CN100362534C - 一种对电能量进行远方采集的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对电能量进行远方采集的方法，为解决现有技术中所存在的缺乏安全性等问题，对于任一个电能表，将其数据用杂凑算法处理后再利用私钥进行乱码化运算以得到相应的电子签章；然后由通讯模块通过GPRS网或WCDMA网将上述数据和电子签章发送到相应的电力专网管理中心；后者收到完整的数据包后，会用其公钥验证签章，从而保证只接收合法的数据。其中，管理中心采用J2EE+网络服务器构成，可承受不小于5万个采集点的并发数据传送；还采用网络时间协议(NTP)和简单网络时间协议(SNTP)进行网络对时，网络时钟的一致性。采用本发明的方法可使大宗用户的电能量数据的采集可靠性更高、安全性更强，数据更完整，能达到更实用的地步。
Description
技术领域
本发明涉及电力和通讯技术领域，更具体地说，涉及一种用于对电力系统中相应用户的电能量进行远方采集的方法。
背景技术
在电力系统中，需要对各级用户的用电情况进行实时监控，例如对某一供电区域内的工厂、企事业单元、住宅小区等较大用户的用电量进行监控，以实现相应的用电异常信息报警、电能质量检测、线损分析、负荷管理等功能。
如图1所示，在最新发展的现有技术中，利用GPRS联合网或WCDMA网的数据收发功能，在相应的多功能防窃电表旁装设电能表监测通信器(也可将两者集成为一个整机)，电能表监测通信器读取多功能防窃电表的当前数据，并通过GPRS联合网或WCDMA网，将所读取的数据传送到相应的电力专网，再由管理系统对这些数据进行相应的分析和处理。
GPRS是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据的标准。它可以提供高达115Kbps的空中接口传输速率，让若干移动用户能够同时共享一个无线信道，一个移动用户也可以使用多个无线信道。其中，实际不发送或接收数据包的用户仅占很小一部分网络资源。有了GPRS，用户的呼叫建立时间大为缩短，几乎可以做到″永远在线″(always online)。由于上述特点，GPRS网可为移动数据用户提供突发性数据业务，能快速建立连接，且无连接时延。特别适用于频繁传送小数据量的应用和非频繁传送大量数据的应用。是目前最理想的电能数据实时监测的通讯手段。
即将推出的CDMA 2000 1x也有同样的特点，它与GPRS都是介于第二代和第三代移动通信技术之间的一种技术，通常称为2.5G，因为它是一个混合体，其中采用TDMA方式传输语音，并采用分组的方式传输数据。
通过图1中所示的系统和现有的电能量采集方法，可实现远程计量抄表和监控，并实现运行状态显示、用电异常信息报警、远程预付费、电能质量检测、线损分析、负荷管理、远程抄表、线路电量平衡分析、防窃电报警、客户服务等功能。但是，现有技术中没有对数据的安全可靠传输采取任何手段和方法，从图1中可以看出，常规的GPRS组网方案利用TCP/IP的Socket通信手段，没有考虑安全机制，由于网络的公开性，很容易被模拟通讯器上报伪数据包，或被网络骇客截取、篡改、调包(如图中的虚线途径所示)，同时常规的方案也无法通过防火墙，在防火墙上通讯会被阻隔。
另一方面，现有技术的电能量采集方法中，没有考虑高精度的对时问题，也未充分解决大量采集点的数据并发传输的瓶颈问题。而这些问题都是系统真正投入实用化运行所必需面临和解决的。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决现有对电能量进行远方采集的方法中所存在的缺乏安全性等问题，以对电能量进行安全、高效、准确的远方采集。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种对电能量进行远方采集的方法，其中，对于任一个需要采集的电能表，按以下步骤发送其电能量数据：(1)与所述电能表对应的通讯模块从电能表中读取所需的数据，并用杂凑算法对所读取的电能量数据进行处理以生成相应的信息摘要，再用分配给该通讯模块或由该通讯模块产生的唯一私钥对该信息摘要进行乱码化运算，生成相应的电子签章；(2)所述通讯模块通过GPRS网或WCDMA网，将所述电能量数据和电子签章打包后发送到相应的电力专网管理中心；
对于电力专网管理中心，则按以下步骤接收电能量数据：(3)收到完整的数据包后，用杂凑算法对其中的电能量数据进行处理以生成第一信息摘要；并取出其中的电子签章，用管理中心的公钥对该电子签章进行乱码化运算以生成第二信息摘要；并再判断所述第一信息摘要与第二信息摘要是否相同；(4)如果两者相同，则表示所收到的电能量数据为合法，可对其进行相应的后续处理；否则表示所收到的数据包为非法，可将其丢弃；其中，还包括由第三方认证中心对所述步骤(1)至(4)中的电子签章和验证签章的过程进行认证的步骤，以保证所采集的数据具有法律举证效力。
在本发明所述的方法中，所述管理中心采用J2EE+网络服务器构成，可承受不小于5万个采集点的并发数据传送。
在本发明所述的方法中，还包括当满足第一预定条件时，采用网络时间协议(NTP)对电力专网管理中心中的设备进行对时，并采用简单网络时间协议(SNTP)对各通讯模块进行对时的步骤，以保证管理中心的时钟与各个被采集电能表通讯模块的时间的一致性；所述第一预定条件可为预定的时间间隔，其大小为1分钟-720小时。
在本发明所述的方法中，电能量数据的传输方式有管理中心召唤式和主动发送式两种，当采用前一种方式时，所述管理中心按第二预定条件向与需要采集的电能表对应的通讯模块发出采集命令，相应的通讯模块收到所述采集命令后，才执行所述步骤(1)和(2)；当采用后一种方式时，与需要采集的电能表对应的通讯模块按第三预定条件主动向管理中心发送电能量数据，当满足所述第三预定条件时，该通讯模块主动执行所述步骤(1)和(2)；其中的第二、第三预定条件可为预定的时间间隔，其大小为1分钟-720小时。
本发明解决了现有GPRS远方电能量采集系统中的三个主要问题：其一上数据采集的并发性和高采通率，其二是数据传输的加密问题和数据安全问题，其三是在复杂的通用分组无线业务GPRS网络或CDMA2000 1x条件下的精确对时问题。从而使得大宗用户的电能量数据的采集可靠性更高、安全性更强，数据更完整，能达到更实用的地步。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有电能量采集系统的结构示意图；
图2是使用本发明方法的电能量采集系统构架示意图；
图3是本发明中系统结构和组网方案示意图；
图4是本发明中对电能量数据加数字签名或电子签章的过程示意图；
图5是本发明中对验证数字签名或电子签章的过程示意图。
具体实施方式
本发明的电能量采集方法利用先进的通讯技术、计算机及网络技术，为电力企业解决远程计量抄表和监控、用电异常信息报警、线损分析、远程预付费、电能质量检测、负荷管理、线路电量平衡分析、防窃电报警、负荷预测、考核、巡检、稽查等问题，以较高的信息化技术和管理手段对抗各种可能的高线损问题，并及时发现计量回路故障和窃电行为。
本发明的方法旨在为供电企业提供一种高效、客观、稳定、准实时的线损监测、分析、管理、考核的现代化、信息化的监测平台和管理手段，提高配电、用电环节的线损管理的自动化水平和可靠性。并为重点解决110KV以下的电网高线损问题，缓解农电网的高线损问题提供技术支撑平台。实现全网各采集、计量、考核点的总、峰、平、谷、尖电度等电能数值，及电流、电压、有功、无功、最大需量、断相断流、功率因数等瞬时数据的自动、完整、准确、安全、及时、可靠、灵活、完善的采集、传输、存储、统计、计算、计费、分析、审核、确认、管理、备份、应用、报表、打印、发布；系统可对换表、满度、CT/PT修改等业务变更和旁路代供情况进行自动、人工处理，对关口电量、线损率、平衡率等进行准实时的计算、考核、监察。本发明的应用对象为电力系统及相关部门(例如石油、化工、铁道)的用户。
如图3所示，具体实施时，本发明的系统采用从中国移动的地区分公司或中国联通的地区分公司铺设VPN(Virtual Private Network，虚拟私有网络)专线的方式，将电力公司的电力专网与GPRS网或WCDMA网连接起来。同时利用Internet宽带公网作为辅助的备用通道。
同时，在每个电能量计量点配备防窃电技术较高的电子式多功能电表或电能表监测器，该电表具有GPRS/WCDMA通讯功能的通讯模块，该通讯模块既可内置到电表里面；也可独立外置于电表运行，并通过RS232或RS485与电表连接。该通讯模块中有密钥对产生和存储机制，能对传输或转发的数据进行数字签名或数字签章，也有利用SNTP协议进行网络对时的功能，传递时间标准。
本发明的方法在系统构架(采用J2EE数据服务技术)与网络组织方式(采用无线GPRS、CDMA2000 1x、或WCDMA)上具有一定的前瞻性，通讯手段上采取安全可靠的数字签名技术，以保证系统的先进性和投资的有效性。本发明的系统设计体系不仅兼容目前的GPRS，而且兼容以后的3G通讯。
本发明中，电能量数据的传输方式有管理中心召唤式和主动发送式两种，当采用前一种方式时，管理中心按预定条件向与需要采集的电能表对应的通讯模块发出采集命令，相应的通讯模块收到所述采集命令后，才发送其当前数据；当采用后一种方式时，与需要采集的电能表对应的通讯模块按预定条件主动向管理中心发送电能量数据，也就是说，当满足预定条件时，该通讯模块主动发送电能表的当前数据；其中的预定条件可为预定的时间间隔，其大小为1分钟-720小时。
在整个数据通讯过程中采用TCP/IP通讯协议，可屏蔽各种中间层协议，从采集终端到管理中心的通讯可以视为在广域网中数据的传输。由于采用基于J2EE构架的数据WEB服务方式，可避免直接利用底层的Socket通讯，符合HTTP1.1和DATA Service的相关国际标准，传输的数据能有效通过广域网中的各种安全设备，同时数据经过数字签名，本身的安全性和完整性也得到了保证。
一、数据并发传输解决方案
数据的并发传输是一般的远方采集系统的一大瓶颈，由于在实际应用中一个大的系统有数目巨大的采集终端(几万或者几十万)，保证高采通率的前提是解决并发传输的通讯阻塞。本发明的方法平台采用J2EE+Web服务构成，即企业级的基于J2EE构架基础的数据采集和数据服务发布软件构架，该系统能支持高强度的数据并发传输和数据服务，支持海量数据查询，具有极高的实用性。解决了这一难题。如图2所示，其中包含有四大核心技术：
1、J2EE连接体系：J2EE连接体系提供了J2EE应用和企业内存在的EIS系统集成的标准框架。
2、JMS(Java信息服务)：Java信息服务是一个支持企业通信系统的标准编程接口，目的在于提供一个跨越不同类型通信系统的公共接口。Java应用程序利用JMS API和企业的通信系统连接后，应用程序就能利用通信系统提供的功能创建和发送消息，达到和其它应用系统异步通信的目的。
3、JDBC API：它是和关系型数据库系统集成的标准接口。应用程序用这个接口获得数据库连接、查询数据和执行其它的数据库功能。
4、Web Services：允许EIS提供一些服务访问点，新的应用通过这些点可以获取数据，也可以提交数据。
二、安全传输解决方案
目前市面上虽然有一些能通过GPRS或CDMA 2000 1x进行数据通讯的终端设备，例如封装TCP/IP协议的GPRS或CDMA 2000 1x的双向透明数据传输终端(其具有标准RS232/RS485接口)，但在数据传输安全性方面没有作任何保护措施，使得系统防护网络攻击的能力几乎没有，完全是一敞开的门。
本发明的方法中采用电子签章(数字签名)的方法传输数据，其中数字签名的依据是PKCS(Public-Key Cryptography Standards，公钥加密标准)，PKCS标准是由RSA实验室(RSA Security Inc.的研究中心)制定的，RSA公司是由RSA公钥加密系统的发明者创造的。
电子签章(数字签名)的过程如图4所示，其中，从某一电表中读取了数据之后，先利用杂凑算法(Hash function)对需要发送的数据进行处理，生成相应的信息摘要，由于杂凑算法具有单向不可逆运算之特性，即仅能由交易数据推算出信息摘要，而无法由信息摘要反向推算出交易数据之内容，因此交易数据与信息摘要之内容具有关联性，且不同交易数据内容不会运算出相同的信息摘要，我们可以将信息摘要视为精简版的交易数据特征。
然后利用分配给该通讯模块或由该通讯模块产生的唯一私人密钥(简称私钥)，对生成的信息摘要进行乱码化运算，生成相应的电子任意。乱码化运算是一个相当复杂的运算过程，由于其破解难度非常高，以目前计算机速度需数万年以上，只要私钥不被外泄，他人就无法伪造与交易数据对应的电子签章，因此，所生成的电子签章可达到传统印章的身分识别功能。
验证签章(数字签名)的过程如图5所示，其中的公开密钥(简称公钥)与私钥具有配对关系，经某私钥签章的资料，只有与之配对的公钥才能正确完成验证。当收到完整的数据后，会取出其中的电子签章，用管理中心的公钥对所收到电子签章进行乱码化运算，生成第二信息摘要；并用杂凑算法对所收到的交易数据进行处理生成第一信息摘要；再判断第一信息摘要与第二信息摘要是否相同；如果两者相同，则表示所收到的数据为合法，可对其进行相应的后续处理；否则表示所收到的数据包为无效或非法，可将其丢弃。
本发明中，可由认证机构(网络认证公司)证明公钥之拥有者，并将公钥置于电子凭证中公开，供交易对方使用。
采用上述电子认证过程后，有如下服务保障：
(1)认证：身份识别与鉴别，确认实体的真实性；
(2)数据完整性服务：防篡改，确认没有被修改、防丢失、缺损、防伪造；
(3)数据保密性服务：确保数据的秘密，非授权没法读出；
(4)不可否认性服务：保证实体对其行为的诚实，防抵赖；
(5)公证性服务：证明数据是有效的或正确的。
三、网络对时的解决方案
本发明中，当满足预定条件时，将利用精确时间标准源(如GPS校准时间源或原子钟)通过网络时间协议(NTP)对电力专网管理中心的设备进行对时，并采用简单网络时间协议(SNTP)对各通讯模块进行对时，使管理中心的设备和各通讯模块的时钟与被精确时间标准源(如GPS校准时间源或原子钟)同步，其中的预定条件可为预定的时间间隔，其大小为1分钟-720小时。
NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)的详细说明在RFC-1305[Mills1992]中。RFC-1305对NTP协议自动机在事件、状态、转变功能和行为方面给出了明确的说明。它以合适的算法以增强时钟的准确性，并且减轻多个由于同步源而产生的差错，实现了准确性低于毫秒的时间服务，以满足目前因特网中路径量测的需要。NTP是一个跨越广域网或局域网的复杂的同步时间协议，它通常可获得毫秒级的精度，在大多数的地方，NTP可以提供1-50ms的可信赖性的同步时间源和网络工作路径。
SNTP(Simple Network Time Protocol，简单网络时间协议)主要是针对那些不需要完整NTP实现复杂性的主机，它是NTP的一个子集。通常让局域网上的若干台主机通过因特网与其他的NTP主机同步时钟，接着再向局域网内其他客户端提供时间同步服务，其对时精度通常在50ms以上。
由于GPRS或CDMA 2000 1x通讯网络复杂，其中内部的通讯协议多达几十种，因此，数据传输时间的延迟不可预测，而该采集系统要求有精确的全网统一时间，为了解决这一难题，我们采用了SNTP协议，完全解决了对时精度问题。
网络时间协议NTP(Network Time Protocol)或SNTP(Simple Network TimeProtocol)是在TCP/IP协议集中的应用层中的时间协议，可独立地估算计算机时钟偏差，从而实现在网络上的高精准度计算机校时。
由上述可知，本发明的方法基于GPRS、CDMA2000 1x、或WCDMA通讯方式来传递数据；并基于J2EE构架的数据服务，解决并发采集瓶颈问题，提供强大的基于J2EE的Web Data Service的企业级的数据服务和数据验证，可承受不小于5万采集点的并发数据传送。本发明中所采集的数据使用电子签章进行传输，可经过第三方安全认证中心的认证，以保证所采集的数据具有法律举证效力；在录入数据库时使用的电子签章，也可经过安全认证中心的认证，以保证所采集的电能量数据具有法律举证效力。另外，本发明采用NTP和SNTP协议为电表进行网络对时，可为采集终端提供时间戳服务，与一个可信任的时间权威网络对时的精度可达100ms。
采用本发明的方法，可使线损率成为一个实时客观的在线监督指标(因为数据带数字签名，连电力部门的人员都无法人为改变数据)，杜绝了任何人为干预。解决了长期困扰企业的抄表不到位、抄“飞表”、内外勾结造成的线损率统计不准确、波动大等问题。由于有了强有效的网络对时，又有极强的并发采集能力，可在同一时间(每五分钟一次)将全网的电能量数据、电流、电压、频率、功率、相位等实时数据一起传递到管理中心，以便真正进行实时的线损和网损计算、分析。
Claims (9)
1.一种对电能量进行远方采集的方法，其特征在于，
对于任一个需要采集的电能表，按以下步骤发送其电能量数据：
(1)与所述电能表对应的通讯模块从电能表中读取所需的数据，并用杂凑算法对所读取的电能量数据进行处理以生成相应的信息摘要，再用分配给该通讯模块或由该通讯模块产生的唯一私钥对该信息摘要进行乱码化运算，生成相应的电子签章；
(2)所述通讯模块通过GPRS网或WCDMA网，将所述电能量数据和电子签章打包后发送到相应的电力专网管理中心；
对于电力专网管理中心，则按以下步骤接收电能量数据：
(3)收到完整的数据包后，用杂凑算法对其中的电能量数据进行处理以生成第一信息摘要；并取出其中的电子签章，用管理中心的公钥对该电子签章进行乱码化运算以生成第二信息摘要；并再判断所述第一信息摘要与第二信息摘要是否相同；
(4)如果两者相同，则表示所收到的电能量数据为合法，可对其进行相应的后续处理；否则表示所收到的数据包为非法，可将其丢弃；
其中，还包括由第三方认证中心对所述步骤(1)至(4)中的电子签章和验证签章的过程进行认证的步骤，以保证所采集的数据具有法律举证效力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管理中心采用J2EE+网络服务器构成，可承受不小于5万个采集点的并发数据传送。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括当满足第一预定条件时，采用网络时间协议(NTP)对电力专网管理中心中的设备进行对时，并采用简单网络时间协议(SNTP)对各通讯模块进行对时的步骤，以保证管理中心的时钟与各个被采集电能表通讯模块的时间的一致性；所述第一预定条件可为预定的时间间隔，其大小为1分钟-720小时。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述管理中心按第二预定条件向与需要采集的电能表对应的通讯模块发出采集命令，通讯模块收到所述采集命令后，才执行所述步骤(1)和(2)；所述第二预定条件可为预定的时间间隔，其大小为1分钟-720小时。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，与需要采集的电能表对应的通讯模块按第三预定条件主动向管理中心发送电能量数据，当满足所述第三预定条件时，该通讯模块主动执行所述步骤(1)和(2)；所述第三预定条件可为预定的时间间隔，其大小为1分钟-720小时。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，采用TCP/IP通讯协议完成所述通讯模块与电力专网管理中心之间的数据传输。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述GPRS网/WCDMA网通过VPN专线与电力专网管理中心连接，使所述通讯模块可通过所述VPN专线向电力专网管理中心传送数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述GPRS网/WCDMA网还以Internet宽带公网作为辅助的备用通道，使所述通讯模块可通过所述备用通道向电力专网管理中心传送数据。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通讯模块可内置于所述电能表；也可外置于所述电能表，并通过RS232或RS485与所述电能表连接。
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