利用其他领域成果 推动自动抄表进步

利用其他领域成果推动自动抄表进步

摘要：在简要介绍自动抄表技术的发展背景及系统构成、综述目前该技术研究状况和发展趋势的基础上指出：自动抄表的安全性问题应受到足够重视；且要积极吸收和利用其他领域的科研成果，以推动自动抄表技术的不断完善和更快进步。

关键字：自动抄表1引言自动抄表技术（AutomaticMeterReading）是将数据自动采集、传输和处理应用于电能供用与管理系统中的一项新技术。它从根本上克服了传统的人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。目前，美国等发达国家已把自动抄表技术广泛用于配电管理。我国对自动抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。随着电力市场管理改革的不断深入、对自动抄表技术的研究必将成为热点与方向。2自动抄表技术的发展背景采用传统抄表方式人工挨家挨户抄取电能表数据，不可避免地存在以下问题：统计数据不准确，无法真实反映用户用电情况；操作难以规范化，造成不明损失增加；数据采集不及时，无法实时反映系统状况，不能对用户行为进行有效监控；且耗费人工多，成本高，效率低。显然，上述弊端使得人工抄表管理模式不能适应电力体制的改革，也直接阻碍了诸如分时电价运营、预支电费等先进管理模式的推行。自动抄表技术就是在技术与管理两方面急待进步、改革的迫切需求下逐渐发展起来的。3自动抄表系统的构成典型的自动抄表系统主要由前端采集子系统、通信子系统和中心处理子系统等三部分组成。3．1前端采集子系统按照采集数据方式的不同，自动抄表系统可以被大致划分为本地和远程两种。本地抄表系统所使用的电度表一般加装红外转换装置，把电量转换为红外信号，抄表时操作人员到现场使用便携抄表微机在红外可视的距离内非接触地读取数据。电子式电度表或加装了光电转换器的机电脉冲式电度表构成远程采集系统的最前端。它们把用户的用电量以电脉冲的形式传递给上了一级数据采集装置。目前实际应用的远程自动抄表系统大多采用两级式数据汇集结构，即由安装于小区单元的采集器收集十几到几十个电度表的读数，而安装在配电变压器下的集中器则负责定期从采集器读取数据。3．2通信子系统通信子系统是把数据传送到控制中心的信通。为了适应不同的环境条件以及成本要求，通信子系统的构成有多种方案。按照通信介质的不同通信子系统主要有：光纤传输、无线传输、电话线传输和低压电力线载波传输等四种。纤通信具有频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性强等特点，适合上层通信网的要求。但因其安装结构受限制且成本高，故很少在自动抄表系统中使用。无线通信适用于用户分散且范围广的情况。综合考虑成本和可靠性等问题，一般采取装设小型无线电台，在200MHZ～400MHZ频率范围内的某个频点上以散射通信方式进行无线通信。其特点是传输频带较宽，通信容量较大（可与几千块电度表通信），通信距离远（几十公里，并可通过中继站延伸）；主要缺点是需申请频点使用权，且如果频点选择不合理，相邻信道会相互干扰。租用电话线通信是利用现成的电话网络，只需在数据的发出和接收端分别加装调制解调器（MODEM）。该方法的数据传输率较高且可靠性好，一次性投资小；不足是线路接通时间较长（通常需几秒甚至几十秒），当集中器数已较多时，集中器到控制中心的通信效率将明显降低。另外，若租用电话线路多，其租用费也很可观，因此不适合大容量系统。低压电力载波通信是自动抄表技术的研究热点。它利用低压电力线作为系统前端的数据传输通道。其基本原理是：在发送数据时，先将数据调制到一高频载波上，再经功率放大后耦合到电力线上。此高频信号经电力线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。电子载波直接利用配电线网络，免去了租用线路或占用频段等问题，降低了抄表成本，并且有利于运营管理，发展前景十分广阔。但是，目前如何抑制电力线上的干扰，提高通信可靠性仍是亟待解决的问题。按照线路连接结构的不同，通信系统可分为星型和总线型两种类型。星型通信系统是以中心处理工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与集中器连接，形成一对多的连接构架。信道通信数据量较大，要求有一定的传输速率和带宽。一般光纤、无线和电话线通信都采用该连接方式。总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的。它以一条串行总线连接各分散的采集器或电度表，实现各节点的互连；特点是信道上节点较多，传输速率不高，传输距离短，因此一般用于底层（采集器、集中器层）电能数据的采集。低压电力线载波以及RS～485总线网是常见的总线型结构。除上述之外，在某些局部区域或小范围通信场合，点对点的通信方式也被使用，即特定的两点间使用专线通信。如红外抄表微机就是一例。另一个例子是20mA电流环，它采用以20mA电流为逻辑“1”、零电流为逻辑“0”的制式通信；由于使用了光电耦合技术，可以实现电气隔离，提高了系统的防雷击、防静电击穿能力，但是因其布线成本高，所以应用十分有限。3．3中心处理子系统中心处理子系统主要由中心处理工作站以及相应的软件构成，是整个自动抄表系统的最上层，所有用户的用电信息通过信道都汇集到这里，管理人员再利用软件对数据进行汇总和分析，以便做出相应的决策。如果硬件允许，还可直接向下级集中器或电度表发出指令，从而对用户的用电行为实施控制。由于抄表获得的数据量很大；因此要求中心工作站的硬件必须有一定的运算和存储能力；而在软件上首先要求操作系统应稳定可靠；其次，抄表软件必须具有处理海量数据的能力。典型的抄表软件具有如下功能：（1）远程设定抄表集中器和采集器内的参数；（2）抄收整个系统中所有电度表的数据；（3）使中央控制站可远程地对用户电度表进行断电和送电控制；（4）运行数据库，生成用电量日报、月报表，进行电费结算；（5）使系统可进行查询管理，对异常用电户给予告警提示，以配合检查。4自动抄表技术的发展现状传感器、自动化仪表以及集成电路技术的进步，使得无论是机电脉冲式还是全电子式电度表已能够较好地满足现今自动抄表技术的需要。对于机电脉冲式电度表，只需在表内安装光电转换模块和相应的接口，即可实现反映用电量的电信号输出。这类模块和接口具备成本低廉、小巧且易于拆装等特点，因此列目前仍在大量使用的感应系电度表的改装是可行且易于实现的。对于全电子式电度表，可直接读取其电脉冲输出。有的新型全电子式电度表本身安装有多种接口；适用于模拟、数字等各种通信模式。今后相当一段时间内，自动抄表系统的终端采集装置将以上述两种仪表为主。再则，汇集数据的采集器和集中器等装置，可通过单片机、存储器和接口电路等方便地实现，并且已经有了较成熟的产品。因此，数据采集并不构成自动抄表技术中的难点。事实上，通信子系统是自动抄表技术中的关键，也占据了投资的相当大部分。数据通信方式的选取要综合考虑如地理环境特点、用户用电行为、技术水平、管理体制和投资成本等因素。很多情况下，某种方式最终被选用并不表示经济利益和技术要求的最大满足，而只是权衡了各方面条件后的折中。这就给研究留下了空间。据参考文献，前述的几种通信方式在实际系统中均有应用。国内外对于不同通信方式的侧重有所不同。在西方发达国家，对于自动抄表技术的研究起步较早且比较深入；且它们的电力系统包括配电网络也相当规范、完备。所以，低压电力载波技术得到了相对广泛的、成功的应用。而在我国，受技术水平所限，则较多使用电话线通信。近来，随着对扩频技术研究的深入，低压电力线载波中干扰大的问题正逐渐得到解决。因此，低压电力线教波在自动抄表技术中的应用有逐渐推广的趋势。由于电力部力实际应用的需求以及自动抄表技术自身完善的需要，近两年在该领域形成了以下一些研究热点和进步趋向。5．1扩频技术与无线扩频通信扩频技术最早被用在军事通信领域，近年来发展迅速。简单地讲，扩频技术就是把发送的信息转换为数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列音调制数字信号，以展宽信号的频谱；接收端通过相关接收，并用与发射端相同的扩频码序列去解扩；最后经信息解调，恢复出原始所传输的信息。扩频的本质是一种对信号的调制方式，可配合多种通信方式使用。它将干扰信号的频谱展宽，使其变得频谱很宽而功率谱密度很低。在接收端经窄带滤波后，遍布很宽带宽的干扰信号的大部分被滤除，所残留部分的能量已很低，而有用信号被压缩还原成窄带信号，顺利通过滤波器，从而增大了信噪比。另外，由于依据相关原理进行接收，发、受双方必须使用完全相同的扩频码序列，而且扩频通信在负信嗓比情况下仍能正常工作，因此具有较强的安全保密性。扩频技术种类较多，主要包括直接序列扩展频谱（简称“直扩”）、跳频、跳时、线性调频等。直扩技术因其简单并易于实现，故应用最为广泛。将扩频技术应用于无线通信即为无线扩频通信。其距离一般在几十公里，最大的优点在于使无线通信的抗干扰能力明显加强。被扩频信号的输出信噪比与输入信噪比的比值正比于扩频信号的射频带责与信息带宽的比值。无线扩频通信实际上是一种点对点的通信，相互通信的两点必须有工作在相同频率的发射／接收电台以及符合增益要求且极化方向相同的天线。两电台间必须可视，即设有山脉或高大建筑物阻隔，否则会影响通信效果。一种典型的应用无线扩频技术的自动抄表系统的通信过程是：采集器通过电力线载波把数据传至集中器，再由设置在集中器附近的扩频电台招数据发送给中央处理站的接收电台。实际应用中，接收电台一般安装在车辆上，采集数据时只需开车在小范围内行驶一遍，即可将集中器中的用户用电数据收集起来。这样就避免了因地形或障碍造成的通信阻隔。5．2低压电力线载波通信电力线载波通信，是将信息调制为高频信号（一般为50kHz～500kHz）叠加在电力线路上进行通信的技术。其优势在于电力线属电力部门完全控制的通信信道，不必另外铺设通信信道，也可不用或少用公用通信信道；电力线是所有住房和建筑物的基础设施，以电力线作为通信信道，可大大节省铺设通信信道的投资；几乎不需要维护或维护量极小；且以电力线为通信信道，可以灵活地实现“即插即用”。目前，国内10kV以上等级的高压电力线载波技术已较成熟，但低压电力网络上的载波通信还未能达到令人满意的水平。这在一定程度上制约了自动表技术在我国的实际应用。国外虽然有较为成熟的低压电力线载波技术，但将使用该技术进行通信的自动抄表系统直接用于我国，效果却不如人意。其原因在于，我国对低压电器电磁兼容性的控制远没有西方发达国家严格，且对低压电力网上存在的电磁污染的治理也很不得力，造成低压电力网上干扰大，结果严重影响着载波通信的质量。另外，用户负载千变万化造成网络传输特性复杂且为时变，很难以准确的数学模型加以表征。因此，强干扰是低压电力线载波技术必须跨截止的障碍。显然，从规范用户负载特性、提高电磁兼容水平等方面来解决此类问题，在短期内难以实现。可行的出路，可能是寻找抗干能力强的载波方式，以增强通信设备的电磁兼容能力。值得一提的是：由于扩频技术具有优良的抗噪特性，因此将扩频编码方式用于低压电力线载波通信成为自动抄表领域中又一个研究热点。使用了扩频技术的低压电力线载波通信可以在很大程度上解决上文所提出的问题，且不必付出高昂的代价。同时，官还避免了无线扩频通信所面临的诸如受地形限制等弊端。5．3复合通信方案在自动抄表技术应用到的所有通信模式中，各种方案都存在着不同程度的缺陷，尤其是我国目前的低压电力网络问题更多，亦即任何一种采用单一技术的通信方案均很难完全满足客户的多重要求。即使在很大程度上达到了要求。但须付出的代价却难以承受。为解决这类矛盾，复合通信方案被提出。所谓复台通信方案，即是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式，组成实现电能自动抄表用复合通信网络。对于数据传输量不太大。传输距离较近的底层数据采集阶段（电度表到采集器，采集器到集中器）可以使用如红外、低压电力线载波甚至点对点的20mA电流环等技术；而对于由集中器到中央处理站段，则可采用电缆、电话线或无线通信等。选择什么样的方式相互配合，需根据实际情况统筹考虑。混合使用的备种通信方式之间要有很好的相容性，不能相互干扰，这其中涉及到运筹学．最优规划等方面的研究与设计。5．4自动抄表过程中的通信安全通信技术应用的迅速普及，已使得通信安全不容忽视。自动抄表系统由于涉及到电力经济运营，它关联着电力用户与电力部门两者的经济利益，因此自动抄表全过程中的通信安全也显得尤为重要。目前，对于这方面的研究还很少。即便是咱动化程度很高的自动抄表系统，也还不能完全杜绝窃电等不法行为的发生，而自动抄表系统中的通信子系统，更是容易被侵害的环节。应该注意到，当前国内投入使用的自动抄表系统大多采用的是租用电话线或网络专线进行通信，其网络安全性明显要比无线扩频、光缆通信塞，较容易被侵入攻击。一旦恶意的攻击发生，轻则造成所传输的耗用电能的数据被审改或丢失，重则还可能导致整个自动抄表系统的崩溃，其经济损失将不可估量。而目前实际运行的自动抄表系统中较少考虑安全因素，这将给系统的稳定可靠运营埋下隐患。关于通信安全方面（尤其是计算机网络通信安全）已经有很多好的理论与技术，迫切需要进行的工作是把这些技术移植到自动抄表系统中来，以设计出符合自动抄表系统实际的、安全有效的通信网络解决方案。5．4．1计算机网络安全概述所谓网络安全是指：利用网络管理控制和技术措施，保证在一个网络环境里，信息数据的机密性、完整性和可使用性受到保护，它包括网络系统安全和网络信息安全两个方面。随着网络技术的迅猛发展，计算机网络安全性问题的重要程度迅速提升中。一般来讲，网络安全隐患主要来自以下四个方面：黑客、病毒、合法人员的失误和网络系统自身的脆弱性。其中，前两种最容易发生，造成的危害严重且不易防范。据美国联邦调查局统计，美国近期每年因信息和网络安全问题所造成的损失高达飞亿美元。1996年美国金融时报曾报道，平均每20秒就发生一起入侵因特网计算机的事件。信息技术的进步在给人们生活带来巨大便利的同时，也造就了一批招用先进攻击手段的黑客。综合起来，黑客进行攻击的方法主要有：口令猜测；地址欺骗；TCP盗用；窃听；业务否决；对城名和基础设施的破坏；利用Web破坏数据库；“社会工程”（这种攻击方式主要是通过一些日常社会交往获取有用信息，从而利用这些信息进行攻击。如通过窃听别人的谈话、通过收集被攻击对象的废弃文件等获取一些完整或不完整的有利于攻击的信息）；病毒携带。与攻击方法相对应，计算机网络安全防范技术有以下几种：密码技术；身份验证技术；访问控制技术；防火墙技术；安全内核技术；网络反病毒技术；信息泄目防治技术；网络安全漏洞扫描技术；入侵检测技术等。密码技术是最基本的安全措施，其原理是利用加密算法对数据进行加密。所谓密码实际上是含有一个参数的k的变换，即C=Ek（m），其中m是信息，也叫明文；C是密文，Ek是含有k的变换；参数k称做密钥。目前加密技术主要有两大类：一类是基于对称密钥加密的算法，也称私钥算法；另一类是基于非对称容钥的加容算法，也称公钥算法，例如椭圆曲线法、D－H算法及RSA算法等。5．4．2计算机网络安全与自动抄表系统计算机网络所具有的覆盖面广、传输速率高以及传输可靠性强等特点，使它成为可用于自动抄表系统的一个很好媒介。尽管目前投入使用的自动抄表系统中较少采用这种媒介进行通信，但是可以预见，如何合理有效地的运作计算机网络来实现自动抄表数据的传输，必将成为该领域的又一个进步趋向。有计算机网络的介入，网络安全问题就不可避免。相比之下，利用计算机网络通信较之自动抄表技术中所采用的其他通信方式更容易受到攻击。计算机网络本身的缺陷、漏洞构成内因；而对于计算机网络的攻击的易于实施性成为外因。通常黑客对某个特定网络发动攻击，所需要的除了一定的技术外，仅仅是一台廉价计算机和与该网络的物理连接。另一个值得关注的问题是：一旦自动抄表系统采用了计算机网络通信（特别是像Internet这样大型的开放式网络），它将面临上述各种危险因素的挑战。而且，并不是所有的安全措施和技术都能用于提高抄表系统的安全性，因为自动抄表系统有其自身的特点。自动抄表系统的通信是日分布在较广范围内的采集器、集中器与中心处理站间交换数据的过程。其网络结构