用电采集系统费控效率研究与优化

摘要：针对用电信息采集系统费控命令执行效率低，执行结果成功率低的问题，我们对费控流程进行分段剖析，并针对GPRS/CDMA通道和载波通信延迟以及载波通信失败的问题提出优化方案。第一是主站与采集设备之间的通讯协议采用“边发边收”模式代替原有的“一问一答”模式；第二是采集设备缓存采集主站的费控命令；第三是采集设备针对通道超时问题进行命令重发。从理论分析和实验验证结果看，这三点优化方案对采集系统费控执行效果有较大的提升。费控命令执行平均花费时间由61.7s减少到33.2s，执行成功率由94%提高到100%。在实际应用中，费控命令的下发效率由10000台/小时提升到3000台/小时，日执行成功率也由78%提升到86%。费控命令执行效率和执行成功率的提高使得用电采集系统电表停复电业务获得了更好的用户体验。[A1]

关键词：费控；用电信息采集；一问一答；边发边收；

1. 引言

随着国家电网公司用电信息采集系统建设的逐步推进，各网省公司接入的电力用户数越来越多，在保证用户数据实时采集的同时，用户实时停上电、电费催缴、费率时段下发以及费率修改等费控功能也越来越受到各网省公司的重视[1]，现场应用也得到越来越广泛的推广。

在用电信息系统用户停上电、电费催缴等费控功能的实际应用[2-3]中我们发现，单块电表的一次费控任务涉及采集系统主站、主站加密设备、采集设备（集中器/负控终端等）、采集器和智能电表。流经主站服务器之间的网络、光纤通道，主站与采集设备之间的GPRS/CDMA通道（多数），采集设备与采集器之间的载波通道和采集器与智能表之间的485通道或者直接是采集设备与智能表之间的载波通道。涉及的物理设备繁多，流程复杂，耗时较长，而且成功率难以达到100%。其主要原因有二：其一是主站于用电信息采集设备之间的通道延迟较高；其二是用电采集设备与计量设备之间的物理通道延迟与通信失败率较高。以上提到的两问题，第一个问题由于目前采集系统中的主流通道介质为GPRS/CDMA通信方式[2-4]，其带宽限制与当前通信供应商的通信网建设程度和购买费用相关，短时间内难以改变。第二个问题由于目前采集设备与计量设备之间的主流通信方式采用电力载波[5]Power Line Carrier(PLC)，而电力载波通道干扰较大，通信速率低[5-6]，一次通信成功率难以达到100%。

另外，根据国网公司对采集系统通信安全性的要求[7-9]，在费控流程中增加了报文加解密方案，在每次费控流程中，首先需要进行身份认证操作，然后才能进行电能表停上电、费率时段下发等功能。在提高通信安全性的同时，进一步增加了通信耗时，降低了单次通信成功率。

2. 费控流程介绍

在用电信息采集系统中，智能表的费控功能[9]主要包括电能表停上电功能、催费告警、费率时段下发以及费率修改等功能。费控任务的其主要区别在于报文协议定义的功能不同，在通信流程上均经过采集主站与加解密设备之间的交互，主站与采集设备之间的通道报文传输，采集设备与计量设备通道转发以及计量设备与加解密设备之间的交互四个步骤，如图1所示。以当前采集系统应用频繁的智能电能表停上电功能为例，从主站发起一次电能表上电功能需要首先进行身份认证，流经步骤1-8-2-3-4-5-6-7。如果身份认证通过，则进行电能表合闸操作，流经步骤1-8-2-3-4-5-6-7。需要经过两次循环才能完成一次电能表拉合闸操作。而对于更为复杂的费率设置功能操作，以当前常用的4费率为例，从主站发起一次费率设置操作，首先需要进行身份认证，然后下发费率数、下发第一套费率1，费率2，费率3，费率4，再下发第二套费率1，2，3，4，最后下发两套费率切换时间。经过如上所述步骤才能完成一次费率设置操作。即需要经过10次1-8-2-3-4-5-6-7操作才能完成一次电能表费率设置操作。

图1.费控流程

3. 存在问题及优化方案

根据国网集中式部署规范要求，用电采集系统主站系统物理架构[9]如图2所示。其中采集主站与加/解密服务器之间采用100M/1000M线缆连接，采集服务器部署在单个局域网内，现场绝大部分采集终端设备经GPRS/CDMA无线通道通过防火墙接入采集系统主站内网。采集终端设备（集中器/专变）与智能表之间通过电力载波通道（PLC）直连或者经过采集器设备中继相连。即采集设备终端与采集器之间采用电力载波直连，而采集器与智能表之间通过485通信线缆连接。采用这两种方式接入采集终端设备的智能表均需要经过载波通道。另外，智能表所使用的加/解密服务[10]使用内部的ESAM芯片，当其接收到采集主站下发的密文后，由内部的ESAM芯片进行加/解密服务。

从如上讨论分析，采集主站与加/解密服务器之间的通道延迟应该不高，同样的智能表与加/解密服务之间的延迟也应该很低。因此，采集系统费控任务的主要延迟应该集中在GPRS/CDMA通信延迟与载波通信延迟这两个方面。考虑到费控任务相比较其他数据采集任务，其失败率更高，我们推测费控任务失败的情况主要发生在载波通信3，6段。

通过对采集系统的监测，我们发现在图1费控流程中，步骤1，8，4，5操作时间均在1ms之内完成，可以确信主要延迟体现在步骤2，7和步骤3，6。而报文监测上也表明，费控任务失败时，采集设备（集中器/负控终端）多美元接收到智能表上送的报文。因此，我们定位费控任务延迟高和失败率高的问题主要有两点：一是GPRS/CDMA通信延迟较高，二是电力载波通信失败率较高。下面我们对这两个问题进行分别讨论。

图2. 用电采集系统主站系统物理架构

3.1 GRRS/CDMA通信延迟较高

GPRS/CDMA通信技术作为一种新型分组数据传输技术，在配用电领域得到越来越广泛的应用[11-12]。目前用电采集系统中采用GPRS/CDMA通道作为通信方式的用电数据采集终端约占总量的85%以上。在实际应用中，GPRS/CDMA通道的延迟较高，从主站下发采集命令到接收到采集设备返回的数据延迟时间在几秒到几十秒之间。根据国网营销部发布的通信协议[9]Q/GDW 376.1-2012规定：主站与采集设备之间的通信协议采用一问一答方式，在前一次通信服务结束后，才能开始新一次请求帧传输，这使得每次数据传输，主站等待延迟可达几十秒。

3.2 电力载波通信延迟及失败率较高

电力载波通信PLC作为一种造价低廉，应用方便的通讯方式在用电采集系统中得到广泛应用，目前采用的绝大部分智能表采用PLC通信方式（三相表除外）。但由于我国低压电力网络信道特性复杂，通信环境恶劣[13]，在用电采集实际应用中，不能保证100%的通信成功率。实现模型中，我们选取三家厂商的载波模块为样品，统计现场载波模块一次抄读中的执行情况，如表1所示。

	统计表数	成功表数	成功率
厂商1	245	212	86.5%
厂商2	230	214	93.04%
厂商3	244	219	89.75%

表1. 电力载波通信统计

3.3 优化方案

针对以上两个问题，我们提出了两点软件优化方案，其一是在GPRS/CDMA通道下发采集任务时，原有采用“一问一答”模式的任务流程（如图3）修改为“边发边收”模式（如图4）。从图3、4中可见，“一问一答”模式即当主站下发一条命令后，在采集终端返回命令结果前，主站不能下发下一条命令，采集主站只有在接收到采集终端的命令后或者返回命令等待超时后才可以下发下一条命令。而“边发边收”模式则取消了“一问一答”模式的这一限制，当采集主站有新的命令等待下发时，直接下发到采集终端，不用等待采集终端返回上一条或者上几条命令返回。其二是在采集设备端缓存主站下发的命令报文，按顺序依次下发到智能电表。这包括两部分内容：一是采集设备缓存主站费控命令报文帧，二是载波通讯故障时重发报文。

3.3.1 通讯协议及“边发边收”模式优化

图3. 修改前费控任务执行流程

“边发边收”模式的主要思想是不再等待采集终端返回数据报文后再下发后续报文，而是从终端等待下发报文队列中，每间隔33ms后依次取出队列头采集数据帧，依次向采集终端设备下发。同时缓存采集设备上送的上行报文队列，根据报文帧序号对应下行报文进行解析。采用这种思想创建的软件架构能够实现对同一个终端下的多块电表进行费控操作时，多块电表可以实现“并行”处理，如图4所示。

图4. 费控“批处理”任务执行流程

从图4可见，采集主站下发身份认证和费控命令后，采集设备并未返回身份认证报文帧，而是直接返回了费控命令执行结果。其原因是采集主站同步下发了身份认证和费控命令后，要求采集设备具备一定的报文组装能力，即根据采集主站下发的身份认证密文信息和费控密文自行组装DLT/645协议费控报文下发命令。采集主站下发给采集设备的信息内容包括如下几个内容，如表2所示。

内容	字节长度
表地址	5
表号	6
费控任务类型	1
费控任务密文	32

表2. 批量下发费控任务组装内容

在表2中，表地址和表号均可从营销系统档案信息中获取，其中，表地址为DLT/645电表通信协议的通信地址，表号作为分散因子用于参与费控加密运算。费控任务类型表示当前费控任务的类型（0电表对时任务；1费控电价调整任务；2阶梯电价调整任务；3电表停复电任务；4-255保留）。费控任务密文为经过加密机设备运算后的加密报文，保证费控命令信道传输中的安全性。电表在接收到费控任务密文后通过ESAM模块解密后可获得任务明文数据。

3.3.2 报文缓存及载波超时重发模式优化

采集设备在接收到采集主站的批量费控命令帧后，根据表号生成身份认证密文，依次向智能表进行身份认证，认证通过后根据费控任务密文组装报文下发智能表[9]。由于身份认证时效性问题，主站不对身份认证时效性进行确定，由采集设备在组装身份认证报文时确定。

载波通信故障重发机制是对于报文下发不下去或者报文下发后没有接收到应答报文，采集终端在超时周期后重发3次。这样可以消除采集主站与采集设备之间的通讯延迟。排除了采集主站到采集终端的通讯延迟后，可以极大的减少一次费控通讯等待时间。同时，实验表明重发机制也极大的提高了一次费控成功率。

4. 实验验证及应用

实验室环境下（存在信道干扰），我们选取了20只不同厂家的智能电表（载波模块采用不同的厂家）进行费控拉闸测试，按照优化前和优化后的软件方案分别进行三次测试。

	花费时间	拉闸结果
电表1	67s	成功
电表2	56s	成功
电表3	59s	成功
电表4	72s	成功
电表5	63s	成功
电表6	43s	成功
电表7	45s	成功
电表8	92s	失败
电表9	58s	成功
电表10	53s	成功
电表11	55s	成功
电表12	48s	成功
电表13	102s	失败
电表14	55s	成功
电表15	58s	成功
电表16	44s	成功
电表17	51s	成功
电表18	100s	失败
电表19	54s	成功
电表20	52s	成功
拉闸成功率	94%
成功平均花费	61.7s

表3. 未采用终端报文缓存及载波超时重发机制前

测试结果如表3（优化前）和表4（优化后）所示。其中，优化前失败的3块电表均是由于载波超时问题导致的。对比两张表可以看出费控拉闸测试优化后的方案平均花费时间减少了近一半的时间，同时费控拉闸的成功率达到100%。

总计花费时间	664s
拉闸成功表数	20
拉闸成功率	100%
成功平均花费	33.2s

表4. 采用终端报文缓存及载波超时重发机制后

为了检验优化方案在实际应用中的执行效果，我们在某网省公司优化了主站费控命令执行方案，将费控命令“一问一答”下发方式修改为“边发边收”方式。统计结果表明，用电采集系统费控命令的下发效率由原有的10000台/小时提升到3000台/小时。同时，每日费控命令的执行成功率也由78%提升到86%。费控命令执行效率和执行成功率的提高使得用电采集系统电表停复电业务获得了更好的用户体验。但由于现场采集设备软件优化方案还没有得到推广，采集设备优化方案未得到实施。

5. 总结

用电采集主站系统与采集设备之间的通信协议采用“边发边收”的模式相比较“一问一答”的方式，在网省批量下发费控任务时，可以极大的减少由于GPRS/CDMA通道延迟增加的平均费控时间。采集设备缓存采集主站下发的费控命令，逐条下发给智能表的功能可以消除由于主站重发报文到采集设备的时间。采集设备在等待设定的载波通道超时时间后的重发机制可以降低由于载波通讯失败造成的费控命令执行失败率。经过理论分析和现场观察，并经实验验证，以上提到的修改方案可以较大提高用电采集系统费控的执行效率和成功率，为国网网省公司全网内“全费控”的实施提供更好的平台支持。

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