基于MQX操作系统的智能电表

李俊峰 白树君 王昭斐



基于MQX操作系统的智能电表

李俊峰 白树君 王昭斐

为了满足未来智能电网中，有功、无功电能的双向测量以及电能质量的监测等要求提出基于实时操作系统MQX，以飞思卡尔公司的K60微处理器为核心研发的智能电表。用户和远程供电公司都能实现对电表的双向通信，具备阶梯用电计费、异常用电报警等功能。此外还满足传统电表远程抄表、远程校表等功能。

智能电网（Smart Grid）是现代电网中，应用数字技术实现电能从用户的传输、分配、管理和控制，以达到节约能源和降低大电网安全风险的新一代电力网络。智能电网一个显著的特点是能够实现电能双向流动，用户既是用电方，也是电能的提供方。分布式系统框架如图1所示。

风能、太阳能等分布式能源的广泛应用能有效减少传统发电方式温室气体的排放，同时也提高了大电网的安全可靠性。为了满足智能电网的要求，智能电表除了具备传统电表的基本功能外，还要具备分时段双向电量计算，监测电能质量等综合功能。风能、太阳能等分布式能源的接入，用户能将多余的电能输送给电网，而当用户电能需求大于自家分布式能源产生电能的时候，用户会从大电网取电。智能电表可以统计用户的用电信息，计算出最合理的用电计划。分时段计费、电能的双向流动使得资源能够得到更好的优化配资，个人用户也能最大的受益。

MQX操作系统简介

以往电表MCU软件设计中，一般采用主循环加不同的中断实现相应的功能。而这种软件设计虽然有程序编写简单、代码精炼实现了基本的功能，但是长期运行的稳定性和实时性存在一定不足。尤其是当程序运行过程中突然遇到某种强烈的干扰程序会在任何一处断线引起死机，主循环模式的程序这时只能依靠看门狗进行复位。

MQX是一款支持多任务、可抢占调度，支持快速中断响应等特点的实时操作系统。嵌入式软件开发具有明显的分层结构，方便不同用户进行编辑。系统的体系结构图如图2所示。

分层结构最大的优点是上层用户只需要对逻辑进行编辑，不需要对底层硬件太了解，系统的可移植性也大大提高，从而大大提高了开发效率。MQX用户主要在应用层对系统进行开发即可，通过调用系统服务，设计并组织任务实现相应的功能，有很高的简洁性与通用性。

图1　分布式系统框架图

图2　嵌入式开发分层结构

硬件设计

总体设计

分布式新能源并网时，必须保证较高的电能质量才被允许。除了依靠分布式能源本身的控制策略之外，本文设计的智能电表也为起到了很好的监督作用。当电能质量不合格，比如长时间电压变动等现象，要马上停止分布式电源对电网电能的输送。准确识别出电能方向是实现双向计费的基础。对电能的计量主要应用高精度多功能三相电能专用计量芯片ATT7022D。该芯片的集成了七路二阶Σ-的数模转换，3路电压对三相电压采集、3路电流对三相电流采集，还有1路零序电流采集。能够实现对基波、谐波和全波有功、无功功率，有功、无功电能，视在功率，频率，功率因数等电气参数的测量。

电表实现分段计费，远程控制等功能，主要依靠飞思卡尔公司以Cortex-M4为内核的K60系列K60N512VLQ100芯片，高精度低功耗。配合MQX操作系统，实现对电能实时监控，及时警报等功能，有很高的可靠性。系统还具备基本的按键、LED显示，通过EEROM的存储，用户可以远程查询自己用电的统计情况。

整个系统的框图如图3所示。

信号采集部分设计

在相关验证之后，笔者把采样输入电压选定在0.5V左右适合、电流通道Ib的ADC输入在0.1V左右，结果更为准确。

电压采集单元如图4所示，经过电压互感器将220V左右电压变换到0.5V。选取额定电压输入220V时，输出有效值0.5V的采样电压。

电流采样单元如图5所示，通过电流互感器差分方式完成，负载为20Ω。

这样，根据采样的电压电流能算出相应参数。原理图如图6所示。

图3　系统硬件框图

图4　电压采样电路

图5　电流采样

软件实现

MQX实时操作系统，是一个能够提供组件可选的智能化微内核，不用用户可以根据自己需要定制组件。图7为MQX所有的可选组件。

MQX操作系统的任务分为用户任务以及系统任务。对于系统任务，主要负责任务切换、内存管理等功能。用户任务是用户完成某种任务编写的，本文应用到的用户任务为：

校表任务

查询任务，通过读取ATT7022D的寄存器查询电压、电流等参数的值；

通信任务，主要是与用户端或者远程电能质量管理系统通信，被查询与控制；

人机交互任务，用来完成LED显示、按键输入功能

数据存储任务，对EEROM的读写操作；

警报任务，当遇到电能质量不合格等不正常情况，发出相关警报。

操作系统任务的划分是安装不同优先级分为不同的管理单元，然后有操作系统进行调度和资源的分配。MQX的软件主要由两部分组成：系统任务和中断服务程序。任务之间通过全局变量、信号量和消息队列等方式进行数据交换，共同完成智能电表的各项功能。

图6　数字信号处理原理图

图7　MQX组件示意图

结束语

本文移植MQX实时操作系统到K60芯片，通过电能计量芯片ATT7022D对电能实现双向计量。智能电网的诸多优点，使之成为了电网的主要发展方向之一。而智能电表的双向计量、电能监测等功能又是智能电网的得力助手。本设计可靠性高，便于扩展，有很好的市场前景。

李俊峰 白树君 王昭斐

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院

李俊峰（1984.6-）男，河北保定人，现就读于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，博士研究生二年级，专业为电力系统及其自动化；白树君（1991-）男，山东济宁人，现就读于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，研究生二年级，专业为电力系统及其自动化；王昭斐（1993-）男，河北邯郸人，现在就读于中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，研究生二年级，专业为电力系统及其自动化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.014