1.江西理工大学理学院 江西赣州 341000
摘要：本文对电能信息采集系统集中器硬件设计进行研究，运用嵌入式技术，结合多种通信方式，通过实验和仿真设计出智能电网电能信息集中器。文章从电能信息集中器硬件和通信模块进行系统的介绍，电能信息集中器的设计基于Linux系统，使用NS2网络仿真软件进行集中器的通信仿真。致力于提升集中器的硬件容量、工作效率、安全性能以及多种通信方式的智能化处理。同时，为不同密集度、环境和台区的用户搭配适合其自身特点的电能信息集中器提供研制模板和理论指导。
关键词：智能电网；Linux系统；电能信息集中器；NS2；
Design and research of smart grid power energy information concentrator based on Linux System
WANG Yan1，ZHANG Ze-yu1
（1.School of Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；）
Abstract：The paper did research in hardware design of power energy information concentrator，used embedded technology combined multiple communication modes，design the smart grid power energy information concentrator via experiments and simulations. The article introduces hardware and communication module of power energy information concentrator. The design of power energy information concentrator based on Linux System，the simulation of concentrator communication used NS2 network simulation software. Dedicated to upgrading hardware capacity，work efficiency，safety performance and intelligent processing the multiple communication modes of concentrator. Providing development templates，theoretical guidance for matching with its own characteristics of the power energy information concentrator to users which in different densities，environment，and areas at the same time.
Key word：smart grid；Linux System；power energy information concentrator；NS2；
引言
随着社会经济水平和人们生活水平的不断提高，对电力资源的需求也在日渐提升。电能信息采集系统的出现为电力企业提供有价值且准确的电能数据信息，创建一个全新的经营生产模式，保证电力资源的合理使用，充分满足电力的分配、管理及应用等需求，促进电力行业快速稳定发展【1】。电能信息采集系统运用自动采集技术，包含信息采集系统、信息处理系统、数据通信系统、监控系统等部分，可以及时、有效地获取电力用户的的相关电能信息，进行监测、监控和调节等工作，供电企业得以优化分布式能源配置，从而达到将电能以最经济、最安全的输配电方式输送给终端用户，提高电网运营的可靠性和能源利用率，获得更加准确的负载和网损信息，从而避免电力设备过负载和电能质量恶化，减少电网备用容量，提高电网经济效益。同时，电能信息采集系统还可以实现异常状态的在线分析、动态跟踪和自动控制，提高供电可靠性，实现电网元器件、智能电能表以及用户设备的监测、维护、预防，可通过查询异常用电记录，为故障分析提供可靠的实时数据，当计量点发生故障时，通过将大量测量数据进行整合，可估算故障期间的电量，提高计量的准确性【2，3，4】。
现阶段，电能信息采集系统在实际应用中主要以标准化、集约化为基础，开展各项工作任务，只有这样才能保证电能信息采集系统可以朝着智能化的形式发展下去。将嵌入式技术应用于电能信息采集集中器中，可以为系统提供更多的功能，显著提高工作效率和可靠性，方便拓展且降低了成本，为用户带来更全面的服务【5】。因此，对智能电网电能信息集中器的深入探究、设计具有一定的研究意义和实用价值。
1 嵌入式Linux操作系统
Linux是一套免费使用、开源的、自由传播的，也是当今世界上使用最多的类Unix操作系统，它主要基于Intel x86系列CPU的计算机上，这个系统由世界各地成千上万的程序员设计实现的。其目的是建立不受任何商品化软件版权制约的、所有人都能自由使用的Unix兼容产品。Linux系统具备以下优点：
1、开放性：Linux系统遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互联（OSI）国际标准，采用GPL授权，除了公开源代码，可以自由使用和修改；
2、多任务：Linux系统可同时运行多个进程，每个进程又可同时运行多个线程，各程序相互独立运行，不受其它程序的影响；
3、多用户：一台能并发和独立执行多个用户的若干计算机系统，即几个应用程序可同时处于活动状态并竞争相关资源；
4、提供丰富的网络功能，内置网络十分完善：Linux在通信和网络功能方面优于其它操作系统；
5、系统安全可靠：Linux系统中采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、审计跟踪、核心授权、带保护的子系统等；
6、良好的可移植性：可移植性是指将操作系统从一个平台转移到另一个平台，并使它仍然能按其自身的方式运行的能力。Linux系统可在x86、MIPS、ARM、Strong ARM、Power PC等平台上运行；
7、稳定性强；
8、应用软件众多【6，7，8】。
2 电能信息集中器的设计
2.1 电能信息集中器的主要功能
电能信息集中器通过从采集终端实时收集的用户数据，判定用户类型，再分类储存和上传。所收集的信息包括：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，采集终端对用户的电能信息数据每分钟采集一次，集中器每日统计一次。同时，集中器具备费控功能，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，终端定时采集用户电能表数据，计算剩余电费并发送至集中器存档。当用户所剩电费接近跳闸门限值时，集中器控制终端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），集中器控制终端向用户下达停电缴费通知，并切断供电。用户在终端或营业点缴费成功后，主站下发允许合闸命令，集中器发送给终端执行合闸操作。在安全方面，集中器加入了专门的安全加密算法，确保系统的正常运行和数据信息的安全【9，10】。
2.2 电能信息集中器各部分介绍
电能信息集中器的开发基于飞凌嵌入式公司OK6410-A开发板，微处理器为三星ARM11 S3C 6410，ARM11 76JZF-S内核，是16/32位RISC微处理器，功耗低且高性能。基于系统设计所使用的飞凌嵌入式OK6410开发板的数据，它的配置主要有256M内存（SDRAM）和1G NAND FLASH，主频为533MHz，最高可达667MHz，2路SPI，2路I2C，2路三/五线UART，超过50路可定义GPIO，16位数据总线和20位地址总线。
如图1所示，电源模块提供5V与3.3V的电压信号，满足集中器内部各芯片供电电压。时钟由开发板的RTC支持，装配CR1220纽扣电池，在掉电时供电。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。集中器配置开发板板载的DS18B20高精度温度传感器以及HS0038B一体化红外接收器，对工作状态、周边环境进行实时记录和监测。集中器使用开发板自带的4.3寸TFT LCD液晶显示屏，计划选用TG160160B，它的内部自带控制器，可直接与处理器S3C 6410连接，进行数据传输。OK6410-A集成一个100M以太网接口，通过DM9000AE芯片与内置变压器的RJ45网口插座相连。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集中器进行升级，同时支持远程在线升级功能。开发板底板有2路晶振源，其中：24.576MHz晶振有晶振源，为WM9714供给MCLKA，再由WM9713于内部供给AC97CLK：24.576MHz；25MHz晶振为无源晶振，为DM9000AE提供晶振源。
在运行过程中，集中器需要存储和发送大量用户电能数据等信息，S3C 6410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。同时也考虑到信息的安全，必须使用高性能、大容量的存储器来实现，故选用镁光公司的256G NAND FLASH芯片，该芯片采用MLC（Multiple-level Cell）技术，单个page页的读延迟在50us左右，页面编程时间为900us，块擦除时间3ms左右，每个块擦除寿命达5000次，且该芯片支持同步、异步两种接口模式。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，它所保存的信息不会丢失。
集中器在安全模块上使用AES-128加密算法，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。在通信方式上设计包括：以太网、GPRS无线公网、专用光纤、微功率无线、低压载波、RS485总线、专用光纤和TD-LTE无线专网通信。采用红帽嵌入式Linux操作系统RHEL6进行开发，内核版本为：Linux-3.0.1，交叉编译器为：arm-linux-gcc-4.3.2，U-Boot版本为：U-Boot-1.1.6，SEGGER公司的J-LINK V8进行仿真调试【11，12】。
2.3 集中器数据通信模块介绍
集中器服务对象大致分为两大类：?一般用户：包括普通居民用户、低压单/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。如图2所示，集中器与主站之间的通信，即：上行通讯的远程信道采用专用光纤、以太网、GPRS无线公网和TD-LTE无线专网传输。集中器与采集终端之间的通信，即：下行通讯的本地信道采用低压载波、RS485总线、光纤微功率无线以及TD-LTE无线专网传输。本地信道下行通信时，采集终端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集中器。采集终端收集特殊用户数据后，通过RS485总线或直接通过TD-LTE无线专网传输给集中器。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，故使用GPRS无线公网通信以及TD-LTE无线专网通信。考虑到不同地区的状况，对于用户密集的城区，选择专用光纤和以太网的通信方式；距离偏远的地区，选择GPRS和TD-LTE无线通信的方式。集中器数据通信模块采用红帽RHEL6 Linux系统下的NS2（Network Simulator Version 2）网络仿真模拟软件进行仿真实验【13，14】。
3 结束语
本文所设计的智能电网电能信息集中器，通过所收集到的电压、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；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；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。
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作者简介：1.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。
2.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。
基金项目：国家自然科学基金项目（61462036）
论文作者:王妍1,章泽煜1
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/27
标签：集中器论文; 电能论文; 信息论文; 用户论文; 电网论文; 三星论文; 数据论文; 《建筑学研究前沿》2017年第15期论文;