ICT技术在智能电表中的应用(2003)

ICT技术在智能电表中的应用及发展杭州海兴电力科技有限公司2009年7月,基本内容,海兴集团,3,4,5,ICT技术在智能电表中的应用,2,智能电表在智能电网中的作用,1,目前国际上智能电表的应用,信息通信安全技术在智能电表中的应用,网络预付费智能电表中应用的信息通信技术,6,ICT技术在智能电表中应用的发展方向,第一部分:智能电表在智能电网中的作用,海兴集团,Email:market,智能电表发展背景,智能电能表的发展背景全球气候变暖、能源资源的减少社会对环境保护的要求，合理地利用能源能源危机智能电能表的应用角色智能电网中的焦点之一远程抄表-客户服务；远程控制-需求侧管理；网络预付费-用电服务管理需求侧管理的重要实现单元家庭智能化网关,HexingElectrical,Email:market,智能电网实现手段分为三步：一是提高数字化程度，将更多的传感器连接很多的资产和很多的设备以进行需求的采集；二是在共同的信息模式的基础上建立数据的整合体系和数据的收集体系，目标是整合各系统中的数据；三是分析数据，以优化运行和管理。总体上说，智能电网的实现依赖两个工具：计量设备、统一的通讯及控制算法，智能计量设备是是智能电网最基础的元素。,海兴集团,Email:market,智能电表与智能电网,智能计量仪表是整个智能电网中的一个节点，是系统中的一个传感器，是整个智能电网构成中的最重要组成部分智能计量仪表必须具备的基本特性：电能测量通讯和用户之间信息的互相交互控制网络互连实现自动抄表智能计量仪表是启用需求响应的关键,海兴集团,Email:market,智能电表的作用,美国智能电表应用体系结构,海兴集团,Email:market,第二部分:国际上应用的智能电表,海兴集团,Email:market,以美国为首的西方发达国家都在发展智能电网智能电表目前没有统一的标准和定义各地智能电表本身具有差异性主要原因：各区域应用模式不同各区域管理方式不同各区域地理位置不同各区域管理体制不同各区域技术标准不同各区域用户的用电方式和分布不同,海兴集团,Email:market,智能电表发展,实时了解用电信息，可接IHD智能家庭显示终端表计数据可本地、远程读取；充当智能网关角色，采集其他仪表：如气表、水表可主动上报事件表计能够进行主动、被动负荷控制方便客户进行主动节能管理可扩充本地、远程预付费支持支持双向计量，能源可通过表计向电网供电单相智能电表支持GPRS通信远程程序升级,海兴集团,Email:market,欧洲智能电表,表计数据可本地、远程读取；双路负荷控制输出，基本用电和提高质量用电分别控制异常事件检测（开盖、开端盖、过压、过流等）表计能够进行主动、被动负荷控制方便客户进行主动节能管理支持双向计量，能源可通过表计向电网供电远程程序升级,海兴集团,Email:market,澳洲智能电能表,表计数据可本地、远程读取；双路负荷控制输出，基本用电和提高质量用电分别控制异常事件检测（开盖、开端盖、过压、过流等）表计能够进行主动、被动负荷控制方便客户进行主动节能管理支持基于虚拟介质的预付费管理远程在线充值和本地键盘充值分体式家庭智能显示终端,海兴集团,Email:market,南非智能电能表,美国智能电表,海兴集团,Email:market,表计数据可本地、远程读取异常事件检测（过压、过流等）表计能够进行主动、被动负荷控制支持双向计量最大需量计量支持智能家庭显示终端，实现智能化家庭能源管理,基本电能计量，支持反向电能计量,基本电能计量设备。用户用电的电能计量装置。居民反向电能计量。太阳能结余电能直接上网，电力公司根据用户反向电能计量情况予以结算。澳洲、欧洲；政府出台补助政策，支持太阳能应用；国内：“太阳能屋顶”计划；,作为通信网关，可灵活配置多路通信口,上行通信：PLCGPRS；本地通信：光电通信RS485EURIDIS；与智能水表、气表通信：M-Bus(EN13757-3)RF(EN13757-4)Zigbee(IEEE802.15.4)与IHD或CIU通信双绞线ZigbeeRF与家庭内第二回路继电器控制设备的通信控制用双绞线无线（Zigbee或RF）PLC载波,上行通信,本地通信,与水表、气表通信,与IHD或CIU通信,典型的欧洲智能表应用,统一的国际通信规约，方便互联互通,IEC标准的智能电能表:DLMS/COSEM：DLMSHDLC：用于智能电能表与集中器通信；DLMSTCP/IP：用于智能电能表与主站通信；IEC62056-21C模式、E模式及EURIDIS：用于本地通信；IEC62056-21D模式：用于智能电能表到IHD的通信；ANSI标准的智能电能表:ANSIC12系列：ANSIC12.22：用于远程通信；ANSIC12.18：用于本地通信；,数据网关，支持大容量数据存储,水、电、气消费的历史数据记录：30分钟的平均需量负荷曲线；日、月电能负荷曲线；气表、水表的日、月消费量负荷曲线；客户信息通知的历史记录；,满足需求侧负荷控制管理的要求,内置主继电器，对家庭主回路用电进行远程拉合闸控制第二回路继电器，用于控制锅炉、水泵等大用电设备，不影响居民主要用电；负荷控制管理方法：远程自动控（针对第二回路继电器）；容量控（On-DemandControl）；紧急人工控；,远程、本地预付费支持,部分一直沿用预付费系统的国家及地区，在智能电能表建设过程中需要继续支持原有的预付费功能。通过家庭内的CIU，客户可方便进行本地充值。国际上基本采用基于IEC62055-41标准的STS预付费协议发展新型便利的客户缴费方法，如网银充值、刮刮卡热线及短信充值等。,典型的支持预付费功能的智能表应用,提供信息转发服务,电力公司用电信息发布停电通知；科学用电建议；电力资讯、动态；催费信息通知客户欠费信息；限电信息通知拉第二路继电器通知；限制用电容量通知；,表计固件非计量部分远程升级（Air-Upgrade）,对于固件远程升级的定义，升级内容主要为智能表功能部分（计量部分不允许升级）。软件可能存在测试过程中没有发现的漏洞；更换通信协议的需求；增加功能的需求；其他要求如：升级过程中支持数字签名验证（MD5）；升级过程中不影响表计正常运行；升级结束后能够形成事件记录；,高数据安全及物理防攻击安全,智能电能表由于其角色的重要性，同时新增了更多的通信手段及应用功能，对于数据的安全性也相应提升到了相应的高度，如：防止入侵篡改表计数据；防止窃听通信数据；在身份验证时支持128位的AES加密密钥，在数据通信时同时采用AES加密方法，防止数据窃听。智能电能表表壳等设计能够防止物理攻击等；,易实现的用户能源管理思路,方便客户选择合适的电力零售商；通过智能电能表内存储的大量用电、用水、用气消费情况的负荷曲线，以及IHD或CIU上提示的费率时段信息，最终用户可以非常清晰的了解水、电、气的消费明细。在用电高峰时段，用户通过IHD上的峰费率指示、当前用电等级（高、中、低）等信息提示可以指引用户积极降低高峰时段的用电。这些信息都是由智能电能表运算完成后直接传输到IHD的。,IHD主要功能特点,电能量及相关设备（水、电、气以及智能家居和智能插座用电信息）信息显示。利用网络技术，实现电表预付费充值及欠费提醒。信息（广告和媒介信息）发布，提供增值服务。家庭能源管理，可以和智能家居和安防结合一起。电能量方案设置。继电器控制。（PLC掉电可控）CO2排放量计算和显示通信信道：PLC,ZIGBEE,GPRS,以太网,Eurdis等。,Email:market,IHD与智能表结合实现家庭能源管理,Email:market,家庭能源管理,HexingElectric,Email:market,Email:market,IHD负荷曲线,IHD实现家庭能源管理,第三部分:ICT技术在智能电表中的应用,海兴集团,Email:market,目前的现状,智能电表的最主要特点就是与用户的互动性数据采集的目的不仅是用于抄表结算，而是用于分析和共享，对于采集的信息数据的要求也更高智能电表具有较多的通信接口用于不同的功能但是目前通信的可靠性和稳定性依然是智能电表真正在智能电网中发挥作用的瓶颈,海兴集团,Email:market,通信方式,目前已经广泛应用的有：美国主要采用无线为主通信技术欧洲主要采用GPRS和PLC为主通信技术中国目前广泛应用的是PLC和GPRS通信技术，但是还无法适应智能电网建设的要求。目前通信协议更多的注重电表的数据抄收，还没有考虑到其他方面如IHD、智能家居方面的应用,海兴集团,Email:market,第四部分:网络预付费智能电表中应用的信息通信技术,海兴集团,Email:market,网络预付费系统,该系统是集远程抄表、线损分析、防窃电管理、负荷控制管理、远程售电、自助售电、用户和电表信息管理等多种功能于一身，综合远程自动抄表与自助缴费预付费售电两套系统与一体的新型的服务系统。网络预付费分为主站预付费和电表预付费两种，就目前的通信技术，电表预付费是一种较为合适的方案。通信技术是制约主站预付费应用的主要原因。预付费的应用是提升服务水平的一个重要手段之一。,海兴集团,Email:market,预付费电表及用电管理系统的发展历程,投币式磁卡式逻辑加密卡式CPU卡和键盘式网络预付费电表主站网络预付费,海兴集团,Email:market,可发展丰富方便的多种购电方式,营业厅售电便利店POS售电发行刮刮卡售电短信自助售电网银自助售电95598电话售电ATM银行购电,海兴集团,Email:market,网络预付费电能表,20位数字的虚拟介质充值支持分时和阶梯费率STS国际标准的数据安全传输标准技术多种余额报警方式（本地电表报警、短信和Email）过载断电/负荷控制紧急透支和友好断电模式防止电量囤积功能内置RS485或PLC通信模块，支持远程充值远程充值失败时，支持本地键盘输入和红外遥控器输入电表装在表箱，用户无法也不需触碰电表内置可靠继电器，支持继电器故障检测和报警防窃电功能用户历史消费信息查询,海兴集团,Email:market,第五部分:信息通信安全技术在智能电表中的应用,海兴集团,Email:market,信息通信安全技术,智能电表的广泛应用，信息安全通信技术是目前和未来需要考虑的重点方向目前欧洲、澳洲、南非和美国等地应用的智能电表标准中都要求所有的通信数据采用安全加密（AES、DES和STS等）技术,海兴集团,Email:market,智能电表通信技术,目前智能电表中应用的通信技术主要有：GPRS/3G窄带PLC宽带PLCRFMeshRF（无线传感网技术）ZigbeeRS485宽带网络HAN(家庭网络，Zigbee)230M（负控终端）,海兴集团,Email:market,公网通信存在的风险,目前的公网通信技术如Internet、GPRS、3G等都是基于TCP/IP技术接入公共网络。IP易受攻击和被盗用容易受到黑客和病毒的攻击电力外网和内网受堵塞的业务安全，链路遭受攻击没有一种统一的用于公网通信的电力加密通信规约,海兴集团,Email:market,通信专网存在的风险,电力线载波风险易受干扰，误码率高实时性差稳定性差载波信号串扰导致抄表失败数据易被窃取，易受攻击,海兴集团,Email:market,通信专网存在的风险,RS-485总线风险在RS-485信道的数据传输过程中存在的安全隐患，包括信道本身的缺陷、信道破坏、非法接入、数据篡改、截获、删除等。RS485通讯多用645规约，而645规约是非加密规约，任何遵循645规约的设备都可以通过监听485线路获得数据，可较方便的更改表计参数，包括表计时钟和表计关键参数等。在构成RS-485总线网时，传输线一般在室外架空或沿电缆沟敷设，所以在雷雨季节常发生因雷电在传输线上引起的瞬变过电压，而终端RS-485的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，即通常采用一条总线将各个电能表节点串接起来，因此，雷电的引发的瞬变往往导致传输线上的多个RS-485收发器损坏。,海兴集团,Email:market,目前智能电表存在的风险,电能表没有采用接入认证和加密措施，电能表的访问数据面临窃听、篡改和通信主体身份伪造的安全威胁，还存在报文重放攻击等安全威胁，导致电费计量错误，容易引起电力公司和电力客户的纠纷。带预付费控制功能的电能表，可能引起误动作，造成用户用电安全隐患。实行阶梯电价后，电能表的重要参数可能被非法篡改，引起阶梯电量计量不准确；另一方面，由于电能表时钟走时误差大，也可能引起阶梯电量计量不准确。电能表可以通过面板按键方式、RS-485、红外等接口进行数据查询与参数设置，但终端的安全防护措施不足，只是通过简单的按键组合操作或固定密码保护。电能表的重要参数和数据在运行过程中，由于硬件或软件故障导致数据丢失或破坏。非法用户通过在采集信道末端接入虚拟电表，提供虚拟的电量等数据，导致终端无法采集到真实的电能信息。,海兴集团,Email:market,数据安全防护的重要性,综合以上的风险分析，不管采用何种通信方式，都要考虑到数据的安全防护。智能计量仪表的大量应用，必须考虑到数据的安全性。制定系统安全策略和安全措施，采取先进、科学、适用的安全技术对系统实施重点区域安全防护和全面的安全监控，结合严格、有效的安全管理办法，提升系统的整体安全防护水平。,海兴集团,Email:market,通信信道防护,GPRS无线公网防护采用VPN方式GPRS接入网防护电力信息内网防护基础资料保密230MHz无线专网防护需采取身份认证报文加密消息摘要时间戳技术,海兴集团,Email:market,通信信道防护,以太网公网防护VPN专网基于TCP/IP技术的安全通信协议基于Internet的网络安全技术在电网中的应用以太网专网不需要考虑被攻击的危险，但是要考虑设备安全及维护的问题,海兴集团,Email:market,通信信道防护,电力线载波防护规范电力线载波通讯规约采用先进的电力载波技术解决载波信号跨台变串扰问题数据采集过程中的安全控制预付费表通断电防护加强台区管理，促进集抄发展,海兴集团,Email:market,通信信道防护,RS-485总线物理防护强化RS-485总线数据传输安全，可采用认证加密机制，对通信报文进行加密传输。在采集设备的设计上采用TVS瞬变电压抑制二极管、PTC热敏电阻、气体防雷管等防雷器件，进行防雷保护。采用专用的485双绞线，屏蔽层可靠接地。,海兴集团,Email:market,其他防护方法,以上方法主要考虑物理信道的物理防护主要的安全防护重点应该放在应用层采用数据通信安全技术（数据的加密或认证等方法）来保证数据通信的安全分层防护，每一层通信链路都采用数据安全认证,海兴集团,Email:market,第六部分:ICT技术在智能电表中应用的发展方向,海兴集团,Email:market,各国智能电能电能表发展的共同点,作为通信网关及数据网关；除美洲外，基本采用DLMS/COSEM协议实现不同厂家之间互联互通；电力公司可通过智能电能表达到远程控制管理的目的；通过智能电能表结合IHD应用，协助客户自行进行能源管理；,智能电能表的发展趋势及展望,深化需求侧管理方面的应用与家庭智能家居联网及信息整合（智能插座、智能家居、智能家庭终端、智能安防）家庭能源管理节能环保,ICT在智能电表中的发展方向-信息安全,信息通信安全技术在