IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電能表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用

一．引言
中國共產(chǎn)黨的十六大報告指出：信息化是我國加快實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)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(jīng)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(shù)產(chǎn)業(yè)為先導(dǎo)、基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)為支撐、服務(wù)業(yè)全面發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。電力行業(yè)也要信息化，電能表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是很好的應(yīng)用。

現(xiàn)有的電能表集抄模式由于受到技術(shù)、經(jīng)濟的制約，還存在著諸如220V低壓電網(wǎng)的諧波干擾問題；掌上機紅外抄表的人工問題；自建網(wǎng)絡(luò)的費用、維護問題；電信電話的資費問題；無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)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(zhuǎn)向了寬帶網(wǎng)。

近年來，隨著全球信息化、信息數(shù)字化的飛速發(fā)展，我國在信息產(chǎn)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(biāo)，并取得了可喜的成績。許多城市和地區(qū)為了打造“數(shù)字信息港”都在花巨資加強基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并且已經(jīng)解決了“最后一公里”的接入問題，為在網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建適應(yīng)不同需求的應(yīng)用服務(wù)及培育良好的電子商務(wù)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(wǎng)絡(luò)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(wù)的重要組成部分。

二．網(wǎng)絡(luò)集中抄表系統(tǒng)的工作原理

網(wǎng)絡(luò)集抄系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)上網(wǎng)設(shè)備、寬帶網(wǎng)及集抄主站（包括前臺軟件、后臺數(shù)據(jù)庫）組成。其中數(shù)據(jù)采集設(shè)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(zhuǎn)換為電能表數(shù)據(jù)，又可以采集多功能表通過485口輸出的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上網(wǎng)設(shè)備是指網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)器或IP服務(wù)器，它具有將采集終端發(fā)出的數(shù)據(jù)打包成符合相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)包、并進行雙向傳輸?shù)墓δ?。寬帶網(wǎng)具有在集抄主站計算機與電能表之間傳輸數(shù)據(jù)的功能，其中的網(wǎng)絡(luò)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(zé)的功能；網(wǎng)絡(luò)終端集線器是網(wǎng)絡(luò)運營商（Internet Service Provider，簡稱ISP）在各住宅樓單元內(nèi)的終端設(shè)備，通信服務(wù)器通過它接入寬帶網(wǎng)。而集抄主站具有處理各種數(shù)據(jù)并與計費系統(tǒng)相連的功能。

網(wǎng)絡(luò)集抄系統(tǒng)的工作原理及數(shù)據(jù)流程如圖1所示。采集終端對采集到的電能表數(shù)據(jù)進行處理和儲存，等待后臺定時或隨時發(fā)出命令后，將數(shù)據(jù)送到網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)器，經(jīng)其處理變成符合相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)流，傳送至供電局集中抄表主站。抄表主站對所抄收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)送到用電計費系統(tǒng)。由此可見，網(wǎng)絡(luò)集抄系統(tǒng)在短時間內(nèi)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(shè)置階段性采集和隨機采集，以滿足監(jiān)控需要。



圖1. 網(wǎng)絡(luò)集中抄表系統(tǒng)工作原理
值得一提的是，在需要進行網(wǎng)絡(luò)集抄的區(qū)域，如果采集終端不能就近上網(wǎng)，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(shù)(Power Line Communication Technology)，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式?！案咚貾LC”系統(tǒng)由PLC調(diào)制解調(diào)器、PLC路由器及中繼器等設(shè)備組成，這些設(shè)備的傳輸速率可達2～45Mbps。PLC調(diào)制解調(diào)器的作用與普通MODEM類似，負責(zé)將采集終端發(fā)出的數(shù)據(jù)打包并傳輸?shù)诫娏€上。PLC路由器安裝在配電變壓器旁，負責(zé)收集各相配電線上由PLC調(diào)制解調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后通過光纖等高速通信手段將數(shù)據(jù)送到Internet上。當(dāng)PLC調(diào)制解調(diào)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?shù)臄?shù)據(jù)進行信號放大。

三．網(wǎng)絡(luò)集中抄表系統(tǒng)中的安全措施

網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)或公網(wǎng)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(shè)備。

為此，網(wǎng)絡(luò)集抄系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集終端、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器及寬帶網(wǎng)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．?dāng)?shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端中的數(shù)據(jù)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(nèi)部機密，攻擊者不知道編碼規(guī)則就無法恢復(fù)竊取到的數(shù)據(jù)。

行業(yè)內(nèi)部機密，攻擊者不知道編碼規(guī)則就無法恢復(fù)竊取到的數(shù)據(jù)。

2．網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)器

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet已深入千家萬戶，特別是隨著寬帶網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，設(shè)備低成本地接入Internet已經(jīng)成為趨勢，這些都為普及包括網(wǎng)絡(luò)集中抄表在內(nèi)的各類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用創(chuàng)造了條件。通信服務(wù)器通過將RS232/485/422等串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，解決了普通串口設(shè)備在Internet/Intranet上的通信問題。通信服務(wù)器一般都具有一個10 Mbps 以太網(wǎng)接口，可以直接和以太網(wǎng)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(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器的安全措施包括：

(1) 專門設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：服務(wù)器中有專門的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)加密機制：在專有通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，服務(wù)器同時對傳輸數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

(3) 密碼認證機制：服務(wù)器中設(shè)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(wǎng)(VPN)

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

MPLS（Multiprotocol Label Switching）即多協(xié)議標(biāo)記交換，它屬于引入了基于標(biāo)記機制的第三層交換技術(shù)。MPLS把選路和轉(zhuǎn)發(fā)分開，由標(biāo)簽來規(guī)定一個分組通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的沿途并非按照IP 包頭，而是通過交換標(biāo)簽來實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)數(shù)據(jù)包要退出MPLS網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點被稱作標(biāo)簽邊緣路由器(LER)，而網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點則被稱為標(biāo)簽交換路由器 (LSR)。LER節(jié)點在MPLS網(wǎng)絡(luò)中完成的是IP包的進入和退出過程，LSR節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中提供高速交換功能。在MPLS節(jié)點之間的路徑就是標(biāo)簽交換路徑(LSP)。一條LSP可以看作是一條貫穿網(wǎng)絡(luò)的單向隧道。