李江超，王文強，李 鵬，袁艷芳，薛斌斌，楊科聞

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

0 引言

近年來，隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和智能電能表的逐步推廣以及實時費控等功能模塊的深化應用，用電領域對電能表時鐘準確性要求也越來越高。

智能電能表中的時鐘通常是基于晶體振蕩器來實現(xiàn)的，它們負責維護電能計量的準確性和時間記錄。然而，隨著設備的長期使用，晶體振蕩器可能會受到環(huán)境因素、溫度變化以及電子元件衰減等因素的影響，從而導致時鐘的不準確[1]。

電能表時鐘不準確可能會對用電信息采集系統(tǒng)中的電能計量和時間記錄造成一定的影響。在電能計費和用電統(tǒng)計方面，時鐘不準確可能會導致能源消耗的誤判，用戶可能會被過高或過低地計費。此外，在時間記錄方面，時鐘不準確可能會影響到用電的時間段分析等[2]。在電力公司日常運維工作中，解決電能表時鐘異常問題、對時鐘超差電能表進行校時，已經(jīng)成為一項越來越重要的工作[3]。為了減輕主站側的業(yè)務壓力，借鑒邊緣計算思想，本文設計了一種對批量時鐘超差電能表校時方法。

1 傳統(tǒng)的校時方法

1.1 用電信息采集系統(tǒng)

用電信息采集系統(tǒng)是一種通過智能電能表等設備實時監(jiān)測、采集和管理電力使用信息的系統(tǒng)。其中主要模塊包含計量自動化主站、計量自動化終端（以下簡稱終端）、費控電能表（帶安全模塊的智能電能表）。通過主站系統(tǒng)，可以完成對電表的遠程校時工作。

用電信息采集系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)結構

1.2 本地明文廣播校時

本地廣播校對時方式是終端接收到主站啟動廣播校時命令后，終端自行按照自身時間（需要根據(jù)通信時延進行微調）對電能表進行廣播校時。

由于費控電能表只接受小于或等于5 分鐘的時鐘誤差廣播校時，且每日只允許校時一次[4]，因此本地明文廣播校時的適用范圍，就是對時鐘偏差在5 分鐘之內的電能表進行校時，每日一次。

這種校時方式是主站下發(fā)廣播校時任務給終端，終端自行對臺區(qū)內所有電表進行廣播校時。這種方式的優(yōu)勢是對主站側的業(yè)務壓力小，并且減少了網(wǎng)絡延時對時間同步的影響。

1.3 遠程明文廣播校時

遠程明文廣播校時和本地明文廣播校時適用范圍、工作流程都類似，區(qū)別就是時間源不同。遠程廣播校時的時間源是計量主站的時鐘，本地廣播校時的時間源是終端設備自身的時鐘，相比較而言，計量主站時間一般定時由標準時間源對時，例如國家授時中心或者網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）服務器，所以時鐘更準確。

1.4 點對點密文校時

點對點密文校時方式，即由計量主站提供的手工或自動對電能表校時方式，主站將校時命令通過前置機發(fā)送給終端，終端采用透明轉發(fā)方式，發(fā)給指定的電能表進行校時。

不同于前面兩種廣播校時，點對點密文校時的權限和自由度比較大，對電能表時鐘偏差沒有限制，且每日的校時次數(shù)沒有限制。

這種校時方式的缺點是效率低，主站系統(tǒng)需要全程參與對每個電表的校時操作，經(jīng)常會遇到信道不穩(wěn)定、等待時間長等問題（例如終端通過載波將對時任務發(fā)給電能表，多個任務會搶占信道資源，或者終端忙于其他任務，響應慢），導致校時任務整體耗時較長，主站側的業(yè)務壓力較大。

2 基于邊緣計算的批量電表校時方法

2.1 設計方案

通過對傳統(tǒng)校時方法分析可知，對于時鐘超差5 分鐘的電表校時是相對困難的，只能通過一次點對點密文校時，或者漸進式多次廣播校時來校正，例如文獻[2]提出的校時方法。

當超差電表數(shù)量少的時候，點對點密文校時相對效率更高，而當轄區(qū)內時鐘超差電能表數(shù)量較多時，通過點對點校時方法逐一校正，會使主站側的工作負荷大幅增加[5]，在這種情況下，使用漸進式多次廣播校時也是一種改進的解決方案，優(yōu)點是主站側負荷較小，缺點是校時周期較長，對于時鐘超差較大的電能表需要多次矯正才能完成校時（因為費控電能表只接受小于或等于5分鐘的廣播校時，且每日只允許校時一次），例如文獻[2]提出的驗證結果，經(jīng)過一個月的廣播校時，測試樣本中時鐘超差5 分鐘的電表數(shù)量僅下降了50%，并未實現(xiàn)徹底消除。

為了減輕主站側的工作壓力，同時兼具對時鐘超差電能表校時能力，本文借鑒了邊緣計算思想，設計了一種基于點對點校時的技術優(yōu)化方法——批量電能表校時方法，可以實現(xiàn)對批量時鐘超差電能表的高效準確校時。

由于電能表業(yè)務密鑰屬于敏感信息，一般只在主站側密碼機中存儲，密鑰明文不出密碼機。為了讓終端具備自主對電能表校時的能力，就必須使終端能夠拿到電能表校時相關密鑰，所以需要主站下放一些權限，即下放部分電能表業(yè)務密鑰包給終端設備，終端借助自身內置安全模塊和主站下發(fā)的密鑰包、任務密文，通過轉加密運算得到對電能表校時的安全報文[6]，然后下發(fā)給電表。為了保證電能表業(yè)務密鑰的安全，密鑰包必須以密文形式在網(wǎng)絡中存儲和傳輸。

2.2 性能與效率分析

以下通過與點對點密文校時方法流程對比，來分析批量電表校時方法的特點。

根據(jù)文獻[7]和文獻[8]可知，對一個費控電能表校時需要至少兩個流程：身份認證和設參流程，這兩個流程類似，為了分析更直觀，將這兩個流程合并統(tǒng)稱為校時流程。根據(jù)用電信息采集系統(tǒng)架構可以了解，校時流程又主要分為5 個步驟，如圖2 所示。

圖2 校時流程

步驟a：主站與密碼機交互獲取任務密文；

步驟b：主站根據(jù)任務密文和通信協(xié)議組織成任務報文下發(fā)給終端；

步驟c：終端處理任務報文，轉發(fā)給電能表；

步驟d：電能表執(zhí)行任務操作，將結果返回終端；

步驟e：終端將任務結果，轉發(fā)給主站。

由圖2 可知，對于點對點密文校時方法來說，當有1個電能表時，主站校時時間為:

當有n個電能表時，主站校時時間為:

2.2.7.3 發(fā)病條件。黑麥草上的條銹菌侵入適溫為9～13 ℃，潛育適溫為13～16 ℃。此病在常年發(fā)生春旱的華北發(fā)病輕，華東春雨較多，但氣溫回升過快，溫度過高不利于該病擴展，發(fā)病也輕。只有在早春低溫持續(xù)時間較長，又有春雨的條件下發(fā)病重。

對于批量電表校時方法來說，主站只負責將校時任務下發(fā)到終端即可，不需要同步等待結果，所以省略了步驟c 和步驟d。當有1 個電能表時，校時時間為:

當有n個電能表時，主站側的任務是一次打包下發(fā)給終端的，主站側校時時間為:

由以上可知，從主站側角度分析來看，批量電表校時方法效率高，對主站更友好。

2.3 實現(xiàn)路徑

當某個臺區(qū)超差電能表較多時，可以采用批量電表校時，主要的工作流程是：主站系統(tǒng)先收集該臺區(qū)超差電表信息，然后制作一個批量校時任務包，一次性下發(fā)給臺區(qū)終端，然后由后者自主決定何時執(zhí)行批量校時工作。到了任務截止時間，主站可以向終端查詢任務執(zhí)行結果。

總體來說，這個校時流程可分為以下兩個階段：

階段1：批量校時任務下發(fā)。這個階段的工作是由主站側的批量電表校時模塊、密碼機、終端來完成的，具體流程如圖3 所示。

圖3 批量校時任務下發(fā)

階段2：批量校時任務執(zhí)行。這個階段的工作是由終端自主來完成的，具體流程如圖4 所示。

圖4 批量校時任務執(zhí)行

為了保證主站下發(fā)的電表密鑰的安全，校時流程中使用了主站與終端之間的會話密鑰加密電表密鑰明文，使密鑰明文只在轉加密過程中、在終端安全模塊內部可見，密鑰明文不出芯片和密碼機。

為了限制終端設備的權限，可以通過主站對終端安全模塊轉加密計算做次數(shù)限制（置離線計數(shù)器），避免終端無限次地使用密鑰包。

2.4 功能可行性驗證

圖5 驗證環(huán)境結構圖

圖6 費控功能測試工具軟件結構圖

圖7 費控功能測試工具界面圖

圖8 功能可行性驗證結果

圖5 中，在實驗室搭建了驗證環(huán)境，用于模擬用電信息采集系統(tǒng)的架構，其中各組件簡介如下：

（1）主站：由費控功能測試工具軟件、密碼機組成；

（2）終端：由費控功能測試工具軟件、終端安全模塊組成；

（3）電能表：645 協(xié)議費控電能表，內置了電能表安全模塊。

圖6 中，該軟件選用 Windows 10 作為平臺操作系統(tǒng)，并采用Microsoft Windows 平臺下的Windows Form窗體開發(fā)框架，使用Visual Studio 2010 工具、C#語言開發(fā)完成。該軟件中，SPI 協(xié)議處理模塊負責與讀卡器通信，645 協(xié)議處理模塊負責和電表通信，密碼機接口DLL負責和密碼機通信。

費控功能測試工具軟件主要功能包括：（1）模擬主站，與密碼機通信進行安全計算，對電能表進行點對點校時，對終端進行批量校時任務下發(fā)；（2）模擬終端設備，與終端安全模塊通信進行安全計算，對電能表進行批量校時。

圖7 展示了工具軟件的界面部分，左側是性能測試區(qū)，可輸入電表數(shù)量，用于比對兩種校時流程的性能，右側是功能測試區(qū)，用于分步調試驗證批量校時功能，操作方法是先連接終端芯片，然后順序點擊按鈕，執(zhí)行“1讀取終端芯片信息”“2 終端與主站會話協(xié)商”“3 置離線計數(shù)器+轉加密授權”“4 終端獲取密鑰包任務數(shù)據(jù)，并存儲”“5 對電表校時”。

圖8 展示了工具軟件進行批量校時功能測試過程中最后兩步的日志，即界面上的“4 終端獲取密鑰包任務數(shù)據(jù)，并存儲”和“5 對電表校時”，其中包括模擬終端進行邊緣計算的操作：

（1）工具軟件通過8440 指令，將密鑰包和隨機數(shù)明文發(fā)送給終端安全模塊，后者在內部計算后返回隨機數(shù)密文6C3DACEA424AE510。

（2）工具軟件將隨機數(shù)明文+隨機數(shù)密文打包成645協(xié)議身份認證報文，發(fā)送給電表進行身份認證，電表返回成功結果。

（3）工具軟件通過8442 指令，將密鑰包和校時任務密文1 發(fā)送給終端安全模塊，后者在內部計算后返回校時任務密文2。

（4）工具軟件將校時任務密文2 打包成645 協(xié)議校時報文，發(fā)送給電表進行校時，電表返回成功結果。

以上，通過在仿真環(huán)境中進行功能測試，驗證了終端對電表批量校時方法的可行性。

2.5 性能對比驗證

通過對比點對點校時和批量電表校時這兩種方法主站側流程所消耗的時間，來完成效率對比，對比結果數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 校時方法耗時對比

對比數(shù)據(jù)轉換成折線圖，如圖9 所示。

圖9 校時方法性能對比

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，批量校時方法速度更快，且優(yōu)勢隨著電表數(shù)量增加而增大，當電表數(shù)量為100 個時，批量校時耗時是點對點校時耗時的19%。

以上測試是在實驗室通信條件良好的情況下進行的，而實際環(huán)境中終端與電表通信會有一定的通信失敗概率，可能會需要重復通信導致耗時增加，所以實際環(huán)境中，批量校時的優(yōu)勢會更大。

3 結論

電能表校時方式有很多種，本文重點介紹了一種基于邊緣計算思想的適用于批量時鐘超差電能表的校時方法，通過和傳統(tǒng)的校時方法對比分析、測試驗證，新方法能大幅度減輕計量主站負荷，是對現(xiàn)有校時方法的優(yōu)化和補充，對解決電能表時鐘超差問題具有實際指導意義。