能表內的購電次數大1時，才執行充值操作，否則放棄此次充值操作。

①使用現場作業終端從電能表中讀取充值次數。

②進行 ESAM 身份認證，獲取隨機數2 和ESAM 序列號。

③現場作業終端向采集主站發送隨機數2、分散因子、充值金額、充值次數、首次充值時附加戶號。

④采集主站根據以上信息進行MAC 計算，返回計算出的MAC 和充值指令。

⑤現場作業終端根據帶有MAC 的充值指令組織充值幀，發送給電能表。

⑥電能表接收指令驗證并充值，然后返回充值結果。

⑦現場作業終端得到結果并反饋給操作員。

6）電表參數更新（擴展功能）

本功能對電能表中參數的修改。

①首先進行ESAM 身份認證，獲取隨機數2 和ESAM 序列號。

②根據需要更新的內容，現場作業終端根據規定格式組織更新指令和實際參數修改數據的明文。然后向采集主站發送隨機數2、分散因子、更新指令、參數明文、ESAM 序列號。

③采集主站根據收到的信息計算MAC 并返回帶MAC 的參數更新信息密文。

④現場作業終端根據收到的帶MAC 的參數更新信息密文組織參數更新數據幀，發送給電能表。

⑤電能表驗證MAC 并解密參數密文，成功后更新指定參數，返回更新結果。

7）電表數據回抄（擴展功能）

本功能用于回抄電能表ESAM 文件中的數據。比如：電能表中剩余的金額、購電次數、客戶編號、密鑰信息等。

①首先進行ESAM 身份認證，獲取隨機數2 和ESAM 序列號。

②現場作業終端向電能表發送數據回抄幀，電能表根據數據回抄標識讀取文件，采用隨機數1 前4 字節和分散因子計算出的過程密鑰進行MAC 計算，返回回抄數據明文與MAC。

③現場作業終端向采集主站發送隨機數2、分散因子、從電能表中回抄的數據、電能表返回的MAC。

④采集主站根據收到的信息計算MAC 并和現場作業終端發送的MAC 進行校驗。返回校驗結果。

8）電表費率更新（擴展功能）

本功能對電能表中非費控參數進行修改。

①首先進行ESAM 身份認證，獲取隨機數2 和ESAM 序列號。

②根據需要更新的內容，現場作業終端根據格式組織更新指令和實際參數修改數據的明文。然后向采集主站發送隨機數2、分散因子、更新指令、參數明文。

③采集主站根據收到的信息計算MAC 并返回帶MAC 的參數更新信息。

④現場作業終端根據收到的帶MAC 的參數更新信息組織參數更新數據幀，發送給電能表。

⑤電能表驗證MAC 信息成功后更新指定參數，返回更新結果。

6 系統應用功能設計

6.1 采集系統建設期

6.1.1 集中器安裝選址

集中器作為一種載波通信的中央設備，通過電力線匯集該配電變壓器下所有終端電表的數據，負責主動與每一終端表進行數據通信，并將數據存儲，定時或實時的將數據通過GPRS 傳回到用電管理部門的數據服務器中。它起到連接服務器和智能電表的中繼作用，是整個采集網絡的中心關鍵點。

安裝集中器應該保障安裝在GPRS 信號強的地方，保證與主站通訊的可靠性。在安裝前可以使用現場作業終端的GPRS 通訊功能在規劃安裝位置與主站進行通訊測試，保障選址位置信號良好。通過現場作業終端上的GPRS信號強度值顯示，判斷現場是否適合安裝集中器。作業終端上顯示的GPRS信號強度值的范圍是1 到31 之間，這個值越大表示當前信號越強，信號在12 以上就能認為信號良好，操作人員通過此值選定集中器安裝位置。

6.1.2 電表信息采集

給用戶安裝電表時，現場人員使用現場作業終端查詢到需安裝電表用戶的相關信息，如：戶名、地址、戶號、所在臺區號等。再使用現場作業終端的激光頭掃描電表的條碼號，或者通過紅外獲取電表的地址，唯一確定安裝到現場的電表，并將此電表與該用戶綁定，同時作業終端將自動采集電表安裝位置的經緯度信息或最近一次定位信息，最后上傳綁定關系及定位信息。

6.1.3 集中器信息采集

安裝集中器時，現場人員使用現場作業終端的激光頭掃描集中器的條碼號，或者通過紅外獲取集中器的地址，唯一確定安裝到現場的集中器，與當前臺區綁定，同時現場作業終端將自動采集集中器安裝位置的經緯度信息或最近一次定位信息，最后上傳綁定關系及定位信息。

6.1.4 集中器參數設置并建檔上傳

完成一個臺區集中器和電表安裝后，在采集主站上就已經存在關聯關系，現場作業終端通過GPRS 獲取此關聯關系，通過紅外、232 或485 將此關聯關系設置到集中器中，使集中器知道下掛的電表地址。

6.2 采集系統調試期

在采集系統調試期對采集設備的調試可以分為兩種模式進行。首先，是按照現場工作流程，對采集設備進行統一的調試，主要包含遠程抄表和遠程控制等內容。如果調試成功，則當前臺區設備從調試狀態進入正式運行狀態。

如果調試不成功，則進如單一設備調試模式，對臺區內的集中器、采集器和智能電表分別進行調試，以排除故障。所有設備調試成功后再進行系統統一調試，成功則進行設備狀態切換。

6.2.1 系統在線調試（圖2）

系統在線調試是為了檢測臺區內設備是否都能正常在線運行，都能正常運行的話，就表明該臺區達到采集系統建設要求，可以從安裝調試狀態，進入正常工作運行狀態。這種調試主要從兩個方面進行：抄表和控制。工作流程是：通過現場作業終端向信息采集系統發起一個調試請求，然后信息采集系統通過主站和GPRS 網絡向集中器發出調試命令，讓集中器根據命令完成調試內容。

圖2 智能移動終端現場調試應用

6.2.2 設備離線調試

1）集中器調試（圖3）

集中器安裝完成之后，工作人員可以使用現場作業終端的紅外、232 或485 與集中器進行交互，進行標準化調試。

調試內容有兩項：

①抄表，現場作業終端通過紅外、232、485 或載波向集中器發送抄表命令，集中器返回抄表結果，如抄到率，未抄到電表的信息等。

②控制，現場作業終端通過紅外、232、485 或載波向集中器發送拉閘或合閘命令，集中器隨機揀選一定比例（如5%）的電表，執行拉合閘命令，工作人員現場判斷拉合閘是否成功，若不成功，確認問題所在，修復后再試，直到成功為止。

2）智能電表調試

6.3 采集系統運行維護期

6.3.1 網絡或主站通訊問題

當采集主站發現有集中器出現通訊故障時，管理人員首先確定是否為上行鏈路問題，此類問題的表現特征是大批量集中器都存在通訊故障。此時需要檢查是否是由本地網絡設備如路由器、交換機、網卡、防火墻和采集終端等和通信運營商的服務器設備參數設置錯誤或不完善引起的通信中斷、擁塞、通信不穩定等問題。

圖3 智能移動終端現場應用結構

6.3.2 集中器常見故障描述

集中器運行過程中，經常遇到的故障主要有以下幾類：

①集中器掉電、死機、黑屏、無電源指示表現為集中器不在線，集中器下所有電表召測數據為空。

②通訊死循環表現為集中器不在線，一直處于信號搜索狀態。

③集中器通信參數錯誤指集中器與采集主站通信的參數如主站IP 地址、端口號、網關、代理服務器地址和APN 等設置錯誤。參數設置錯誤將使該終端不能通信，故障表現為個別性。

④SIM 卡或UIM 卡故障

指SIM 卡和UIM 卡芯片損壞、IP 地址配置時引起地址重復、超出事先約定范圍和APN 錯誤、通信業務關閉等。芯片損壞、APN 錯誤、通信業務關閉表現在不能通信，IP 地址重復表現與采集主站通訊時斷時通，IP 地址超出規定范圍表現集中器可上線，但采集主站可能看不到。

6.3.3 集中器消缺

若是個別性的集中器故障，管理人員通過采集主站生成一項任務，并將任務分派到集中器所在區域的工作人員，工作人員到集中器現場進行故障排查和解決（圖4）。

a.工作人員到現場后，使用現場作業終端連接 GPRS，確定是否能連接GPRS。若不能連接，可能是移動運營商鏈路問題;若能連接，繼續執行下一步消缺操作。

b.通過觀察集中器狀態，查看采集器是否死機。若是死機，則重啟集中器后，執行f 流程;若非死機，繼續執行下一步消缺操作。

c.查看集中器的 GPRS 信號指示燈，是否處于已連接狀態。若GPRS 未連接，則重啟集中器，觀察是否能正常連接，能正常連接時，執行f流程;若不能正常連接，繼續執行下一步消缺操作。

d.若 GPRS 網絡無法連接或GPRS 網絡可以連接但連接后與不能與采集主站通訊時，通過現場作業終端讀取采集器內部網絡參數設置，判斷設置是否正確。若不正確通過現場作業終端設置采集器網絡參數，執行f 流程;若參數設置正確，繼續執行下一步消缺操作。

e.檢查 SIM 卡是否損壞，接觸是否良好，集中器硬件是否有損壞情況。若存在以上情況，執行g 流程。

f.使用現場作業終端向采集主站發起調試命令，判斷集中器是否能正常工作。如果能正常工作，結束消缺流程，向采集主站提交任務完成幀;如果不能正常工作，繼續執行下一步消缺操作。

g.若問題已解決，上傳任務成功完成結果;若問題還未解決或無法現場解決，則上傳任務處理失敗結果，并附加情況描述。

6.3.4 智能電表消缺

1）智能電表常見故障描述

智能電表運行過程中，經常遇到的故障主要有以下幾類：

①智能電表故障

表現為智能電表死機、無屏顯、按鍵無反應或硬件損壞。

②485 接口故障

485 接口故障指電能表、集中器的485 通訊接口故障，表現為集中器對電表的召測數據為空。

③載波通訊故障

載波通訊故障指載波電能表、集中器間載波通訊故障，表現為集中器對載波電能表的召測數據為空。

2）智能電表消缺

在智能電表運行階段，由于下行網絡異常或者智能電表本身發生故障時，管理人員通過采集主站生成一項任務，并將任務分派到電表所在區域的工作人員，工作人員到用戶現場進行消缺工作。工作人員通過現場作業終端進行智能表消缺操作，檢測故障所在，并排除故障。消缺操作流程如下：

a.使用現場作業終端讀取智能電表有功總數據，確認是否能正確返回數據。若有數據返回，執行下一項消缺操作;若不能返回，則是電能表故障。

b.使用現場作業終端向集中器發送指令，讀取故障智能電表有功總數據，確認是否能正確返回數據。若有數據返回，執行下一項消缺操作;若不能返回，則是集中器與電能表數據通訊故障，執行c 操作。

c.b 操作不能返回電能表數據時，根據集中器和電表之間的通訊方式，決定使用下面的測試方法：①如果使用載波通訊，則在集中器端的220V 電線上掛接載波操控器，并連接現場作業終端，使用現場作業終端讀取電表有功總數據，確認是否能正確返回數據，若正確返回說明集中器端載波故障;不能正確返回說明電表端載波故障。②如果使用485 通訊，請檢查485 線連接是否正常，是否存在斷路。

智能電表消缺的派工單幀及最后上傳工作結果幀見“6.3.3 集中器消缺”內容。

6.3.5 現場設備巡檢

采集系統的安全穩定運行依賴于分布在各個臺區和廣大用戶現場的計量設備和通訊設備，如何對相關設備進行定期的巡視、檢測、現場校驗等相關工作，是采集系統在運行維護期的一項重要工作。

采用現場作業終端進行相關工作，單個現場工作人員發現的問題和相關解決方案都可以快速的變為所有工作人員的標準化作業流程有助于整體解決相關問題。

工作人員攜帶現場作業終端，記錄設備目前的狀態信息，不同的設備有不同的巡檢項，如集中器，需要檢查狀態指示燈是否正常，集中器中的檔案信息是否與采集主站中保存的數據一致，集中器是否能抄電表數據等。

6.3.6 智能電表參數修改（擴展功能）

在電力公司進行調價或者對特殊情況用戶進行特殊費率政策時，如用戶采用的是本地費控表則可以使用現場作業終端對相關表計進行設置。按照645‐2007 規約的國家電網備案文件，可以設置以下相關參數。

6.3.7 催費現場停復電（拉合閘功能）

在實行后付費的區域，工作人員可以使用作業終端查詢用戶的用電情況和電費補交情況，并根據系統指示，對用戶電表進行拉合閘等相關費控操作。

7 應用方案總結

智能移動終端投入使用后，分配到安裝現場、故障維修班組后，在表計安裝環節解決了集中器定位，現場預付費表計安裝、快速信息采集的問題，特別是在現場維修環節，減輕了維護人員勞動負荷，加快了問題的處理速度，得到了現場維護人員的一直肯定。

通過智能移動終端的應用，表計的現場拆換率明顯下降，客戶投訴比率下降，一次維修率得到很大提升。下一步我們將在信息集成方面做進一步的研究，研發結合RFID技術在電表現場檢測、技術指標提取上的應用。

[責任編輯：張濤]