电能量采集系统设计与应用

天津大学硕士学位论文电能量釆集系统设计与应用Design and Application OfElectric Energy Collection System领 域：软件工程作者姓名：田然指导教师：韩双立高级工程师企业导师：范旭东副高级工程师天津大学软件学院 二o四年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明）导师签名:签字日期：年 月 日签字日期：年 月 日学位论文作者签名:中文摘要电能量采集系统是集电能量数据的采集、处理、存储、分析、统计、监控、 考核、发布与报表功能为一体的自动化系统，真正实现了电能信息的全流程自动 化运行与管理。从结构上讲，电能量采集系统包括采集终端、系统主站、通讯网 络三部分。本文着重研究电能量采集系统的整体结构和各个部分的详细功能，研究的主 要内容包括：系统需求分析，采集终端的基本功能和技术特点，通信技术和数据 加密技术。重点针对采集器和集中器，系统主站各部分的结构和功能以及多种通 讯方式选择和应用分析，包括电力线载波通信、光纤通信、电话网通信、无线通 信（GSM、GPRS)。以江苏电网为例，分析研究了电能量采集系统中密钥管理系 统的建设方案，详细介绍了电能量采集系统的建设方案和工程实施方案，从技术 层面分析了系统通信技术和数据加密技术，并概括介绍并分析了系统总体需求。电能量采集系统的研究、设计与应用，实现了真正意义上的电能量数据的精 确采集、处理、监控及线损工作的精细化管理要求，为电力公司在供电生产管理 和输、配电网商业化营运提供了所需数据，在电力公司的生产运营、电力调度管 理和公司发展方向的决策管理中发挥了重要的辅助支持作用。所以，随着电力公 司运营的逐步商业化，建设一个具有强大计费考核管理功能和高可靠性的电能量 采集系统势在必行。关键词：电能量采集；主站系统；通信技术；数据加密ABSTRACTEnergy information collection system is a set of electric energy data collection, storage, statistics, processing, analysis, assessment, and monitoring, publishing and reporting capabilities for the integration of intelligent systems to achieve full process automation, electrical energy management in the true sense. Structurally, Energy information collection system includes collection terminals, system main station and communications network.This paper focuses on the overall structure of the detailed functional energy information collection system and the various parts, the main contents include: system requirements analysis, basic functions and technical characteristics of the Collection terminal, communication and data encryption technologies, focusing on the acquisition and concentrators, structure and function of each part of the system master station and a variety of communication methods and application analysis, including power line carrier communication, optical fiber communications, telephone network, wireless communications (GSM, GPRS). Taking Jiangsu power grid as an example, analysis of the construction scheme of electric energy key management system，introduces the construction scheme and engineering implementation scheme of the electrical energy information collection system， analysis of the system communication technology and data encryption technology from a technical level, and introduces the overall system requirements.Application of electrical energy information collection system, truly automatic and accurate collection of electric energy data management requirements refinement statistics, analysis and net loss of work, providing a firm data foundation for power grid companies in transmission and distribution grids and power production and commercialization operations management, Playing an important role in decision support management decision-making power grid companies dispatch management, production and development of the companys operations. With the power companies gradually commercialized, the construction of a strong charging management function and high reliability of electric energy data acquisition system is necessary.Key words： Electric energy data acquisition; main station system; communication technology; data encryption目录I第一章绪论11.1课题研究背景11.2本课题国内外发展现状11.2.1国外动态11.2.2国内动态21.3发展趋势21.4江苏电网电能量采集系统现状31.4.1江苏电网概况介绍31.4.2江苏电网密钥管理系统现状51.5论文内容及安排7第二章相关技术研究82.1通信技术82.1.1本地通信技术82.1.2远程通信技术102.2数据加密技术122.3密钥管理技术12第三章电能量采集系统需求分析15第四章电能量采集系统整体结构设计184.1系统设计原则194.2系统总体框架设计194.2.1系统物理架构214.2.2系统逻辑架构224.3采集终端功能设计224.3.1采集终端224.3.2集中器254.3.3采集器274.4主站系统功能设计284.4.1主站功能分析284.4.2主站软件平台设计294.5通信系统功能设计344.6密钥管理系统设计364.6.1密钥管理系统设计原则364.6.2密钥管理系统建设36第五章电能量采集系统应用及成效分析395.1采集系统工程建设方案395.1.1方案设计395.1.2主站系统的选择395.1.3远程信道的选择405.1.4终端采集方案选择415.1.5配变的选择435.2应用及成效分析44第六章结论与展望456.1总结456.2展望45参考文献47致谢50II万方数据第一章绪论2万方数据第一章绪论第一章绪论部分主要介绍了课题研究背景、课题国内外发展现状以及发展趋 势，对论文整体内容有一个宏观了解和把握后叙述了论文的工作内容及进度安 排。1.1课题研究背景随着近年来电力行业改革，电网的运行和管理已逐步走向商业化，同时，由 于电力具有不能存储等特殊性，电力系统的运行和管理依赖于大量的数据采集、 统计、分析数据。众所周知，用电客户对电力的需求逐年增大，对于分散的数据 采集点，传统的人工上门收取电费，费时又费力。为了满足电网运作和管理逐渐 商业化的需要，建立一套能自动完成电能量采集、统计、存储、传输、分析功能 及线损计算的电能量采集系统势在必行。电能量采集系统是集计算机、数字通信等多项高技术于一体的智能运行与管 理系统。利用系统自动采集抄表、统计电量很大程度上可以降低抄表误差和便于 计算线损，缓解抄表人员的劳动强度，是提高电网运行管理水平的重要技术支持。 通过分析终端采集到的电能量信息可以实时掌握用电客户的用电情况，为电力企 业进行打击窃电等行为提供可靠的依据，有利于维护电力企业的合法利益。同时 电能量采集系统通过在线采集的数据和各种事件记录可以有效避免多种由计量 不准确问题引起的矛盾和纠纷，从而为用电客户提供了更加优质的服务。所以， 随着电力公司运营的逐步商业化，建设一个具有强大计费考核管理功能和高可靠 性的电能量采集系统势在必行。1.2本课题国内外发展现状电能量采集系统经过几十年的发展，技术成熟，装置可靠性高，本节主要介 绍了近些年系统的国内外发展现状。1.2.1国外动态电能量采集系统的前身叫做自动抄表系统，而国外类似电能量采集的系统发1展较早，比如电力用户信息系统，其主要功能基本上是采集电力用户用电数据信 息，从而实现收费、管理。到了20世纪80年代，科学技术的发展不断推动电能量 采集系统的高效运行，在系统密钥管理技术和AMR集中抄表方式等方面的研究都 取得了很大的进展1。同时以电能量采集系统为基础的营销应用服务，则将通过 现代通信技术推动了营销模式的信息化建设，先进技术的不断发展为快速反映客 户需求、快速响应市场变化提供了根本性的技术支持。在亚洲，日本于20世纪80年代开始使用电力载波方式的通信方式实现远程抄 表，并不断推进智能电能表的安装和应用，智能电能表的安装测试和应用提高了 远程抄表的效率，推动了电能量采集系统向低成本、标准化、智能化、低能耗的 方向发展1。在欧美，由于电能量采集可以在电能管理方面取得较大的收益，多国政府机 构颁布了相关的政策和制度来推动电能量采集系统的发展和应用，提出了建设智 能用电服务的目标，比如，美国于2005年颁布的能源政策条例中明确提出了 “智能量测”的概念，将智能电网作为美国未来建设电网的主导方向，而“智能 量测”的基础就是电能量采集系统2。国外针对建设高水平的电能量采集系统所做的工作取得了很大程度的进展， 我国应该参考国外成功的经验在建设电能量采集系统时为我所用。但介于基本国 情，在具体实施时必然会与国外有一些差距，因此不能将国外的先进技术生搬硬 套，而应该在电能量采集领域开始新的研究和探索，开发适合我国电网实际运行 情况的电能量采集系统。1.2.2国内动态自上个世纪70年代起，我国开始研究电能量采集系统的初级装置和集中控制 装置，在自动抄表技术、电力负荷控制技术等方面的研究起步较晚，到了90年代， 国内逐步开展了集中抄表等信息采集系统的试点建设，在沈阳、北京等地引进先 进设备，研究并吸收国外的先进技术，而且自行研制出无线电控制、电力载波等 控制设备，随后，通过在郑州、济南等地区试点应用自主研发的无线电负荷控制 系统，取得了良好的效果，并逐步在全国主要省会城市和直辖市进行推广应用， 之后全面推广到全国各大城市，经过试点探索和推广两个阶段的经验积累，电能 量采集技术取得了一定进展，比如，1993年我国开始研究开发载波方式的集中抄 表系统，1996年以后开始陆续出现类似的一些试验系统1。近几年，两大电网公司对于电力营销管理理念以及管理要求在不断提升，尤 其是对自动抄表、电力用户电能信息采集、有序用电等工作的要求正在逐步提高， 第一章绪论我国紧跟其他国家智能电网的发展趋势，在发展模式、管理理念技术、基础理论 和体系等方面进行了深入的研究和探索，在230MHz无线专网、光纤专网、无线公 网等通信方式上进行了大量的技术开发和实践探索。国家电网公司在2008年提出 了全面建设电力用户用电信息采集管理系统的规划建设目标，该规划要求以网省 公司为单位，完成所有电力用户的“全覆盖、全采集、全费控”的目标1。目前，国家电网已有27个省公司的电能量采集主站系统已建设完成并投入运 行，主站系统采集到的数据在有序用电、抄表收费、电力交易、线损分析、营业 稽查、业扩报装、故障抢修、互动服务、电能质量监测与配电网运行等多项业务 中得到广泛的应用。由此可见，电能量采集系统的建设和应用提高了线损分析的 精确性和可靠性，提高了电能量采集自动化水平，对于促进阶段电价执行、带动 产业升级、保障电网安全稳定运行具有重大的意义3。1.3发展趋势为适应电力市场化运作和电网现代化建设的要求，很有必要加大对电能量采 集系统的建设，为满足电力企业部门对用电信息的迫切需求，今后电能量采集系 统的发展趋势主要包括以下三方面：1、信息共享与融合技术经过几十年的发展，电能量采集系统得到了飞跃的发展，但目前其仍处于规 模化建设阶段，与其他相关系统间信息共享、资源整合等联系较少，集成化程度 较低，对电力用户的公共服务功能还需要逐步完善，所以，利用终端连续采集到 的用电客户用电情况，通过信息共享和资源整合，在营销业务应用系统和电能量 采集系统的基础上，构建基于面向服务架构的电能量采集系统信息共享与融合技 术方案，为电能量采集系统应用提供多角度、多层次、多方面的综合用电信息服 务3。2、通信网接入技术可靠、先进、实时的通信技术为电能量采集系统的建设提供了技术支持，接 入网通信系统具备组网灵活、支持图像、数据、语音等业务、接口丰富的一体化 接入技术，可以为电网运行和控制的信息化、数据采集和计量提供可靠安全的通 信通道3。因此，通过分析目前通信网架存在的问题，建立健全电能量采集通信 系统，研究通信网接入技术，从而为智能电网的建设提供保障。3、智能用电双向交互技术借助于电力用户小区内电力线载波信道和光纤信道，智能用电双向交互技术 是指通过采集、存储、分析电能数据，监控电力设备仪器，管理电力用户信息， 本着信息共享、人机双向交互、技术融合的原则，为电力用户提供历史用电记录、 数据统计图形、实时用电信息、电价政策、告警信息、调节电网峰谷负荷并指导 电力用户合理用电3。1.4江苏电网电能量采集系统现状江苏电网作为华东电网的重要组成部分，其供电范围从苏南到苏北共13个 省辖市，经过多年的建设，江苏省电能量采集系统积累了丰富运行管理经验，实 际运行时取得了一定的成效，但仍存在数据整合困难、标准规范难以统一等问题， 本节将重点介绍江苏电网电能量采集系统和密钥管理系统现状，为后几个章节的 分析奠定良好的基础。1.4.1江苏电网概况介绍江苏电网东联上海、南邻浙江、西接安徽，现与山西阳城电厂有3条500kV 线路相联，8条500kV省际联络线分别与浙江、上海、安徽相联，与三峡电站通 过1条500kV直流线路相联。2009年全省供电量2851亿千瓦时，售电量2624.45亿千瓦时，同比增长 6.38%。全社会用电量3313.99亿千瓦时，同比增长6.27%。电网用电最大负荷 为52297MW，同比增长为10.64%。全省综合线损率累计7.93%，其中国网线损率6.21%； 10kV及以下配电网线 损率累计7.89%，有损线损率8.13%，其中国网线损率7.38%，有损线损率7.58%。近些年，为了消除地、县级电网的供电“瓶颈”，江苏电网加大了对城乡配 电网和农村电网的改造力度，不断加强和完善地区配电网建设，提升了供电可靠 性，为坚强智能配电网建设提供了良好的物质基础。目前全省10/20kV配电网线 路共计16868条，总长18.9万公里；绝缘化率26.96%，电缆化率14.92%，架空 线路占比86%；线路每条平均长度10.67km，线路每段平均长度4.01km。2009上半年，按国家电网SG186标准化设计开发的新版“营销业务应用系 统”在江苏全省及13个地市供电公司正式上线运行，电能量采集系统作为营销 业务应用系统的重要组成部分也同步上线运行。通常电能量采集系统采用分布式部署模式，在13个地市供电公司分别部署 采集系统，各地市采集数据汇总至省公司应用平台完成数据汇总与省级应用。 电能量采集系统与营销业务应用系统紧密集成，共用同一套数据库实现数据共享，与营销业务应用系统间不需要接口。电能量采集系统主站符合国网SG186 标准化设计，基本符合Q/GDW 378.1-2009电力用户用电信息采集系统设计导 则：主站软件设计导则和电力用户用电信息采集系统主站软件标准化设计 的要求。1.4.1.1目前存在的问题目前存在的主要问题包括四个方面，如下表所示：表1-1江苏电网目前存在的问题1现役低压用电客户采集终端（集中器、采集器）不满足终端相关技术规范和标准，需要按照建设规划全部替换和更新2现役所有电能表均不具备跳闸功能，需按照电能表轮换周期逐步安排轮换成复费率远程费控智能电能表3对于小于60A的三相一般工商业用电客户和低压居民用电客户的欠费跳闸控制功能应该采用将跳闸开关装到电能表内部实现，这样做就无需更换计量箱内开关；对于大于60A的三相一般工商业用电客户则采用外置开关来实现跳闸，总的来说，5年需更换60万计量箱内开关4目前对采集终端的检测主要是按抽检形式进行的，采集终端的检测目前并未大规模开展1. 4.1.2系统建设的可靠性、可行性和紧迫性分析近几年来，江苏电网按照批准的电能量采集系统规划设计书建设方案， 全省所辖各变电站所有的电能量采集、处理、分析、电费结算、电量平衡、统计 电压合格率及线损率计算是电能量采集系统的总体目标，但目前电能量采集领域 各类营销系统单独建立，很难进行数据整合，各设备制造厂家的产品功能无法有 效利用和共享等现象，其原因是缺乏统一的技术标准与规范4。上述现象的存在阻碍了电能量采集平台的建设，影响了电能量采集与运行管 理工作的长期发展。同时，随着技术的发展和系统功能的拓展，现有的技术标准 和运行管理规范已难以适应现阶段的需求，必须及时进行完善和补充。近几年，随着国网公司对于建设“大营销”体系理念及要求的不断提高，国 家电网颁布了电能量采集系统系列技术标准与规范，为各设备制造厂家提供了统 一的通讯规约，利于实现产品功能和信息的共享，电能量采集系统的全面推广和 应用，保障了电网的安全稳定运行，为江苏省有限的能源获得最大的电力效益， 促进经济进一步向前发展4。1.4.2江苏电网密钥管理系统现状1.4.2.1系统规模作为华东电网的重要组成部分，江苏电网的供电范围从苏南到苏北共13个 省辖市。截至2012年底江苏全省电力用户达到2977万户，公变终端计量点累计 14.5万个。表1-2江苏电网用户类别表用户类别用户数量（万）大型专变用户A类9.8中小型专变用户B类4.2城网低压用户C1、 C2、 E115.6C3、D188.5E2 E3 E4 E5848小计952农网低压用户C1、C2、E144.5C3、 D1252.5E2 E3 E4 E51714小计2011全省用户总计： 2977万1.4.2.2费控方式江苏省电能量采集系统采用远程费控方式设计，电能表无计费功能，用电客 户需要先交费再用电。对于专变以上用电客户安装I型专变终端和II型专变终 端，对于专变用电客户，安装专变终端实现计费，对于低压用电客户安装远程费 控智能电表实现计费。远程费控方式对系统通信技术要求较高，因此系统建成后 将不再使用本地费控电能表，随之远程费控智能表的需求数量巨大，将达到千万 具以上。1.4.2.3售电系统江苏省电能量采集系统采用远程费控方式，无需使用电卡售电，不需建设专 门的售电系统，这一功能将在营销业务应用系统中完成。这种方式不仅减少了系 统建设投资也提高了对电力用户的服务水平。1.4.2.4采集系统主站江苏省电能量采集系统主站采用集中部署方式，主站系统随采集覆盖率增加 而逐步扩建，充分利用系统现有设备，实现电量统计、采集管理、有序用电、预付费管理等各种功能。主站进行现场操作时可以下装指令到终端，而在变更参数、 更改密钥、下达操作控制指令时需要通过输入口令解除密码机的封印进行。主站 软件开发采用统一的技术标准和规范。根据授权范围和操作人员级别的不同，主站的操作权限也不同，需要根据具 体业务需求设计，并进行相关操作。如下图所示：U盾，作交易密钥下装操作员身份 认证和权限控制图1-1主站密码机的应用采用加密的方式对系统数据提供安全防护，一般需要加密的数据有：采集终 端传输的数据、控制命令、需要设置的参数等，主站密码机根据操作频度、主站 管理的终端容量、密码机处理能力进行综合考虑配置，通信速率以10/100自适 应。1.4.2.5检测系统江苏电能量采集系统采用远程费控方式设计，为了符合智能电能表相关技术 规范，对于电能表采用RS485 口通信方式下装密钥，对于采集终端则采用双RS485 接口通信方式下装交易密钥。将生产密钥和检测业务根密钥注入检测密码机，当 电能表和采集终端的检测工作完成时即下装交易密钥。检测操作检测台体智能电能表权限控制，并检测和交易下装采集终端检测密码机图1-2密钥运行一检测业务中的应用1.5论文内容及安排电能量采集系统作为营销业务应用系统的重要组成部分，它能够提供用电客 户的实际数据信息，该系统通过采集现场运行设备的实时数据和传输远程数据， 从而实现了相关信息发布、故障诊断、计量计费、考核管理、电能质量监测等功 能；该系统良好的开放性使其可以和各厂家的计费系统、MIS系统、EMS系统、电 力市场其它技术支持系统实现信息共享和数据交换；既能为管理层的决策提供可 靠依据，又能通过有效提高抄表的同期性为线损的实时统计提供数据基础，在加 强用电管理、安全用电、电费催收等方面都具有积极的意义5。本文主要开展了以下工作：(1) 电能量采集系统整体结构包括采集终端、主站系统、通讯网络三部分， 本文详细介绍了这三部分内容，包括采集终端的基本功能，采集器和集中器，主 站硬件系统和各种通讯方式。(2) 以江苏电网为例，分析研究了电能量采集系统中密钥管理系统的建设方案。(3) 从技术层面分析了系统通信和数据加密技术，并概况描述了电能量采 集系统的需求分析。(4) 以江苏电网为例，详细介绍了电能量采集系统的建设方案和工程实施方案。(5) 就所做项目的理论研究和工程实现等工作进行总结并得出结论，展望 进一步的工作。7万方数据第二章相关技术研究第二章相关技术研究电能量采集系统的相关技术包括通信技术、数据加密技术和密钥管理技术， 是设计电能量采集系统的核心内容，它的先进性与有效性决定了整个系统的功能 能否正常实现，因此，本章重点研究电能量采集系统相关技术。2.1通信技术通信技术是电能量采集系统各部分功能实现的基础，选择合适的通信方式、 建立完善的通信网络显得特别重要。目前，电能量采集通信系统包括本地通信和 远程通信，本地通信主要传输仪表设备与现场终端之间的数据，而远程通信则将 现场终端接收到的数据传输给系统主站，具体来说就是，当系统主站与用户侧的 电能量采集终端通过通信网络实现数据传输后，采集终端能够向主站发送采集到 的用户用电数据，同时主站也能够向采集终端下达参数配置信息和操作指令，也 就是说在通过远程通信网络平台的前提下，主站和采集终端之间的联系是双向 的。2.1.1本地通信技术本地通信技术主要包括低压电力载波通信技术、RS485总线通信技术等。(1) 低压电力载波通信技术将现行电网的运行情况用作传输通道，从而实现信息的共享和数据的传递即 低压电力线载波通信技术。影响电力线载波传输质量主要有两个因素：其一是噪 声的干扰，它影响数据传输的质量；其二是电力网络的阻抗及其衰减特性，它制 约着信号所能传输的距离。简单来说，低压电力载波通信技术无需进行新的通信 网络的投资和建设，它利用系统现有的低压电力网作为信息传输的通道。解调 (Demodulate)与调制（Modulate)是低压电力线载波通信的核心所在，也即芯 片解调和电力载波调制。近几年，随着电能量采集系统通信技术的不断发展，低 压电力载波通信的抗噪声干扰强度、信息传输的速度和质量都得到了较大程度的 提高，促进了电力载波通信技术逐步市场化，为电能量采集系统通信信道提供了 更多的选择6。实际在电能量采集系统应用时，低压电力网的通信经常会受到电力用户的配 电变压器和变频设备产生的噪音干扰，这会严重影响到载波传输的通道环境和质 量，因此为了减少频谱噪声、随机噪声等产生的干扰，选择合适的载波技术显得 尤为重要。目前常用的载波技术包括基于FSK调制技术和扩频技术等，采集模块 成本相对较低、实际工程较容易实现是基于FSK的调制技术的优点，但其抗谐波 和抗干扰能力较弱，在实际电能量采集系统的应用中，无论采用基于扩频技术还 是FSK调制技术等，都应该根据各地区电网建设的结构差异及电网运行状态差异 选择合理的通信方式6。由于电力线载波通信技术以电网为载体，其稳定性与电网阻抗、网络拓扑结 构紧密相关。目前，节能变频技术因其不可代替的优势在电力系统得到了大范围 的应用，但采用节能变频技术时电网的总阻抗会不断发生变化，直接影响到低压 电力载波通信技术的应用。总的来说，电力线载波通信具有在实际现场施工方便，无需另外铺设通信线 路的优点，但其缺点是噪声源多、干扰强，通信的可靠性相对较差6。(2) RS485总线通信技术作为我国电能量采集系统经常采用的一种通信技术，RS485总线通信技术通 信质量较高，传输数据速度较快，安全可靠，但其具有有线通信技术常有的弊端， 实际现场施工布线时耗时耗力，一旦受到外界因素破坏后通信信道易出现故障， 后期修缮维护工作较繁琐。RS485总线方式按电能量采集系统所需通信距离的不同主要分为两类：单 RS485总线通信方式和双RS485总线通信方式。使用RS485数据线作为通信信道时， 其具有多站能力，允许连接多达上百个收发器，单RS485总线通信方式适用于较 密集的商用楼和城市居民小区，与之相反，双RS485总线通信方式则适用于较稀 疏的商用楼6。单RS485总线通信技术具有通信传输数据稳定准确、可靠性高、技术相对较 简单、发展较成熟，可以满足电能量采集的要求，易于在实际工程中得到广泛应 用等优点。当电能量采集系统采用单RS485总线通信方式时，通常采用多块电能 表集中抄收的方式，目的是降低系统整体造价和每户成本。当电能量采集系统采 用双RS485总线通信方式时，其数据传输质量和速率都较高，保证了通信可靠性 和系统安全性，采用这种通信方式时，一般在电能表内置RS485转换模块来提高 脉冲传输的可靠性。基于RS-485的组网方式需要将大量的居民用电客户电能表与中小型商业用 电客户计费电能表用RS-485数据线连接起来，因此需要进行大量的现场施工布 线，造成了其通信网线易遭到破坏，通信质量受雷击和过电压的影响较大，而且 故障后不易查找故障点，严重影响通信质量。上述这些因素造成了其前期安装和 后期维护费用成本都比较高。2.1.2远程通信技术远程通信技术主要有GSM/GPRS/CDMA无线通信、无线通信技术、光纤通信技 术等。(1) GPRS方式GPRS通常被描述为 “2. 5G”，是一种新型的移动通讯技术。GPRS可提供高达 115kbps的传输速率。GPRS在GSM的基础上增加了网关支持点和服务支持点，突破 了GSM只能提供电路交换的思维方式，它采用点对点的通信方式，可实时采集和 监控电能量信息。由于GPRS本身就是为支持大数据量通信而设计的，可以以几十KB的长度进行 数据通信，并且系统接入容量较大，因此比较适合于电能量采集系统中大量采集 终端的现场布置以及采集终端与主站通信网络间信息量的数据传输。由于信道运 行和维护是由各大网络运营商来提供，因此电力公司资源组网相对便捷，投资较 少。由于GPRS方式通信费用相对较高，覆盖范围有限，可靠性低，不易进行故障 的查找与排除，因此在实际电能量采集系统的应用并不广泛1。(2) 无线通信技术目前红外线传输技术、230MHz专用无线通信技术、光纤通信技术等近距离无 线通信技术在电能量采集系统应用广泛。1) 红外线：红外线通信技术作为近距离无线通信常见的一种，其具有成本 较低，操作便捷，可以读取连续数据等优点，适合较密集的城市居民小区。2) 230MHz专用无线通信技术230通讯接口机采集服务器通过230通讯接口机的通讯服务与终端进行数据 传输，其通过RS232连接230无线设备，管理230通讯连接。3) 光纤通信电力光纤专网是指以光纤为通信信道传输介质的电力系统内部通信网络，它 主要依托于农网光纤通信网络和电力公司变电站的光纤主干网络，目前应用于电 能量采集系统的光纤专网通信技术主要有工业以太网、光Modem、EP0N等。11万方数据第二章相关技术研究2.2数据加密技术密钥管理系统是电能量采集系统安全防护体系的重要组成部分，是开展售电 业务的前提，是采集主站建设、售电系统建设、智能电能表终端检测、调试的基 础，在售电业务管理、计量检定业务管理以及智能电能表费控管理等方面都发挥 着极其重要的作用。密钥管理系统作为电能量采集系统安全防护体系的重要组成 部分，对于保障系统信息安全，防范电费安全风险起到至关重要的作用。该系统 利用数据加密技术和密钥管理技术来综合保障密钥整个生命周期的安全，承担着 实现密钥的生成、存储、分发、更新、备份和验证的全过程管理任务，为电力系 统提供了一个安全可靠的基础服务平台。数据加密技术和密钥管理技术作为电能量采集系统的核心部分，根据加密类 型可以简单地分为三种：公开密钥加密技术、私用密钥加密技术和根本不考虑解 密问题，本节主要介绍公开密钥加密技术和私用密钥加密技术。(1) 公开密钥加密技术公开密钥加密技术不仅可以保证密钥的安全性而且易于管理，其在密钥管理 上的优势使它得到越来越多的关注和广泛的应用。公开密钥技术包括一对密钥， 一个密钥为私有状态，私有状态的密钥用来解密，另一个密钥为公开状态，公开 状态的密钥用来加密，一般加密和解密的时间都相对较长。公开密钥加密技术利 用单向陷门函数作为加密算法，即从一个方向求值，且这个过程是不可逆的。电 能量采集系统为了保证信息的安全，电费的防窃取，一般采用公开密钥加密技术， 即通过一对密钥来对系统加解密。(2) 私用密钥加密技术与公开密钥加密技术不同，私用密钥加密技术只有一个密钥，对数据的加密 和解密都采用这个密钥。因此其加密和解密的时间都较快，而且运用函数进行数 学运算较简单，因为只有一个密钥，容易造成信息泄露，直接威胁电能量采集系 统信息的安全性和运行的可靠性，因此在实际系统中应用并不多。2.3密钥管理技术目前，密钥的安全是保障信息安全和保密的必要前提，所以对密钥进行有效 的管理就成为电能量密钥管理系统的基础，采集终端和系统主站之间是通过广域 通信信道连接的，网络安全威胁时常发生，由于所传信息需要绝对的保密，一旦 出现问题将会引起信息泄露、区域停电等，造成不可估量的经济损失。所以，为12了保障电力用户的信息安全，研究针对密钥的管理方法具有重要的意义。密钥是指某个用来加密或解密用的信息。在密钥密码学（即对称密码学）中， 加密和解密用的是同一个钥匙，因此钥匙需要保密。而在公钥密码学（即非对称 密码学）中，加密和解密用的钥匙不同，通常一个是公开的，称为公钥，另一个 保密，称为私钥。在电能量采集系统中，密钥是系统用于进行加密和解密操作的符号或参数。 密钥管理主要表现于密钥的产生、更换、注入、分配，管理协议和管理体制等， 具体指从密钥的产生到密钥的销毁的各个方面（产生、使用、存储、归档、分配、 销毁）实施的安全保密管理。下面将按密钥的产生过程，主要介绍密钥生成技术、密钥存储技术、密钥分 发技术、密钥更新技术、密钥备份技术等。(1) 密钥生成技术密钥生成一般采用在线或者离线的交互协商的方式实现，比如密码协议等， 密钥长度应该足够长，生成密钥时一般要考虑密钥空间、密钥的随机性和密钥强 度，目的是增大破解难度。一般采用AES、RSA等传统密码算法来生成密钥，选 择采用好密钥的过程就避免了坏密钥的产生，好密钥通常由相关的设备随机产 生，当采用公开密钥加密技术时密钥必须满足某些方面的特征才能顺利生成，不 同级别或不同类别的密钥其产生机制应有所区别在层次化密钥管理体制中7。(2) 密钥存储技术电能量采集系统通常将密钥分开存储，一部分存储在采集终端，另一部分存 储在ROM中。对于加密强度较高的密钥可以设置特定的存储区域来进行存储。(3) 密钥分发技术对应于密钥生成技术，密钥分发技术有很多种，较常用的是基于传统的密钥 分发技术。基于传统的密钥分发技术包括对称密钥的分发和公钥的分发，对称密钥的分 发通常使用如Difie-Hellman算法等，私用密钥由系统中一个用户先后传给其 他用户，常见的有两种密钥分发技术，分别是数据密钥分发技术和密钥加密密钥 分发技术，其中数据密钥分发技术所有用户共享同一密钥，这个密钥被分成多个 部分并通过互不相同的通信信道发送出去，而密钥加密密钥分发技术则采用手工 传送的方式发送密钥8。(4) 密钥更新技术密钥更新包括两方面的内容，分别是对密钥的更新和对电力用户登记信息的 更新，如需频繁改变密钥，采用密钥分发的方式工作量太大，此时宜采用密钥更 新的方式，即通过已有密钥生成系统需要的新的密钥，使用同一单向函数更新密13万方数据第三章电能量采集系统需求分析钥就可以得到相同的结果9。(5) 密钥备份技术在对密钥进行存储后，对系统认为重要的密钥应进行备份，目前常采用将密 钥共享的方式进行密钥备份，方便发生密钥丢失时进行密钥的查询和恢复。(6) 验证密钥为了保证系统运行的安全性，需要对密钥进行验证，而检错和纠错在密钥传 输的过程中，便于传输有误时被检测到；发送端将密钥加密后与密文的具体内容 一并发送给接受端，接收端的工作是验证解密后的密钥能否与发送端匹配，这就 是验证密钥的过程8。(7) 密钥管理技术每个加密系统的关键就是密钥，电能量采集系统必须考虑密钥的管理，一般 采用公开密钥密码，即不管电力用户的多少，每个用电客户只有一个公开密钥， 能够把数字签名密钥与加密密钥分开的才是好的公钥密码，但通常只有一对签名 和加密密钥是不能满足需要的7。17万方数据第三章电能量采集系统需求分析通过前两章内容我们了解了电能量采集系统的基本概况和相关技术，通过深 入的调研和分析，知道电能量采集系统总的来说是采集、分析、处理、实时监控 电力用户的用电信息，它从根本上实现了用电信息的计量异常监测、自动采集、 用电分析和管理、电能质量监测、分布式能源监控、相关信息发布、智能用电设 备的信息共享等功能。本章详细介绍系统需求分析。电能量采集系统的建设和实施其目的是实现电能量原始数据及相关信息的 准确采集，在此基础上进一步具备丰富的电能量管理、业务处理、数据统计计算、 线损管理、数据合理性校验、报表生成和数据发布等应用功能，为管理部门提供 决策依据，同时也为电力公司各个部门提供生产运行所需要的数据，进一步为推 动我国新能源的发展做出贡献。电能量采集系统的总体需求如下：(1) 数据采集和管理电能量采集系统的建设和实现，为“SG186营销业务应用系统提供了实时用 电信息数据，实现了对用电客户重要信息的实时采集，为推行阶梯电价、全面实 现预付费等营销策略提供技术支撑，推进营销各部门业务的管理水平，满足电力 企业各级管理部门的管理要求。数据采集是电能量采集系统的基础，只有经过准 确、实时、有效的数据采集，才能对数据进行相应的分析，可以采集的数据包括: 交直流模拟量、状态量、用电客户的电能量、事件记录等。对于采集终端的参数 可以进行设定和修改。对于采集到的数据，系统可以进行存储、计算分析、查询、统计等功能，同 时可以监控电力用户的使用情况，系统设备的运行情况等，这些都是数据管理的 内容。实现对各类型电力用户的全采集和全覆盖，根据国家电网公司对电力用户 电能量采集系统的建设要求，要实现全面覆盖各类型电力用户，全面采集用电客 户的各类用电信息，包括国网公司对其供应电力的所有用电客户，基本可以分为 专线用电客户、各类大中小型专变用电客户、各类380/220V供电的非居民用电 客户和居民用电客户、公用配变考核计量点。电能量采集系统会根据不同的技术 模式，采集和监控上述六类型采集点，“全覆盖”所有电力用户的采集，实现预 付费管理的“全覆盖”。(2) 应用功能现阶段电能量采集系统的应用功能越来越强大，统一采集数据后，具有自动 抄表功能、可以实现预付费管理、可以对电能质量、异常、用电情况、线损、负 荷情况、变损等情况进行分析和统计，同时也可以给计量管理、营销管理、客户 服务、需求侧管理、辅助决策等提供全面的数据支持。因此，随着系统扩展功能 越来越丰富，线损分析、综合分析、电量分析等高级分析功能将更加完善。(3) 用电客户管理用电客户管理一般有超级用电客户、报表定义用电客户、数据管理专用用电 客户和一般用电客户四类。超级用电客户：该类用电客户具有比一般用电客户更高一级别的权限，用于 对基本用电客户的维护和操作，可修改一般用电客户的信息。报表定义用电客户：报表用电客户除了可以具有数据查看、确认、审核等权 限外，还具有一项特殊的功能，即对所有报表和报表类型可以进行任意修改和自 定义。数据管理用电客户：数据管理用电客户是对系统所有原始数据进行审核和确 认，数据一旦经数据管理用电客户确认，只有用电客户本身可以进行修改，而对 于其他用电客户确认的数据，数据管理用电客户也可以进行审核和修改。一般用电客户：一般用电客户的权限较低，它具备的具体权限由超级用电客 户来设置，一般查看和确认电量数据、查看和审核线损数据，将报表查看、报表 重新生成细化到报表类型。(4) 运维管理随着通信技术和数据加密技术越来越成熟，在电能量采集系统广泛使用 230MHz专网、光纤、GPRS、CDMA公网、PSTN等。采用先进的开发技术和营销一 致的J2EE架构，本着为电力用户服务的思想，不断完善接口平台，与其它系统 采用相同的技术规范和标准，使多种通信技术在一个共有平台下兼容使用，实现 电力营销各个子系统的无缝对接。能够对各种采集终端、集中器、采集器等设备 进行管理，能够对采集终端、公用变压器、智能电能表等设备的运行状态进行实 时监测、记录故障记录并维护修缮，具有值班日志、工作单等管理功能，能够统 一管理各种数据报表。(5) 集成已有系统实现统一目前国网公司内部有对专变用电客户采集的负荷管理系统，对公共配变监测 的配变监测系统，对低压居民用电客户采集的低压集抄系统，各系统由不同的厂 家在不同时期建设，发挥了重要作用。电能量采集系统在已经存在的各类采集系 统、国网公司SG186工程的实施、各种规范制度制定等环境下，系统需要开发 整合，实现统一并解决如下问题：1) 整合已有的各类采集系统，进行业务流程、系统功能、数据存储、运行 管理整合，形成一体化采集平台；2) 系统会基于国网公司和各省公司规范制度，统一规划、设计、开发，势 必会和其它业务系统融合的更好；3) 系统的应用越来越广泛，进行数据统一采集后，可以给营销管理、市场 和需求侧管理、计量管理、客户服务、辅助决策等管理提供全面的数据支持；4) 系统功能重点有所变化，随着电力紧张形式的缓解，系统控制功能减弱， 对各种数据采集更加全面，更加合理、方便制定采集任务，但预购电、催费等