CN102751784A - 基于嵌入式cpu的智能电网监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于智能电网的电能表，尤其是基于嵌入式CPU的智能电网监控装置。包括核心板和与其连接的控制板，其特点是，在所述核心板上安装有嵌入式CPU，以及与嵌入式CPU连接的存储器。本发明在嵌入式Vxworks操作系统的支持下，实现电表数据抄录、数据运算和处理、WCDMA-3G无线通信传输、负荷控制、以太网通信、USB通信、人机交互等功能。从而实现用户主站对用户用电信息的智能采集和负荷控制的等功能。

Description

基于嵌入式CPU的智能电网监控装置

技术领域

本发明涉及适用于智能电网的电能表，尤其是基于嵌入式CPU的智能电网监控装置。

背景技术

随着市场化改革推进，数字经济发展，气候变化加剧，环境监管要求日趋严格以及各国能源政策的调整，电网与电力市场、客户之间的关系越来越紧密。客户对电能质量的要求逐步提高，可再生能源等分散式发电资源数量不断增加，传统的电力网络已经难以满足这些发展要求。为此，人们提出发展智能电网的设想，以实现传统电网的升级换代。国家对电网的改造及建设明显提速，按照加强智能电网建设的总体要求，保证智能电网建设规范有序推进，实现电力用户用电信息采集系统建设“全覆盖、全采集、全预付费”的总体目标，规范统一用电信息采集系统及主站、采集终端、通信单元的功能配置、型式结构、性能指标、通信协议、安全认证、检验方法、建设及运行管理等条款要求和市场需求日益增加的推动下，迫切需要与之相配的智能化电能表。

发明内容

本发明的目的是提供一种功能更强、安全程度更高、运行更稳定的基于嵌入式CPU的智能电网监控装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是。

一种基于嵌入式CPU的智能电网监控装置，包括核心板和与其连接的控制板，其特别之处在于，在所述核心板上安装有嵌入式CPU，以及与嵌入式CPU连接的存储器。

其中存储器是随机存储芯片和闪存芯片。

其中还包括3G无线通信模块，该3G无线通信模块与控制板电连接从而与用户主站之间实现基于3G无线的双向通信。

本发明在嵌入式Vxworks操作系统的支持下，实现电表数据抄录、数据运算和处理、WCDMA-3G无线通信传输、负荷控制、以太网通信、USB通信、人机交互等功能。从而实现用户主站对用户用电信息的智能采集和负荷控制的等功能。本发明采用基于AT91SAM9260CU嵌入式CPU技术和嵌入式Vxworks操作系统技术为支撑的智能电网管理终端，其有益效果其一是通过基于AT91SAM9260CU嵌入式CPU技术的硬件电路设计为运行嵌入式操作系统Vxworks创造了硬件基础；其二是采用多线程的编程方式解决了多任务执行、多数据处理的稳定性和实时性，改变了运行速度慢、故障率高、数据易丢失等缺点；还能够通过WCDMA-3G无线通讯和高速光纤网络通信功能，实时监测用户的用电情况和电网的运行情况，通过主站定制任务的监测和实时召测，可以分析用电情况和电网的运行参数；三是便于统计线损，能够实时抄回用户的用电量，以便准确的统计线损；四是采用国密SM1算法支持的专用ESAM电路，为参数修改和负荷控制报文进行加解密，保证控制的安全性；五是功能齐全、操作简单。

附图说明

附图1为本发明的逻辑原理框图。

附图2为本发明在Vxworks操作系统支持下的运行原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由单相计量芯片、AT91SAM9260CU嵌入式计算机、功率指示灯、报警指示灯、跳闸指示灯、LCD显示器、存储器、电源系统、继电器、红外接收发射管、RS485通信、以太网接口电路、USB接口等集成在一块PCB板上，以及一个可方便插拔的WCDMA-3G模块。整个PCB板装在一个阻燃的塑料表壳里，用自攻螺丝固定，罩壳与底壳通过螺丝固定在一起。

本发明的电能表包括核心板和与其连接的控制板，在核心板上安装有嵌入式CPU，以及与嵌入式CPU连接的存储器，其中存储器是RAM(随机存储)芯片和NAND FLASH(闪存)芯片。

还包括3G无线通信模块，具体采用WCDMA-3G无线通信模块，该3G无线通信模块与控制板电连接从而与用户主站之间实现基于3G无线的双向通信。

本发明利用WCDMA-3G无线通信模块和光线网络通信模块双通道传输数据，实现预付费和远程控制功能。传输的数据分为一般数据和加密数据，修改终端参数和控制负荷指令数据为加密数据，召测用户用电信息数据为一般数据，再传输的过程中不需要加密。采用了认证和加密的算法，数据安全性高。传输的过程为发送端将根据功能需要将数据加密后进行发送，接收端将收到的数据解密后再进行必要的操作，并对发送端发出确认数据通知操作成功或失败。

比如主站要修改终端的运行参数，先将报文采用国密算法SM1加密后以明文加MAC的形式通过WCDMA-3G通信和光线网络通信模块双通道链路发送给智能电网管理终端，智能电网管理终端将收到的报文通过专用ESAM电路解密后判断操作内容，根据报文命令对自身参数进行修改。其次，主站根据用户用电信息需要对用户负载进行控制，采用同样的方法将命令发给智能电网管理终端，智能电网管理终端根据命令要求切断或接通用户负载。对于一般数据的传送，主站以明文的方式向终端发出请求，终端根据接收到的命令要求，回复相应的数据给主站。实现主站对用户用电信息的管理和用电状况的控制。

本发明的工作原理是：

一是电能计量芯片采集电网实时参数，AT91SAM9260CU嵌入式CPU通过SPI接口将计量芯片采集的数据进行分析、运算处理，并将分析处理后的数据保存在RAM区域和存储器内；二是AT91SAM9260CU嵌入式CPU通过控制WCDMA-3G无线通信模块和光线网络通信模块，将收到的报文进行分类处理，若接收到的报文是参数修改命令或者负荷控制命令首先通过基于国密算法SM1的专用ESAM模块进行解密，让后做出相应处理并对主站进行报文回复；若接收到的报文是一般数据召测，终端按照命令要求对请求数据进行打包处理并通过WCDMA-3G模块或光线网络通信模块发送给主站。三是AT91SAM9260CU嵌入式CUP通过RS485总线在DL/T645-2007多功能电表通信规约的支持下，对在线的多功能电表进行数据抄录。四是AT91SAM9260CU嵌入式CPU通过点阵LCD将终端的运行参数和部分实时数据显示给现场用户。五是用户还可以通过键盘配合LCD显示和终端实现人机交互；六是用户还可以通过红外接口对终端信息进行修改。

本发明中WCDMA-3G通信模块采用美国ENFORA公司的ENFORA0306，与外围设计的单独的电源电路和电平转换电路配合组成了WCDMA-3G通信功能，嵌入式CPU采用美国ATMEL公司出品的AT91SAM9260CU AT91SAM9260CU嵌入式CPU，主要根据计量参数记录表的所有事件、负责与外部存储器、ESAM模块和CPU卡及LCD驱动WCDMA-3G等模块进行数据传输，以及硬时钟RX8025T、月、日总结等功能管理。

另外还有远程数据接收、发送LED指示灯，指示智能管理终端进行数据传输，主站管理系统通过WCDMA-3G通信网络可以对智能管理终端进行参数设置、预购电量写入、数据抄读等操作，智能终端也可以主动上报定制的任务及异常情况，对传输的数据采用了全新的认证、加密、校验等手段，数据传输的安全性高，传输可靠。

本发明的主要特点如下：

a)采用基于ATMELE91SAM9260CU的AT91SAM9260CU CPU和嵌入式Vxworks等先进技术，在多线程、多任务的编程理念的支持下，使智能管理终端处理并行处理复杂的任务成为了可能，大大的提高了CPU的工作效率。CPU是以时间片的方式为进程分配CUP处理时间的，当一个进程以同步的方式去完成几件事情时，此进程必须完成了第一件事情以后再做第二件事，如此按顺序地向CPU请求完成要做的事情。在此单线程的工作模式下，如果把CUP看作是一共有100个时间片的话，CPU可能一直都只是花了其中的10个时间片来处理当前进程所要做的事情，只是用到了CPU的10％的时间片，而其他时间都白白浪费了，当然，实际上CPU的工作模式还是做完一件事以后再去做另一件事，只是CUP的处理速度非常快，很快就处理完成所请求的情事。为了提高CPU的使用率，采用多线程的方式去同时完成几件事情而互不干扰，如当前进程要完成三件事情1、2、3，那么CPU会分别用10％的时间来同时处理这3件事情，从而让CPU的使用率达到了30％，大大地提高了CPU的利用率。多线程的好处在处理一些特殊的场合其优势尤其明显。比如智能管理终端上传数据，要一边上传一边还要抄录并保存电表数据，在这种情况下，如果没有用多线程的话，没有意外的话一般都会把主线程阻塞，比如抄表子程序会停下来抄表任务，等待数据上传完毕后在进行抄表任务，这样很有可能丢掉那个时刻的电表数据。采用多线程这样的问题就迎刃而解。在此技术的支持下，终端的智能化和多功能化避免了多块MCU共同工作的局面。

b)嵌入式Vxworks操作系统的应用使很多难以处理的问题得以解决。Vxworks是功能非常强大的嵌入式操作系统，它可以应用于基于Intel x86系列CPU或者各种嵌入式CPU例如AT91SAM9260CU的计算机上。Vxworks以它的高效性和灵活性著称，具有多任务、多用户的能力。Vxworks操作系统软件包不仅包括完整的Vxworks操作系统，而且还包括了文本编辑器、高级语言编译器等应用软件。Vxworks之所以受到广大计算机爱好者的喜爱，主要原因有两个，本项目使用的嵌入式Vxworks操作系统是Vxworks操作系统运行在嵌入式CPU AT91SAM9260CU的上的版本，它保留了Vxworks操作系统大部分功能，使智能终端在以太网方面和USB方面的应用成为了可能。本智能终端使用的嵌入式Vxworks操作系统内核集成了以太网开发必备的TCP/IP协议站系统，为主站和终端的以太网通信功能提供了有力的支持，在WCDMA-3G通信模块无法工作的情况下，以以太网的通信方式完成传输任务成为可能。其次，用户还可以根据自己的需要，通过USB接口，将终端内部重要数据存储于外部移动存鼠设备上，例如：U盘等。

c)远程控制功能：由于电力用户用电信息智能电网监控设备具有WCDMA-3G通信接口，可时实远程监控电能表的用电情况，针对用电异常的负载可实行远程控制，切断供电。

d)自动化集中管理：电力用户用电信息智能电网监控设备的WCDMA-3G通信接口配合完善的用户后台主站管理系统，组成自动化集中管理，采用计算机管理，数据准确方便，更能时实监控电表用电情况，能及时准确的获得用电管理、收费管理、用电线损统计、分析及电力安全运行等各方面的信息。

e)智能安全认证：采用基于国密算法SM1的智能安全认证ESAM系统，该系统明文加MAC的形式，将主站下发的参数修改命令、负载控制命令进行加密，智能管理终端通过操作专用ESAM解密电路对下发报文进行解密，合法报文及时相应，不合法报文丢弃，这样提高了主站终端核心功能控制和修改的安全性，解决了非法修改参数和控制的不安全隐患；

f)费率控制功能。计费方式有分时电价和阶梯电价，分时电价电能表根据尖、峰、平、谷各费率的正、反向用电量累加和，分别按相应费率的电价实行数据分类。用户主站根据用户用电信息和费率信息，通过智能电网管理中断实现负荷控制；

f)瞬时参量测量：智能管理终端可测量电压、火线电流、零线电流、功率、功率因数等参量。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于嵌入式CPU的智能电网监控装置，包括核心板和与其连接的控制板，其特征在于：在所述核心板上安装有嵌入式CPU，以及与嵌入式CPU连接的存储器。

2.如权利要求1所述的基于嵌入式CPU的智能电网监控装置，其特征在于：其中存储器是随机存储芯片和闪存芯片。

3.如权利要求1所述的基于嵌入式CPU的智能电网监控装置，其特征在于：其中还包括3G无线通信模块，该3G无线通信模块与控制板电连接从而与用户主站之间实现基于3G无线的双向通信。

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