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中国电气工程学报【2020年第11期】

  • ID:275016
  • 浏览:313
  • 学科:文化科学
  • 更新时间:2021-06-10 09:09:07
  • 期刊: 中国电气工程学报
内容简介
《中国电气工程学报》由中国机械工业联合会主管,机械工业信息研究院主办。杂志主要刊登电力工程等方面的文章。

对基于IR46理念的智能电能表管理芯软件架构设计分析

2021-06-10 09:12:57 文化科学 樊蕾1,钱春年2,樊
资料简介

摘要:智能电能表作为重要的电能计量设备之一,对我国各个产业的进步具有重要意义。本文在简要阐述管理芯主控功能与关键技术的基础上,深入探究基于IR46理念的智能电能表管理芯软件架构设计,主要是对系统层、中间层以及应用层设计进行细致分析,以期增强软件架构之间的联系,希望为新一代智能电能表发展提供科学参考。

对基于 IR46理念的智能电能表管理芯软件架构设计分析

樊蕾 1 钱春年 2 樊柏语 3

1 吉林省电力有限公司营销服务中心 2 吉林省送变电工程有限公司 3 国网吉林省电力有限公司长春市九台区供电公司

摘要:智能电能表作为重要的电能计量设备之一,对我国各个产业的进步具有重要意义。本文在简要阐述管理芯主控功能与关键技术的基础上,深入探究基于IR46理念的智能电能表管理芯软件架构设计,主要是对系统层、中间层以及应用层设计进行细致分析,以期增强软件架构之间的联系,希望为新一代智能电能表发展提供科学参考。

关键词:IR46理念;智能电能表;管理芯;软件架构


前言:电能表关系到经济社会中每个行业的正常运作,是产业运行中重要的电能计量设备。随着智能电能表的推广与使用,能够有效降低企业的电费安全,并能带动电力设备制造产业的发展。因此,基于IR46理念分析智能电能表管理芯软件架构设计,对提高管理芯稳定性、可维护性、可扩展性具有十分重要的现实意义。

1管理芯主控功能与关键技术

1.1主控功能

管理芯在双芯智能电能表中主要负责显示、费用控制与管理、负荷控制、事件记录等任务,并且能够为外界通信提供一系列相对应的接口。基于IR46理念设计的管理芯,能够支持本地与远程应用程序的升级,并且在很大程度上提高了管理芯主控功能的稳定性,对提高智能电能表运行可靠性、高效合理性具有重要意义。

1.2升级关键技术

MCU芯片是管理芯主控远程、本地升级主要的内部存储器,编程程序一般分为JTAG、ISP、IAP三种,其中,JTAG是产品开发测试阶段调试所用的编程;ISP与IAP均支持软件应用程序的正常运行,并且IAP还支持擦除与重写管理芯主控的部分程序,从而为终端设备自动升级提供保障。在保证智能电能表程序应用准确性方面,应对管理芯主控程序的设计进行优化,必须确保编程软件包的完整性,在校验成功后,需要使用具有足够空间的程序代替硬件上的老程序,以此保证终端设备PC指针能够灵活跳转。与此同时,管理芯的软件架构设计还需对通信模块、费控模块、事件模块等进行独立设计,以此保证智能电能表能够高效稳定地运行,并为后续升级奠定坚实基础[1]

2基于IR46理念的智能电能表框架设计

2.1总体框架设计

基于IR46理念的智能电能表能够同时满足IR46标准与计量芯、管理芯独立运行需求,对各种通信资源具有较高的兼容性。其中,计量芯主要负责电能表的计量任务,在数据存储、全失压、脉冲指示灯方面具有独立运行功能,具备的RS485接口在计量芯电源运行的情况下,不会受到外界因素的干扰与应用,所以电能表的其他程序不会影响计量芯的正常运行状态。管理芯主要负责智能电能表的管理任务,承担事件记录、费控显示、上行通信、下行抄表等任务运行的使命。由于计量芯与管理芯之间只存有一条数据交换通道,所以其中一个通信模块发生故障都不会影响另一模块的有效运行。

2.2管理芯软件架构

管理芯具有可增加、可升级的功能,在基于IR46理念设计智能电能表管理芯软件架构过程中,需要对管理芯软件架构中的应用层功能进行分模块设计,以此满足市场对产品设计的要求。设计管理芯软件架构的原则为:第一,规范性。依据国家相关标准对系统与程序进行规范化设计,并注意硬件选型与产品规格的控制;第二,可靠性。需要采用更加稳定、成熟的软件技术来增强智能电能表管理芯的运行性能。第三,扩展性。在保证双芯智能电能表结构合理的基础上,运用模块化方式对架构各层次进行优化,以此满足电力公司产品的生产需求。

2.3系统层设计

管理芯系统层包括嵌入式操作系统与硬件驱动,针对系统层设计要求,主要采用μC/OS,具体分为操作系统与设备驱动两大部分。μC/OS具有可固化、可移植等特点,并具有占先式多任务实时内核,将其应用于开发系统中,可保证源代码的整洁性、一致性。设备驱动主要是RTC、ESAM、MCU的驱动,此外还有电源驱动与存储驱动。

2.4中间层设计

2.4.1模块基类

中间层分为设备管理、数据访问、时间管理、消息调度等模块,模块基类作为管理芯独立运行的关键,可为架构中不同业务调度提供一个共同的基类,使得平台业务会根据基类执行相关的函数,并且各模块相对独立运行,对细化数据访问、消息调度、设备操作等功能具有重要意义,在很大程度上降低了管理人员的工作难度[2]

2.4.2数据访问

智能电能表在电网中扮演越来越重要的角色,对信息存储提出了更高的要求。在对管理芯软件架构进行设计的过程中,主要采用一种循环存储的方式对每一条信息记录进行处理,当信息文件达到系统存储上限时,就会删除文件中最早的历史信息,从而避免系统产生文件碎片。针对数据存储结构,主要引入1个索引区与N个存储区来存储数据,以此完成智能电能表自动抄下挂表的任务,并根据存储数据数量的大小,将每种数据分为日数据、小时数据、分钟数据三大类,以此提高数据块自身紧密性。数据存储流程如下:一,读取索引头获得存储数据的有效区域,必要时会申请新的有效区域。二,结合存储区域计算出数据存储的逻辑头尾。三,当前扇区不足时,会清空一定数量的下一个扇区,并在上次逻辑尾部接着存储,必要时会自动申请新的扇区。四,系统会根据存储区域情况按顺序读取存储数据,直到将左右个数的数据读取完成,便退出检索。

2.5应用层设计

应用层分为上行与下行通信、主动上报、红外通信、485抄读等模块,根据基类标准来实现各个业务模块的程序运行。根据双芯智能电能表的功能需求,一方面,需要对公共框架与业务模块的接口进行设计,在精准处理接口处消息的基础上,完成各业务模块的有效运行。管理芯与计量芯最大的不同在于,计量芯通信模块的运行可以实现计量芯片不定期或是周期性抄读电表数据的功能,并且用698.45作为面向对象的通信协议。管理芯中上行与上行通信模块功能的实现,需要主动上报事件进行联系,电能表在配置宽带载波模块、以及窄带载波模块基础上,利用通信协议促使下挂表水、电、热等计量表的运行。应用层的任务执行流程如下:在管理芯软件架构主程序入口处定义业务模块对象,按照业务模块装配—平台初始化—业务模块初始化—平台启动这一顺序执行相关任务,从而完成应用层各业务模块的响应。此外,应用层中的统计模块可实现电能计量、计费功能、事件生成功能、费控功能等,对提高管理芯软件架构设计合理性具有重要意义。

结论:综上所述,通过对智能电能表管理芯主控功能与关键技术的分析,明确了智能电能表管理芯软件架构中系统层、中间层以及应用层的设计要点,有效补充了电能表后期扩展空间,并且能够解决管理块软件的在线升级问题,各种通信资源也可得到支持,促进我国智能电表更加稳定地发展。

参考文献:

[1]闫书芳,张晓东,朱国富,等.符合IR46标准的电能表设计研究[J].电测与仪表,2019,56(08):144-147.

[2]冯海舟,林向阳,戚凯,等.基于IR46理念的智能电能表管理芯软件架构设计[J].信息系统工程,2018(07):135-138.