吳 瀛 呂家圣 陳 禾 王 磊

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣州 510663；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013 )

0 引言

目前，電能表型式評價(jià)中采用的實(shí)驗(yàn)方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是與IEC標(biāo)準(zhǔn)相一致的，包括了計(jì)量性能試驗(yàn)、電磁兼容性能試驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、陽光輻射試驗(yàn)和防塵防水試驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本滿足了檢測電能表硬件特性的需求。隨著我國智能電能表的大量推廣應(yīng)用，電能表中的軟件需要完成大量復(fù)雜的工作，實(shí)現(xiàn)如復(fù)費(fèi)率功能、預(yù)付費(fèi)功能、電壓電流測量功能、報(bào)警功能、數(shù)據(jù)保護(hù)功能和電量提示功能等。電能表中軟件的作用愈發(fā)突出，而對于電能表中越來越復(fù)雜的軟件，卻沒有相應(yīng)的評價(jià)方法和要求。OIML TC12技術(shù)委員會在IR46的修訂工作中也關(guān)注到這個(gè)問題。修訂工作組認(rèn)為，電能表中的控制軟件也應(yīng)該屬于電能表型式中的一部分，電能表中的軟件需要進(jìn)行相應(yīng)的型式評價(jià)工作。因此，IR46修訂版中加入了軟件評價(jià)的要求和試驗(yàn)方法。隨著IR46最終發(fā)布，我國也將會等同采用，它將會直接轉(zhuǎn)化為國內(nèi)型式評價(jià)機(jī)構(gòu)所必須采用的標(biāo)準(zhǔn)。因此，及時(shí)關(guān)注IR46修訂版中軟件型評要求，并在國內(nèi)同步開展相關(guān)研究工作，可以學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)中先進(jìn)的試驗(yàn)項(xiàng)目和評價(jià)方法，促進(jìn)我國電能表制造水平的不斷提高。

1 IR46中電能表軟件型式評價(jià)要求

IR46中軟件型評要求是放在計(jì)量要求這一章節(jié)中，它規(guī)定電能表應(yīng)提供計(jì)量性能的保護(hù)手段。國家權(quán)威機(jī)構(gòu)應(yīng)決定訪問軟件保護(hù)，參數(shù)保護(hù)，設(shè)備檢測事件記錄的授權(quán)等級。

在計(jì)量軟件評價(jià)項(xiàng)目中，IR46要求電能表能夠?qū)﹃P(guān)鍵計(jì)量信息予以保護(hù)。具體要求如下：

1.1 軟件標(biāo)識

電能表的相關(guān)合法軟件應(yīng)有清晰的軟件版本或其他標(biāo)識。專用于法律用途的標(biāo)識由多部分但至少一個(gè)部分組成。標(biāo)識應(yīng)與軟件不可分離，并應(yīng)當(dāng)在操作過程中通過命令或顯示來呈現(xiàn)。

作為例外，如滿足以下三個(gè)條件，軟件標(biāo)識可應(yīng)標(biāo)印在儀表外部：

1)用戶界面無任何控制能力使得軟件認(rèn)證在顯示中體現(xiàn)，或顯示屏技術(shù)上不具備顯示軟件認(rèn)證功能(模擬設(shè)備或機(jī)電式計(jì)數(shù)器)。

2)電能表無界面顯示軟件認(rèn)證。

3)電能表產(chǎn)品化后軟件不可能改變，或只是硬件或硬件組件改變。硬件或硬件組件的制造商負(fù)責(zé)確保電表軟件認(rèn)證被正確的標(biāo)識在電能表上。

軟件認(rèn)證和認(rèn)證手段應(yīng)在型式批準(zhǔn)證書中描述。

1.2 軟件保護(hù)

要求電能表能夠防止誤操作。電能表應(yīng)被設(shè)計(jì)為，使無意地，偶然地，或故意地誤操作的可能性降至最低。具有欺騙保護(hù)功能，相關(guān)合法軟件應(yīng)防止通過存儲設(shè)備的交互，在未經(jīng)授權(quán)情況下，對其進(jìn)行修改，加載，或更改。應(yīng)具有安全手段，如機(jī)械或電子封條，被要求用來確保電能表有選擇性地加載軟件/參數(shù)。為了不被不正當(dāng)使用，只有明確記載的功能才能被用戶界面激活。軟件保護(hù)包括機(jī)械、電子封條和/或加密手段，使得未授權(quán)的干涉不可能或非常明顯。IR46中列舉了一個(gè)能滿足要求的例子：測量設(shè)備的軟件只有通過一個(gè)開關(guān)保護(hù)菜單，否則無法修改參數(shù)和相關(guān)合法配置。此開關(guān)被機(jī)械封存在不激活狀態(tài)，使得無法修改參數(shù)和合法配置。如需修改參數(shù)和配置，必須切換開關(guān)，而這樣做必須破壞封條。測量設(shè)備的軟件應(yīng)被設(shè)計(jì)為只有授權(quán)人才能對參數(shù)和相關(guān)合法配置進(jìn)行訪問。如果有人想要進(jìn)入?yún)?shù)菜單項(xiàng)，他須插入含有加密認(rèn)證PIN的智能卡。該設(shè)備軟件能夠驗(yàn)證PIN的真實(shí)性，并允許訪問參數(shù)菜單項(xiàng)。此次訪問會被記錄在審查索引中，包括訪問者身份(或至少智能卡的使用記錄)。

1.3 參數(shù)保護(hù)

要求體現(xiàn)電能表相關(guān)法制特性參數(shù)應(yīng)防止未經(jīng)授權(quán)的修改。如須進(jìn)行必要的核查，則該參數(shù)設(shè)置應(yīng)能夠被顯示。電能表具體參數(shù)只能在特定的運(yùn)行模式下調(diào)整或選擇。這些參數(shù)應(yīng)被列為受保護(hù)類型參數(shù)(不可改變)，并且只有授權(quán)人才可訪問(設(shè)置參數(shù))，如設(shè)備擁有者、修理人員。對于參數(shù)保護(hù)，采用簡易密碼方式不是一個(gè)可行的技術(shù)解決方案；授權(quán)人可被允許訪問一組有限的設(shè)備具體參數(shù)。如一組設(shè)備特定參數(shù)，并且訪問限制規(guī)則應(yīng)明確描述。存儲的總電量寄存器置零應(yīng)被視為一個(gè)設(shè)備特定參數(shù)的修改。因此，所有設(shè)備特定參數(shù)的相關(guān)要求應(yīng)適用于置零操作。當(dāng)修改某一設(shè)備具體參數(shù)時(shí)，電能表應(yīng)停止記錄電能。

國家法規(guī)可以規(guī)定某些設(shè)備具體參數(shù)應(yīng)對用戶開放。在這種情況下，電能表應(yīng)能自動地、非可擦除地記錄設(shè)備特定參數(shù)的任何調(diào)整，如審查索引。并且設(shè)備應(yīng)有能呈現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)。這種可追溯的手段和記錄應(yīng)為相關(guān)法制軟件的一部分，應(yīng)受到同樣的保護(hù)。負(fù)責(zé)顯示審查索引的軟件也屬于法制軟件范疇。

1.4 電子設(shè)備和組件的分離

要求電能表計(jì)量的關(guān)鍵部件，無論是軟件或硬件部分，不允許被電能表的其它部分所影響。電能表執(zhí)行法制功能的子組件或電子設(shè)備應(yīng)被認(rèn)證、明確定義及描述。它們構(gòu)成了測量系統(tǒng)法制部分。如執(zhí)行法治功能的子組件未認(rèn)證，則所有的子組件應(yīng)都被視為在執(zhí)行法制功能。例如：電能表中用于連接其他電子設(shè)備讀出測量值的光接口。該電能表存儲所有相關(guān)量值，并被其它設(shè)備讀出。在這個(gè)系統(tǒng)中，只有電能表是法制設(shè)備。其他非法治相關(guān)的設(shè)備可連接到法制設(shè)備的接口上，該非法制設(shè)備自身的數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)不是必需的。型式試驗(yàn)期間，應(yīng)驗(yàn)證子組件和電子設(shè)備的相關(guān)功能和數(shù)據(jù)不會被接口的其它命令接收所影響。

1.5 軟件分離

要求作為電能表軟件部分的所有軟件模塊(程序、子程序、對象等)，執(zhí)行法制功能或包含法制數(shù)據(jù)的軟件，應(yīng)進(jìn)行認(rèn)證。如果執(zhí)行法制功能軟件模塊未能認(rèn)證，則整個(gè)系統(tǒng)軟件應(yīng)被視為法制軟件。如相關(guān)法制軟件部分與其他部分軟件進(jìn)行通訊，則軟件接口應(yīng)被明確定義。所有通訊應(yīng)通過此唯一接口，并且法制軟件部分和接口應(yīng)清晰描述。所有軟件的法制功能和數(shù)據(jù)域應(yīng)被描述，以使型式批準(zhǔn)機(jī)構(gòu)確定軟件子集的正確性。形成軟件接口的數(shù)據(jù)域，包括從法制軟件部分輸出給接口的數(shù)據(jù)域代碼和從接口輸入給法制軟件的代碼，都須清楚地定義和描述。軟件接口的聲明不能忽略。必須對法制軟件部分中的用于激活功能或數(shù)據(jù)改變的每條命令給予明確的分配。經(jīng)軟件接口通訊的命令應(yīng)聲明和注明。只有已聲明的命令才允許通過軟件接口激活。制造商應(yīng)編制完整的命令文件。

1.6 通訊系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲和傳遞

要求存儲或傳遞的測量值應(yīng)附有與法制計(jì)量相關(guān)的信息；應(yīng)通過軟件的方式保護(hù)這些數(shù)據(jù)的時(shí)效性、真實(shí)性和完整性，如果這些數(shù)據(jù)是通過非加密的信道接收或在非加密區(qū)讀取，則在顯示或進(jìn)一步處理這些數(shù)據(jù)前，必須檢查這些數(shù)據(jù)的時(shí)效性、真實(shí)性和完整性；如發(fā)現(xiàn)不符，數(shù)據(jù)應(yīng)被丟棄或標(biāo)記為不可用；當(dāng)保存最終測量結(jié)果時(shí)，與該測量結(jié)果相關(guān)的計(jì)算值應(yīng)與最終結(jié)果一道保存；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后或該數(shù)據(jù)通過受控設(shè)備打印后，數(shù)據(jù)可以刪除；要求測量結(jié)果不受數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的影響；當(dāng)傳輸無效時(shí)，測量數(shù)據(jù)不能丟失；電能測量不應(yīng)受傳輸延遲的影響。如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)變?yōu)闊o效時(shí)，相關(guān)法制測量數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失。時(shí)間標(biāo)記應(yīng)從設(shè)備的時(shí)鐘中讀取。設(shè)置時(shí)鐘被視為一種涉及法制性的行為，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)手段。在特殊領(lǐng)域(多費(fèi)率電能表，時(shí)段電能表)必須對時(shí)間進(jìn)行測量時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘應(yīng)通過特殊的方法(如軟件方法)減小其不確定度。

1.7 電能表軟件維護(hù)和重新配置

更新電能表法制軟件應(yīng)被視為電能表的修改，如電能表中的軟件替換成其他已批準(zhǔn)版本的軟件；電能表軟件修復(fù)，當(dāng)重新安裝同一版本軟件時(shí)或已運(yùn)行的電表進(jìn)行軟件修改或修復(fù)，則需依照規(guī)定，進(jìn)行電能表的后續(xù)檢定。

當(dāng)不容許對使用中電能表的軟件進(jìn)行升級時(shí)，可規(guī)定通過封印設(shè)施(物理開關(guān)，參數(shù)保護(hù))，使電能表軟件升級無法使用。在此種情況下，當(dāng)不破壞電能表封印時(shí)，應(yīng)無法升級電能表軟件。當(dāng)電能表軟件升級對于電能表功能正確性沒有影響時(shí)，電能表中軟件不需要驗(yàn)證。只有通過型式批準(zhǔn)試驗(yàn)的法制軟件版本才能允許使用。

電能表升級驗(yàn)證要求，軟件升級可本地裝載，即直接裝載到電能表中，或通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程裝載。裝載和安裝可為兩個(gè)不同的步驟或合并為一個(gè)，工作人員應(yīng)在電能表安裝現(xiàn)場，對電能表升級的有效性進(jìn)行核查。在執(zhí)行電能表驗(yàn)證和更新保護(hù)手段之前，已更新法制軟件的電能表(替換其他批準(zhǔn)版本或重新安裝)不允許被使用。

對于電能表可追溯升級的要求，軟件在電能表中的生效應(yīng)符合可追溯升級條款要求。如可追溯升級過程是通過一已驗(yàn)證的工具或設(shè)備進(jìn)行軟件交換，則負(fù)責(zé)人在現(xiàn)場不是必須的。軟件升級可本地裝載，即直接裝載在測量設(shè)備上或通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程裝載。軟件升級應(yīng)在審查索引中記錄?？勺匪萆壋绦虬ㄒ韵聨讉€(gè)步驟：裝載，完整性檢查，來源檢查(驗(yàn)證)，安裝，登錄和激活。

軟件可追溯升級應(yīng)是自動的。對于軟件升級過程的實(shí)現(xiàn)，保護(hù)條件應(yīng)符合型式評價(jià)要求。

對于實(shí)現(xiàn)可追溯升級的電能表，其軟件應(yīng)包含所有必需檢查的功能。如應(yīng)保證加載軟件的真實(shí)性，即它來源于認(rèn)證的所有者。如果加載的軟件真實(shí)性檢查失敗，電能表應(yīng)將被裝載軟件丟棄并使用先前版本軟件或切換到非運(yùn)行模式。

對于實(shí)現(xiàn)可追溯升級的電能表，應(yīng)確保加載軟件的完整性，即裝載前軟件不允許被修改。這可通過添加裝載軟件的校驗(yàn)和或hash值，并在裝載過程中驗(yàn)證。如果被裝載的軟件驗(yàn)證失敗，設(shè)備應(yīng)將被裝載軟件丟棄并使用先前版本軟件或切換至非運(yùn)行模式，在這種模式下，測量功能應(yīng)被禁用。

對于實(shí)現(xiàn)可追溯升級的電能表，應(yīng)使用例如：審查索引，來確保設(shè)備中的相關(guān)合法軟件的可追溯升級能夠徹底追溯，并用于后續(xù)的驗(yàn)證、監(jiān)控或檢查。

審查索引至少應(yīng)包含以下信息：升級過程的成功/失敗，安裝版本的軟件標(biāo)識，先前安裝版本的軟件標(biāo)識，升級事件發(fā)生時(shí)間，下載部分的標(biāo)識。不管成功與否，每一次的升級都應(yīng)生成事件記錄。

支持可追溯升級電能表的存儲單元應(yīng)具備充足的容量，以確保在特定領(lǐng)域至少可記錄兩次連續(xù)的法制軟件可追溯升級。當(dāng)達(dá)到審查索引存儲上限時(shí)，應(yīng)確保進(jìn)一步升級不可用。

1.8 電能表事件記錄檢查

如電能表配備了檢查功能，該功能應(yīng)有記錄至少100個(gè)事件的空間(或由技術(shù)機(jī)構(gòu)確定的量值)，并應(yīng)是先入先出的方式。在不破除封印的情況下，事件記錄應(yīng)不被修改或清零，或經(jīng)授權(quán)的訪問，例如，通過代碼(密碼)或特殊的設(shè)備(硬件鑰匙等)。

2 重點(diǎn)研究方向

對于軟件評價(jià)方法的研究，目前已有了相關(guān)的規(guī)范，如國際法制計(jì)量組織(OIML)的規(guī)范OIML D 31《軟件控制計(jì)量器具通用要求》[1]，歐洲法制計(jì)量組織(WELMEC)的規(guī)范WELMEC 7.2《MID軟件指南》[2]，國內(nèi)的JJF 1182—2007《計(jì)量器具軟件測評指南》[3]。這些規(guī)范的核心內(nèi)容是首先分析計(jì)量器具軟件需要滿足的要求，接下來根據(jù)實(shí)際需求選擇以何種風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行驗(yàn)證，并且使用合適的軟件驗(yàn)證方法進(jìn)行驗(yàn)證。這些規(guī)范在頂層給出了進(jìn)行軟件評價(jià)的方法，但對于電能表這一具體而又復(fù)雜的計(jì)量器具如何實(shí)現(xiàn)，則必須深入研究。目前最大的難點(diǎn)在于各個(gè)生產(chǎn)電能表企業(yè)的軟件編寫方法各不相同，同一企業(yè)不同型號電能表的軟件也會有不同，因此首先需要統(tǒng)一電能表軟件的編寫規(guī)范。在電能表軟件編寫規(guī)范中制定基本要求、特殊要求的內(nèi)容。如在基本要求中需要考慮軟件標(biāo)識、算法和功能的正確性、軟件保護(hù)、輸入命令的過濾、預(yù)防意外和無意更改等內(nèi)容。要求電能表軟件提供故障檢測功能，提示警告信息、實(shí)施密碼保護(hù)、以及設(shè)置操作系統(tǒng)權(quán)限等手段；要求電能表能防止有意的欺詐性修改。在特定要求中需要考慮電能表遠(yuǎn)程抄表方式中數(shù)據(jù)交換的編寫要求，如電能表計(jì)量數(shù)據(jù)的自動和長期存儲要求的內(nèi)容。要求電能表軟件保證測量數(shù)據(jù)存儲的完備性，測量數(shù)據(jù)存儲的完整性和真實(shí)性，存儲的容量和連續(xù)性。如在通信系統(tǒng)的傳輸中電能表軟件要滿足當(dāng)受到網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)中斷影響時(shí)，測量數(shù)據(jù)不應(yīng)該丟失等；特定要求中還需考慮軟件分離的要求，保證非法制相關(guān)程序不能未經(jīng)許可地影響法制相關(guān)程序和參數(shù)；為了適應(yīng)電能表不斷增加功能的要求，特定要求中還需考慮軟件升級的要求。如從本地或者從通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程加載方式，在升級的過程中需要檢查軟件的真實(shí)性和完整性，升級完成后計(jì)量器具內(nèi)的日志會寫入升級記錄，保證事后的控制。

在統(tǒng)一了電能表的軟件編寫規(guī)范后，還需要研究電能表軟件評價(jià)方法。但由于軟件的復(fù)雜性，對其進(jìn)行完全的測試和進(jìn)行正確性的數(shù)學(xué)推理都是不可行的，沒有辦法保證軟件是完全沒有錯(cuò)誤的。因此，對于電能表中的軟件采取何種評價(jià)方法，需要基于不大量增加開發(fā)和檢測成本的同時(shí)，還能減小軟件出錯(cuò)的可能性這一出發(fā)點(diǎn)。電能表軟件的具體評價(jià)方法可根據(jù)軟件編寫規(guī)范中的通用要求、特殊要求，以及待評價(jià)的電能表具體功能，開展相應(yīng)的驗(yàn)證方法研究。

3 展望

IR46的修訂從開始關(guān)注電能表的計(jì)量性能、電磁兼容性能、儲存環(huán)境性能等方面，到目前最新版中加入了對電能表軟件性能的要求，反映了全世界電能領(lǐng)域?qū)＜覍﹄娔鼙碚J(rèn)識不斷深化的過程。而這些方面對我國目前智能電能表的發(fā)展，也具有重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] OIML D 31, General Requirement for Software Controlled Measuring Instruments.

[2] WELMEC 7.2, Software Guide(Measuring Instruments Directive 2004/22/EC).

[3] JJF 1182—2007，計(jì)量器具軟件測評指南.