基于云平台的数据保护功能智能电能表设计.pdf

2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application1310 引 言智能电表作为供电公司与用户沟通的纽带，实现了用户用电数据的计量、采集和传输，为供电公司对用户的用电考核、奖惩等方面提供重要的数据支撑，保障国家政策的顺利执行1-3。为了满足智能电网的发展要求，保障数据传输的快速性和可靠性，人们对智能电表技术进行了广泛的研究，使其得到了飞速发展4-6。虽然智能电表得到大范围普及，但智能电表的数据保护问题却没有有效的解决方案。传统智能电表采用本地存储器存储电力数据，存储空间有限，无法做到本地数据备份，一旦本地存储器损坏，对应用户的用电信息将无法完整追回，将给电网以及供电公司带来一定的风险以及损失7-10。目前智能电能表的内部存储设计，在硬件上普遍采用RAM 和 E2PROM 结合的方式，分别用以存储脉冲个数及用户电量数据11-13。在算法上，程序对脉冲触发个数进行检测并缓存至 RAM，再通过脉冲触发个数来对目标用户的电量进行统计，最后将计量得到的电量值存储到 E2PROM 中，从而保存用户用电量数据14-15。该方法通过减少对 E2PROM 的使用频率，增加电表存储的使用寿命，提高电表运行的数据安全性。可见 E2PROM 的数据可靠性是智能电表可靠性的关键。随着电网的不断发展，部分智能电表已经运行多年，E2PROM 的使用频次较多，容易引起因 E2PROM 故障而导致的智能电表运行故障，如数据丢失、参数混乱等。因此衍生出一些保护 E2PROM 数据的研究，比如通过优化 E2PROM存储空间、改进存储机制等，降低 E2PROM 损坏的概率；再如，目前常用的一种保护 E2PROM 数据的方法是：在电能表的存储器中设置保护模块，将需要保护的电量数据设置 CRC 校验码后存入该模块中。这一类方法虽然能够延长 E2PROM 的使用寿命，但数据的安全性仍然较大程度依赖电能表的本地存储，当本地存储出现故障时，该方法仍然无法保证数据安全。针对上述问题，有必要研究一种新的数据保护方式，增加数据存储的安全性及电表运行的可靠性。近年来，云平台发展较为迅速，其安全性和可靠性已得到验证。而随着电能表产品技术的不断改进，现有电能表已能够利用多种通信网络进行数据交互。利用云平台及电能表的多种通信机制，构建一个独立于电能表本地存储的数据存储体系，是一个值得研究的方向。目前电能表的模块化设计已较为成熟，硬件方面只须在原有基础上增加相应的接口和功能，即可构建本系统。而在软件方面，云平台提供多种数据存储方式，电能表与云平台的数据交互可按照云平台提供的数据模型设计对应的数据库来实现。因此，本系统在产品的更新和推广上具有较高的可行性和经济性。1 系统整体方案本文设计的系统由云平台、支持 4G 模块的智能电能表以及通信网络三部分组成。系统架构如图 1 所示。图 1 系统架构示意图本系统的工作业务流程如下：（1）物联管理平台提供设备端 SDK，电能表使用基于云平台的数据保护功能智能电能表设计钱 亮，张 赢，左 勇（安徽南瑞中天电力电子有限公司，安徽 合肥 230031）摘 要：针对目前智能电能表仅通过本地备份保护电表数据的方式，提出一种基于云平台的电能表数据保护系统，通过云平台、支持 4G 模块的智能电能表以及通信网络，设计基于 MQTT 的数据交互架构及相关的数据交互功能，将电能表数据定时备份至云平台，并可通过上位机对备份数据进行查询等操作。当本地存储出现故障，本系统可保证电能表数据安全，保障电能表的可靠运行。关键词：云平台；智能电能表；数据保护；数据备份；MQTT；RS 485中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）09-0131-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.09.034收稿日期：2022-11-07 修回日期：2022-12-05基金项目：国网20版标准C级三相智能电能表研发（524636220005）物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application132SDK 与平台通信。电能表运行后，对云平台发起设备接入 请求。（2）云平台验证智能电表身份有效性。（3）云平台根据设置的物模型显示当前电能表连接状态及运行状态。（4）电能表根据程序中的定时任务向云平台发送电量数据以及运行数据。（5）云平台将数据备份至云存储空间。（6）上位机可以使用物联管理平台以及云存储空间的接口获取对电能表设备的管理权限，如对电能表进行远程控制、数据获取，也可查询云端数据存储状态。（7）电表进入下一等待周期。2 硬件设计硬件设计采用模块化思路，对现有智能电能表硬件架构进行改进。具体结构如图 2 所示，主要包含主控芯片RN8318、数据存储模块、电源控制模块、交流采样模块、4G 通信模块、RS 485 通信模块和液晶显示模块。各模块均通过硬件接口与主控芯片连接。图 2 硬件设计2.1 数据存储模块设计采用铁电存储器（E2PROM）加外部 FLASH 存储器，存储不同类型数据。数据存储模块电路设计如图 3 所示。2.2 4G 通信模块设计4G 通信模块用于连接电能表与云平台。本系统设计一路 4G 模块接口电路，通过 SPI 与智能电表 RN8318 相连，实现电能表与云平台的数据交互。4G 通信模块电路如图 4所示。图 3 数据存储模块电路设计图 4 4G 通信模块电路设计2.3 RS 485 通信模块设计RS 485 通信模块用于连接电能表与外部终端。本系统设计一路 UART 转 RS 485 接口电路，实现电表与外部终端的数据交互，方便进行本地维护。RS 485 通信模块电路设计如图 5 所示。3 软件设计软件设计以下功能：计量功能、基于 MQTT 的数据交互功能、定时数据备份功能。3.1 计量功能设计电能计量模块设计如图 6 所示。本系统可测量合相各费率四象限有功、四象限无功电量。合相总电量在需要时由各分费率累加而成。本系统可测量分相总的四象限有功、四象限无功电量。分相电量不支持分费率。合相的组合有功、组合无功 1、组合无功 2 在需要时根据计量表达式生成。同样，正向有功和反向有功也是在需要时临时生成，只是表达式是固定的，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。根据有功组合方式特征字和无功组合方式 1 和 2 特征字进行设置 如下：（1）保存当前及前面 12 个结算周期的各电量；（2）支持所有电量数据清零（电表清零命令或系统清零命令）；（3）分相电量根据合相的脉冲数及当前功率计算，即当无脉冲时，合相和分相均不可能出现电量。3.2 基于 MQTT 的数据交互架构设计为了实现数据云端存储，本系统采用阿里云物联网管理2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application133图 6 电能计量模块首先在阿里云物联网管理平台上构建电能表的物模型，保存物联网平台颁发的设备证书（ProductKey、DeviceName和 DeviceSecret），用于电能表设备连接物联网管理平台的身份验证。电能表与物联网管理平台通过 MQTT 建立连接，电能表通过订阅云端 Topic 进行数据交互。构建 Topic 见表 1所列，数据以 JSON 串形式上传。表 1 Topic 的构建分 类Topic 内容用 途设备 管理/v1/DevId/device/request用于设备向物联管理平台发送设备管理相关的请求命令，如请求连接等/v1/DevId/device/response用于对边设备发送的设备管理相关 的请求命令的应答/v1/DevId/device/data用于边设备向物联管理平台主动 上报设备相关的状态数据 传输/v1/DevId/data/reply用于设备向物联管理平台上传 电能量相关数据/v1/DevId/data/reply用于设备向物联管理平台上传 运行参数相关数据在阿里云物联网平台上设置消息流转规则，可以将数据流转至其他云存储空间。上述云存储空间可选用多种形式，本设计中使用阿里云表格存储。表格存储将流转来的 JSON串按设置的数据库表头存储，表格存储数据库设计见表 2 所列。表 2 数据库序 号表头名含 义数据类型0DevID设备地址String1Time时间String2Status设备状态Bool3Para运行参数Double_Long4Power电量Double_Long主程序通过一个状态机来处理电能表与云平台的连接状态，流程如图 7 所示。程序默认每 1 s 检测接入状态，电能表状态程序中通过枚举类型定义，用全局变量表示。电能表上电后进入待连接状态，初始化客户端模式，成功后对云平台发起连接请求，收到确认帧后，订阅 Topic，切换电能表进入已连接状态，之后每分钟发送心跳帧保持设备 在线。数据接收通过检测串口中断获取，获取到 JSON 串后根据 Topic 以及数据值，程序做出相应处理。图 5 RS 485 通信模块电路设计平台作为云平台，通过阿里云物联管理平台管理设备连接，存储设备数据，相比自建专业云的成本、运维负担更少。物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application134图 7 接入状态查询流程3.3 定时数据备份功能设计电能表在设备接入云平台的状态下，每 1 min 上传一次电量数据以及运行参数。电能表运行参数以全局变量存在，到达时间阈值时，读取电能表 RAM 中的运行参数全局变量，将数据组包成JSON 串发送至云平台，电能表运行数据备份用于电表异常时恢复正常运行状态。流程如图 8 所示。图 8 数据备份流程电能表电量数据存储在 E2PROM 中，到达时间阈值时，读取当前费率以及 E2PROM 中的电量数据，将数据组包成JSON 串发送至云平台。4 测试验证为了验证系统整体功能，本文在实验室进行了测试。如图 9 所示，准备两台电能表接入相同的测试环境（台体），上电后通过 4G 通信方式接入阿里云物联网管理平台，同时将 RS 485 连上本机电脑，设备上线后开始测试。两台电能表上电后进行初始化操作，确保初始值一致，在相同环境下运行 6 h，对比 RS 485 抄读数据与云端存储数据，实验部分结果见表 3 所列。测试验证结果显示，云端数据存储具备较高的准确性，本系统具备良好的推广应用 前景。图 9 测试设备表 3 实验结果时 间设备地址云端电量数据/kWhRS 485 抄回电量数/kWh22/09/21 09：00：000000000000010.730.7322/09/21 09：00：000000000000020.730.7322/09/21 09：10：000000000000015.345.3422/09/21 09：10：000000000000025.345.3422/09/21 09：40：0000000000000119.1719.1722/09/21 09：40：0000000000000219.1719.1722/09/21 10：15：0000000000000135.2935.3022/09/21 10：15：0000000000000235.3035.3022/09/21 10：25：0000000000000139.9139.9122/09/21 10：25：0000000000000239.9139.9122/09/21 10：55：0000000000000153.7453.7422/09/21 10：55：0000000000000253.7453.7422/09/21 11：30：0000000000000186.0186.0122/09/21 11：30：0000000000000286.0186.015 结 语本文设计一种基于云平台的智能电能表数据保护系统，通过云平台备份智能电能表数据，解决传统电能表本地存储器异常后数据无法备份、恢复的问题，提高电能表运行的稳定性。同时验证了本文系统工作的有效性。为使系统更加便于应用，可进一步在提高传输速率、解决带宽问题、压缩存储空间等方面进行研究及改进。参考文献1 孙昌华，李景，戴桦，等.电力物联网智能终端安全检测应用研究 J.浙江电力，2021，40（1）：24-28.2 马青云，王永坤，潘晓波，等.基于泛在电力物联网架构的智能电量计量终端设计 J.浙江电力，2020，39（3）：22-29.3 王艳艳，张文正，沈佳辉，等.基于机器学习的云平台故障排查方法 J.浙江电力，2021，40（12）：124-128.4 王宏飞，周鑫，徐哲壮，等.基于云平台的工业用电分析与预测 J.电气技术，2020，21（12）：6-11.5 黄国政，邓瑞麒，王海柱，等.应用物联网的电能信息采集终端研究与设计 J.微型电脑应用，2021，37（2）：30-32.（下转第137页）2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application137最大风速在 0.4 m/s 左右，未超过 0.5 m/s，说明该位置的风速不会影响室内人员的舒适度；人体静坐高度处，最大风速在0.25 m/s 左右，未低于 0.2 m/s，说明该位置的风速不会影响室内污染物的排出；人体站立高度处，最大风速在 0.23 m/s 左右，与人体静坐高度处的风速相差较小，未低于 0.2 m/s，说明该位置的风速也不会影响室内污染物的排出。综合分析可知，本文方法可有效控制地暖+新风系统的风速，既不影响人体的舒适度，又利于室内污染物排出，具备较优的节能控制效果。分析经过本文方法节能控制前后该地暖+新风系统的能耗变化情况，结果如图 4 所示。图 4 采用本文方法节能控制前后能耗变化情况由图 4 可知，经过本文方法节能控制后，不同时间段的地暖+新风系统的能耗，均显著低于本文方法控制前，控制前的最高能耗在 190 kW 左右，控制后的最高能耗在 140 kW左右。实验证明，应用本文方法可有效降低地暖+新风系统的能耗，达到节约能源的目的。3 结 语地暖是寒冷地区的主要采暖方式，在建筑中安装新风系统可有效解决因地暖导致的室内空气质量差的问题。随着地暖+新风系统的不断普及，建筑物能耗不断提升。为此，本文研究了基于物联网的地暖+新风系统节能控制方法，达到了降低地暖+新风系统能耗的目的。参考文献1 武群飞，南晓红，王筠涵.行为模式对户式空气源热泵地暖系统供热性能的影响 J.制冷学报，2022，43（3）：108-114.2 田靖，郝翠彩，田树辉，等.一种适用于寒冷地区近零能耗居住建筑的新风系统 J.建筑科学，2020，36（4）：14-17.3 杨柳，方佳烽，田真.结合辐射供冷及新风系统的既有办公建筑改造应用分析 J.建筑科学，2021，37（12）：94-102.4 牛润萍，范莹莹，孟富强，等.新风系统在北京地区的运行控制策略分析 J.建筑科学，2021，37（6）：36-41.5 于丹，吴璇，刘益民，等.基于物联网的分体空调节能控制改造及效果验证 J.暖通空调，2021，51（5）：119-122.6 范霖君，张磊.基于窄带物联网的家庭能源智能控制系统仿真 J.计算机仿真，2021，38（7）：336-339.7 王延年，杜凯，武云辉，等.基于动态模糊解耦补偿器的空调控制策略研究 J.棉纺织技术，2020，48（3）：12-16.8 陈阳，姚晔.基于天牛须-粒子群优化算法的大型中央空调系统节能控制 J.制冷学报，2021，42（4）：43-49.9 马倩倩，崔红社，孙锐，等.基于 PSO-LM-BP 算法的空调系统节能预测控制研究 J.低温与超导，2022，50（4）：65-70.10 徐海霞，江燕，李景广.一种新风净化系统高效节能调控技术与实践 J.暖通空调，2021，51（10）：110-113.作者简介：李翠环（1985），女，山东菏泽人，硕士，讲师，研究方向为大学物理和大学物理实验教学、低温采暖和新风系统的应用。6 马扬.基于物联网技术的智能电表系统设计 D.南宁：广西大学，2021.7 王孟艳.基于信息物联的智能电能表生产数据采集与处理系统研制 D.济南：山东大学，2014.8 张明远，徐人恒，张秋月，等.智能电能表数据通讯安全性分析 J.电测与仪表，2014，51（23）：24-27.9 黄晶.数据备份系统的研究与实现 D.武汉：华中科技大学，2008.10 李慧勇，那顺宝音.提高电能量采集系统数据准确率的措施 J.电工技术，2022，23（2）：101-104.11 刘彬德，蔡高琰，梁炳基，等.多芯模组化智能物联电能表的设计 J.物联网技术，2021，11（7）：81-85.12 葛晓旭，张钰.互联网智能电表发展前景分析及市场容量预测 J.黑龙江电力，2020，42（1）：56-60.13 伍少成，刘涛，肖勇，等.基于测量仪器云的电子式电能表远程在线检测系统 J.电测与仪表，2017，54（4）：80-85.14 张林浩，陶鹏，任鹏，等.基于区块链的智能物联电能表功能模组设计 J.河北电力技术，2021，40（6）：16-19.15 王爽，段晓萌，赵婷，等.智能物联电能表用嵌入式操作系统驱动程序检测技术研究 J.电测与仪表，2022，59（4）：8-14.作者简介：钱 亮（1997），男，本科，工程师，研究方向为嵌入式软件开发、电力用电领域产品。张 赢（1987），女，硕士，工程师，研究方向为用电领域产品设计研发。左 勇（1982），男，本科，工程师，研究方向为智能电表、计量类、采集类产品。（上接第134页）