（1.江西理工大学理学院 江西赣州 341000；2.江西理工大学理学院 江西赣州 341000；
3.江西理工大学理学院 江西赣州 341000）
摘要：本文运用嵌入式技术，基于uC/OS-Ⅲ操作系统，通过实验和仿真设计的智能电网电能信息采集器，为不同台区、环境和密集度的用户搭配适合其自身特点的电能信息采集器提供研制模板和理论指导。同时，在不同类型的用户选择通信方式上有着一定的参考价值。
关键词：智能电网；嵌入式系统；电能信息采集器
Abstract：The paper used embedded technology to design the smart grid electric energy information collector via experiments and simulations based on uC/OS-Ⅲsystem. Providing development templates, theoretical guidance for matching with its own characteristics of the electric energy information collectors to users which in different areas, environment and densities. It has certain reference value for different types of users to choose the communication mode at the same time.
Key word：smart grid；embedded system；electric energy information collector
引言
近年来，随着世界能源开发格局和经济形势的不断变化，可持续发展、清洁能源的开发与利用、节能减排等已成为世界关注的焦点。依靠现代化的通信技术、信息技术、控制技术和传感技术，来充分利用电网对资源的优化配置，提高电网智能化程度，转变电力行业未来的发展方向[1]。智能电网作为优化资源配置的主要载体，在提高能源利用效率、优化调整能源结构和促进清洁能源开发上发挥着至关重要的作用[2]。智能电能信息采集器是智能电网计量系统中的重要组成部分，为了实现智能电网的“信息化、互动化、自动化、坚强化和智能化”，提供强有力的测量、控制方面的数据支撑。其作为智能电网中最为基础的数据收集设备之一，在发挥电能管理、结算等传统作用的同时，也承担着为用户提供实时、丰富的增值服务以及智能用电等方面的重要任务。智能电能信息采集器的推广与普及使得智能电网高效、安全、节能、环保的特性得以充分的体现[3]。
根据国家电网公司智能电网建设的规划，目前已经完成了智能电网的规划试点和全面建设，正处在全面引领提升的阶段[4]。因此，对智能电网电能信息采集器的深入探究、设计具有一定的研究意义和实用价值。
1 uC/OS-Ⅲ操作系统
本文设计的电能信息采集器使用嵌入式uC/OS-Ⅲ（即：微型C语言编写的第三版）操作系统进行开发，它是一个可升级、可拓展、可固化、抢占式且基于优先级的实时内核，也是一个第三代的系统内核，支持现代实时内核所期待的大部分功能，如：任务间的通信、资源管理、同步等。它提供在其它实时内核中所没有的特色功能，如：任务能同时等待多个内核对象、信号量和消息队列；完备的运行时间测量性能；直接地发送信号或消息给任务等。uC/OS-Ⅲ被设计用于32位处理器，同时在16位和8位处理器中也能很好地工作，雄厚的基础和稳定的框架使得它更好地适应日新月异的嵌入式产品，处理日益复杂的嵌入式设计[5]。
uC/OS-Ⅲ有软实时系统和硬实时系统两种类型的实时系统，包含中断级前台系统、任务级后台系统，前台通过中断处理程序实现异步事件，后台利用一个无限不循环模块实现需要的操作。系统中的任务（即：线程）是一段简单的程序，运行时完全地占用CPU，在单CPU中，任何时候都只有一个任务被执行。由于uC/OS-Ⅲ是一个抢占式内核，所以总是执行最重要的就绪任务。uC/OS-Ⅲ拥有内置性能测量功能，可以测量每一个任务的执行时间、执行次数、堆栈使用情况、CPU使用情况、ISR到任务的切换时间、任务到任务的切换时间、列表中对象的峰值数、关闭终端和锁定调度器平均时间等。同时，它使用了哈希表结构，可以大大减少处理延时和任务超时产生的开支，其中所有的任务都需要被设置为无线循环，所有挂起的服务都有时间限制，预防锁死[6]。
2 电能信息采集器的设计
2.1 电能信息采集器主要功能
电能信息采集器通过从计量装置实时收集的用户数据，判定用户类型，再分类储存和上传。其所采集的信息包括：电能数据、电能质量及交流模拟量、事件记录数据、工作情况数据、营业信息数据等，对用户的电能信息数据每分钟采集一次，每日统计一次。采集器具备费控功能，根据用户的缴费信息，接收并储存来自主站的电能量费率时段、费率和费控参数，包括有：电单号、预付电费值、报警和跳闸门限值等参数。开始执行费控命令后，即定时采集用户电能表数据，计算剩余电费。当用户所剩电费接近跳闸门限值时，便向用户发送催费告警通知；当用户所剩电费低于门限值时（即：用户已欠费），便向用户下达停电缴费通知，并切断供电。用户在采集器或营业点缴费成功后，主站下发允许合闸命令，采集器执行合闸操作。同时，还具备本地预付费和远程预付费的功能，方便用户进行缴费。在安全模块上，采集器运用专门的加密算法，保障系统和数据的安全。
2.2 电能采集器各部分介绍
电能信息采集器选用ALIENTEK探索者STM32F4开发板，STM32F407ZET6芯片作为MCU，配置强大，拥有的资源包括：集成FPU和DSP指令，具有可扩展192KB SDRAM、1G FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、2个16通道DMA控制器、3路SPI、2路全双工I2C，3路ⅡC、6个串口、2个支持HOST和SLAVE的USB、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个带日历功能的RTC、112个通用IO口、1个SDIO接口、1个FSMC接口、1个摄像头接口、1个RS485接口、1个10/100M以太网MAC控制器以及1个硬件随机数生成器等。在FSMC的速度上，STM32F4的刷屏速度可达3300W像素/秒[5,7]。
计量芯片采用美国CRYSTAL公司推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片。CS5463有24引脚，支持SSOP封装，32个寄存器。采样得到瞬态电压和电流的数字量，把每对瞬态电压和电流的数据相乘，得到瞬时有功功率的采样值。CS5463的串行口包括4条控制线：CS、SDI、SDO、SCLK，如果片选CS直接与逻辑O相连接，则只需要3条线就可以完成串行口的操作。一个数据的传输总是从向串行接口的SDI发送8位命令开始，当命令中包括一个写入操作时，在其后的24个SCLK周期内，串口将持续从SDI引脚读入串行数据。当发出一个读取命令时，串口将根据发出的命令，在其后的 8、16、24个SCLK周期从SD0引脚上串行输出寄存器内容。CS5463功能强大，软件、硬件实现方便，计量精度高，广泛适用于电能测量控制领域。它符合IEC，ANSI，JIS工业标准。电能数据线性度在1000：1动态范围内为±0.1％，电能计量精度：在300：1动态范围以上每秒读取0.1％；电压测量精度：读数的O.1％；电流测量精度：读数的0.1％；瞬时功率测量精度：读数的0.1％。在运算时间上，其24位△-∑调制器以MCLK/8S/s的速度进行采样。当复位引脚低电平大于50ns时，芯片进入复位状态，温度传感器每560ms更新一次，状态传感器每4kHz更新一次。CS5463不但提供各种计量参数，而且提供中断，可以从串行EEPROM智能“自引导”，不需要微控制器，更有低于12mW的超低功耗，充分满足电能信息采集器的需求。
图1 电能信息采集器配置图
如图1所示，电源模块提供5V与3.3V的电压信号，满足系统内部各芯片供电电压。时钟由开发板的RTC支持，设计选用RX8025芯片，其内置高精度调整的实时计时器，不仅能进行年、月、日、时、分、秒的数据设定，计时和读取，还可以自动识别闰年。采集器配置A/D数据采集模块，实时采集用户用电量信息，从而实现对电能信息的实时监测和采集。同时，开发板配有光敏传感器、温湿度传感器和六轴加速度传感器，用于工作状态和外界环境的监测。智能采集器在运行过程中，需要存储大量用户用电量等信息，STM32F4内部自带的存储器并不能满足需求，因此需要对存储器进行扩展，同时也考虑到信息不易丢失，故选用三星公司的K9PFG08U5M，它是一款32G NAND FLASH，拥有强大的容量，且能够实现在断电情况下仍然保存所存储的数据信息。SDRAM计划选用现代公司（HYNIX）的 H5TQ4G63AFR-PBC，它是一款512M的DDR3 SDRAM，读取数据速度快，不撤掉电源，它所保存的信息便不会发生丢失。采集器配置开发板板载的TFT_LCD通用液晶模块接口，4.3寸LCD液晶显示屏连接在FSMC总线上，显著提高LCD的刷屏速度。液晶屏计划选用TG160160B，它的内部自带控制器，可直接与处理器STM32F407连接，进行数据传输。STM32F4内部自带网络MAC控制器，外接一个LAN8720A作为PHY芯片，采用RMⅡ接口进行通信，占用IO较少且支持auto mdix功能，可自动识别交叉/直连网线，与开发板板载的自带网络变压器的RJ45以太网接口，共同组成一个10M/100M自适应网卡。开发板具备2个USB接口，USB_HOST实现USB主机通信，连接U盘、鼠标、键盘等设备；USB_SLAVE实现USB从机通信，连接PC机进行读卡器、声卡等从机实验。可通过该接口现场对采集器进行升级，同时支持远程在线升级功能。
EEPROM 为电可擦可编程只读存储器，是一种掉电后数据不丢失的存储芯片，一般即插即用，可擦除已有信息，重新编程。在采集器中使用512KB容量的24C512芯片，设计为缴费用EEPROM，完成采集终端的本地预付费和远程预付费功能。采集器运用AES-128密码算法保障数据和运行的安全，其加密过程主要涉及以下几个操作：?字节代替：通过S盒完成一个字节到另外一个字节的映射；?行位移：实现一个4×4矩阵内部字节之间的置换；?列混淆：利用GF(28)域上算数特性的一个代替；?轮密码加：任何数和自身的异或结果为0。解密过程分别为对应的逆操作，因为每一步操作都是可逆的，按照相反的顺序进行解密即可恢复明文。加解密中每轮的密钥分别由初始密钥扩展得到，算法中16字节的明文、密文和轮密钥都以一个4×4的矩阵表示。
采集器在通信方式上设计包括：专用光纤、RS485总线、低压载波、微功率无线和TD-LTE无线专网通信。针对对象大致分为两大类：?一般用户：包括普通居民用户、低压单相/三相一般工商业用户等；?特殊用户：包括中小型专变用户（如：医院等医疗机构、大学等教育机构），大型专变用户（如：大型工厂、市政基础公共设施管网、机场、火车站、地铁等），电力系统关口计量点，公用配变关口计量点等。采集器收集一般用户数据后，通过RS485总线、低压载波、专用光纤和微功率无线专网传输给主站；采集器收集特殊用户数据后，通过RS485总线或直接通过TD-LTE无线专网传输给主站。考虑到郊区甚至农村偏远地区，铺设专用光纤和以太网网线成本过高，故加入TD-LTE无线专网通信。可根据不同地区的状况进行选择，对于用户密集的城区，可以选择专用光纤和以太网的通信方式；距离偏远的地区，选择TD-LTE无线通信的方式[10-13]。
采集器的开发基于uC/OS-Ⅲ嵌入式操作系统，使用SEGGER公司的J-LINK V8进行仿真调试，数据通信模块采用NS2（Network Simulator Version 2）网络仿真模拟软件进行仿真实验[5-9]。
3 结束语
本文所设计的智能电网电能信息采集器对电度、电费管理中避免传统电能计量效率低、准确性差和实时性差等问题以及建立更好的电网预结算和缴费、电费定价和回收机制有所帮助；通过电压、电流、相序、时钟以及时段等数据，对电网电力监测中及时发现分析如电能表故障、线路故障相关问题，分析线损情况，及时制定措施，科学合理的进行错峰避峰、负荷分解等实际应用有一定的指导意义与理论价值；电力公司市场分析人员根据用户的实时用电情况，可对用户类型、电力模型做出较好的分析，更好的规划市场营销和电网设计，对电网市场策划分析提供参考。
参考文献：
[1]刘振亚. 智能电网技术[M]. 北京：中国电力出版社，2010.
[2]许晓慧. 智能电网导论[M]. 北京：中国电力出版社，2009.
[3]孙褆, 舒开旗, 刘建华. 电能计量新技术与应用[M]. 北京：中国电力出版社，2010.
[4]冯垛生,等．智能电网技术知识解读[M]. 北京：人民邮电出版社，2013.
[5]Jean J.Labrosse(美), 何小庆,张爱华(译). 嵌入式实时操作系统uC/OS-Ⅲ应用开发-基于STM32微控制器[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2012.
[6]Jean J.Labrosse(美), 邵贝贝(译). 嵌入式实时操作系统uC/OS-Ⅲ[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2013.
[7]李志明, 檀永, 徐石明, 丁孝华, 桑林. STM32嵌入式系统开发实战指南[M]. 北京：机械工业出版社，2013.
[8]张邦术. 嵌入式软件设计之思想与方法[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[9]胡成华. 嵌入式网络编程[M]. 北京：电子工业出版社，2012.
[10]杜丹. 基于嵌入式系统农网智能终端研究与设计[D]. 西安：西安理工大学，2015.
[11]杨韬. 基于嵌入式系统的智能电表研究与设计[D]. 合肥：安徽理工大学，2013.
[12]杨志强. 基于嵌入式系统的电力缴费系统的设计[D]. 保定：华北电力大学，2014.
[13]孟武胜, 李丽梅, 何潇. 基于嵌入式系统的电力测控系统的设计[J]. 电测与仪表，2014(02):60-63.
投稿日期：2017-06-30
基金项目：国家自然科学基金项目（61462036）
作者简介：
1、章泽煜（1991.10），男，福建福州人，在读硕士研究生，研究方向：智能计算、嵌入式系统.
2、王妍（1993.3），女，山西长治人，在读硕士研究生，研究方向：大数据复杂网络及安全.
3、廖龙龙（1993.6），男，江西新余人，在读硕士研究生，研究方向：智能计算、无线Mesh网络.
论文作者:章泽煜,王妍,廖龙龙
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第11期
论文发表时间:2017/10/10
标签：电能论文; 采集器论文; 电网论文; 用户论文; 智能论文; 数据论文; 信息论文; 《建筑学研究前沿》2017年第11期论文;