基于計算機云技術的用電信息采集系統設計與實現

陳方周，常 凱

（1.國電南瑞科技股份有限公司 國際業務分公司，江蘇 南京 211100；2.國網寧夏電力有限公司銀川供電公司 興慶公司通貴供電所，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

隨著大數據、人工智能等技術的迅猛發展，越來越多的大數據中心不斷地被建立起來，對電力系統信息化和智能化管理水平的需求也在不斷提高。但是大多數的工業用戶都沒有專門的數據傳輸線路，因此必須利用公用通信網來實現數據的傳輸[1]。隨著云通信技術的飛速發展，公用通信網中出現了一種利用云計算服務提供商將電網主站與大客戶現場間即時通信連接起來的數據傳輸方式[2]。云通信是指用戶側用電信息采集系統在與遠程終端進行數據通信時，不僅能夠實現與本地終端間的實時數據傳輸，同時還能夠與遠程終端之間進行數據通信。本文所述的云通信技術是基于云計算平臺提供的即時通信服務，利用該技術能夠實現云服務器與終端之間的實時通信，同時也能夠實現用戶側信息采集與遠程終端之間的實時通信。由于云通信技術具有更高的通信效率和更穩定可靠的特點，采用云技術能夠提高大用戶電量抄表和負荷控制的成功率，因此這一技術已經在電力系統技術支撐系統中得到了應用。本文以基于云計算技術的網絡數據傳輸系統為核心，進行相關的技術與軟件研發。在云通信的基礎上，通過對現有技術的深入研究，結合電力系統中用戶用電信息采集子系統的應用需求，以嵌入式系統為平臺，實現了一種新型的基于云通信技術的遠程終端數據采集系統，該系統能夠滿足大用戶用電信息數據實時、可靠、高效傳輸的需求。

1 用電信息管理系統

用電信息管理系統需要對大量的電表進行遠程抄讀，在每個月的第一天抄讀結算電量，進行計量結算，其困難是用戶電表的數量太多，很難實現全部的自動抄表覆蓋[3]。當前，無線通信技術、低壓電力線載波通信技術在自動抄表的遠程抄讀中得到了廣泛應用，用電信息采集系統的實現技術已經基本成熟并進入了實用化階段，其層級結構如圖1 所示[4]。

圖1 用電信息管理系統的層級結構

2 采集器端分體式4G 通信模塊設計

通過對云通信運營商提供的云即時通信產品進行分析，發現用戶的數據終端設備主要采用無線公網接入云通信系統，其中4G 長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術是目前應用最多的接入技術。當前，市面上有很多商品化的4G 通信模塊，但考慮到均不能滿足用電信息管理系統采集器終端的現場運行條件及抗電磁干擾的長線驅動需求，因此必須開發一個專用的、分離式的全網通4G 模塊，以支持電量采集器的4G 通信接入[5]。

根據國家電網公司居民戶電能量采集器的通信接口規范，通信接口采用外接專用數據通信設備的方法實現遠程通信，采集器終端本體采用異步收發傳輸器的異步串口與數據通信設備連接，信號標準為3.3 V 的晶體管-晶體管邏輯電平（Transistor Transistor Logic，TTL）信號，數據通信設備的電源也由采集器終端本體提供，電源電壓為4 V，采用20 針電子集成驅動器（Integrated Drive Electronics，IDE）實現信號連接和固定。

3 基于ESAM 模塊的網絡安全軟件包

為了保證自動抄表系統的網絡安全性，在自動抄表系統的數據采集端與電能表間均需配置嵌入式安全控制模塊（Embedded Secure Access Module，ESAM）[6]。該系統以嵌入式中央處理器（Central Processing Unit，CPU）為核心，通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）與采集端的微機進行數據交換，數據傳輸速度可達1 ～2 Mb/s[7]。在這個模塊中，對SM1、SM2 和SM3 等國家密碼局發布的標準國密算法進行了設計，它可以支持對通信報文進行加/解密、簽名、驗簽等多方面的功能，從而保證用電信息管理系統主站和采集器終端之間的數據可以準確、安全地進行傳輸。ESAM 模塊的內部結構如圖2 所示。

圖2 ESAM 模塊的內部結構

如圖2 所示，ESAM 模塊內部采用了特殊的密碼算法。若要利用ESAM 模塊進行哈希運算消息認證碼（Hash Message Authentication Code，HMAC）的鑒權和數據加密標準（Data Encryption Standard，DES）消息的加密操作，則要利用SPI 接口將消息發送到ESAM 模塊，然后由ESAM 模塊進行計算，最后再由SPI 接口返回到業務計算機。

4 網絡安全算法在電量采集器應用軟件中的實現

報文消息認證碼（Message Authentication Code，MAC）通過對收發雙方的驗證代碼進行對比，來判定報文有無被篡改。保護報文不被篡改是一個非常重要的問題，為了確保報文不被篡改，需要使用MAC 算法[8]。因為采集端的參數設定和對等操作都是通過密文來進行的，所以在ESAM 模塊中，采用的是一種數據加密標準的DES 算法，來實現對數據的加密，在此基礎上，本文還設計了一種用于自動抄表軟件包的DES 功能[9]。

DES 是一種對稱加密/解密算法，先進行分組，后采用密鑰對數據進行加/解密，有效密鑰占7個字節，共56 位，校驗碼占1 個字節，共8 位。它具有良好的保密性能和很低的被攻破概率，適用面很廣，加密過程如圖3 所示。

圖3 DES 算法的加密過程

首先，根據特定的規則對64 位的明文進行重排，并通過初值變換來確定重排的規則。對64 位的明字進行重排后，得到的結果是左、右各32 個字節。其次，按照DES算法的要求，執行16個循環的迭代操作，這16 個循環迭代操作的目標就是要對數據信息進行加密。對DES 算法進行迭代分析，可以看出該迭代過程是對數據與密鑰進行交換與替換。在此基礎上，將前一階段的輸出結果之和作為下一階段的輸入。

5 自動抄表協議包的設計與實現

為了實現IEC102 協議的自動抄表業務，創建了一個任務TaskIEC102 專門實現IEC102 協議報文的交互流程。由于TaskIEC102 的通信流程建立在云通信IST 任務TaskCloudComm 之上，TaskIEC102 的任務在TaskCloudComm 之上透明傳輸，因此2 個任務之間需要進行信息交互[10]。由于TaskCloudComm和TaskIEC102 是2 個獨立運行的任務，二者之間進行信息交換時要遵守同步與互斥機制。μC/OS-II支持信號量、互斥信號量、消息、消息隊列等4 種同步信息交互的機制，本文使用了Semaphore 信號量機制和CS 臨界區保護實現2 個任務之間信息的交互。為了實現這一功能，設計了2 個信號變量semaRecv 和semaSend，并且設計了2 個全局緩沖區buffRecv[1024]和buffSend[1024]，2 個任務使用這2 個信號量控制2 個方向字節流的傳遞。TaskIEC102任務的OnReceive 函數接收字節流的同時，自動提取鏈路層幀，并完成解幀處理。

6 結 論

本文結合電力企業用電信息管理系統的現狀，針對大用戶使用公網傳輸用電信息的實現原理、設計方案以及軟硬件設計等展開一系列研究。首先，在收集終端中設計4G 分體式通信模塊，并與公網相連，使收集終端中的數據信息能夠通過公網直接上載到云計算中，同時電力信息管理系統的主站能夠從云計算中接收并發送數據，從而使電力信息管理系統主站與收集終端能夠在公網中實現雙向的數據交換，以滿足云計算即時通信技術中電力企業電力信息管理系統主站與收集終端間電力信息交換的需要。其次，重點對云環境下數據傳輸中的網絡安全問題展開分析與研究，提出一種以ESAM 為基礎的嵌入式安全接入模塊，利用DES 算法對數據包進行加密，利用HMAC 算法對數據包進行完整性驗證，以提高數據包的可靠性、精確性、穩定性，并在此基礎上設計實現了一種自動抄表協議包。