考慮費(fèi)控電能表信息安全交互的IPTP時鐘同步技術(shù)*

潘俊濤，郭小璇，陳俊，唐志濤

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，南寧 530023)

0 引 言

為了發(fā)揮價格杠桿作用，鼓勵用戶調(diào)整用電負(fù)荷，實現(xiàn)移峰填谷，緩解用電緊張局面，分時電價逐步在發(fā)電、輸電，以及配電環(huán)節(jié)啟動推廣[1]。由于分時電價是采取時間段之間的價格差來激勵和引導(dǎo)用戶的用電行為，電能表時鐘的準(zhǔn)確性出現(xiàn)偏差，將導(dǎo)致計費(fèi)電價與實際電價不匹配，費(fèi)控電能表誤計時間區(qū)間等問題，嚴(yán)重影響著供需雙方交易的公平公正性。開展分時電價計費(fèi)下費(fèi)控電能表時間同步技術(shù)研究，保證外裝表計時鐘的準(zhǔn)確性，是解決上述問題的有效方法和手段。

目前，電力企業(yè)制定的相關(guān)計量時鐘管理措施有部署時鐘源、制定技術(shù)規(guī)范、定期監(jiān)督檢查、加強(qiáng)入網(wǎng)檢測等。部署時鐘源是通過組織制定計量時鐘管理相關(guān)制度，明確人員、設(shè)備的日常管理。制定技術(shù)規(guī)范是通過組織制定計量自動化系統(tǒng)和計量檢定(檢測)標(biāo)準(zhǔn)裝置時鐘管理功能技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)技術(shù)管理。定期監(jiān)督檢查，開展計量時鐘運(yùn)行管理監(jiān)督檢查和統(tǒng)計分析，評價考核各單位時鐘管理各環(huán)節(jié)工作質(zhì)量。電力企業(yè)開展的費(fèi)控電能表入網(wǎng)檢測工作，增加了對費(fèi)控電能表時鐘電池、時鐘硬件的重點檢測，杜絕采用不滿足使用要求或者降低配置時鐘電池的費(fèi)控電能表入網(wǎng)；對發(fā)現(xiàn)存在批量質(zhì)量隱患時立即處置，對時鐘隱患制定改進(jìn)措施，杜絕同類問題的蔓延或再次發(fā)生[2-6]。

現(xiàn)有的費(fèi)控電能表時鐘校準(zhǔn)技術(shù)一般有兩種，一是在費(fèi)控電能表檢定裝置上加裝部署相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時鐘硬件[7-9]，另一種是采用基于GPS的局域網(wǎng)時間同步方案[10]。在費(fèi)控電能表檢定裝置上加裝部署相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時鐘硬件，是通過外置時鐘芯片讀取時間數(shù)據(jù)，對芯片的可靠性要求較高，并且無法改造不具備標(biāo)準(zhǔn)時鐘硬件的電能檢定裝置。GPS的局域網(wǎng)時間同步方案，不需要進(jìn)行硬件改造，而是采用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)，在電力企業(yè)自建的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中通過配置相應(yīng)的企業(yè)時間服務(wù)器獲取GPS時鐘源相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)授時，建設(shè)投資成本高。

提出一種考慮費(fèi)控電能表信息安全交互模式的IPTP(improved PTP, IPTP)時鐘同步機(jī)制，通過分析費(fèi)控電能表時鐘不一致的原因，給出“主站-計量終端-電能表”和“主站-電能表”兩種時間同步方案；在此基礎(chǔ)上，考慮費(fèi)控電能表信息安全交互模式，構(gòu)建兩種費(fèi)控電能表IPTP時鐘同步機(jī)制；最后，利用兩種IPTP時鐘同步機(jī)制分析費(fèi)控時鐘調(diào)整效果，并與傳統(tǒng)對時模式相比。所提兩種方法具備較好的互補(bǔ)特性，結(jié)合使用能較好地實現(xiàn)費(fèi)控電能表的時鐘同步，而且對時效率和準(zhǔn)確率高，具備廣闊的應(yīng)用前景。

1 分時電價下費(fèi)控電能表時鐘誤差分析

根據(jù)開展的費(fèi)控電能表實驗及現(xiàn)場檢驗工作時發(fā)現(xiàn)，新到貨或運(yùn)行中的電能表有少數(shù)存在時鐘不準(zhǔn)的問題，主要原因有四點：一是電能表出廠時廠家未對其進(jìn)行時間校準(zhǔn)，導(dǎo)致表計時鐘不準(zhǔn)；二是現(xiàn)場安裝的表計由于運(yùn)行時間較長，其內(nèi)部電池長時間的充放電導(dǎo)致出現(xiàn)鈍化或失效現(xiàn)象，因此保存電能表時鐘數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤；三是電能表長期使用過程中由于外界環(huán)境干擾或自身問題，其內(nèi)部時鐘晶振發(fā)生故障，導(dǎo)致時鐘不準(zhǔn)；四是通過計量自動化系統(tǒng)進(jìn)行對時方式，由于主站與采集終端的通信出現(xiàn)延時或者采集終端自身的故障，導(dǎo)致對時出現(xiàn)錯誤。

在分時電價條件下，電能表時鐘出現(xiàn)偏差，就會嚴(yán)重影響供需雙方交易的公平公正性，例如在分時電價條件下，在8:00～9:00區(qū)間電價是0.6 元/千瓦時，在9:00～10:00區(qū)間電價是0.8 元/千瓦時，若費(fèi)控電能表時鐘比正常標(biāo)準(zhǔn)時鐘偏慢10 分鐘，即9:00～9:10這段時間的本應(yīng)按0.8 元/千瓦時計費(fèi)的電量被誤計成0.6元/千瓦時，導(dǎo)致電網(wǎng)公司電費(fèi)流失；同理若費(fèi)控電能表時鐘比正常標(biāo)準(zhǔn)時鐘偏快10 分鐘，即8:50～9:00這段時間的本應(yīng)按0.6 元/千瓦時計費(fèi)的電量被誤計成0.8 元/千瓦時，最終導(dǎo)致電力用戶多付電費(fèi)。

電能表時鐘偏差除了導(dǎo)致計費(fèi)電價與實際電價不匹配問題，另外還存在量的問題，即電能表誤計時間區(qū)間。若該電力用戶恰好處于用電高峰期，則無形中加大了供需雙方誤計電費(fèi)的數(shù)量。若是高價低計，則意味著供電企業(yè)少收了電費(fèi)，導(dǎo)致電費(fèi)回收流失，最終影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。若是低價高計，即意味著向電力用戶多收了電費(fèi)，這就影響了供電企業(yè)公平公正，合理合法、誠信經(jīng)營的良好形象，嚴(yán)重的還可能被用戶投訴，甚至引起法律糾紛，最終在社會上造惡劣影響。因此，在開展分時電價計費(fèi)時，電能表時鐘偏差問題是一個亟需采取有效措施加以解決的迫切問題。

2 計量自動化系統(tǒng)時間同步方法

計量自動化系統(tǒng)是電力企業(yè)為實現(xiàn)自身有序用電、遠(yuǎn)程抄表、負(fù)荷控制、電費(fèi)結(jié)算市場管理等業(yè)務(wù)，所建設(shè)開發(fā)的一套集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、分析和計量管理于一體的計量信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件上主要由各類信息化設(shè)備以及計量類設(shè)備組成，其中計量類設(shè)備包括各類計量終端(如負(fù)控、配變、集中器等)和電能表。為保證上述硬件設(shè)備的時間同步性，計量自動化系統(tǒng)中會配備相應(yīng)時間同步系統(tǒng)以保證設(shè)備在時間上的同步。利用計量自動化系統(tǒng)中的時間同步系統(tǒng)，接收外部時間基準(zhǔn)信號，并按照要求的時間準(zhǔn)確度向外輸出時間同步信號和時間信息的方式，能很好的解決人工手動傳統(tǒng)對時模式耗費(fèi)人力大，工作效率低下等問題。

2.1 時間同步系統(tǒng)組成

計量自動化時間同步系統(tǒng)有多種組成方式，文中提出的計量自動化時間同步系統(tǒng)基于某電力公司計量自動化系統(tǒng)硬件組成，采用主從式結(jié)構(gòu)，即由一臺主時鐘和多臺從時鐘組成，其中主時鐘為計量自動化系統(tǒng)主站的時鐘，通過定時與GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時鐘源進(jìn)行同步修正，以保證主時鐘的實時準(zhǔn)確性；從時鐘為各類終端或費(fèi)控電能表的時鐘。為保證系統(tǒng)內(nèi)時鐘同步能覆蓋到所有的時鐘設(shè)備，文中提出兩種互補(bǔ)的電力計量自動化時間同步系統(tǒng)模式，即“主站-計量終端-電能表”逐級時間同步模式和“主站-電能表”點對點時間同步模式，如圖1、圖2所示。

圖1 “主站-計量終端-電能表”逐級時間同步模式

圖2 “主站-電能表”點對點時間同步模式

2.2 “主站-計量終端-電能表”同步工作流程

如圖1所示，電力計量自動化時間同步系統(tǒng)分為“主站-計量終端-電能表”三層結(jié)構(gòu)，其工作流程為：首先主站的主時鐘每天按固定時間與GPS時鐘源進(jìn)行時鐘同步，以保證整個系統(tǒng)主時鐘的準(zhǔn)確性；然后每天規(guī)定6：00和18：00計量主站通過廣播對時的方式自動對現(xiàn)場各類計量終端執(zhí)行對時任務(wù)；若由于通信或其他原因?qū)е聦r未成功，則主站管理人員可通過手動操作，對單個或多個終端直接下發(fā)對時命令。當(dāng)從時鐘層即計量終端層完成與主時鐘的對時后，計量終端在每天任意時間可通過下行信道(如RS485、寬帶/窄帶載波、微功率無線)對系統(tǒng)內(nèi)小于或等于5 分鐘時鐘誤差的電能表進(jìn)行廣播對時，保證電能表的時鐘準(zhǔn)確度在± 0.5 s/d以內(nèi)；通過上述方式，實現(xiàn)對電力計量自動化時間同步系統(tǒng)內(nèi)包括主站、終端、末端表計全部硬件的對時任務(wù)，保證整個系統(tǒng)時間的準(zhǔn)確性。

2.3 “主站-電能表”同步工作流程

如圖2所示，點對點時間同步模式采用“主站-電能表”兩層結(jié)構(gòu)，其工作流程為：當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)時鐘誤差大于5 分鐘的電能表無法通過計量終端廣播對時，主站管理人員可通過手動操作，直接下發(fā)對時指令，此時計量終端作為一個中繼器，在接收到主站對表的對時命令幀后不進(jìn)行任何處理，直接通過下行信道(如RS485、寬帶/窄帶載波、微功率無線)轉(zhuǎn)發(fā)給電能表，電能表收到主站的對時命令后執(zhí)行相關(guān)的對時操作。本模式面向?qū)ο笾饕钱?dāng)前用戶大量使用的帶硬加密芯片的新型費(fèi)控電能表。普通采用軟加密方式電能表若出現(xiàn)時鐘不準(zhǔn)需進(jìn)行重新對時，必須通過人工到現(xiàn)場拆除鉛封打開表蓋并按下編程鍵后，才能實施時鐘修改。與之相比，費(fèi)控電能表自帶硬加密芯片，并取消了編程鍵，其時間修改方式是通過下達(dá)經(jīng)加密的對時指令來完成，這就為實施計量自動化系統(tǒng)遠(yuǎn)程時間同步提供了可能。基于此，通過對傳統(tǒng)PTP協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種考慮費(fèi)控電能表信息安全交互模式的IPTP時鐘同步機(jī)制。

3 費(fèi)控電能表IPTP時間同步機(jī)制

3.1 費(fèi)控電能表信息安全交互流程

費(fèi)控電能表的信息安全主要通過其內(nèi)部嵌入的安全模塊(ESAM芯片)得以實現(xiàn)，安全模塊的主要作用是實現(xiàn)對電能表信息的安全存儲，并以一定的加密算法對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加/解密及雙向身份認(rèn)證等。如2.3所述的“主站-電能表”兩層結(jié)構(gòu)的時間同步模式下，主站和電能表的時鐘同步命令交互流程如圖3所示。首先主站會向電能表發(fā)送身份認(rèn)證命令，雙方身份認(rèn)證成功后電能表返回主站隨機(jī)數(shù)等相關(guān)信息，主站發(fā)送參數(shù)修改(時鐘同步)命令，電能表會根據(jù)命令中所攜帶的參數(shù)信息明文/密文和MAC值，判斷并執(zhí)行相關(guān)的時間修改操作，并返回參數(shù)更新結(jié)果給主站。

3.2 IPTP時鐘同步機(jī)制

3.2.1 PTP的時間同步機(jī)制

PTP(Precision Time Prococl, PTP)時鐘同步的機(jī)制是基于延時請求和響應(yīng)原理實現(xiàn)的，具體分為偏移測量和延遲測量兩個階段[11]。PTP時鐘同步機(jī)制的同步過程如圖4所示。

圖3 費(fèi)控電能表信息安全交互流程

圖4 PTP時鐘同步機(jī)制的同步過程

假設(shè)偏移測量階段與延遲測量階段的網(wǎng)絡(luò)延時相等，則PTP報文傳輸?shù)钠骄訒r為：

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

(1)

從時鐘與主時鐘的時間誤差為：

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

(2)

式中T1表示同步報文的真實發(fā)出時間，T2為從時鐘接到同步報文后的接收時間；T3表示從時鐘收到同步報文后，在T3時刻向主時鐘發(fā)送延遲請求報文，T4為主時鐘接收延時請求報文的時間。

3.2.2 IPTP時間同步機(jī)制

圖5為網(wǎng)絡(luò)及中繼延時計算示意圖。在進(jìn)行電能表時鐘同步前，首先需要對網(wǎng)絡(luò)及中繼延時進(jìn)行計算。根據(jù)3.1費(fèi)控電能表信息安全交互流程可知，主站和電能表進(jìn)行參數(shù)修改(時鐘同步)前，需要先進(jìn)行身份認(rèn)證，因此計算網(wǎng)絡(luò)及中繼延時可通過計算身份認(rèn)證過程的網(wǎng)絡(luò)及中繼延時，得出時間同步過程中的網(wǎng)絡(luò)及中繼延時。首先從主站發(fā)出一個帶時間標(biāo)簽T1的報文至計量終端，終端接收并記錄時間為T2，終端在T3時刻將報文中繼轉(zhuǎn)發(fā)至電能表，電能表接收報文后記錄此時的時間為T4，電能表完成認(rèn)證后在T5時刻返回主站隨機(jī)數(shù)等相關(guān)信息，終端在T6時刻接收到這些信息，并在T7時刻將信息轉(zhuǎn)發(fā)至主站，主站在接收報文后記錄此時的時間為T8。根據(jù)上述時間標(biāo)簽T1～T8，可以計算出主站至電能表的網(wǎng)絡(luò)及中繼延時為ΔT=((T8-T5)+(T4-T1)-(T7-T6)-(T3-T2))/2，其中T7-T6和T3-T2為中繼時延。

圖5 網(wǎng)絡(luò)及中繼延時計算示意圖

然后主站在T9時刻向電能表發(fā)送時間對時命令報文時，附上此時的時間標(biāo)簽T9，電能表在T12時刻接收到主站的對時命令報文時，需要首先進(jìn)行兩個步驟：(1)判斷網(wǎng)絡(luò)及中繼延時值ΔT，若ΔT大于5 s，則說明網(wǎng)絡(luò)信道或中繼出現(xiàn)問題，電能表通過應(yīng)答報文回復(fù)主站，對時失敗；(2)判斷T4-T1和T12-T9是否相等，如果兩者不相等，則說明此時主站和電能表通訊的網(wǎng)絡(luò)信道或中繼時延處于不穩(wěn)定狀態(tài)，電能表給主站發(fā)送對時失敗應(yīng)答報文，并通知主站繼續(xù)重復(fù)以上對時步驟，若連續(xù)重復(fù)5次兩者均不相等，電能表給主站發(fā)送取消本次對時報文，對時失敗；若上述兩個步驟均滿足要求，說明網(wǎng)絡(luò)信道及中繼處于正常狀態(tài)，電能表執(zhí)行對時命令報文，將自身的時鐘調(diào)整為T9+ΔT，并返回應(yīng)答報文告知主站對時成功。

3.2.3 IPTP時間同步機(jī)制實現(xiàn)思路

提出的IPTP的實現(xiàn)思路如圖6所示，概況為以下幾步：

第一步，計算網(wǎng)絡(luò)及中繼延時時間ΔT；

第二步，主站向電能表發(fā)送時間對時命令；

第三步，電能表接收到主站的對時命令報文時判斷時鐘對時情況。當(dāng)ΔT>5 s時，說明網(wǎng)絡(luò)信道或中繼出現(xiàn)問題，電能表通過報文回復(fù)主站對時失敗；當(dāng)T4-T1≠T12-T9，電能表通知主站重復(fù)第一至第三步對時5次，若仍不相等則對時失敗；當(dāng)ΔT<5 s且T4-T1=T12-T9，對時成功，電能表時鐘調(diào)整為T9+ΔT。

圖6 IPTP的實現(xiàn)思路

4 工程試驗及應(yīng)用效果分析

在實驗室模擬現(xiàn)場環(huán)境搭建了相應(yīng)的測試平臺驗證文中方法。圖7是模擬測試平臺示意圖，計量主站通過與GPS連接獲取標(biāo)準(zhǔn)時鐘，計量終端通過GPRS/CDMA與主站相連，計量終端下行通過載波與費(fèi)控電能表連接。實驗中分別選取5塊時鐘誤差在5分鐘以內(nèi)以及5塊大于5分鐘的電能表。表1、表2是試驗結(jié)果。

圖7 模擬測試平臺示意圖

費(fèi)控電能表數(shù)量第一次逐級同步后時鐘準(zhǔn)確表數(shù)量第二次逐級同步后時鐘準(zhǔn)確表數(shù)量第三次通過點對點同步后時鐘準(zhǔn)確表數(shù)量第四次通過點對點同步后時鐘準(zhǔn)確表數(shù)量1055910

表2 費(fèi)控電能表時鐘誤差對比結(jié)果

如表1所示，首先采用“主站-計量終端-電能表”逐級時鐘同步模式對表計進(jìn)行對時，通過主站手動對終端下達(dá)廣播對時命令，終端完成對時，接著終端按照預(yù)先設(shè)置好的時間對10塊費(fèi)控電能表下發(fā)廣播對時命令，實驗發(fā)現(xiàn)時鐘誤差在5分鐘以內(nèi)的5塊表在第一次同步后均對時成功，按同樣方法進(jìn)行第二次逐級同步后，時鐘誤差大于5分鐘表均未能完成對時；然后采取 “主站-電能表”點對點時鐘同步模式進(jìn)行對時，通過主站兩次手動對表計下達(dá)對時命令，10塊表計均完成時鐘同步，對時成功，實驗表明文中提出兩種互補(bǔ)的時鐘同步模式在實際工程應(yīng)用中具備較好的可行性和有效性。

表2為采用傳統(tǒng)鐘同步機(jī)制和基于文中提出的基于IPTP法的時鐘同步機(jī)制的時鐘誤差對比，經(jīng)測算兩種方法均能滿足時鐘誤差在 1 s 之內(nèi)的指標(biāo)要求。但是使用文中提出的時鐘同步機(jī)制電能表時鐘其與GPS標(biāo)準(zhǔn)時鐘平均偏差值為0.13 s。較傳統(tǒng)時鐘同步機(jī)制的平均偏差值0.22 s更小，而且偏差的離散區(qū)間也更小，實驗表明文中所提方法具有更高的時鐘同步準(zhǔn)確率。

將所提方法推廣至廣西電網(wǎng)某縣公司一個臺區(qū)，通過應(yīng)用“主站-計量終端-電能表”以及“主站-電能表”兩種互補(bǔ)的時間同步模式，僅需4次即可完成全臺區(qū)費(fèi)控電能表對時。此外，IPTP時間同步平均偏差值為0.16 s，較傳統(tǒng)的PTP時間同步機(jī)制0.25 s更為準(zhǔn)確。工程應(yīng)用效果表明，所提方法的可行性及準(zhǔn)確性遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的PTP時間同步機(jī)制。

5 結(jié)束語

提出一種考慮費(fèi)控電能表信息安全交互模式的IPTP(improved PTP, IPTP)時鐘同步機(jī)制，通過分析費(fèi)控電能表時鐘不一致的原因，給出“主站-計量終端-電能表”和“主站-電能表”兩種時間同步方案；在此基礎(chǔ)上，考慮費(fèi)控電能表信息安全交互模式，構(gòu)建兩種費(fèi)控電能表IPTP時鐘同步機(jī)制；最后，利用兩種IPTP時鐘同步機(jī)制分析費(fèi)控時鐘調(diào)整效果，并與傳統(tǒng)對時模式相比。

所提兩種方法具備互補(bǔ)特性，結(jié)合使用能較好地實現(xiàn)費(fèi)控電能表的時鐘同步，而且對時效率和準(zhǔn)確率高，具備廣闊的應(yīng)用前景。