(河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401)

0 引言

智能電網(wǎng)[1-3]是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，其發(fā)展的主要目標(biāo)是實現(xiàn)電能的合理配置，促進節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展。為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和用電管理模式發(fā)展的需要，以高級計量結(jié)構(gòu)(advanced metering infrastructure,AMI)模型為基礎(chǔ)，基于3G/4G移動通信網(wǎng)絡(luò)接入方式，研究開發(fā)了集雙向電能計量、電能質(zhì)量監(jiān)控和用電保護等功能于一體的網(wǎng)絡(luò)化智能低壓配電終端。該終端采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，拓展傳統(tǒng)低壓配電箱的線路保護和電能計量計費功能。

智能低壓配電終端采用Android操作系統(tǒng)的原因如下：為了適應(yīng)智能終端的發(fā)展趨勢，采用Android操作系統(tǒng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢；該智能低壓配電終端要屏蔽底層硬件的差異，當(dāng)需要改進某項功能或添加一項新的功能時，用戶只需更換或開發(fā)軟件就能實現(xiàn)；為了降低開發(fā)難度，實現(xiàn)軟硬件分離。

1 硬件結(jié)構(gòu)模型

本智能低壓配電終端以AMI模型為基礎(chǔ)，將智能電表和線路保護功能集于一體，并且以嵌入式Linux平臺為核心，采用全數(shù)字化的形式來實現(xiàn)線路保護控制、遠程網(wǎng)絡(luò)通信、智能化計量計費和本地人機操控等功能。其硬件結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 智能低壓配電終端硬件結(jié)構(gòu)模型圖

由圖1可以看出，與傳統(tǒng)低壓配電箱相比，該智能低壓配電終端取代了傳統(tǒng)的機械/電子式電能表，將線路保護和電能計量兩個功能模塊合二為一，使得其結(jié)構(gòu)更為緊湊、性能更強，并能有效降低成本。

線路保護控制功能主要由數(shù)字式脫扣器來實現(xiàn)，機械式脫扣器只在數(shù)字脫扣器無法正常工作時起輔助保護作用。而在實際系統(tǒng)中，為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通常將機械和數(shù)字脫扣器合二為一。

遠程無線通信接口采用3G模塊接入3G網(wǎng)絡(luò)的方式進行通信。

智能化電能計量和計費功能在硬件上采用專用的高精度電能計量芯片來提高計量精度。該計量芯片將電能測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的脈沖串，微處理器再對脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)電能計量。

計費與電能計量同步進行，根據(jù)預(yù)先確定的計費方式與費率(與時段、負(fù)荷大小等因素有關(guān))，在計量電能的同時計算實時電費總額；再根據(jù)用戶交費情況，把電費總額分為已繳和代繳兩個部分。

2 功能模型分析

智能低壓配電終端作為傳統(tǒng)低壓配電箱的替代產(chǎn)品，采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，全方位地拓展傳統(tǒng)低壓配電箱的線路保護和電能計量計費功能。為了滿足電能的信息化、精細(xì)化和科學(xué)化的管理要求，該終端還應(yīng)該具有一定的網(wǎng)絡(luò)通信功能，能方便地實現(xiàn)遠程配置、遠程監(jiān)控和遠程用電管理，并且可以對傳統(tǒng)低壓配電箱的各種功能進行拓展和完善。此外，還可以添加一些全新的功能。

智能低壓配電終端的功能模型如圖2所示。

圖2 智能低壓配電終端的功能模型圖

當(dāng)前，電能分配與使用的管理模式正在由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，為了適應(yīng)這一發(fā)展的需要，該配電終端采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的軟硬件可擴展性，而且支持遠程配置和軟件更新。配電終端主要包括測量計量、遠程無線網(wǎng)絡(luò)通信、智能保護和控制這五大功能模塊。

① 智能保護模塊：處理和分析獲取的實時測量數(shù)據(jù)，完成各種智能保護功能，具體保護功能和參數(shù)可以根據(jù)實際需要進行配置。

② 控制功能模塊：負(fù)責(zé)接收遠程/本地指令，實現(xiàn)線路分合、負(fù)荷控制、故障報警與復(fù)位等。

③ 遠程網(wǎng)絡(luò)通信模塊：采用3G移動通信網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)雙向通信功能，一方面將配電終端采集的各種數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)信息實時傳輸?shù)竭h端數(shù)據(jù)庫；另一方面也能接收遠端發(fā)來的控制和設(shè)置命令，完成時間同步、遠程控制、遠程配置和更新等任務(wù)。為了防止非法訪問，遠程通信模塊還需進行必要的數(shù)據(jù)加密和用戶權(quán)限控制。

④ 測量計量功能模塊：負(fù)責(zé)監(jiān)測無人看守條件下的非法入侵和竊電等行為，檢測線路參數(shù)和系統(tǒng)運行狀態(tài)。為適應(yīng)用電管理以及分布式發(fā)電發(fā)展的需要，設(shè)置了分時雙向電能計量功能。

⑤ 系統(tǒng)管理模塊：對本系統(tǒng)和其他功能模塊進行綜合管理，包括圖形化人機界面、本地功能和參數(shù)的配置、固件與軟件更新、電源和運行模式管理、用電信息查詢等。

3 軟件平臺

3.1 平臺的選擇

目前，市場上流行的Android操作系統(tǒng)[2]是一種基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)。Android操作系統(tǒng)有以下四個方面的優(yōu)勢：第一，屏蔽了底層硬件差異，可以在不同的硬件平臺上為應(yīng)用軟件提供一個基本無差異的開發(fā)和運行環(huán)境；第二，具有良好的可擴展性，可根據(jù)需要增刪相應(yīng)的軟件模塊，而無需更換硬件平臺；第三，硬件開發(fā)和應(yīng)用軟件開發(fā)相互獨立，降低了開發(fā)難度，不同的供應(yīng)商的硬件平臺和應(yīng)用軟件模塊可以進行系統(tǒng)集成，以充分引入市場競爭，降低軟硬件成本，促進新技術(shù)的應(yīng)用；第四，目前Android系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能終端。因此，本文采用基于Linux的Android操作系統(tǒng)來實現(xiàn)智能低壓配電終端的應(yīng)用軟件的設(shè)計。

3.2 Android平臺的體系架構(gòu)

Android系統(tǒng)架構(gòu)[4-6]從上到下分為：應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運行庫層、Linux核心層。

① 應(yīng)用程序?qū)樱核械膽?yīng)用程序都是用JAVA語言編寫的，許多開發(fā)出來的程序也都是運行在應(yīng)用層上的。

② 應(yīng)用程序框架層：開發(fā)者通過使用核心應(yīng)用程序來調(diào)用Android框架提供的API，這個應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)被設(shè)計成方便復(fù)用的組件。任何應(yīng)用程序都可以公布它的功能，其他的應(yīng)用程序可以使用這些功能。該應(yīng)用程序重用機制使用戶可以方便地替換程序組件。

③ 系統(tǒng)運行庫層：用戶空間部分為系統(tǒng)運行庫層，包含了系統(tǒng)庫和運行時庫兩種。系統(tǒng)庫包含了一套C/C++函數(shù)庫，主要包括lib、 Media Framework、WebKit、SGL、open GL、Free Type等，它們被應(yīng)用于Android系統(tǒng)的各種組件中。運行時庫可以分為核心庫和Dalvik虛擬機。核心庫提供了JAVA語言核心庫的大部分功能，主要是提供JNI接口實現(xiàn)應(yīng)用程序框架層和底層驅(qū)動之間的通信。Dalvik虛擬機可以提高程序的運行效率，它執(zhí)行的是.dex的可執(zhí)行文件，.dex對最小內(nèi)存使用做了優(yōu)化。

④ Linux核心層：可以完成驅(qū)動程序的設(shè)計，從而為系統(tǒng)提供底層服務(wù)。

Android操作系統(tǒng)的體系架構(gòu)圖如圖3 所示[3]。

圖3 Android 系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 應(yīng)用軟件的開發(fā)

3.3.1 加載功能

在上節(jié)中介紹了Android的系統(tǒng)架構(gòu)[7-8]，本節(jié)主要介紹基于Android系統(tǒng)架構(gòu)的功能模型中各功能的實現(xiàn)。但要實現(xiàn)功能模型中的功能，應(yīng)用程序之間必須進行通信，而且還必須和底層硬件進行通信。Android系統(tǒng)架構(gòu)中的JAVA應(yīng)用程序框架層提供了各種服務(wù)及管理器，用于實現(xiàn)對用戶空間的管理。而用戶空間的JNI即是可以在JAVA和C之間進行通信的工具。JNI一開始是為了C/C++語言而設(shè)計的，但是也可以使用其他語言。通過使用JNI書寫程序、JAVA代碼和其他語言之間進行交互，可以確保代碼在不同的平臺上進行移植。所以各個模塊功能的實現(xiàn)與JNI是密不可分的，具體介紹如下。

(1) 線路保護與控制功能的實現(xiàn)

① 內(nèi)核空間：電壓/電流傳感器驅(qū)動，對采集線路的電壓和相/零線電流進行數(shù)字采樣量化；脫扣器檢測驅(qū)動，對脫扣器的狀態(tài)進行檢測。

② 用戶空間：簡單功能放置在內(nèi)核驅(qū)動層，然后在硬件抽象層(HAL)進行核心功能的處理，對數(shù)字量、狀態(tài)量進行數(shù)據(jù)封裝轉(zhuǎn)換。當(dāng)線路運行狀態(tài)達到預(yù)定的脫扣閾值時，微處理器發(fā)出脫扣信號，控制數(shù)字脫扣器切斷線路，從而實現(xiàn)線路保護功能，并將脫扣器的狀態(tài)告知上層。

運行時庫進行HAL層接口的調(diào)用，根據(jù)JNI編寫規(guī)范及線路保護和控制功能模塊需要的參數(shù)編寫JNI函數(shù)，并給系統(tǒng)框架層提供接口。

系統(tǒng)框架層實現(xiàn)配電終端管理服務(wù)，對JNI函數(shù)進行調(diào)用，對底層告警進行監(jiān)聽。

應(yīng)用程序進行服務(wù)類的實例化調(diào)用，進行UI設(shè)計，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫進行管理，用戶還可以對一些保護功能需要的參數(shù)進行設(shè)置，如短路保護中的最大電流、過載保護中的最大負(fù)載、過壓/欠壓保護中的電壓。

(2) 智能化電能計量與計費的實現(xiàn)

① 內(nèi)核空間：根據(jù)電能計量模塊的功能需求，選擇一款適用于該智能低壓配電終端計量功能的雙向電能計量芯片，并編寫底層測量計量功能模塊的驅(qū)動程序。

② 用戶空間：測量計量的簡單功能放置在內(nèi)核驅(qū)動層，然后在硬件抽象層(HAL)進行核心功能的處理，對電量、電費、電價等數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)封裝轉(zhuǎn)換。

運行時庫進行HAL層接口的調(diào)用，根據(jù)JNI編寫規(guī)范及線路保護和控制功能模塊需要的參數(shù)編寫JNI函數(shù)，并給系統(tǒng)框架層提供接口。系統(tǒng)框架層實現(xiàn)配電終端管理服務(wù)，對JNI函數(shù)進行調(diào)用，對底層告警進行監(jiān)聽。

應(yīng)用程序進行服務(wù)類的實例化調(diào)用，并設(shè)計人性化的UI界面，可以方便用戶查詢自家的用電量及供電量(兩種電量分別計量)、耗電費用及供電所得費用，還能查詢某一時刻的電價、峰時用電量及谷時用電量，從而改善自家用電模式，達到節(jié)約用電的目的。另外，當(dāng)電費達到設(shè)定的閾值時，能通知用戶當(dāng)前電費不足，當(dāng)欠費時能自動斷電，當(dāng)繳費后可繼續(xù)用電。

(3) 遠程網(wǎng)絡(luò)通信功能的實現(xiàn)

遠程通信模塊采用3G移動通信網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)雙向通信功能。

① 內(nèi)核空間：根據(jù)3G模塊的功能要求，編寫驅(qū)動程序。

② 用戶空間：可以設(shè)計應(yīng)用程序來發(fā)送各種電能信息數(shù)據(jù)；3G中的RIL層的功能類似Android中的應(yīng)用程序框架層，可以對應(yīng)用程序?qū)影l(fā)送的數(shù)據(jù)進行打包及傳輸，除此之外，AT命令的發(fā)送及response的解析也由RIL負(fù)責(zé)。3G中的RILD層類似Android中的系統(tǒng)庫層，為RIL層已經(jīng)打包好的數(shù)據(jù)提供將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成AT命令的標(biāo)準(zhǔn)庫，然后發(fā)送給3G模塊；3G模塊可以反饋信息給應(yīng)用層處理。

(4) 系統(tǒng)管理功能

設(shè)計人性化的系統(tǒng)管理界面便于系統(tǒng)管理,實現(xiàn)對保護及控制等模塊的管理、參數(shù)配置及軟件更新。同時用戶也可以查詢某一時段的用電量及供電量的信息。

在Android系統(tǒng)[7-10]中利用各種組件及該模塊與其他模塊之間的通信編寫底層C程序，并為上層預(yù)留接口，編寫系統(tǒng)管理功能模塊的JNI文件，調(diào)用底層的接口，將參數(shù)傳遞到JAVA層，從而在界面上加以顯示。根據(jù)這一時段的用電量及該時段所用的電器情況，做出判斷，找出耗電最大的電器，從而改善家里的用電模式，達到節(jié)約用電的目的。

3.3.2 UI設(shè)計

應(yīng)用軟件的開發(fā)分為功能實現(xiàn)與UI界面設(shè)計兩部分。上一節(jié)中講述了功能實現(xiàn)的設(shè)計過程，本節(jié)則講述UI界面的設(shè)計過程。

本課題的UI界面[9-10]的設(shè)計要充分考慮用戶的需求，主界面上必須能夠直觀顯示出當(dāng)前智能低壓配電終端的工作狀態(tài)、用戶當(dāng)月用電量、當(dāng)前電費余額的信息、當(dāng)前合/分閘的狀態(tài)及當(dāng)前時刻的電價信息。

主界面底端要用tabHost容器來設(shè)計標(biāo)簽，主要有三個標(biāo)簽，分別為Menu、網(wǎng)絡(luò)及home。當(dāng)用戶觸摸Menu鍵，進入下一級的ListView菜單項。點擊ListView中的各個菜單項，可以分別進入下一級Activity。其中“設(shè)置”菜單可以對電流參數(shù)、電壓參數(shù)、漏電保護電流、最大負(fù)載、電價等進行設(shè)置；“用電統(tǒng)計信息查詢”則可以查詢歷史信息和當(dāng)前用電信息。由于該配電終端集雙向電能計量與保護功能于一體，所以在該項中可以查詢用電量及供電量的信息；“電能質(zhì)量實時監(jiān)控”可以監(jiān)控電壓允許偏差、頻率偏差、電壓波動等信息；“故障檢測”可以對當(dāng)前故障進行檢測，并針對不同的問題提供不同的解決方法。

4 結(jié)束語

本文針對智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，提出了一種全數(shù)字化的智能低壓配電終端，討論了其功能模型、結(jié)構(gòu)模型及Android中各功能的實現(xiàn)。該配電終端集線路保護和電能計量計費功能于一體，采用基于無線3G技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，能進行遠程配置，實現(xiàn)對低壓配電線路和電力終端用戶的遠程監(jiān)控和遠程用電管理。作為傳統(tǒng)民用低壓配電箱的替代產(chǎn)品，智能終端可以顯著提高電網(wǎng)的信息化和精細(xì)化管理水平，促進資源節(jié)約以及電能的合理分配，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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