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）

0 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SDK 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。

图3 数据存储模块电路设计

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。

图5 RS 485 通信模块电路设计

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。

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。

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

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。

图7 接入状态查询流程

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。

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。

图9 测试设备

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。

表3 实验结果

5 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。