GPRS電力遠程自動抄表系統
解決方案
GPRS遠程自動抄表系統解決方案
隨著工業自動化的發展，在原有的人工手動抄表中已經發展到遠程智能抄表，通過現有的網絡智能化的從遠端把需要的數據采集到一起，那么，在很多必須無人值守的設備或監測點，不適合搭建有線通訊網絡。若采用光纖或電臺的方式實現無線通訊，不僅設備投入耗資巨大，而且不適應移動的需要。
隨著新一代移動通訊業務的產生和全面投入，無線移動數據通訊的應用也越來越廣泛。安全的數據傳輸和永遠在線特點，配合按流量收費的資費方式，使GPRS通訊在工業控制、環境保護、道路交通、商務金融、移動辦公、零售服務等行業中的應用具有無可比擬的性價比優勢。采用GPRS無線通訊網絡的移動IP通訊，既可獨立作為數傳通道，也可作為已經架設光纖、數傳電臺等方式的輔助手段。
GPRS遠程抄表系統是廈門四信通信科技有限公司和系統集成商合作開發的基于GPRS技術的用電管理自動抄表系統。它由電度表、F2100 GPRS DTU、采集器及中心服務器組成。采集器實時采集用戶的用電數據，通過GPRS網絡把數據匯集到服務器。具有采集數據快速準確，能快速生成用電統計分析,交費單據等特點，與傳統的人工抄表、電話線抄表相比，極大地提高了效率。
本系統除了準確、實時抄表外，還提供了設備管理功能，如告警：開箱告警、停電告警、逆相告警、超溫告警、過載告警等；控制：對欠費用戶進行拉閘等。并提供停電數據保護功能，在停電48－－72小時內仍可抄表和監控。本系統結合聯通公司的短信平臺，在告警時，可根據具體內容發短信給相關的管理人員。
本系統提供豐富的接口，可與電業系統的MIS系統鏈接或進行二次開發。
抄表軟件系統數據庫為ORACLE數據庫，運行于WIN98/2000/XP、NT的操作系統，易于使用。軟件所能管理的用戶數量沒有限制。
本系統由帶系統軟件的主站、帶F2100 GPRS DTU傳輸終端、采集器及電度表組成。手持終端是本系統的補充，在系統出現意外時進行人工抄表。
一、 數據中心主站
運行集中抄表系統的計算機（服務器或PC機）稱為主站，主站通過寬帶網絡與終端DTU相連。中心提供互聯網IP地址及互聯網出口（端口）。
中心條件
首先用一臺能上網的PC機，條件必須能讓外網訪問的到，如運行中心軟件的PC機在局域網里面，那要在局域網路由器做端口映射到本機PC，等這些條件具備之后在本機運行一個中心DEMO，開放一個端口，運行軟件等待DTU的連接。
系統軟件
抄表系統的核心部分是系統軟件，它遵循DL/T645部標通訊規約，并有擴展性。
抄表軟件系統數據庫為ORACLE數據庫，運行于WIN98/2000/XP、NT的操作系統，易于使用。軟件所能管理的用戶數量沒有限制。
系統的功能與特點有：
(一)安全可靠：安全性由三方面構成：第一，ORACLE數據庫是大型的、多用戶的數據庫，它的安全性高，允許多用戶同時使用同一數據庫而不會破壞完整性，用它來做抄表系統的數據引擎可以保證數據的安全；第二，系統對用戶實現分級授權管理功能，通過檢查使用者的名字和授權密碼，賦予使用者相應的操作權，借鑒銀行系統的密碼管理模式限制無關人員改變數據庫和硬件設置。第三，防火墻功能及完善的數據備份功能，防備系統受到人為的惡意攻擊，數據備份功能確保在硬件系統故障時，也能隨時在新的硬件設備上數據無丟失地啟動抄表系統。
(二)完善的系統日志：系統日志記錄了進入系統，離開系統，收費，設置硬件，改變運行參數操作等及操作者，操作時間，凡是改變數據庫的操作都被記錄下來。
(三)抄表速度快：抄表快、數據準確，抄表時PC機只讀采集器的數據，數據傳輸采用1200波特率，傳輸速度快，并對每個數據塊都有效驗碼，保證了傳輸的準確性。
(四)廣播對時功能：該功能使得系統中的所有電能表的時間基準與PC機保持一致，對時成功后，由電池供電的電能表內部時鐘，不再需要PC機的干預。因此，只要保證在對時時刻，PC機的時間是正確的，以后在運行的過程中，改變PC機的時鐘并不會影響電能表的時間。
(五)自動抄表功能：按照設置的抄表開始時間和抄表間隔，到預定的抄表時刻，系統便會依次撥號去抄采集器或電表內的數據。對于抄不上數據，系統會自動補抄或人工發命令補抄。
(六)電量凍結功能：可以方便地定義總表，安裝和刪除總表，給總表分配分表。通過安裝適當的總表，結合抄凍結數據功能，就可得某一特定的時刻的總表讀數，各分表的讀數（由此得到讀數和），就可以計算出某部分電路的電能損耗，為確定電費提供依據。
(七)電費管理功能：收電費前，統一抄錄一次電費數據。當確保數據庫內的數據反映最近的電表讀數后，利用程序中的功能自動計算出當月用電量和電費。交納電費時，只需輸入用戶號，當月用電量和電費由程序填寫。每筆電費都有詳細記錄，便于對帳。
(八)設備管理功能，如告警：開箱告警、停電告警、逆相告警、超溫告警、過載告警、傾斜或移動報警等；控制：對欠費用戶進行拉閘等。并提供停電數據保護功能，在停電48－－72小時內仍可抄表和監控。本系統結合聯通公司的短信平臺，在告警時，可根據具體內容發短信給相關的管理人員。
本系統適應范圍廣泛，單相版的軟件可用于小區管理，網絡版的軟件可用于供電公司實現一座城市或地區的用電管理。
二、終端設備
F2100 GPRS DTU（下文簡稱DTU）
F2100 GPRS DTU采用高性能嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧。為用戶提供高速，穩定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬專用網絡。針對網絡流量控制的用戶，產品支持語音，短信，數據觸發上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數據中心備份，以及多數據中心同步接收數據等功能。公司產品已廣泛應用于金融，水利，環保，電力，郵政，氣象等行業。
(一) 無線參數
1、支持EGSM900/GSM1800無線網絡
2、GPRS multi-slot class 10
3、編碼方案：CS1~CS4
4、符合SMG31bis技術規范
5、Compliant to GSM phase 2/2+
6、支持數據和短信功能
(二) 硬件系統
7、高性能RISC 嵌入式處理器，主頻100M，512K FLASH。
8、接口：
同時支持RS232/RS485串口。串口速率110~230400bits/s。
指示燈：具有電源、通信及在線指示燈。
天線接口：標準SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐。
SIM卡接口：3V/1.8V標準的推桿式用戶卡接口。
電源接口：標準的3芯火車頭電源插座。
9、供電：
外接電源：DC 9V 500mA
寬電壓供電：DC 5-35V
通信電流：<350mA (9V)
待機電流：<35mA (9V)
10、 無線模塊
采用高性能工業級GPRS無線模塊
11、 尺寸
外形尺寸：91x58.5x22 mm（不包括天線及固定件）
12、 其他參數:
工作環境溫度 -25~+65ºC
儲存溫度 -40~+85ºC
相對濕度 95%(無凝結)
(三) 軟件功能
1. 智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線。
2. 支持RSA，RC4加密算法
3. 支持虛擬數據專用網（APN）
4. 透明數據傳輸與協議轉換，支持多種工作模式
5. 支持數據中心動態域名和IP地址訪問
6. 支持雙數據中心備份
7. 支持多數據中心
8. 支持短信、語音、數據等喚醒方式以及超時斷開網絡連接。
9. 支持短消息備份及告警。
10. 多重軟硬件看門狗
11. 數據包傳輸狀態報告。
12. 標準的AT命令界面
13. 可以用做普通撥號MODEM
14. 支持telnet功能。
15. 支持遠程配置，遠程控制
16. 通過串口軟件升級
17. 同時支持LINUX和WINDOWS操作系統
DTU在應用之前首先要進行設置，通過光盤配套的參數配置軟件設置好數據中心的IP和端口及其它參數的設置，設置好之后串口和采集器串口對接， DTU上電之后根據事先設置好的中心IP和端口進行連接，成功連接到中心軟件后即可雙向透明傳輸數據。
采集器：收集電表數據傳送到數據中心，它連接主站和電度表。
電度表：計量并顯示用戶的用電情況，將用電信息通過采集器傳輸到GPRS傳輸終端。
這三個主要的組成部份是相互關聯的主從關系。整個結構如下圖所示：
根據抄表對象的不同我們設計以下三種抄表模式：
2.1居民用戶抄表系統
1、電表：1.0級單相靜止式（電子式）電度表，具有光耦脈沖輸出功能。
2、采集器：：
（1）24個I/O口，可帶24戶電度表
（2）停電數據保護
（3）帶后備電源，停電后仍可抄表
3、抄表內容：
（1）電量
（2）其他
4、抄表形式：
（1）自動抄表
（2）定時上報
（3）實時查詢
5、告警內容：
（1）開箱告警
（2）停電告警
1、可增加遠程控制拉閘功能，電能表要增加內置繼電器。
2、技術指標：
（1）系統容量：
采集器容量：最多接24塊電表；
系統容量：原則上不受限制，實際可根據需要和主站電腦的容量確定；
（2）通信距離：
采集器與電表：采用雙芯多股線，對于機械表，距離≤500m；對于電子式電表，距離≤50m。
主站與采集器：采用GPRS網絡作為通信介質，距離不受限制；
（3）通信成功率:
主站與采集器之間，采用基于可靠連接的TCP/IP協議，通信成功率為100%。
2.2大集團用戶抄表系統
1、電表：A）三相有功無功多功能表，有功0.5級、無功2級，具有RS485通訊接口，電力部DL/T645通訊規約。或者使用：B）三相有功復費率表，有功1級，具有RS-485通訊接口，電力部DL/T645通訊規約。
實現電能量（有功、無功）的計量和功率因數、電壓、電流、頻率等參數的測量。
2、采集器：
（1）帶一個與終端通訊的RS485接口，三個用于報警監測的開關量輸入口和三個用于遠程控制的模擬量輸出口。
（2）支持部標通信規約
（3）停電數據保護
（4）控制輸出（用于遠程控制拉閘或其他功能）
（5）帶后備電源，停電后仍可抄表
3、系統功能
（1）設置電能表的參數，讀取各種計量和管理數據；
（2）抄表數據的統計、查詢、備份、報表、圖表生成；
（3）廠站管理；
（4）自動抄表、定時上報、實時查詢等；
（5）掉電數據保存；
（6）瞬時量數據的綜合處理；
（7）系統數據備份、存檔和向外輸出數據；
（8）歷史數據事件記錄功能；
（9）實時報警；
（10）根據線路上的表計關系計算線路損耗；
（11）可提供多路模擬量、開關量輸入，實現開箱告警、停電告警、逆相告警、超溫告警、過壓告警、過流告警、過載告警、傾斜或移動報警等其他功能；
（12）遠程控制斷電功能；
（13）采集的參數豐富，如：
◆ 當前、上月、正向有功、反向有功、無功四象限的總及尖、峰、平、谷四費率電量；
◆ 正向、反向、有功、無功的最大需量及最大需量發生時間；
◆ 有功功率、無功功率、三相電壓、三相電流、功率因數；
◆ 感想失壓累計次數、失壓累計時間、集抄器停電起止時間等；
◆ 單位時間負荷曲線、三相電流曲線、三相電壓曲線、有功功率曲線、無功功率曲線、功率因數曲線。
7、技術指標：
（1）系統容量：
采集器容量：最多接255塊電表；
系統容量：原則上不受限制每表一號，實際可根據需要和主站電腦的容量確定；
（2）通信距離：
采集器與電表：采用RS485接口及屏蔽雙絞線，距離≤500m。主站與采集器：采用無線網絡作為通信介質，距離不受限制；
（3）通信成功率:
主站與F2100 GPRS DTU之間，采用基于可靠連接的TCP/IP協議，通信成功率為100%；
（4）完全符合IEC1107標準及國電公司DL/T645《多功能電能表通訊規約》；
（5）工作電源：交流220V±20%，50Hz；
（6）通信速率：1200bps～33.6kbps；
（7）采集器功耗：≤1.5W
（8）工作環境條件：溫度：-10℃～50℃，相對濕度：≤90%；
（9）耐壓強度：2KV；絕緣電阻：2M歐姆；
（10）電表數據抄收率、可靠性和讀數準確率達到100%。
2.3變電站抄表系統
1、電表：三相有功無功多功能表。
2、采集器：
（1）帶一個RS485通訊口，三個開關量和三個模擬量；
（2）支持部標通信規約；
（3）停電數據保護；
（4）控制輸出；
（5）帶后備電源，停電后仍可抄表。
3、抄表內容：
（1）電壓、電流；
（2）有功正、反向分時電量；無功四象限分時電量；
（3）有功正、反向分時最大需量及發生時間；
（4）無功正、反向分時最大需量及發生時間；
（5）斷相時間、次數及斷相期間用電量；
（6）負荷曲線。
4、抄表形式：
（1）自動抄表；
（2）定時上報；
（3）實時查詢。
5、告警內容：
（1）開箱告警；
（2）停電告警；
（3）逆相告警；
（4）超溫告警；
（5）過壓告警；
（6）過流告警；
（7）過載告警；
（8）傾斜或移動報警等其他功能。
6、技術指標：
（1）系統容量：
采集器容量：最多接255塊電表；
系統容量：原則上不受限制每表一號，實際可根據需要和主站電腦的容量確定；
（2）通信距離：
采集器與電表：采用RS-485接口及屏蔽雙絞線，距離≤500m。主站與采集器：采用GPRS網絡作為通信介質，距離不受限制；
（3）通信成功率:
主站與采集器之間，采用基于可靠連接的TCP/IP協議，通信成功率為100%。
方案一：
中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP服務的。
此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業務，中心有公網固定IP的。
DTU直接向中心發起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。
方案二：
中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網動態IP+DNS解析服務的。
客戶先與DNS服務商聯系開通動態域名，DTU先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用，但穩定性受制于DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模應用。
方案三：
中心采用APN專線， 所有點都采用內網固定IP
u 客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。
u 為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。
u 用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能）。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。
u 用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。
u 移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。
雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。
此種方案無論實時性，安全性和穩定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。在資金允許的情況下之最佳組網方式。
業務流程
GPRS專網系統終端上網登錄服務器平臺的流程為：
1）用戶發出GPRS登錄請求，請求中包括由移動公司為GPRS專網系統專門分配的專網APN；
2）根據請求中的APN，SGSN向DNS服務器發出查詢請求，找到與企業服務器平臺連接的GGSN，并將用戶請求通過GTP隧道封裝送給GGSN；
3）GGSN將用戶認證信息（包括手機號碼、用戶賬號、密碼等）通過專線送至Radius進行認證；
4）Radius認證服務器看到手機號等認證信息，確認是合法用戶發來的請求，向DHCP服務器請求分配用戶地址；
5）Radius認證通過后，由Radius向GGSN發送攜帶用戶地址的確認信息；
6）用戶得到了IP地址，就可以攜帶數據包，對GPRS專網系統信息查詢和業務處理平臺進行訪問。
附：
系統安全
在系統安全方面，本公司除了采用大型、多用戶的ORACLE數據庫、系統對用戶實現分級授權管理和提供防火墻功能及完善的數據備份功能外，對網絡無線數據監控中心還提供了安全技術解決方案，以確保數據安全可靠。
IP 過濾技術
由于監控中心服務于GPRS子網用戶，所有訪問客戶的IP必為GPRS子網內的IP ，即所有的用戶必須通過VPDN才可能訪問該服務器。因此，我們在系統中采用了IP過濾技術，對所有接受的數據包進行過濾，拋棄掉所有的非法IP數據報。這一過程就好像將系統置身于CMNET的防火墻保護之下，所有的非法用戶只有先穿過了VPDN的安全防護才有可能訪問到本系統，但對于安全措施非常強大的VPDN網絡來說，這將是非常的困難。
采用IP過濾技術盡管可以防止一些非VPDN網段用戶的侵襲，但由于系統處于GPRS子網以外，IP過濾只能起到簡單的安全防護，對于那些利用IP偽裝技術的非法用戶則無法識別。
由于該系統是專業化的服務系統，訪問客戶是預先確定的，利用這一特點，我們在系統中采用了用戶ID和密碼驗證技術，系統中存儲了有所客戶端的MAC地址以及密碼，對通過了IP過濾的數據包，再驗證其ID號和密碼。對于該系統以外的非法用戶，獲取合法的MAC地址和密碼將十分困難，所以這一步極大可能地增加了系統的安全性。
圖5 數據安全技術解決方案示意圖
系統采用標準的SSL數據安全通訊協議在客戶端和服務器端建立加密數據通道，保證私有數據傳輸的安全性；系統在應用層植入高可靠性的加密算法，使得數據在任何網絡出錯時都可以得到保證的高可靠性；采用MD5算法產生“報文摘要”已實現對所有發送報文的數字簽名，保證了數據傳輸過程中的完整性，防止數據被篡改。
系統對所有的訪問過程進行日志記錄，包括用戶身份、IP、時間、數字簽名、操作事項等信息，向系統管理人員提供了詳細、完整、有效的操作證明。