终端在智能电表现场检测中的应用研究

张军朝

0 研究背景

随着统一智能电表的推广，目前邢台已完成智能电表的安装30多万台，为智能电网的建设提供了基础运行平台环境。智能电表以其精度高、安全稳定、多功能的特性，得到电力公司和客户的认可，但是正式其多功能、多种复杂通讯方式，造成了一旦出现问题，对造成故障判断就十分困难，在缺少有效手段的情况下，对于现场服务人员来讲，为了避免产生用电纠纷，基本采取的措施就是换表，造成电力供公司人员和资产的极大浪费，随着安装计量设备的不断增多，势必投入更大的人力和财力才能维护正常的客户服务水平，能否根据智能电表的技术特性和规范要求，采用科学的技术手段，解决客户服务人员现场服务的问题是摆在营銷一道难题。

1 主要问题

为了探究表计故障原因，我们将所有现场返库的表计进行了全面的质量分析，发现很多所谓的故障主要体现为购电输不进、数据抄收效果不好，通过对其的仔细，发现表的基本功能都是正常的，造成的主要问题都是卡信息和表计信息不一致、密钥未正常下装等问题，都是操作环节的问题居多，占了整个故障表计的80%以上。

2 问题探源

针对上述情况，我们走访了表厂、方案商、系统开发商，深入研究了国网智能电表宣贯技术要求，发现主要根源是：

1）国网智能卡表没有提供检查卡功能，服务人员无法通过检查卡检查用户表计信息;

2）现场无法获取用户卡信息的正确性，只能凭借表计故障代码进行粗浅的判断，对于用户卡只能到营业网点获取卡片信息;

3）无法获取当前用户的客户信息，缺少判断问题的技术依据;

4）载波模块的故障，非专业技术人员很难判断，设备在安装阶段就已经埋下了祸根。

以上这些问题，都是造成服务人员重复工作、效率底细的根本原因，有时为了一个故障表服务人员要反复几次，极大打击了服务人员的积极性，索性不如拆表了事，造成了非故障表计换表的问题频繁出现。

3 解决问题思路

针对以上问题，我们通过与现场服务人员交流，结合以往的工作经验，我们得出的结论是需要研发出一款便携的、移动获取客户信息、现场读取客户电卡信息、实时获取表计信息的设备，就可以很好的解决问题。

首先，便携解决了服务人员可以随身携带的问题，移动获取客户信息提供了分析卡片信息和用户实时数据的手段，其次现场读取用户卡信息，最后再与表计目前的实际信息做比较，这个就构成一套完整的现场分析系统，为服务人员提供一个移动的智能业务辅助解决设备。

针对以上思路，我们对设备的规划如下：

1）提供IC卡读卡接口，读取用户卡信息;

2）通过红外接口获取电表实施运行信息;

3）通过远程网络GPRS，实时获取后台客户运行信息;

4）通过附属模块，检测载波通讯情况。

针对以上情况，我们对各种设备进行了选型，找到了匹配运行要求的设备，研发了相关软件，系统整体设计如下。

4 系统整体介绍

智能电网用电信息采集系统主要由采集主站、集中器、智能电能表、负荷控制终端等组成。将电力公司大量场外的计量设备采用公用网络等方式连接起来，实现数据采集、数据下发等功能，达到用电用户全覆盖、全采集的目标。

图1 智能移动终端现场应用结构图

电力公司计量设备分布广泛，特别是低压用户数量庞大，所以在系统建设过程中，不仅要更换现有电能表，还需要在每个台区新增集中器，在台区变压器处新增配变终端、在大用户用电现场增加负荷控制终端等设备。由此可见这些现场设备的安全稳定运行，成为整个系统成败的关键。

设备的安装和维护都需要工作人员现场进行安装、调试、巡检、消缺等工作，需要实时接入采集主站查看所管理台区设备情况，现场工作后可以快速测试、查看结果。

项目建设过程中，现场工作人员数量庞大，如何保证现场操作能按照标准的作业流程进行也成为采集系统建设的一项重要工作。

基于以上分析，为现场工作人员提供可以接入采集主站的现场作业终端来支持现场作业的便利性和一致性成为在采集系统建设期和运维期的一项重要工作。现场作业终端具有GPRS 连接能力，可以实时连接采集主站，获取和回传现场的相关数据;具有红外、载波、RS232、RS485 等连接能力可以与现场设备交互;具有激光头可以扫描现场设备的资产条码，可以快速定位设备，监督工作人员是否到达作业现场;具有GPS 功能，可以采集集中器等设备的GIS信息。

基于以上分析，现场作业终端在主站系统的网络支持下，按照采集系统的建设阶段实现以下功能：

（1）采集系统建设期

①集中器安装选址

②电表信息采集

③集中器信息建档

④集中器参数设置并建档上传

（2）采集系统调试期

①系统在线调试

②系统离线调试

a.集中器调试

b.智能电表调试

（3）采集系统运行维护期

①集中器消缺

②智能电表消缺

③现场设备巡检

④智能电表参数修改

⑤催费现场停复电

在系统建设期，现场作业终端可以为集中器选址，集中器安装、调试、初始参数设置检查，智能表安装、费控功能调试，台区联调等工作提供标准化作业流程;在系统运行维护期，可以为载波诊断、集中器巡检、终端巡检、智能电表消缺等工作提供支持。

5 系统建设

5.1 网络连接方式

系统由现场作业终端和接入平台两部分构成，两者之间采用GPRS 等方式连接保证工作人员使用作业终端可以实时获取电力公司内部各个系统（如：采集主站、营销系统、售电系统、采集主站等）的实时参数数据，同时上传现场设备的参数信息。

5.1.1 网络协议

现场作业终端和接入平台通常是基于不同操作系统的设备，在他们直接进行网络连接通常采用与系统无关的socket 方式或WebService 方式。

WebService 是一种可以接收从Internet 或者Intranet 上的不同系统中传递过来的请求，基于应用层，是轻量级的独立通讯技术，一般分为httpwebservice ，soap webservice 两种，都是基于http 通信协议，交互xml 格式的数据。Socket （通常称为套接字）是一种以字节流的方式传输数据的网络接口，也是最早出现的一种网络接口，被各个平台广泛的使用。Socket 主要是基于传输层，多用于C/S 通信，且可以使用不同的端口。对比这两种连接方式，WebService 开发快速，接口调用清晰，但传输数据较大;Socket 连接具有更好的灵活性和较高的通讯效率，并且可以将不同的应用绑定到不同端口从而更加清晰地区分不同应用。

对于本系统来说，将采用的GPRS 连接方式理论速度不高，并将采用C/S的开发方式，因此需要灵活性和通讯效率，故建议采用socket 方式进行网络连接

5.1.2 通讯协议

在通讯协议方面，我们建议在现有的376.1 通讯协议上进行适当扩充来满足现场系统的业务需求。首先，工作人员现场作业的对象集中器、电表、各类终端均按照376.1 协议与采集主站进行连接，作业终端沿用该协议可以保持协议的一致性，易于各方理解和开发。经过多年实践应用，协议的安全性、稳定性已经日趋成熟。

对于接入平台来说，可以利用现有的现场终端平台进行业务开发，避免了重复的协议开发，可以集中进行业务逻辑开发。

5.2 现场作业终端与接入平台通讯接口定义

为了完成现场作业终端的相关作业需求，作业终端需要与接入平台之间

定义业务接口。

1）操作员身份操作

操作员登陆规约交互核心参数

2）作业终端与 SIM 卡绑定

3）电表 ESAM 身份认证

本功能用于现场作业终端与采集主站的ESAM 身份认证，现场作业终端对电能表进行任何操作前必须先通过此认证。

①使用现场作业终端向电能表发送读取表号指令。

②能表收到并验证指令后返回表号。

③现场作业终端根据表号组合分散因子，向采集主站发起身份认证，将分散因子发送给采集主站。

④采集主站根据分散因子返回随机数1 和密文1。

⑤现场作业终端收到随机数1 和密文1 后组织身份认证帧向电能表发送。

⑥电能表收到随机数1 和密文1 后，加密随机数1 得到密文2，比较密文1 与密文2进行甄别

4）电表远程控制

本功能是现场作业终端用于对电能表的相应控制，控制功能有：跳闸、合闸、报警、报警解除、保电、保电解除等。

①首先进行ESAM 身份认证，获取随机数2 和ESAM 序列号。

②现场作业终端向采集主站发送随机数2、分散因子、ESAM 序列号、远程控制信息明文。

③采集主站根据收到的信息进行加密并计算出MAC，返回带MAC 的控制信息密文。

④现场作业终端根据收到的带MAC 的控制信息密文组织远程控制帧，发送给电能表。

⑤电能表验证MAC 成功后解密控制信息并执行控制命令。

5）电表充值（扩展功能）

电能表充值功能是在电能表的剩余金额基础上增加充值金额值。为了有效的防止攻击及卡片误操作，要求只有在充值数据帧中的购电次数或用户卡中的购电次数比电能表内的购电次数大1时，才执行充值操作，否则放弃此次充值操作。

①使用现场作业终端从电能表中读取充值次数。

②进行 ESAM 身份认证，获取随机数2 和ESAM 序列号。

③现场作业终端向采集主站发送随机数2、分散因子、充值金额、充值次数、首次充值时附加户号。

④采集主站根据以上信息进行MAC 计算，返回计算出的MAC 和充值指令。

⑤现场作业终端根据带有MAC 的充值指令组织充值帧，发送给电能表。

⑥电能表接收指令验证并充值，然后返回充值结果。

⑦现场作业终端得到结果并反馈给操作员。

6）电表参数更新（扩展功能）

本功能对电能表中参数的修改。

①首先进行ESAM 身份认证，获取随机数2 和ESAM 序列号。

②根据需要更新的内容，现场作业终端根据规定格式组织更新指令和实际参数修改数据的明文。然后向采集主站發送随机数2、分散因子、更新指令、参数明文、ESAM 序列号。

③采集主站根据收到的信息计算MAC 并返回带MAC 的参数更新信息密文。

④现场作业终端根据收到的带MAC 的参数更新信息密文组织参数更新数据帧，发送给电能表。

⑤电能表验证MAC 并解密参数密文，成功后更新指定参数，返回更新结果。

7）电表数据回抄（扩展功能）

本功能用于回抄电能表ESAM 文件中的数据。比如：电能表中剩余的金额、购电次数、客户编号、密钥信息等。

①首先进行ESAM 身份认证，获取随机数2 和ESAM 序列号。

②现场作业终端向电能表发送数据回抄帧，电能表根据数据回抄标识读取文件，采用随机数1 前4 字节和分散因子计算出的过程密钥进行MAC 计算，返回回抄数据明文与MAC。

③现场作业终端向采集主站发送随机数2、分散因子、从电能表中回抄的数据、电能表返回的MAC。

④采集主站根据收到的信息计算MAC 并和现场作业终端发送的MAC 进行校验。返回校验结果。

8）电表费率更新（扩展功能）

本功能对电能表中非费控参数进行修改。

①首先进行ESAM 身份认证，获取随机数2 和ESAM 序列号。

②根据需要更新的内容，现场作业终端根据格式组织更新指令和实际参数修改数据的明文。然后向采集主站发送随机数2、分散因子、更新指令、参数明文。

③采集主站根据收到的信息计算MAC 并返回带MAC 的参数更新信息。

④现场作业终端根据收到的带MAC 的参数更新信息组织参数更新数据帧，发送给电能表。

⑤电能表验证MAC 信息成功后更新指定参数，返回更新结果。

6 系统应用功能设计

6.1 采集系统建设期

6.1.1 集中器安装选址

集中器作为一种载波通信的中央设备，通过电力线汇集该配电变压器下所有终端电表的数据，负责主动与每一终端表进行数据通信，并将数据存储，定时或实时的将数据通过GPRS 传回到用电管理部门的数据服务器中。它起到连接服务器和智能电表的中继作用，是整个采集网络的中心关键点。

安装集中器应该保障安装在GPRS 信号强的地方，保证与主站通讯的可靠性。在安装前可以使用现场作业终端的GPRS 通讯功能在规划安装位置与主站进行通讯测试，保障选址位置信号良好。通过现场作业终端上的GPRS信号强度值显示，判断现场是否适合安装集中器。作业终端上显示的GPRS信号强度值的范围是1 到31 之间，这个值越大表示当前信号越强，信号在12 以上就能认为信号良好，操作人员通过此值选定集中器安装位置。

6.1.2 电表信息采集

给用户安装电表时，现场人员使用现场作业终端查询到需安装电表用户的相关信息，如：户名、地址、户号、所在台区号等。再使用现场作业终端的激光头扫描电表的条码号，或者通过红外获取电表的地址，唯一确定安装到现场的电表，并将此电表与该用户绑定，同时作业终端将自动采集电表安装位置的经纬度信息或最近一次定位信息，最后上传绑定关系及定位信息。

6.1.3 集中器信息采集

安装集中器时，现场人员使用现场作业终端的激光头扫描集中器的条码号，或者通过红外获取集中器的地址，唯一确定安装到现场的集中器，与当前台区绑定，同时现场作业终端将自动采集集中器安装位置的经纬度信息或最近一次定位信息，最后上传绑定关系及定位信息。

6.1.4 集中器参数设置并建档上传

完成一个台区集中器和电表安装后，在采集主站上就已经存在关联关系，现场作业终端通过GPRS 获取此关联关系，通过红外、232 或485 将此关联关系设置到集中器中，使集中器知道下挂的电表地址。

6.2 采集系统调试期

在采集系统调试期对采集设备的调试可以分为两种模式进行。首先，是按照现场工作流程，对采集设备进行统一的调试，主要包含远程抄表和远程控制等内容。如果调试成功，则当前台区设备从调试状态进入正式运行状态。

如果调试不成功，则进如单一设备调试模式，对台区内的集中器、采集器和智能电表分别进行调试，以排除故障。所有设备调试成功后再进行系统统一调试，成功则进行设备状态切换。

6.2.1 系统在线调试（图2）

系统在线调试是为了检测台区内设备是否都能正常在线运行，都能正常运行的话，就表明该台区达到采集系统建设要求，可以从安装调试状态，进入正常工作运行状态。这种调试主要从两个方面进行：抄表和控制。工作流程是：通过现场作业终端向信息采集系统发起一个调试请求，然后信息采集系统通过主站和GPRS 网络向集中器发出调试命令，让集中器根据命令完成调试内容。

图2 智能移动终端现场调试应用

6.2.2 设备离线调试

1）集中器调试（图3）

集中器安装完成之后，工作人员可以使用现场作业终端的红外、232 或485 与集中器进行交互，进行标准化调试。

调试内容有两项：

①抄表，现场作业终端通过红外、232、485 或载波向集中器发送抄表命令，集中器返回抄表结果，如抄到率，未抄到电表的信息等。

②控制，现场作业终端通过红外、232、485 或载波向集中器发送拉闸或合闸命令，集中器随机拣选一定比例（如5%）的电表，执行拉合闸命令，工作人员现场判断拉合闸是否成功，若不成功，确认问题所在，修复后再试，直到成功为止。

2）智能电表调试

6.3 采集系统运行维护期

6.3.1 网络或主站通讯问题

当采集主站发现有集中器出现通讯故障时，管理人员首先确定是否为上行链路问题，此类问题的表现特征是大批量集中器都存在通讯故障。此时需要检查是否是由本地网络设备如路由器、交换机、网卡、防火墙和采集终端等和通信運营商的服务器设备参数设置错误或不完善引起的通信中断、拥塞、通信不稳定等问题。

图3 智能移动终端现场应用结构

6.3.2 集中器常见故障描述

集中器运行过程中，经常遇到的故障主要有以下几类：

①集中器掉电、死机、黑屏、无电源指示表现为集中器不在线，集中器下所有电表召测数据为空。

②通讯死循环表现为集中器不在线，一直处于信号搜索状态。

③集中器通信参数错误指集中器与采集主站通信的参数如主站IP 地址、端口号、网关、代理服务器地址和APN 等设置错误。参数设置错误将使该终端不能通信，故障表现为个别性。

④SIM 卡或UIM 卡故障

指SIM 卡和UIM 卡芯片损坏、IP 地址配置时引起地址重复、超出事先约定范围和APN 错误、通信业务关闭等。芯片损坏、APN 错误、通信业务关闭表现在不能通信，IP 地址重复表现与采集主站通讯时断时通，IP 地址超出规定范围表现集中器可上线，但采集主站可能看不到。

6.3.3 集中器消缺

若是个别性的集中器故障，管理人员通过采集主站生成一项任务，并将任务分派到集中器所在区域的工作人员，工作人员到集中器现场进行故障排查和解决（图4）。

a.工作人员到现场后，使用现场作业终端连接 GPRS，确定是否能连接GPRS。若不能连接，可能是移动运营商链路问题;若能连接，继续执行下一步消缺操作。

b.通过观察集中器状态，查看采集器是否死机。若是死机，则重启集中器后，执行f 流程;若非死机，继续执行下一步消缺操作。

c.查看集中器的 GPRS 信号指示灯，是否处于已连接状态。若GPRS 未连接，则重启集中器，观察是否能正常连接，能正常连接时，执行f流程;若不能正常连接，继续执行下一步消缺操作。

d.若 GPRS 网络无法连接或GPRS 网络可以连接但连接后与不能与采集主站通讯时，通过现场作业终端读取采集器内部网络参数设置，判斷设置是否正确。若不正确通过现场作业终端设置采集器网络参数，执行f 流程;若参数设置正确，继续执行下一步消缺操作。

e.检查 SIM 卡是否损坏，接触是否良好，集中器硬件是否有损坏情况。若存在以上情况，执行g 流程。

f.使用现场作业终端向采集主站发起调试命令，判断集中器是否能正常工作。如果能正常工作，结束消缺流程，向采集主站提交任务完成帧;如果不能正常工作，继续执行下一步消缺操作。

g.若问题已解决，上传任务成功完成结果;若问题还未解决或无法现场解决，则上传任务处理失败结果，并附加情况描述。

6.3.4 智能电表消缺

1）智能电表常见故障描述

智能电表运行过程中，经常遇到的故障主要有以下几类：

①智能电表故障

表现为智能电表死机、无屏显、按键无反应或硬件损坏。

②485 接口故障

485 接口故障指电能表、集中器的485 通讯接口故障，表现为集中器对电表的召测数据为空。

③载波通讯故障

载波通讯故障指载波电能表、集中器间载波通讯故障，表现为集中器对载波电能表的召测数据为空。

2）智能电表消缺

在智能电表运行阶段，由于下行网络异常或者智能电表本身发生故障时，管理人员通过采集主站生成一项任务，并将任务分派到电表所在区域的工作人员，工作人员到用户现场进行消缺工作。工作人员通过现场作业终端进行智能表消缺操作，检测故障所在，并排除故障。消缺操作流程如下：

a.使用现场作业终端读取智能电表有功总数据，确认是否能正确返回数据。若有数据返回，执行下一项消缺操作;若不能返回，则是电能表故障。

b.使用现场作业终端向集中器发送指令，读取故障智能电表有功总数据，确认是否能正确返回数据。若有数据返回，执行下一项消缺操作;若不能返回，则是集中器与电能表数据通讯故障，执行c 操作。

c.b 操作不能返回电能表数据时，根据集中器和电表之间的通讯方式，决定使用下面的测试方法：①如果使用载波通讯，则在集中器端的220V 电线上挂接载波操控器，并连接现场作业终端，使用现场作业终端读取电表有功总数据，确认是否能正确返回数据，若正确返回说明集中器端载波故障;不能正确返回说明电表端载波故障。②如果使用485 通讯，请检查485 线连接是否正常，是否存在断路。

智能电表消缺的派工单帧及最后上传工作结果帧见“6.3.3 集中器消缺”内容。

6.3.5 现场设备巡检

采集系统的安全稳定运行依赖于分布在各个台区和广大用户现场的计量设备和通讯设备，如何对相关设备进行定期的巡视、检测、现场校验等相关工作，是采集系统在运行维护期的一项重要工作。

采用现场作业终端进行相关工作，单个现场工作人员发现的问题和相关解决方案都可以快速的变为所有工作人员的标准化作业流程有助于整体解决相关问题。

工作人员携带现场作业终端，记录设备目前的状态信息，不同的设备有不同的巡检项，如集中器，需要检查状态指示灯是否正常，集中器中的档案信息是否与采集主站中保存的数据一致，集中器是否能抄电表数据等。

6.3.6 智能电表参数修改（扩展功能）

在电力公司进行调价或者对特殊情况用户进行特殊费率政策时，如用户采用的是本地费控表则可以使用现场作业终端对相关表计进行设置。按照645‐2007 规约的国家电网备案文件，可以设置以下相关参数。

6.3.7 催费现场停复电（拉合闸功能）

在实行后付费的区域，工作人员可以使用作业终端查询用户的用电情况和电费补交情况，并根据系统指示，对用户电表进行拉合闸等相关费控操作。

7 应用方案总结

智能移动终端投入使用后，分配到安装现场、故障维修班组后，在表计安装环节解决了集中器定位，现场预付费表计安装、快速信息采集的问题，特别是在现场维修环节，减轻了维护人员劳动负荷，加快了问题的处理速度，得到了现场维护人员的一直肯定。

通过智能移动终端的应用，表计的现场拆换率明显下降，客户投诉比率下降，一次维修率得到很大提升。下一步我们将在信息集成方面做进一步的研究，研发结合RFID技术在电表现场检测、技术指标提取上的应用。

[责任编辑：张涛]