基于MQX操作系統(tǒng)的智能電表

李俊峰 白樹(shù)君 王昭斐

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基于MQX操作系統(tǒng)的智能電表

李俊峰 白樹(shù)君 王昭斐

為了滿足未來(lái)智能電網(wǎng)中，有功、無(wú)功電能的雙向測(cè)量以及電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等要求提出基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MQX，以飛思卡爾公司的K60微處理器為核心研發(fā)的智能電表。用戶和遠(yuǎn)程供電公司都能實(shí)現(xiàn)對(duì)電表的雙向通信，具備階梯用電計(jì)費(fèi)、異常用電報(bào)警等功能。此外還滿足傳統(tǒng)電表遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程校表等功能。

智能電網(wǎng)（Smart Grid）是現(xiàn)代電網(wǎng)中，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能從用戶的傳輸、分配、管理和控制，以達(dá)到節(jié)約能源和降低大電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)的新一代電力網(wǎng)絡(luò)。智能電網(wǎng)一個(gè)顯著的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)電能雙向流動(dòng)，用戶既是用電方，也是電能的提供方。分布式系統(tǒng)框架如圖1所示。

風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式能源的廣泛應(yīng)用能有效減少傳統(tǒng)發(fā)電方式溫室氣體的排放，同時(shí)也提高了大電網(wǎng)的安全可靠性。為了滿足智能電網(wǎng)的要求，智能電表除了具備傳統(tǒng)電表的基本功能外，還要具備分時(shí)段雙向電量計(jì)算，監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量等綜合功能。風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式能源的接入，用戶能將多余的電能輸送給電網(wǎng)，而當(dāng)用戶電能需求大于自家分布式能源產(chǎn)生電能的時(shí)候，用戶會(huì)從大電網(wǎng)取電。智能電表可以統(tǒng)計(jì)用戶的用電信息，計(jì)算出最合理的用電計(jì)劃。分時(shí)段計(jì)費(fèi)、電能的雙向流動(dòng)使得資源能夠得到更好的優(yōu)化配資，個(gè)人用戶也能最大的受益。

MQX操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

以往電表MCU軟件設(shè)計(jì)中，一般采用主循環(huán)加不同的中斷實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。而這種軟件設(shè)計(jì)雖然有程序編寫簡(jiǎn)單、代碼精煉實(shí)現(xiàn)了基本的功能，但是長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性存在一定不足。尤其是當(dāng)程序運(yùn)行過(guò)程中突然遇到某種強(qiáng)烈的干擾程序會(huì)在任何一處斷線引起死機(jī)，主循環(huán)模式的程序這時(shí)只能依靠看門狗進(jìn)行復(fù)位。

MQX是一款支持多任務(wù)、可搶占調(diào)度，支持快速中斷響應(yīng)等特點(diǎn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，方便不同用戶進(jìn)行編輯。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

分層結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是上層用戶只需要對(duì)邏輯進(jìn)行編輯，不需要對(duì)底層硬件太了解，系統(tǒng)的可移植性也大大提高，從而大大提高了開(kāi)發(fā)效率。MQX用戶主要在應(yīng)用層對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)即可，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)，設(shè)計(jì)并組織任務(wù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，有很高的簡(jiǎn)潔性與通用性。

圖1　分布式系統(tǒng)框架圖

圖2　嵌入式開(kāi)發(fā)分層結(jié)構(gòu)

硬件設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)

分布式新能源并網(wǎng)時(shí)，必須保證較高的電能質(zhì)量才被允許。除了依靠分布式能源本身的控制策略之外，本文設(shè)計(jì)的智能電表也為起到了很好的監(jiān)督作用。當(dāng)電能質(zhì)量不合格，比如長(zhǎng)時(shí)間電壓變動(dòng)等現(xiàn)象，要馬上停止分布式電源對(duì)電網(wǎng)電能的輸送。準(zhǔn)確識(shí)別出電能方向是實(shí)現(xiàn)雙向計(jì)費(fèi)的基礎(chǔ)。對(duì)電能的計(jì)量主要應(yīng)用高精度多功能三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022D。該芯片的集成了七路二階Σ-的數(shù)模轉(zhuǎn)換，3路電壓對(duì)三相電壓采集、3路電流對(duì)三相電流采集，還有1路零序電流采集。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基波、諧波和全波有功、無(wú)功功率，有功、無(wú)功電能，視在功率，頻率，功率因數(shù)等電氣參數(shù)的測(cè)量。

電表實(shí)現(xiàn)分段計(jì)費(fèi)，遠(yuǎn)程控制等功能，主要依靠飛思卡爾公司以Cortex-M4為內(nèi)核的K60系列K60N512VLQ100芯片，高精度低功耗。配合MQX操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)警報(bào)等功能，有很高的可靠性。系統(tǒng)還具備基本的按鍵、LED顯示，通過(guò)EEROM的存儲(chǔ)，用戶可以遠(yuǎn)程查詢自己用電的統(tǒng)計(jì)情況。

整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖3所示。

信號(hào)采集部分設(shè)計(jì)

在相關(guān)驗(yàn)證之后，筆者把采樣輸入電壓選定在0.5V左右適合、電流通道Ib的ADC輸入在0.1V左右，結(jié)果更為準(zhǔn)確。

電壓采集單元如圖4所示，經(jīng)過(guò)電壓互感器將220V左右電壓變換到0.5V。選取額定電壓輸入220V時(shí)，輸出有效值0.5V的采樣電壓。

電流采樣單元如圖5所示，通過(guò)電流互感器差分方式完成，負(fù)載為20Ω。

這樣，根據(jù)采樣的電壓電流能算出相應(yīng)參數(shù)。原理圖如圖6所示。

圖3　系統(tǒng)硬件框圖

圖4　電壓采樣電路

圖5　電流采樣

軟件實(shí)現(xiàn)

MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是一個(gè)能夠提供組件可選的智能化微內(nèi)核，不用用戶可以根據(jù)自己需要定制組件。圖7為MQX所有的可選組件。

MQX操作系統(tǒng)的任務(wù)分為用戶任務(wù)以及系統(tǒng)任務(wù)。對(duì)于系統(tǒng)任務(wù)，主要負(fù)責(zé)任務(wù)切換、內(nèi)存管理等功能。用戶任務(wù)是用戶完成某種任務(wù)編寫的，本文應(yīng)用到的用戶任務(wù)為：

校表任務(wù)

查詢?nèi)蝿?wù)，通過(guò)讀取ATT7022D的寄存器查詢電壓、電流等參數(shù)的值；

通信任務(wù)，主要是與用戶端或者遠(yuǎn)程電能質(zhì)量管理系統(tǒng)通信，被查詢與控制；

人機(jī)交互任務(wù)，用來(lái)完成LED顯示、按鍵輸入功能

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，對(duì)EEROM的讀寫操作；

警報(bào)任務(wù)，當(dāng)遇到電能質(zhì)量不合格等不正常情況，發(fā)出相關(guān)警報(bào)。

操作系統(tǒng)任務(wù)的劃分是安裝不同優(yōu)先級(jí)分為不同的管理單元，然后有操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度和資源的分配。MQX的軟件主要由兩部分組成：系統(tǒng)任務(wù)和中斷服務(wù)程序。任務(wù)之間通過(guò)全局變量、信號(hào)量和消息隊(duì)列等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，共同完成智能電表的各項(xiàng)功能。

圖6　數(shù)字信號(hào)處理原理圖

圖7　MQX組件示意圖

結(jié)束語(yǔ)

本文移植MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)到K60芯片，通過(guò)電能計(jì)量芯片ATT7022D對(duì)電能實(shí)現(xiàn)雙向計(jì)量。智能電網(wǎng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使之成為了電網(wǎng)的主要發(fā)展方向之一。而智能電表的雙向計(jì)量、電能監(jiān)測(cè)等功能又是智能電網(wǎng)的得力助手。本設(shè)計(jì)可靠性高，便于擴(kuò)展，有很好的市場(chǎng)前景。

李俊峰 白樹(shù)君 王昭斐

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院

李俊峰（1984.6-）男，河北保定人，現(xiàn)就讀于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，博士研究生二年級(jí)，專業(yè)為電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化；白樹(shù)君（1991-）男，山東濟(jì)寧人，現(xiàn)就讀于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，研究生二年級(jí)，專業(yè)為電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化；王昭斐（1993-）男，河北邯鄲人，現(xiàn)在就讀于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，研究生二年級(jí)，專業(yè)為電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.014