IP網絡技術在電能表數據采集系統(tǒng)應用

一．引言
中國共產黨的十六大報告指出：信息化是我國加快實現工業(yè)化和現代化的必然選擇。堅持以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化，走出一條科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子。形成以高新技術產業(yè)為先導、基礎產業(yè)和制造業(yè)為支撐、服務業(yè)全面發(fā)展的產業(yè)格局。電力行業(yè)也要信息化，電能表數據采集系統(tǒng)就是很好的應用。

現有的電能表集抄模式由于受到技術、經濟的制約，還存在著諸如220V低壓電網的諧波干擾問題；掌上機紅外抄表的人工問題；自建網絡的費用、維護問題；電信電話的資費問題；無線網絡的傳輸質量與速率問題等等。為了尋求一種能夠較好地解決這些問題的通訊方式，我們將目光轉向了寬帶網。

近年來，隨著全球信息化、信息數字化的飛速發(fā)展，我國在信息產業(yè)方面投入了巨大的人力和物力，提出了“千兆到小區(qū)，百兆到樓層，十兆到家庭”的目標，并取得了可喜的成績。許多城市和地區(qū)為了打造“數字信息港”都在花巨資加強基于IP技術的網絡基礎設施建設，并且已經解決了“最后一公里”的接入問題，為在網絡上構建適應不同需求的應用服務及培育良好的電子商務市場環(huán)境打下了堅實的基矗因此充分利用快捷、可靠、免維護和相對廉價、并且逐步降價的公共有線網絡來傳輸電能表信息，是電能表集抄未來發(fā)展的一大趨勢，也是城市信息港計劃中增值服務的重要組成部分。

二．網絡集中抄表系統(tǒng)的工作原理

網絡集抄系統(tǒng)由數據采集設備、數據上網設備、寬帶網及集抄主站（包括前臺軟件、后臺數據庫）組成。其中數據采集設備也即采集終端，它既可以采集脈沖式電子表的脈沖輸出并將其轉換為電能表數據，又可以采集多功能表通過485口輸出的數據。數據上網設備是指網絡通訊服務器或IP服務器，它具有將采集終端發(fā)出的數據打包成符合相關網絡協(xié)議的數據包、并進行雙向傳輸的功能。寬帶網具有在集抄主站計算機與電能表之間傳輸數據的功能，其中的網絡監(jiān)視儀具有監(jiān)視系統(tǒng)運行情況、確定故障點、劃分維護職責的功能；網絡終端集線器是網絡運營商（Internet Service Provider，簡稱ISP）在各住宅樓單元內的終端設備，通信服務器通過它接入寬帶網。而集抄主站具有處理各種數據并與計費系統(tǒng)相連的功能。

網絡集抄系統(tǒng)的工作原理及數據流程如圖1所示。采集終端對采集到的電能表數據進行處理和儲存，等待后臺定時或隨時發(fā)出命令后，將數據送到網絡通訊服務器，經其處理變成符合相關網絡協(xié)議的數據流，傳送至供電局集中抄表主站。抄表主站對所抄收數據進行簡單的統(tǒng)計計算，以供抄表專工進行初步的分析判斷，并最終將數據送到用電計費系統(tǒng)。由此可見，網絡集抄系統(tǒng)在短時間內就能完成大面積、乃至全市的抄表、計費工作。同時，對重點企業(yè)或需要監(jiān)視的用戶可設置階段性采集和隨機采集，以滿足監(jiān)控需要。



圖1. 網絡集中抄表系統(tǒng)工作原理
值得一提的是，在需要進行網絡集抄的區(qū)域，如果采集終端不能就近上網，還可采用“高速PLC”系統(tǒng)以解決“最后一公里”的接入問題。PLC即電力線通信技術(Power Line Communication Technology)，是指利用電力線傳輸數據和話音信號的一種通信方式?！案咚貾LC”系統(tǒng)由PLC調制解調器、PLC路由器及中繼器等設備組成，這些設備的傳輸速率可達2～45Mbps。PLC調制解調器的作用與普通MODEM類似，負責將采集終端發(fā)出的數據打包并傳輸到電力線上。PLC路由器安裝在配電變壓器旁，負責收集各相配電線上由PLC調制解調器發(fā)送過來的數據，然后通過光纖等高速通信手段將數據送到Internet上。當PLC調制解調器與PLC路由器之間的通信距離超過300米時，還可以使用中繼器對所傳輸的數據進行信號放大。

三．網絡集中抄表系統(tǒng)中的安全措施

網絡集抄系統(tǒng)的正常運行需要具備以下條件：

(1) 豐富的IP地址資源，如：小區(qū)局域網或公網上的VPN等；

(2) 能防范各種專業(yè)入侵者的非法活動；

(3) 能及時、自動判別系統(tǒng)故障點，確定出故障的設備。

為此，網絡集抄系統(tǒng)在數據采集終端、網絡通信服務器及寬帶網三個方面分別采取了不同的措施，以保障自身的安全運行。

1．數據采集終端

數據采集終端中的數據存儲和傳輸采用了專門的編碼規(guī)則，由于編碼規(guī)則對外保密且是行業(yè)內部機密，攻擊者不知道編碼規(guī)則就無法恢復竊取到的數據。

行業(yè)內部機密，攻擊者不知道編碼規(guī)則就無法恢復竊取到的數據。

2．網絡通訊服務器

隨著網絡技術的飛速發(fā)展，Internet已深入千家萬戶，特別是隨著寬帶網規(guī)模的不斷擴大，設備低成本地接入Internet已經成為趨勢，這些都為普及包括網絡集中抄表在內的各類網絡應用創(chuàng)造了條件。通信服務器通過將RS232/485/422等串行數據轉換為符合TCP/IP協(xié)議的數據包，解決了普通串口設備在Internet/Intranet上的通信問題。通信服務器一般都具有一個10 Mbps 以太網接口，可以直接和以太網連接；一個或多個RS232串行接口，可以擴展為RS485等其它形式的串口，用于連接終端設備。

網絡通信服務器的安全措施包括：

(1) 專門設計的數據傳輸協(xié)議：服務器中有專門的數據通信協(xié)議，攻擊者由于無法得知協(xié)議的細節(jié)，很難從協(xié)議方面進行攻擊。

(2) 數據加密機制：在專有通信協(xié)議的基礎上，服務器同時對傳輸數據進行了加密，攻擊者在不知道加密算法及加密密碼的情況下，很難得到明文數據。

(3) 密碼認證機制：服務器中設計了密碼認證機制，密碼傳輸全部采用密文傳輸，充分保證了系統(tǒng)安全性。

3.虛擬專用網(VPN)

為充分利用網絡資源，獲得經濟、靈活的連網方式，節(jié)省用戶在設備、人員和管理方面的投資，網絡集中抄表系統(tǒng)采用了基于MPLS的VPN解決方案。
虛擬專用網（Virtual Private Network ，簡稱VPN）是網絡運營商利用公眾網的資源為客戶構成專用網的一種業(yè)務。VPN有兩層含義：一、它是虛擬的網，即沒有固定的物理連接，網絡只有用戶需要時才建立；二、它是利用公眾網設施構成的專用網。VPN兼?zhèn)淞斯娋W和專用網的許多特點，將公眾網可靠的性能、豐富的功能與專用網的靈活、高效結合在一起，是介于公眾網與專用網之間的一種網絡。

MPLS（Multiprotocol Label Switching）即多協(xié)議標記交換，它屬于引入了基于標記機制的第三層交換技術。MPLS把選路和轉發(fā)分開，由標簽來規(guī)定一個分組通過網絡的路徑。在MPLS網絡中，數據包所經過的沿途并非按照IP 包頭，而是通過交換標簽來實現轉發(fā)；當數據包要退出MPLS網絡時，數據包被解開封裝，繼續(xù)按照IP包的路由方式到達目的地。在網絡邊緣的節(jié)點被稱作標簽邊緣路由器(LER)，而網絡的核心節(jié)點則被稱為標簽交換路由器 (LSR)。LER節(jié)點在MPLS網絡中完成的是IP包的進入和退出過程，LSR節(jié)點在網絡中提供高速交換功能。在MPLS節(jié)點之間的路徑就是標簽交換路徑(LSP)。一條LSP可以看作是一條貫穿網絡的單向隧道。