考虑费控电能表信息安全交互的IPTP时钟同步技术*

潘俊涛，郭小璇，陈俊，唐志涛

(广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁 530023)

0 引 言

为了发挥价格杠杆作用，鼓励用户调整用电负荷，实现移峰填谷，缓解用电紧张局面，分时电价逐步在发电、输电，以及配电环节启动推广[1]。由于分时电价是采取时间段之间的价格差来激励和引导用户的用电行为，电能表时钟的准确性出现偏差，将导致计费电价与实际电价不匹配，费控电能表误计时间区间等问题，严重影响着供需双方交易的公平公正性。开展分时电价计费下费控电能表时间同步技术研究，保证外装表计时钟的准确性，是解决上述问题的有效方法和手段。

目前，电力企业制定的相关计量时钟管理措施有部署时钟源、制定技术规范、定期监督检查、加强入网检测等。部署时钟源是通过组织制定计量时钟管理相关制度，明确人员、设备的日常管理。制定技术规范是通过组织制定计量自动化系统和计量检定(检测)标准装置时钟管理功能技术规范及标准，加强技术管理。定期监督检查，开展计量时钟运行管理监督检查和统计分析，评价考核各单位时钟管理各环节工作质量。电力企业开展的费控电能表入网检测工作，增加了对费控电能表时钟电池、时钟硬件的重点检测，杜绝采用不满足使用要求或者降低配置时钟电池的费控电能表入网；对发现存在批量质量隐患时立即处置，对时钟隐患制定改进措施，杜绝同类问题的蔓延或再次发生[2-6]。

现有的费控电能表时钟校准技术一般有两种，一是在费控电能表检定装置上加装部署相应的标准时钟硬件[7-9]，另一种是采用基于GPS的局域网时间同步方案[10]。在费控电能表检定装置上加装部署相应的标准时钟硬件，是通过外置时钟芯片读取时间数据，对芯片的可靠性要求较高，并且无法改造不具备标准时钟硬件的电能检定装置。GPS的局域网时间同步方案，不需要进行硬件改造，而是采用网络时间协议NTP(Network Time Protocol)，在电力企业自建的内部网络中通过配置相应的企业时间服务器获取GPS时钟源相应的标准授时，建设投资成本高。

提出一种考虑费控电能表信息安全交互模式的IPTP(improved PTP, IPTP)时钟同步机制，通过分析费控电能表时钟不一致的原因，给出“主站-计量终端-电能表”和“主站-电能表”两种时间同步方案；在此基础上，考虑费控电能表信息安全交互模式，构建两种费控电能表IPTP时钟同步机制；最后，利用两种IPTP时钟同步机制分析费控时钟调整效果，并与传统对时模式相比。所提两种方法具备较好的互补特性，结合使用能较好地实现费控电能表的时钟同步，而且对时效率和准确率高，具备广阔的应用前景。

1 分时电价下费控电能表时钟误差分析

根据开展的费控电能表实验及现场检验工作时发现，新到货或运行中的电能表有少数存在时钟不准的问题，主要原因有四点：一是电能表出厂时厂家未对其进行时间校准，导致表计时钟不准；二是现场安装的表计由于运行时间较长，其内部电池长时间的充放电导致出现钝化或失效现象，因此保存电能表时钟数据出现错误；三是电能表长期使用过程中由于外界环境干扰或自身问题，其内部时钟晶振发生故障，导致时钟不准；四是通过计量自动化系统进行对时方式，由于主站与采集终端的通信出现延时或者采集终端自身的故障，导致对时出现错误。

在分时电价条件下，电能表时钟出现偏差，就会严重影响供需双方交易的公平公正性，例如在分时电价条件下，在8:00～9:00区间电价是0.6 元/千瓦时，在9:00～10:00区间电价是0.8 元/千瓦时，若费控电能表时钟比正常标准时钟偏慢10 分钟，即9:00～9:10这段时间的本应按0.8 元/千瓦时计费的电量被误计成0.6元/千瓦时，导致电网公司电费流失；同理若费控电能表时钟比正常标准时钟偏快10 分钟，即8:50～9:00这段时间的本应按0.6 元/千瓦时计费的电量被误计成0.8 元/千瓦时，最终导致电力用户多付电费。

电能表时钟偏差除了导致计费电价与实际电价不匹配问题，另外还存在量的问题，即电能表误计时间区间。若该电力用户恰好处于用电高峰期，则无形中加大了供需双方误计电费的数量。若是高价低计，则意味着供电企业少收了电费，导致电费回收流失，最终影响企业的经济效益。若是低价高计，即意味着向电力用户多收了电费，这就影响了供电企业公平公正，合理合法、诚信经营的良好形象，严重的还可能被用户投诉，甚至引起法律纠纷，最终在社会上造恶劣影响。因此，在开展分时电价计费时，电能表时钟偏差问题是一个亟需采取有效措施加以解决的迫切问题。

2 计量自动化系统时间同步方法

计量自动化系统是电力企业为实现自身有序用电、远程抄表、负荷控制、电费结算市场管理等业务，所建设开发的一套集数据采集、监控、分析和计量管理于一体的计量信息系统。该系统在硬件上主要由各类信息化设备以及计量类设备组成，其中计量类设备包括各类计量终端(如负控、配变、集中器等)和电能表。为保证上述硬件设备的时间同步性，计量自动化系统中会配备相应时间同步系统以保证设备在时间上的同步。利用计量自动化系统中的时间同步系统，接收外部时间基准信号，并按照要求的时间准确度向外输出时间同步信号和时间信息的方式，能很好的解决人工手动传统对时模式耗费人力大，工作效率低下等问题。

2.1 时间同步系统组成

计量自动化时间同步系统有多种组成方式，文中提出的计量自动化时间同步系统基于某电力公司计量自动化系统硬件组成，采用主从式结构，即由一台主时钟和多台从时钟组成，其中主时钟为计量自动化系统主站的时钟，通过定时与GPS全球卫星定位系统标准时钟源进行同步修正，以保证主时钟的实时准确性；从时钟为各类终端或费控电能表的时钟。为保证系统内时钟同步能覆盖到所有的时钟设备，文中提出两种互补的电力计量自动化时间同步系统模式，即“主站-计量终端-电能表”逐级时间同步模式和“主站-电能表”点对点时间同步模式，如图1、图2所示。

图1 “主站-计量终端-电能表”逐级时间同步模式

图2 “主站-电能表”点对点时间同步模式

2.2 “主站-计量终端-电能表”同步工作流程

如图1所示，电力计量自动化时间同步系统分为“主站-计量终端-电能表”三层结构，其工作流程为：首先主站的主时钟每天按固定时间与GPS时钟源进行时钟同步，以保证整个系统主时钟的准确性；然后每天规定6：00和18：00计量主站通过广播对时的方式自动对现场各类计量终端执行对时任务；若由于通信或其他原因导致对时未成功，则主站管理人员可通过手动操作，对单个或多个终端直接下发对时命令。当从时钟层即计量终端层完成与主时钟的对时后，计量终端在每天任意时间可通过下行信道(如RS485、宽带/窄带载波、微功率无线)对系统内小于或等于5 分钟时钟误差的电能表进行广播对时，保证电能表的时钟准确度在± 0.5 s/d以内；通过上述方式，实现对电力计量自动化时间同步系统内包括主站、终端、末端表计全部硬件的对时任务，保证整个系统时间的准确性。

2.3 “主站-电能表”同步工作流程

如图2所示，点对点时间同步模式采用“主站-电能表”两层结构，其工作流程为：当系统内时钟误差大于5 分钟的电能表无法通过计量终端广播对时，主站管理人员可通过手动操作，直接下发对时指令，此时计量终端作为一个中继器，在接收到主站对表的对时命令帧后不进行任何处理，直接通过下行信道(如RS485、宽带/窄带载波、微功率无线)转发给电能表，电能表收到主站的对时命令后执行相关的对时操作。本模式面向对象主要是当前用户大量使用的带硬加密芯片的新型费控电能表。普通采用软加密方式电能表若出现时钟不准需进行重新对时，必须通过人工到现场拆除铅封打开表盖并按下编程键后，才能实施时钟修改。与之相比，费控电能表自带硬加密芯片，并取消了编程键，其时间修改方式是通过下达经加密的对时指令来完成，这就为实施计量自动化系统远程时间同步提供了可能。基于此，通过对传统PTP协议进行改进，提出了一种考虑费控电能表信息安全交互模式的IPTP时钟同步机制。

3 费控电能表IPTP时间同步机制

3.1 费控电能表信息安全交互流程

费控电能表的信息安全主要通过其内部嵌入的安全模块(ESAM芯片)得以实现，安全模块的主要作用是实现对电能表信息的安全存储，并以一定的加密算法对传输数据进行加/解密及双向身份认证等。如2.3所述的“主站-电能表”两层结构的时间同步模式下，主站和电能表的时钟同步命令交互流程如图3所示。首先主站会向电能表发送身份认证命令，双方身份认证成功后电能表返回主站随机数等相关信息，主站发送参数修改(时钟同步)命令，电能表会根据命令中所携带的参数信息明文/密文和MAC值，判断并执行相关的时间修改操作，并返回参数更新结果给主站。

3.2 IPTP时钟同步机制

3.2.1 PTP的时间同步机制

PTP(Precision Time Prococl, PTP)时钟同步的机制是基于延时请求和响应原理实现的，具体分为偏移测量和延迟测量两个阶段[11]。PTP时钟同步机制的同步过程如图4所示。

图3 费控电能表信息安全交互流程

图4 PTP时钟同步机制的同步过程

假设偏移测量阶段与延迟测量阶段的网络延时相等，则PTP报文传输的平均延时为：

Delay=[(T2-T1)+(T4-T3)]/2

(1)

从时钟与主时钟的时间误差为：

Offset=[(T2-T1)-(T4-T3)]/2

(2)

式中T1表示同步报文的真实发出时间，T2为从时钟接到同步报文后的接收时间；T3表示从时钟收到同步报文后，在T3时刻向主时钟发送延迟请求报文，T4为主时钟接收延时请求报文的时间。

3.2.2 IPTP时间同步机制

图5为网络及中继延时计算示意图。在进行电能表时钟同步前，首先需要对网络及中继延时进行计算。根据3.1费控电能表信息安全交互流程可知，主站和电能表进行参数修改(时钟同步)前，需要先进行身份认证，因此计算网络及中继延时可通过计算身份认证过程的网络及中继延时，得出时间同步过程中的网络及中继延时。首先从主站发出一个带时间标签T1的报文至计量终端，终端接收并记录时间为T2，终端在T3时刻将报文中继转发至电能表，电能表接收报文后记录此时的时间为T4，电能表完成认证后在T5时刻返回主站随机数等相关信息，终端在T6时刻接收到这些信息，并在T7时刻将信息转发至主站，主站在接收报文后记录此时的时间为T8。根据上述时间标签T1～T8，可以计算出主站至电能表的网络及中继延时为ΔT=((T8-T5)+(T4-T1)-(T7-T6)-(T3-T2))/2，其中T7-T6和T3-T2为中继时延。

图5 网络及中继延时计算示意图

然后主站在T9时刻向电能表发送时间对时命令报文时，附上此时的时间标签T9，电能表在T12时刻接收到主站的对时命令报文时，需要首先进行两个步骤：(1)判断网络及中继延时值ΔT，若ΔT大于5 s，则说明网络信道或中继出现问题，电能表通过应答报文回复主站，对时失败；(2)判断T4-T1和T12-T9是否相等，如果两者不相等，则说明此时主站和电能表通讯的网络信道或中继时延处于不稳定状态，电能表给主站发送对时失败应答报文，并通知主站继续重复以上对时步骤，若连续重复5次两者均不相等，电能表给主站发送取消本次对时报文，对时失败；若上述两个步骤均满足要求，说明网络信道及中继处于正常状态，电能表执行对时命令报文，将自身的时钟调整为T9+ΔT，并返回应答报文告知主站对时成功。

3.2.3 IPTP时间同步机制实现思路

提出的IPTP的实现思路如图6所示，概况为以下几步：

第一步，计算网络及中继延时时间ΔT；

第二步，主站向电能表发送时间对时命令；

第三步，电能表接收到主站的对时命令报文时判断时钟对时情况。当ΔT>5 s时，说明网络信道或中继出现问题，电能表通过报文回复主站对时失败；当T4-T1≠T12-T9，电能表通知主站重复第一至第三步对时5次，若仍不相等则对时失败；当ΔT<5 s且T4-T1=T12-T9，对时成功，电能表时钟调整为T9+ΔT。

图6 IPTP的实现思路

4 工程试验及应用效果分析

在实验室模拟现场环境搭建了相应的测试平台验证文中方法。图7是模拟测试平台示意图，计量主站通过与GPS连接获取标准时钟，计量终端通过GPRS/CDMA与主站相连，计量终端下行通过载波与费控电能表连接。实验中分别选取5块时钟误差在5分钟以内以及5块大于5分钟的电能表。表1、表2是试验结果。

图7 模拟测试平台示意图

费控电能表数量第一次逐级同步后时钟准确表数量第二次逐级同步后时钟准确表数量第三次通过点对点同步后时钟准确表数量第四次通过点对点同步后时钟准确表数量1055910

表2 费控电能表时钟误差对比结果

如表1所示，首先采用“主站-计量终端-电能表”逐级时钟同步模式对表计进行对时，通过主站手动对终端下达广播对时命令，终端完成对时，接着终端按照预先设置好的时间对10块费控电能表下发广播对时命令，实验发现时钟误差在5分钟以内的5块表在第一次同步后均对时成功，按同样方法进行第二次逐级同步后，时钟误差大于5分钟表均未能完成对时；然后采取 “主站-电能表”点对点时钟同步模式进行对时，通过主站两次手动对表计下达对时命令，10块表计均完成时钟同步，对时成功，实验表明文中提出两种互补的时钟同步模式在实际工程应用中具备较好的可行性和有效性。

表2为采用传统钟同步机制和基于文中提出的基于IPTP法的时钟同步机制的时钟误差对比，经测算两种方法均能满足时钟误差在 1 s 之内的指标要求。但是使用文中提出的时钟同步机制电能表时钟其与GPS标准时钟平均偏差值为0.13 s。较传统时钟同步机制的平均偏差值0.22 s更小，而且偏差的离散区间也更小，实验表明文中所提方法具有更高的时钟同步准确率。

将所提方法推广至广西电网某县公司一个台区，通过应用“主站-计量终端-电能表”以及“主站-电能表”两种互补的时间同步模式，仅需4次即可完成全台区费控电能表对时。此外，IPTP时间同步平均偏差值为0.16 s，较传统的PTP时间同步机制0.25 s更为准确。工程应用效果表明，所提方法的可行性及准确性远超过传统的PTP时间同步机制。

5 结束语

提出一种考虑费控电能表信息安全交互模式的IPTP(improved PTP, IPTP)时钟同步机制，通过分析费控电能表时钟不一致的原因，给出“主站-计量终端-电能表”和“主站-电能表”两种时间同步方案；在此基础上，考虑费控电能表信息安全交互模式，构建两种费控电能表IPTP时钟同步机制；最后，利用两种IPTP时钟同步机制分析费控时钟调整效果，并与传统对时模式相比。

所提两种方法具备互补特性，结合使用能较好地实现费控电能表的时钟同步，而且对时效率和准确率高，具备广阔的应用前景。