沈建良，李亦龍，吳劍芳

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310000）

0 引 言

智能電能表［1-2］作為一種電能計量器具，用來衡量用戶消費電量的多少，是電力公司對用戶用電收費的依據(jù)，因此，其存儲數(shù)據(jù)［3-4］的安全可靠顯得十分重要。目前，智能電能表主要存儲數(shù)據(jù)包括當(dāng)前電能、歷史電能以及事件記錄等信息，隨著用電情況的越來越多變，智能電能表的功能越來越豐富，特別是OIML R46國際建議［5-6］的推行，要求智能電能表計量功能與其他功能相互獨立，“計量芯”負(fù)責(zé)計量功能，“管理芯”負(fù)責(zé)其他功能，即“雙芯”設(shè)計。因此，新一代智能電能表將涉及計量芯、管理芯的電能相關(guān)數(shù)據(jù)的校核，同時，計量芯作為最基礎(chǔ)也是最重要的電能計量部分，存儲的數(shù)據(jù)量特別大，并且不允許數(shù)據(jù)丟失或錯誤。

如何設(shè)計既能實現(xiàn)智能電能表的大容量數(shù)據(jù)存儲，又能保證數(shù)據(jù)存儲的安全性，就顯得尤為重要。本文從 EEPROM［7-8］及 Flash［9］數(shù)據(jù)保存特點出發(fā)，結(jié)合電能存儲數(shù)據(jù)的重要性，提出了一種智能電能表的大容量數(shù)據(jù)存儲方法，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲。

1 “雙芯”設(shè)計智能電能表數(shù)據(jù)存儲分配

采用“雙芯”設(shè)計的智能電能表包含計量芯和管理芯，計量芯主要用來存儲當(dāng)前電能及基礎(chǔ)凍結(jié)電能的數(shù)據(jù)信息。管理芯主要用來存儲當(dāng)前電能、歷史電能、當(dāng)前需量、歷史需量、事件記錄和運行設(shè)置相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)信息。

目前，智能電能表主要用到的存儲器包含EEPROM、Flash等［10］，EEPROM存儲器具有免擦寫，讀寫壽命超過100萬次的優(yōu)點，但其存儲容量有限，主要用來存儲當(dāng)前電能、當(dāng)前需量和運行設(shè)置相關(guān)參數(shù)等數(shù)據(jù)量較小的數(shù)據(jù)信息。Flash存儲器具有存儲容量大的優(yōu)點，但寫入數(shù)據(jù)前，如果待存儲區(qū)域不為空，需進行擦除操作，且擦除時間長，同時擦除次數(shù)不超過10萬次。因此，主要用來存儲歷史電能、事件記錄等數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)信息。

2 計量芯大容量數(shù)據(jù)的存儲

計量芯功能需要進行基礎(chǔ)凍結(jié)電能信息的保存，用來滿足管理芯費率電能的處理，同時用于管理芯計費數(shù)據(jù)的校核。為滿足未來多變的用電信息需求，這里定義基礎(chǔ)電能信息需要滿足正、反向有功總電能每1分鐘的存儲間隔，以及第一、二、三、四象限無功電能每15分鐘的存儲間隔，并且存儲深度不小于1年。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)通常采用三處備份的方式。由此計算，電能表存儲數(shù)據(jù)量很大，可超過20 MByte。因此，采用“雙芯”設(shè)計的智能電能表數(shù)據(jù)的存儲不僅要求存儲器容量大，而且還需要其具有較長的讀寫壽命，保證數(shù)據(jù)存儲的安全性。

2.1 存儲區(qū)說明

數(shù)據(jù)存儲區(qū)域主要分為兩處，分別在EEPROM和Flash。利用EEPROM數(shù)據(jù)可直接寫入的特點，在EEPROM中實時存儲最近兩天的電能數(shù)據(jù)信息，同時結(jié)合Flash存儲容量大的特點，其他時間的電能數(shù)據(jù)信息都定時保存在Flash中。該方式可避免實時寫Flash數(shù)據(jù)時，擦除Flash操作，減少外部異常對Flash擦除操作的影響，提高寫入安全性。同時定時把EEPROM中的批量數(shù)據(jù)，保存至Flash中，提高存儲效率。

在EEPROM中開辟兩塊地址空間，用于存儲兩天的數(shù)據(jù)信息，采用交替擦寫的方式存儲數(shù)據(jù)。電能表正常運行狀態(tài)時，一處EEPROM存儲空間存放數(shù)據(jù)，另一處數(shù)據(jù)為空。當(dāng)EEPROM中儲存的數(shù)據(jù)量滿1天時，將該存儲數(shù)據(jù)寫入Flash中，同時清除該存儲空間，新紀(jì)錄數(shù)據(jù)存放至EEPROM另一個地址空間，兩塊存儲空間采用輪換的存儲方式。

在滿足電能表基礎(chǔ)電能信息存儲容量20 MByte的要求下，分析比較采用EEPROM、Flash和EEPROM+Flash三種存儲方式的特點，如表1所示。分析可見，采用EEPROM+Flash的存儲方式既可以滿足數(shù)據(jù)存儲的讀寫壽命和可靠性要求，同時又可以在成本上得到有效控制。

表1 三種存儲方式特點比較Tab.1 Comparison of three data storage methods

2.2 EEPROM存儲設(shè)計

電能表每分鐘觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲動作，將當(dāng)前電能表有效時鐘和需存儲的數(shù)據(jù)組織好后放入臨時緩存。然后讀取兩處EEPROM地址的數(shù)據(jù)，判斷時標(biāo)是否有效。

第一種情況，兩處地址數(shù)據(jù)都有效。先將兩處地址中時標(biāo)較小數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存Flash，然后比較臨時緩存數(shù)據(jù)時標(biāo)和兩處地址中較大時標(biāo)的日期大?。海?）若臨時緩存數(shù)據(jù)時標(biāo)日期小于EEPROM中較大時標(biāo)的日期，則不寫入；（2）若臨時緩存數(shù)據(jù)時標(biāo)日期大于EEPROM中較大時標(biāo)的日期，則寫入另一處EEPROM，同時將該EEPROM中原有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至Flash；（3）若相等，則判斷臨時緩存時標(biāo)中的時分對應(yīng)EEPROM中已存數(shù)據(jù)的時分偏移地址往后（包括這個點）的數(shù)據(jù)是否全部無效，若全部無效，則寫入。

第二種情況，一處地址數(shù)據(jù)有效。比較臨時緩存數(shù)據(jù)時標(biāo)和有效數(shù)據(jù)時標(biāo)的日期大?。海?）若臨時緩存數(shù)據(jù)時標(biāo)日期小于有效數(shù)據(jù)時標(biāo)日期，則不寫入；（2）若臨時緩存數(shù)據(jù)時標(biāo)日期大于有效數(shù)據(jù)時標(biāo)日期，則寫入另一處EEPROM地址，同時將該EEPROM中原有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至Flash；（3）若相等，則判斷臨時緩存時標(biāo)中的時分對應(yīng)EEPROM中已存數(shù)據(jù)的時分偏移地址往后（包括這個點）的數(shù)據(jù)是否全部無效，若全部無效，則寫入。

第三種情況：兩處地址都無效。則將臨時緩存中的數(shù)據(jù)存入其中一處EEPROM地址。

一是立志“成一家之言”。在年輕的時候，章學(xué)誠就立下大志，要對《漢書·藝文志》進行研究，校讎其書，申明微旨，“又取古今載籍，自六藝以降，訖于近代作者之林，為之商榷利病，討論得失，擬為《文史通義》一書，分內(nèi)外雜篇，成一家言”[1]。章學(xué)誠的“成一家之言”是要對歷史文獻“商榷利病，討論得失”，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，提出新的史學(xué)觀點，研究新的史學(xué)理論。章學(xué)誠的學(xué)術(shù)實踐也正是這么做的，他在史學(xué)領(lǐng)域大膽發(fā)揮，“自信發(fā)凡起例，多為后世開山?！盵2]為千古史學(xué)開辟了新的道路。

2.3 Flash存儲設(shè)計

為提高MCU執(zhí)行效率，在MCU處理器正常處理任務(wù)間隙，檢查判斷需寫入的Flash是否為空，若不為空則擦除。避免在寫入時，再進行Flash擦除操作，提高Flash數(shù)據(jù)寫入效率，縮短寫入數(shù)據(jù)時間，進一步提高數(shù)據(jù)寫入的可靠性。

當(dāng)EEPROM數(shù)據(jù)存儲流程中觸發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存Flash時，比較需轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)的時標(biāo)與Flash中最近一天數(shù)據(jù)的時標(biāo)：（1）若需轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)的時標(biāo)大于Flash中最近一天數(shù)據(jù)的時標(biāo)，則將數(shù)據(jù)寫入；（2）若需轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)的時標(biāo)小于等于Flash中最近一天數(shù)據(jù)的時標(biāo)，則不寫入。

Flash中數(shù)據(jù)按時標(biāo)順序循環(huán)存儲，當(dāng)存儲數(shù)據(jù)量滿1年時，將覆蓋最早一天的數(shù)據(jù)，以此類推，如圖1所示。

2.4 數(shù)據(jù)存儲流程

計量芯電能數(shù)據(jù)信息在EEPROM與Flash中存儲流程，具體實現(xiàn)方法如圖2所示。

圖1 Flash數(shù)據(jù)存儲模式Fig.1 Mode of Flash data storage

圖2 計量芯電能數(shù)據(jù)信息存儲流程Fig.2 Flow chart of electricity data information storage for metering chip

步驟如下：

S101：電能表每分鐘觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲動作，將當(dāng)前電表時鐘和需存儲的數(shù)據(jù)組織好后放入臨時緩存；

S102：讀取兩處存儲區(qū)的數(shù)據(jù)，判斷其時標(biāo)是否都有效，若是進入步驟 S103、S104，否則進入步驟S111；

S104：將兩處存儲區(qū)中時標(biāo)較小的有效數(shù)據(jù)作為待轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)，然后進入步驟S106；

S105：將該臨時緩存數(shù)據(jù)作為待轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)；

S106：比較待轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)的時標(biāo)是否大于Flash中最近一天數(shù)據(jù)的時標(biāo)，若是進入步驟 S107，否則結(jié)束；

S107：將EEPROM中有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至Flash，然后進入步驟S110；

S108：如果臨時緩存數(shù)據(jù)時標(biāo)不大于兩處存儲區(qū)中較大時標(biāo)的日期，則判斷臨時緩存數(shù)據(jù)時標(biāo)是否等于兩處存儲區(qū)中較大時標(biāo)的日期，判斷是進入步驟S109，否則結(jié)束；

S109：判斷臨時緩存時標(biāo)中的時分在對應(yīng)EEPROM中已存數(shù)據(jù)的時分偏移地址往后（包括這個點）的數(shù)據(jù)是否全部無效，若是進入步驟 S110，否則結(jié)束；

S110：將臨時緩存數(shù)據(jù)寫入EEPROM；

S111：判斷兩處存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)是否有一處有效，若是進入步驟S103，否則進入步驟S112；

S112：將臨時緩存中的數(shù)據(jù)存入EEPROM的其中一處存儲區(qū)。

3 結(jié)束語

簡述了智能電能表大容量數(shù)據(jù)存儲方式下存儲器的劃分，結(jié)合目前常用存儲器EEPROM及Flash存儲器特征，研究了如何用目前常用的EEPROM和Flash存儲器安全、高效的存儲“計量芯”中大容量電能數(shù)據(jù)。有效的避免了現(xiàn)有技術(shù)中EEPROM存儲容量小、Flash閃存擦寫次數(shù)低以及擦寫時間長的缺點。在降低EEPROM存儲容量要求的同時，減少了Flash操作次數(shù)，不僅提高了雙芯電能表數(shù)據(jù)的存儲效率，而且擴展了存儲器的使用壽命，提高了電能表大容量數(shù)據(jù)存儲的安全性與可靠性，同時，在成本上也得到了有效的控制。