CN202066906U

CN202066906U - 基于arm9的智能电网管理电能表

Info

Publication number: CN202066906U
Application number: CN2010206878021U
Authority: CN
Inventors: 李建炜; 南权; 关海洋; 杜佳平
Original assignee: Ningxia LGG Instrument Co Ltd
Current assignee: Ningxia LGG Instrument Co Ltd
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2020-12-31

Abstract

本实用新型涉及一种智能电网管理终端，尤其是基于ARM9的智能电网管理电能表，包括CPU和与该CPU连接的电能计量芯片，其特点是，所述CPU为ARM9嵌入式微处理器，该ARM9嵌入式微处理器还分别与随机存储器和非易失存储器连接，还包括一GPRS无线通信模块，该GPRS无线通信模块通过接口电路与ARM9嵌入式微处理器连接从而实现基于GPRS的双向无线通信。本实用新型采用基于ARM9嵌入式CPU技术和嵌入式Linux操作系统技术为支撑的智能电网管理终端，通过基于ARM9嵌入式CPU技术的硬件电路设计为运行Linux创造了硬件基础，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。

Description

基于ARM9的智能电网管理电能表

技术领域

本实用新型涉及一种智能电网管理终端，尤其是基于ARM9的智能电网管理电能表。

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。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，因此具有智能电网管理功能的电能表也就具有了广泛的市场，但目前尚无合适的产品推出。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于ARM9的智能电网管理电能表，与目前的电能表相比功能更强、安全程度更高、运行更稳定，在嵌入式Linux操作系统的支持下，还能够实现电能表数据抄录、数据运算和处理、GPRS无线通信传输等功能，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等功能。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于ARM9的智能电网管理电能表，包括CPU和与该CPU连接的电能计量芯片，其特别之处在于，所述CPU为ARM9嵌入式微处理器，该ARM9嵌入式微处理器还分别与随机存储器和非易失存储器连接，还包括一GPRS无线通信模块，该GPRS无线通信模块通过接口电路与ARM9嵌入式微处理器连接从而实现基于GPRS的双向无线通信。

其中ARM9嵌入式微处理器还与采用国密SM1算法支持的专用ESAM模块连接。

本实用新型采用基于ARM9嵌入式CPU技术和嵌入式Linux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ARM9嵌入式CPU技术的硬件电路设计为运行嵌入式操作系统Linux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GPRS无线通讯功能，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模块，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为本实用新型的逻辑原理框图；

附图2为本实用新型在Linux操作系统支持下的运行原理图。

具体实施方式

下面结合附图来对本实用新型作进一步详细的说明：

如图1所示，本实用新型的电能表由单相电能计量芯片、ARM9嵌入式微处理器、功率指示灯、报警指示灯、跳闸指示灯、LCD显示器、随机存储器(采用RAM)和非易失存储器(采用NAND FLASH)、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GPRS无线通信模块。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。

本实用新型利用GPRS无线通信模块传输数据，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GPRS通信链路发送给智能电网管理终端(电能表)，智能电网管理终端将收到的报文通过专用ESAM模块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。

本实用新型的工作原理是：

一是电能计量芯片采集电网实时参数，ARM9嵌入式微处理器通过SPI接口将电能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ARM9嵌入式微处理器通过控制GPRS无线通信模块，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GPRS无线通信模块发送给主站。三是ARM9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ARM9嵌入式微处理器通过点阵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。

本实用新型中GPRS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GPRS通信功能，微处理器采用美国ATMEL公司出品的AT91SAM9260CUARM9嵌入式微处理器，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GPRS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GPRS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。

本实用新型的主要特点如下：

a)采用基于ATMELE91SAM9260CU的ARM9CPU和嵌入式Linux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Linux操作系统的应用使很多难以处理的问题得以解决。Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix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ARM9的计算机上。这个系统是由全世界各地的成千上万的程序员设计和实现的。其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的Unix兼容产品。Linux以它的高效性和灵活性著称。它能够在PC计算机上实现全部的Unix特性，具有多任务、多用户的能力。Linux是在GNU公共许可权限下免费获得的，是一个符合POSIX标准的操作系统。Linux操作系统软件包不仅包括完整的Linux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。它还包括带有多个窗口管理器的X-Windows图形用户界面，如同我们使用Windows NT一样，允许我们使用窗口、图标和菜单对系统进行操作。Linux之所以受到广大计算机爱好者的喜爱，主要原因有两个，一是它属于自由软件，用户不用支付任何费用就可以获得它和它的源代码，并且可以根据自己的需要对它进行必要的修改，无偿对它使用，无约束地继续传播。本项目使用的嵌入式Linux操作系统是Linux操作系统运行在嵌入式CPU ARM9的上的版本，它保留了Linux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Linux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GPRS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：由于智能管理终端具有GPRS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：智能管理终端的GPRS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；

g)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

1.一种基于ARM9的智能电网管理电能表，包括CPU和与该CPU连接的电能计量芯片，其特征在于：所述CPU为ARM9嵌入式微处理器，该ARM9嵌入式微处理器还分别与随机存储器和非易失存储器连接，还包括一GPRS无线通信模块，该GPRS无线通信模块通过接口电路与ARM9嵌入式微处理器连接从而实现基于GPRS的双向无线通信。

2.如权利要求1所述的基于ARM9的智能电网管理电能表，其特征在于：其中ARM9嵌入式微处理器还与采用国密SM1算法支持的专用ESAM模块连接。