基于通信協議多元接入的計量自動化遠程控制研究

(1.廣西電網有限責任公司計量中心，廣西 南寧 530023；2.南寧百會藥業集團有限公司，廣西 南寧 530003)

0 引 言

為響應南方電網公司“十三五”科技發展規劃對計量信息安全防護體系的建設要求[1]，廣西電網正大力推進費控電能表和低壓集抄終端100%覆蓋的“兩覆蓋”工作。隨著廣西省集中計量主站的建設和費控電能表的推廣使用，廣西電網存在現場安裝的計量設備的通訊協議和技術要求不統一，現行的電能表和低壓集抄系列技術規范通信協議費控控制功能定義不明確的問題[2]。為保障廣西電網公司計量自動化系統遠程費控功能模塊的正常應用，針對不同類型的電能表和計量終端模擬現場條件組織開展了遠程拉合閘功能測試試驗；針對不同儀表設備組合給出可行的遠程控制方案，并結合通訊報文分析了試驗中拉合閘失敗案例的原因，為各地計量自動化系統遠程費控功能開發提供經驗。

1 廣西電能表遠程控制現狀

目前廣西電網在用的支持遠程拉合閘的電能表通訊規約類型包括：1)符合南方電網技術規范的費控電能表(簡稱南網費控表)，采用07規約帶南網規范ESAM安全模塊，其大多數的參數修改和遠程控制過程需通過密文+MAC的方式進行數據的傳輸和驗證，需經過密碼機進行拉合閘[3]。2)符合南方電網規范的DL/T 645-2007規約普通電子式電能表(簡稱南網07表)[4]，不帶安全模。廣西電網在南網規范的基礎上結合大用戶“先購電再用電”的需求制定了預付費電能表的技術規范，其遠程拉合閘的機制與南網07表一致[5]。3)符合廣西電網公司電子式電能表通信規約的電能表(簡稱廣西97表)，該規約是在DL/T 645-1997規約基礎上擴展而來，為廣西特有，不帶安全模塊。

廣西常見終端規約類型包括：1)符合南網規范的計量終端(簡稱南網終端)，采用南網2013版上行通信規約，支持寫控制參數和中繼轉發的方式對電表進行遠程控制[6]。2)符合廣西電網技術規范的計量終端(簡稱廣西終端)，采用2008年廣西地方自行發布施行的計量終端上行數據傳輸規約，大部分可通過遠程通斷電控制命令和數據轉發的方式對電表進行拉合閘；但由于廣西2017年省集中計量主站建設之前，舊主站一直采用控制命令方式，因此部分終端在驗收時未對數據轉發功能做強制要求。

由于上述多種上行通訊協議的計量終端和下行協議的電能表同時接入計量系統使用，不同設備不同協議的配合在通訊應用時缺乏完整有效的組合控制方案，無法保證拉合閘功能的實現，給新計量主站的遠程費控功能開發帶來困難。

2 計量終端與電表的控制方案

廣西常見計量終端與電能表的6種控制組合見表1。控制方案的選擇需考慮電能表和計量終端通訊協議的兼容性、升級改造的成本和對費控安全防護體系的硬件需求等方面。

如表1所示，對于南網費控表，由于目前計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控密碼機交互實現傳輸數據的加密和解密，故只能通過計量主站連接加密機，以中繼轉發的方式進行遠程控制。廣西上行通信規約的數據轉發與南網規約對中繼轉發命令的功能定義大體相同，區別僅在于廣西規約未對中繼類型進行區分。但由于第1節所述的歷史管理問題，部分廣西終端不支持數據轉發功能，由于這部分終端在現場廣泛使用，現場升級人力成本高，故廣西終端常采用遠程升級方式，常見方式有兩種：方案A為搭建升級專用臨時服務器，修改終端IP地址，連接該服務器，服務器升級程序遠程發送升級包進行升級；方案B為計量主站新建一個專用升級TCP端口并在原應用服務器上部署升級程序，利用原來的上行鏈路進行升級。由于方案B對主站服務器存在信息安全風險，需經電網公司嚴格審核，故常選擇方案A。

表1 計量終端與電表的控制方案

對南網07表，根據技術規范要求，理論上南網終端和廣西終端均支持通過數據轉發/中繼轉發和控制命令方式進行遠程控制。廣西上行通信規約的數據轉發功能與南網規約的中繼轉發的定義大體相同，區別僅在于廣西規約未對中繼類型進行區分。與廣西規約的通斷電控制命令不同，南網規約的控制命令是以寫測量點控制參數的方式實現的，且補充了測量點和測量點地址匹配驗證的功能和控制有效時間的定義。但通過方案A升級終端需到現場修改終端IP，廣西部分終端安裝在偏遠山區，給升級帶來困難，目前部分終端存在未及時升級的情況，故廣西終端控制南網07表以及廣西97表，推薦優先采用通斷電控制命令方式。

廣西97表主要應用于國家發改委2008年DL/T645-2007電能表通信規約實施之前，廣西電網根據應用需求對DL/T 645 -1997規約進行增補，自行定義了通斷電控制機制，且對密碼權限等級沒有明確定義，需向電表資產管理方確認控制權限密碼等級和密碼。且其拉合閘機制與其他電能表不同(見圖1)，拉合閘時遵循“先告警后控制”機制[7]，即需先對電表下發產生/解除斷電控制告警命令，然后電能表才能響應拉合閘命令。如表1，由于南網終端規范主要針對南網通用表型制定，未考慮對廣西97表規約控制機制的兼容性，故南網終端目前不支持對廣西97表的寫參數控制方式，只能通過中繼轉發方式實現拉合閘。此外，與南網規范的電能表相比，廣西終端上行規約的通斷電命令方式有延時控制參數定義，故廣西終端對廣西97表可實現延時拉閘；但廣西97表的技術規范中無拉閘延時參數定義，南網終端上行規約的寫控制參數方式無延時控制參數定義，故南網終端對廣西97表目前無法實現延時拉閘。

圖1 3種類型電表的拉合閘流程

如圖1，上述3種類型電能表的遠程拉合閘流程為：首先由計量自動化系統主站核對用戶檔案無誤且電能表的用電信息數據能正常采集，然后對不同類型的電表采取不同的拉合閘控制方式。

1)南網費控表：拉閘時首先經計量主站連接密碼機獲取密鑰更新數據和隨機數，然后以中繼命令的方式對電能表下發遠程身份認證指令；電能表內的安全模塊對該隨機數進行加密，并與主站的加密結果進行密文匹配認證，若身份認證通過，則更新密鑰并返回認證信息；接著由主站下發控制命令，電表執行相應動作。此外，當終端收到主站的遠程控制命令后，若目標電表具備拉合閘功能，集中器將立即向主站正常應答，而不必考慮受控電能表是否已經真正動作。若目標電能表不具備拉合閘功能，集中器應向主站返回異常應答。接著，在控制生效時間內，終端將下發相應的下行控制命令給目標電表，并持續檢測目標電能表的控制狀態，若控制執行成功，電能表將更改電能表狀態字3的繼電器狀態位；若控制失敗，電能表將形成“開關誤動作”事件，終端產生“電能表拉合閘失敗”告警。可見，主站下發控制命令后，終端回復確認應答，并不一定說明電能表已經成功拉合閘，可參考電能表狀態字和終端告警數據確定該狀態，最穩妥的做法是去現場確認電能表外置負荷開關或內置繼電器的狀態。

2)南網07表：在南方電網2016年費控表正式推廣前應用較廣，它支持6位密碼口令防護，密碼分二級管理，出廠默認密碼統一為000000，但各地根據管理需求可能會更改密碼，拉合閘前需向資產管理方確認03級控制權限密碼，它支持主站的寫控制參數命令和中繼轉發下行控制命令兩種遠程控制方式。

3)廣西97表：它對密碼權限等級沒有明確定義，需向資產管理方確認控制權限密碼等級和密碼。控制機制為“先告警后控制”機制。

3 案例分析

3.1 拉合閘設備配合情況測試

為研究不同廠家設備通信的兼容性，對3個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行測試，測試地點為某城市居民試點小區，集中器上行通過移動4G信號與主站通信，下行通過載波方式與電能表通信。將3個廠家的集中器分別與3個廠家的載波通訊模塊兩兩組合進行拉合閘測試，反復操作100次，記錄從命令下發到電能表拉/合閘動作的時間，計算每種組合的平均拉閘時間如圖2所示，同時可見：1)集中器并不能支持所有類型的載波模塊，即不能實現所有廠家的互聯互通，如組合3，即威勝電氣南網規約集中器不識別深圳陽光智慧SG3000型載波模塊，原因是集中器不兼容國網1376.2載波協議的通信模塊，從而無法通信。2)大部分集中器的拉閘平均時間集中在8～16 s范圍內，可見該拉閘時間范圍可代表該條件下的正常控制響應時間。從整體上看，南網規約集中器拉閘響應速度比廣西規約集中器快，但差別不大。3)組合2(中電華瑞集中器+陽光智慧載波通訊模塊)的平均拉閘時間超過16 s，原因是這兩個廠家的設備載波網絡參數匹配性較差[8]，通訊延時較長，建議通過磨合優化組網交互流程。

圖2 集中器拉閘響應時間比較

3.2 遠程控制異常問題分析

在對計量主站遠程控制功能的通訊規約進行調試時，發現的常見異常問題如下：

1)主站下發抄讀電能表運行狀態字3后，發現終端返回的數值為FFFF，即不支持該數據項，報文如圖3所示。根據南網2013上行規約，應用層功能碼AFN分類定義了16種類型的數據采集應用功能，AFN=0AH表示讀參數(H表示0A為16進制數據)，AFN=0CH表示讀當前數據。電能表運行狀態字應屬于測量點當前數據，AFN應為0CH，圖中錯誤的報文是主站通訊規約研發人員對規范理解有誤，認為電能表狀態字3屬于測量點參數造成的。

2)對某批南網費控表(單相表，內置負荷開關)進行拉合閘測試時發現存在負荷開關誤動作事件記錄異常的問題。根據南網2017年8月對費控電能表拉合閘控制的要求“電能能表拉閘動作時，若第一次檢測結果為斷路器成功拉閘，電能表持續檢測，如檢測到斷路器誤動或拒動，上報并做負荷開關誤動作事件記錄”。由于電能表只能存儲最近10次事件，為避免事件重復生成擠占電能表存儲空間[9]，要求電能表“在合閘動作前只記錄1次”。

為測試電能表能否滿足上述要求，測試方法如表2，電能表在合閘后首先第1次下發拉閘命令，成功收到命令后電能表運行狀態字3中的繼電器命令狀態位bRC變為1，然后短接電能表的強電1和2端子(電流L和N端子)，由于此時內置開關的費控電能表繼電器狀態檢測回路檢測到費控表的電流回路狀態為通，從而誤認為沒有拉閘成功，將繼電器狀態位bR置0，當bRC≠bR時產生負荷開關誤動作事件，事件中記錄了負荷開關誤動作總次數、發生時刻、結束時刻等。通過這種方式模擬電能表拉閘失敗，此時生成1次負荷開關誤動作事件，然后再重復模擬電能表拉閘失敗2次，檢查電能表記錄情況。測試發現該功能異常的廠家隨著模擬操作次數的增加不斷形成開關誤動作事件，負荷開關誤動作總次數不斷增加，從1次增加到3次。而正常廠家的誤動作總次數在第1次事件后記錄1次，然后在下一次合閘前保持不變。合閘后再進行第2次拉閘，重復上述事件模擬，情況依舊。異常廠家與正常廠家的電能表運行狀態字3變化測試情況見表2。

表2 負荷開關誤動作事件測試結果

3)南網規約的集中器對廣西97表拉合閘失敗的問題。如圖4，根據廣西電能表規約要求，電能表進行拉閘，即斷電控制時應先產生斷電控制報警(數據區控制參數為6D F3)，再進行拉閘操作(數據區控制參數為6F F3)，此時電能表返回正常應答幀(控制碼C=84H)。合閘時應先清除斷電控制報警(數據區控制參數為6E F3)，再進行通電控制，即合閘操作(數據區控制參數為70 F3)。圖4的異常報文未產生斷電控制報警就直接進行拉閘操作，故電能表回復異常應答幀(控制碼C=C4H)，故拉閘失敗。

4)南網上行規約集中器對南網費控表拉合閘失敗的問題。根據南網技術要求，南網費控表拉合閘采用密文方式，但由于南網計量終端目前未有配置安全模塊的技術要求，故計量終端目前無法進行密鑰更新，從而無法通過身份認證和生成密文，故無法實現通過寫控制參數的方式拉合閘。圖5中案例的異常報文以明文組成寫拉閘控制參數的方式對電表進行遠程拉閘控制(信息體數據標識編碼FN=E0001100)，終端此時雖然回復確認幀(錯誤碼=00)，這里僅表示終端收到了正確格式的報文，但電能表實際沒有拉閘成功，因為此時終端下發給電能表的是明文方式的拉閘命令，此時返回異常應答幀(錯誤碼ERR = 37H)，對應的錯誤原因是未授權操作。根據表1，正確的方式應為中繼轉發方式且需先進行身份認證。此外，根據南網發布的費控電能表系列技術標準答疑，費控表可通過明文合閘，此時應對應采用03級控制密碼。

4 結 語

隨著廣西電網計量自動化“兩覆蓋”和計量信息安全防護體系建設的深入，通訊協議多元化計量設備的接入將對計量系統功能的正常發揮帶來新的問題。前面分析了廣西電網常見的電能表和計量終端遠程控制通信協議的特點，并給出了推薦控制方案和流程。接著通過實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時間的差異特點，最后對開關誤動作事件異常、拉合閘機制不匹配、安全認證失敗等異常問題進行了通訊報文的實例分析。可見，只有提高運維人員的規約解析能力和故障分析水平，準確識別和處理故障，才能確保用戶的正常用電。