基于边缘计算的智能电能表校时方法研究

2024-04-18李江超王文强袁艳芳薛斌斌杨科闻

电子技术应用 2024年3期

关键词：批量主站密文

李江超，王文强，李鹏，袁艳芳，薛斌斌，杨科闻

（北京智芯微电子科技有限公司，北京 100192）

0 引言

近年来，随着电力物联网的发展和智能电能表的逐步推广以及实时费控等功能模块的深化应用，用电领域对电能表时钟准确性要求也越来越高。

智能电能表中的时钟通常是基于晶体振荡器来实现的，它们负责维护电能计量的准确性和时间记录。然而，随着设备的长期使用，晶体振荡器可能会受到环境因素、温度变化以及电子元件衰减等因素的影响，从而导致时钟的不准确[1]。

电能表时钟不准确可能会对用电信息采集系统中的电能计量和时间记录造成一定的影响。在电能计费和用电统计方面，时钟不准确可能会导致能源消耗的误判，用户可能会被过高或过低地计费。此外，在时间记录方面，时钟不准确可能会影响到用电的时间段分析等[2]。在电力公司日常运维工作中，解决电能表时钟异常问题、对时钟超差电能表进行校时，已经成为一项越来越重要的工作[3]。为了减轻主站侧的业务压力，借鉴边缘计算思想，本文设计了一种对批量时钟超差电能表校时方法。

1 传统的校时方法

1.1 用电信息采集系统

用电信息采集系统是一种通过智能电能表等设备实时监测、采集和管理电力使用信息的系统。其中主要模块包含计量自动化主站、计量自动化终端（以下简称终端）、费控电能表（带安全模块的智能电能表）。通过主站系统，可以完成对电表的远程校时工作。

用电信息采集系统结构如图1 所示。

图1 用电信息采集系统结构

1.2 本地明文广播校时

本地广播校对时方式是终端接收到主站启动广播校时命令后，终端自行按照自身时间（需要根据通信时延进行微调）对电能表进行广播校时。

由于费控电能表只接受小于或等于5 分钟的时钟误差广播校时，且每日只允许校时一次[4]，因此本地明文广播校时的适用范围，就是对时钟偏差在5 分钟之内的电能表进行校时，每日一次。

这种校时方式是主站下发广播校时任务给终端，终端自行对台区内所有电表进行广播校时。这种方式的优势是对主站侧的业务压力小，并且减少了网络延时对时间同步的影响。

1.3 远程明文广播校时

远程明文广播校时和本地明文广播校时适用范围、工作流程都类似，区别就是时间源不同。远程广播校时的时间源是计量主站的时钟，本地广播校时的时间源是终端设备自身的时钟，相比较而言，计量主站时间一般定时由标准时间源对时，例如国家授时中心或者网络时间协议（NTP）服务器，所以时钟更准确。

1.4 点对点密文校时

点对点密文校时方式，即由计量主站提供的手工或自动对电能表校时方式，主站将校时命令通过前置机发送给终端，终端采用透明转发方式，发给指定的电能表进行校时。

不同于前面两种广播校时，点对点密文校时的权限和自由度比较大，对电能表时钟偏差没有限制，且每日的校时次数没有限制。

这种校时方式的缺点是效率低，主站系统需要全程参与对每个电表的校时操作，经常会遇到信道不稳定、等待时间长等问题（例如终端通过载波将对时任务发给电能表，多个任务会抢占信道资源，或者终端忙于其他任务，响应慢），导致校时任务整体耗时较长，主站侧的业务压力较大。

2 基于边缘计算的批量电表校时方法

2.1 设计方案

通过对传统校时方法分析可知，对于时钟超差5 分钟的电表校时是相对困难的，只能通过一次点对点密文校时，或者渐进式多次广播校时来校正，例如文献[2]提出的校时方法。

当超差电表数量少的时候，点对点密文校时相对效率更高，而当辖区内时钟超差电能表数量较多时，通过点对点校时方法逐一校正，会使主站侧的工作负荷大幅增加[5]，在这种情况下，使用渐进式多次广播校时也是一种改进的解决方案，优点是主站侧负荷较小，缺点是校时周期较长，对于时钟超差较大的电能表需要多次矫正才能完成校时（因为费控电能表只接受小于或等于5分钟的广播校时，且每日只允许校时一次），例如文献[2]提出的验证结果，经过一个月的广播校时，测试样本中时钟超差5 分钟的电表数量仅下降了50%，并未实现彻底消除。

为了减轻主站侧的工作压力，同时兼具对时钟超差电能表校时能力，本文借鉴了边缘计算思想，设计了一种基于点对点校时的技术优化方法——批量电能表校时方法，可以实现对批量时钟超差电能表的高效准确校时。

由于电能表业务密钥属于敏感信息，一般只在主站侧密码机中存储，密钥明文不出密码机。为了让终端具备自主对电能表校时的能力，就必须使终端能够拿到电能表校时相关密钥，所以需要主站下放一些权限，即下放部分电能表业务密钥包给终端设备，终端借助自身内置安全模块和主站下发的密钥包、任务密文，通过转加密运算得到对电能表校时的安全报文[6]，然后下发给电表。为了保证电能表业务密钥的安全，密钥包必须以密文形式在网络中存储和传输。

2.2 性能与效率分析

以下通过与点对点密文校时方法流程对比，来分析批量电表校时方法的特点。

根据文献[7]和文献[8]可知，对一个费控电能表校时需要至少两个流程：身份认证和设参流程，这两个流程类似，为了分析更直观，将这两个流程合并统称为校时流程。根据用电信息采集系统架构可以了解，校时流程又主要分为5 个步骤，如图2 所示。

图2 校时流程

步骤a：主站与密码机交互获取任务密文；

步骤b：主站根据任务密文和通信协议组织成任务报文下发给终端；

步骤c：终端处理任务报文，转发给电能表；

步骤d：电能表执行任务操作，将结果返回终端；

步骤e：终端将任务结果，转发给主站。

由图2 可知，对于点对点密文校时方法来说，当有1个电能表时，主站校时时间为:

当有n个电能表时，主站校时时间为:

2.2.7.3 发病条件。黑麦草上的条锈菌侵入适温为9～13 ℃，潜育适温为13～16 ℃。此病在常年发生春旱的华北发病轻，华东春雨较多，但气温回升过快，温度过高不利于该病扩展，发病也轻。只有在早春低温持续时间较长，又有春雨的条件下发病重。

对于批量电表校时方法来说，主站只负责将校时任务下发到终端即可，不需要同步等待结果，所以省略了步骤c 和步骤d。当有1 个电能表时，校时时间为:

当有n个电能表时，主站侧的任务是一次打包下发给终端的，主站侧校时时间为:

由以上可知，从主站侧角度分析来看，批量电表校时方法效率高，对主站更友好。

2.3 实现路径

当某个台区超差电能表较多时，可以采用批量电表校时，主要的工作流程是：主站系统先收集该台区超差电表信息，然后制作一个批量校时任务包，一次性下发给台区终端，然后由后者自主决定何时执行批量校时工作。到了任务截止时间，主站可以向终端查询任务执行结果。

总体来说，这个校时流程可分为以下两个阶段：

阶段1：批量校时任务下发。这个阶段的工作是由主站侧的批量电表校时模块、密码机、终端来完成的，具体流程如图3 所示。

图3 批量校时任务下发

阶段2：批量校时任务执行。这个阶段的工作是由终端自主来完成的，具体流程如图4 所示。

图4 批量校时任务执行

为了保证主站下发的电表密钥的安全，校时流程中使用了主站与终端之间的会话密钥加密电表密钥明文，使密钥明文只在转加密过程中、在终端安全模块内部可见，密钥明文不出芯片和密码机。

为了限制终端设备的权限，可以通过主站对终端安全模块转加密计算做次数限制（置离线计数器），避免终端无限次地使用密钥包。

2.4 功能可行性验证

图5 验证环境结构图

图6 费控功能测试工具软件结构图

图7 费控功能测试工具界面图

图8 功能可行性验证结果

图5 中，在实验室搭建了验证环境，用于模拟用电信息采集系统的架构，其中各组件简介如下：

（1）主站：由费控功能测试工具软件、密码机组成；

（2）终端：由费控功能测试工具软件、终端安全模块组成；

（3）电能表：645 协议费控电能表，内置了电能表安全模块。

图6 中，该软件选用 Windows 10 作为平台操作系统，并采用Microsoft Windows 平台下的Windows Form窗体开发框架，使用Visual Studio 2010 工具、C#语言开发完成。该软件中，SPI 协议处理模块负责与读卡器通信，645 协议处理模块负责和电表通信，密码机接口DLL负责和密码机通信。

费控功能测试工具软件主要功能包括：（1）模拟主站，与密码机通信进行安全计算，对电能表进行点对点校时，对终端进行批量校时任务下发；（2）模拟终端设备，与终端安全模块通信进行安全计算，对电能表进行批量校时。

图7 展示了工具软件的界面部分，左侧是性能测试区，可输入电表数量，用于比对两种校时流程的性能，右侧是功能测试区，用于分步调试验证批量校时功能，操作方法是先连接终端芯片，然后顺序点击按钮，执行“1读取终端芯片信息”“2 终端与主站会话协商”“3 置离线计数器+转加密授权”“4 终端获取密钥包任务数据，并存储”“5 对电表校时”。

图8 展示了工具软件进行批量校时功能测试过程中最后两步的日志，即界面上的“4 终端获取密钥包任务数据，并存储”和“5 对电表校时”，其中包括模拟终端进行边缘计算的操作：

（1）工具软件通过8440 指令，将密钥包和随机数明文发送给终端安全模块，后者在内部计算后返回随机数密文6C3DACEA424AE510。

（2）工具软件将随机数明文+随机数密文打包成645协议身份认证报文，发送给电表进行身份认证，电表返回成功结果。

（3）工具软件通过8442 指令，将密钥包和校时任务密文1 发送给终端安全模块，后者在内部计算后返回校时任务密文2。

（4）工具软件将校时任务密文2 打包成645 协议校时报文，发送给电表进行校时，电表返回成功结果。

以上，通过在仿真环境中进行功能测试，验证了终端对电表批量校时方法的可行性。