錢 亮，張 贏，左 勇

（安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

智能電表作為供電公司與用戶溝通的紐帶，實現(xiàn)了用戶用電數(shù)據(jù)的計量、采集和傳輸，為供電公司對用戶的用電考核、獎懲等方面提供重要的數(shù)據(jù)支撐，保障國家政策的順利執(zhí)行[1-3]。為了滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展要求，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院涂煽啃?，人們對智能電表技術(shù)進行了廣泛的研究，使其得到了飛速發(fā)展[4-6]。雖然智能電表得到大范圍普及，但智能電表的數(shù)據(jù)保護問題卻沒有有效的解決方案。傳統(tǒng)智能電表采用本地存儲器存儲電力數(shù)據(jù)，存儲空間有限，無法做到本地數(shù)據(jù)備份，一旦本地存儲器損壞，對應(yīng)用戶的用電信息將無法完整追回，將給電網(wǎng)以及供電公司帶來一定的風(fēng)險以及損失[7-10]。

目前智能電能表的內(nèi)部存儲設(shè)計，在硬件上普遍采用RAM 和E2PROM 結(jié)合的方式，分別用以存儲脈沖個數(shù)及用戶電量數(shù)據(jù)[11-13]。在算法上，程序?qū)γ}沖觸發(fā)個數(shù)進行檢測并緩存至RAM，再通過脈沖觸發(fā)個數(shù)來對目標(biāo)用戶的電量進行統(tǒng)計，最后將計量得到的電量值存儲到E2PROM 中，從而保存用戶用電量數(shù)據(jù)[14-15]。該方法通過減少對E2PROM 的使用頻率，增加電表存儲的使用壽命，提高電表運行的數(shù)據(jù)安全性?？梢奅2PROM 的數(shù)據(jù)可靠性是智能電表可靠性的關(guān)鍵。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，部分智能電表已經(jīng)運行多年，E2PROM 的使用頻次較多，容易引起因E2PROM 故障而導(dǎo)致的智能電表運行故障，如數(shù)據(jù)丟失、參數(shù)混亂等。因此衍生出一些保護E2PROM 數(shù)據(jù)的研究，比如通過優(yōu)化E2PROM存儲空間、改進存儲機制等，降低E2PROM 損壞的概率；再如，目前常用的一種保護E2PROM 數(shù)據(jù)的方法是：在電能表的存儲器中設(shè)置保護模塊，將需要保護的電量數(shù)據(jù)設(shè)置CRC 校驗碼后存入該模塊中。這一類方法雖然能夠延長E2PROM 的使用壽命，但數(shù)據(jù)的安全性仍然較大程度依賴電能表的本地存儲，當(dāng)本地存儲出現(xiàn)故障時，該方法仍然無法保證數(shù)據(jù)安全。

針對上述問題，有必要研究一種新的數(shù)據(jù)保護方式，增加數(shù)據(jù)存儲的安全性及電表運行的可靠性。近年來，云平臺發(fā)展較為迅速，其安全性和可靠性已得到驗證。而隨著電能表產(chǎn)品技術(shù)的不斷改進，現(xiàn)有電能表已能夠利用多種通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互。利用云平臺及電能表的多種通信機制，構(gòu)建一個獨立于電能表本地存儲的數(shù)據(jù)存儲體系，是一個值得研究的方向。目前電能表的模塊化設(shè)計已較為成熟，硬件方面只須在原有基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的接口和功能，即可構(gòu)建本系統(tǒng)。而在軟件方面，云平臺提供多種數(shù)據(jù)存儲方式，電能表與云平臺的數(shù)據(jù)交互可按照云平臺提供的數(shù)據(jù)模型設(shè)計對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。因此，本系統(tǒng)在產(chǎn)品的更新和推廣上具有較高的可行性和經(jīng)濟性。

1 系統(tǒng)整體方案

本文設(shè)計的系統(tǒng)由云平臺、支持4G 模塊的智能電能表以及通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)的工作業(yè)務(wù)流程如下：

（1）物聯(lián)管理平臺提供設(shè)備端SDK，電能表使用SDK 與平臺通信。電能表運行后，對云平臺發(fā)起設(shè)備接入請求。

（2）云平臺驗證智能電表身份有效性。

（3）云平臺根據(jù)設(shè)置的物模型顯示當(dāng)前電能表連接狀態(tài)及運行狀態(tài)。

（4）電能表根據(jù)程序中的定時任務(wù)向云平臺發(fā)送電量數(shù)據(jù)以及運行數(shù)據(jù)。

（5）云平臺將數(shù)據(jù)備份至云存儲空間。

（6）上位機可以使用物聯(lián)管理平臺以及云存儲空間的接口獲取對電能表設(shè)備的管理權(quán)限，如對電能表進行遠程控制、數(shù)據(jù)獲取，也可查詢云端數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)。

（7）電表進入下一等待周期。

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計采用模塊化思路，對現(xiàn)有智能電能表硬件架構(gòu)進行改進。具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包含主控芯片RN8318、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源控制模塊、交流采樣模塊、4G 通信模塊、RS 485 通信模塊和液晶顯示模塊。各模塊均通過硬件接口與主控芯片連接。

圖2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

采用鐵電存儲器（E2PROM）加外部FLASH 存儲器，存儲不同類型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲模塊電路設(shè)計如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲模塊電路設(shè)計

2.2 4G 通信模塊設(shè)計

4G 通信模塊用于連接電能表與云平臺。本系統(tǒng)設(shè)計一路4G 模塊接口電路，通過SPI 與智能電表RN8318 相連，實現(xiàn)電能表與云平臺的數(shù)據(jù)交互。4G 通信模塊電路如圖4所示。

圖4 4G 通信模塊電路設(shè)計

2.3 RS 485 通信模塊設(shè)計

RS 485 通信模塊用于連接電能表與外部終端。本系統(tǒng)設(shè)計一路UART 轉(zhuǎn)RS 485 接口電路，實現(xiàn)電表與外部終端的數(shù)據(jù)交互，方便進行本地維護。RS 485 通信模塊電路設(shè)計如圖5 所示。

圖5 RS 485 通信模塊電路設(shè)計

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計以下功能：計量功能、基于MQTT 的數(shù)據(jù)交互功能、定時數(shù)據(jù)備份功能。

3.1 計量功能設(shè)計

電能計量模塊設(shè)計如圖6 所示。

本系統(tǒng)可測量合相各費率四象限有功、四象限無功電量。合相總電量在需要時由各分費率累加而成。

本系統(tǒng)可測量分相總的四象限有功、四象限無功電量。分相電量不支持分費率。

合相的組合有功、組合無功1、組合無功2 在需要時根據(jù)計量表達式生成。同樣，正向有功和反向有功也是在需要時臨時生成，只是表達式是固定的，不可配置，即正向有功=I 象限+IV 象限，反向有功=II 象限+III 象限。根據(jù)有功組合方式特征字和無功組合方式1 和2 特征字進行設(shè)置如下：

（1）保存當(dāng)前及前面12 個結(jié)算周期的各電量；

（2）支持所有電量數(shù)據(jù)清零（電表清零命令或系統(tǒng)清零命令）；

（3）分相電量根據(jù)合相的脈沖數(shù)及當(dāng)前功率計算，即當(dāng)無脈沖時，合相和分相均不可能出現(xiàn)電量。

3.2 基于MQTT 的數(shù)據(jù)交互架構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)云端存儲，本系統(tǒng)采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)管理平臺作為云平臺，通過阿里云物聯(lián)管理平臺管理設(shè)備連接， 存儲設(shè)備數(shù)據(jù)，相比自建專業(yè)云的成本、運維負擔(dān)更少。

首先在阿里云物聯(lián)網(wǎng)管理平臺上構(gòu)建電能表的物模型，保存物聯(lián)網(wǎng)平臺頒發(fā)的設(shè)備證書（ProductKey、DeviceName和DeviceSecret），用于電能表設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)管理平臺的身份驗證。電能表與物聯(lián)網(wǎng)管理平臺通過MQTT 建立連接，電能表通過訂閱云端Topic 進行數(shù)據(jù)交互。構(gòu)建Topic 見表1所列，數(shù)據(jù)以JSON 串形式上傳。

在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺上設(shè)置消息流轉(zhuǎn)規(guī)則，可以將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)至其他云存儲空間。上述云存儲空間可選用多種形式，本設(shè)計中使用阿里云表格存儲。表格存儲將流轉(zhuǎn)來的JSON串按設(shè)置的數(shù)據(jù)庫表頭存儲，表格存儲數(shù)據(jù)庫設(shè)計見表2所列。

表2 數(shù)據(jù)庫

主程序通過一個狀態(tài)機來處理電能表與云平臺的連接狀態(tài)，流程如圖7 所示。程序默認每1 s 檢測接入狀態(tài)，電能表狀態(tài)程序中通過枚舉類型定義，用全局變量表示。電能表上電后進入待連接狀態(tài)，初始化客戶端模式，成功后對云平臺發(fā)起連接請求，收到確認幀后，訂閱Topic，切換電能表進入已連接狀態(tài)，之后每分鐘發(fā)送心跳幀保持設(shè)備在線。

圖7 接入狀態(tài)查詢流程

數(shù)據(jù)接收通過檢測串口中斷獲取，獲取到JSON 串后根據(jù)Topic 以及數(shù)據(jù)值，程序做出相應(yīng)處理。

3.3 定時數(shù)據(jù)備份功能設(shè)計

電能表在設(shè)備接入云平臺的狀態(tài)下，每1 min 上傳一次電量數(shù)據(jù)以及運行參數(shù)。

電能表運行參數(shù)以全局變量存在，到達時間閾值時，讀取電能表RAM 中的運行參數(shù)全局變量，將數(shù)據(jù)組包成JSON 串發(fā)送至云平臺，電能表運行數(shù)據(jù)備份用于電表異常時恢復(fù)正常運行狀態(tài)。流程如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)備份流程

電能表電量數(shù)據(jù)存儲在E2PROM 中，到達時間閾值時，讀取當(dāng)前費率以及E2PROM 中的電量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)組包成JSON 串發(fā)送至云平臺。

4 測試驗證

為了驗證系統(tǒng)整體功能，本文在實驗室進行了測試。如圖9 所示，準備兩臺電能表接入相同的測試環(huán)境（臺體），上電后通過4G 通信方式接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，同時將RS 485 連上本機電腦，設(shè)備上線后開始測試。

圖9 測試設(shè)備

兩臺電能表上電后進行初始化操作，確保初始值一致，在相同環(huán)境下運行6 h，對比RS 485 抄讀數(shù)據(jù)與云端存儲數(shù)據(jù)，實驗部分結(jié)果見表3 所列。測試驗證結(jié)果顯示，云端數(shù)據(jù)存儲具備較高的準確性，本系統(tǒng)具備良好的推廣應(yīng)用前景。

表3 實驗結(jié)果

5 結(jié) 語

本文設(shè)計一種基于云平臺的智能電能表數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)，通過云平臺備份智能電能表數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)電能表本地存儲器異常后數(shù)據(jù)無法備份、恢復(fù)的問題，提高電能表運行的穩(wěn)定性。同時驗證了本文系統(tǒng)工作的有效性。為使系統(tǒng)更加便于應(yīng)用，可進一步在提高傳輸速率、解決帶寬問題、壓縮存儲空間等方面進行研究及改進。