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【摘要】智能电表安装于电力用户侧，具有采集数据、双向通信、监测窃电、监测停电、远程预付费、控制用户设备和远程维护升级的功能，将电力企业和电力用户紧密联系起来。资源节约型和环境友好型社会的建立，必然要求电力企业深入开展节能减排工作，这使得智能电表受到了越来越多的应用，本文在对智能电表的定义和工作原理进行阐述的基础上，研究和设计了基于ARMl0的智能电表，详细阐述了基于ARM10智能电表硬件和软件的设计。
【关键词】智能电表；智能电网；应用优势；ARM10；Linux
【中图分类号】TM933.4 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0058-02
O、引言
作为我国一次能源的最大使用者，电力行业在努力满足社会快速增长需求的同时，也应该承担起节能减排的社会责任。目前煤电仍然是我国电力的主要来源，电力企业每年会排放大量的温室气体，因此加快转变电力行业的发展模式、促进电力企业的节能减排，已经成为关系到影响我国环境友好型社会建设的重要问题。
鉴于此，国家电网公司提出了要建设坚强智能电网。作为智能电网建设的重要基础设备，智能电表近年来因其在资产管理、系统运行和负荷响应上所实现的节能减排而受到了越来越多的关注和重视，因此本文将对智能电表的特点和应用优势展开深入的探讨，并研究和设计了基于ARMl0的智能电表。
1、智能电表的概述
1.1 智能电表的定义和特征
目前国际上并没有对智能电表形成统一的概念和标准，美国习惯使用“advanced meter”来描述智能电表，欧洲习惯使用“smart electricmeter”来描述智能电表。我国定义的智能电表具有如下特性：以微处理器为核心，能够对数据进行自动测量、实时分析和判断；能够进行自动调零和单位换算；能够对简单的故障进行提示；通过操作面板和显示器来实现人机的交互；能够实现多用户计量和特定用户的计量；能够实现计量数据的双向通信。
智能电表的工作原理如下：实时采集用户的供电电压和电流信号，利用专用的电能表集成电表处理采集到的供电电压和电流信号，并将处理后的信息转化为与电能成正比的脉冲输出，然后使用单片机将脉冲转化为用电量并输出。图1为智能电表的构成原理图：
作为应用于电力用户侧的智能电子设备，智能电表具有如下功能：能够实现电表间的双向通信，确保电力企业能够实时地掌握各种顾客的用电信息，同时支持智能电器的接入控制；能够分时段地对用电量进行采集；能够记录用户的各种异常用电事件，并及时进行报告；当用户初次安装或者是更换电表、未缴纳电费和发生紧急状况时，能够实现远程的断电和上电；记录和报告停电恢复、停电通知和交流失电等事件；能够将采集到的信号经处理后显示给操作人员，包括负荷、费率、功率方向、双向电能、电压和需求量等信号；能够监视电网不平衡、谐波和畸变等影响电能质量的因素，并且发现电能质量不稳定时发出警报；能够记录并报告各种异常情况，包括未授权的访问、表计数据的篡改和定制修改等；能够实时监视控制用户储能单位和分布式电源，优化管理微电网的用电和插入式混合电力汽车的用电；能够实现远程诊断、数据压缩和安全传输、时钟同步、变成编程等；能够对智能安防传感器和智能插座进行控制。
智能电表采用了电子集成电路和远程通信方式，因此无论是操作还是性能上都有着感应式电表所无法比拟的优势，表1为智能电表与传统电
1.2 智能电表的应用优势
将智能电表应用于电力系统中，具有如下的应用优势：（1）智能电表的应用能够促进电力市场的发展。随着智能电表技术的日趋成熟，电力企业在供电过程中可以极大地降低供电损耗，从而降低用户的用电成本，在促进节能减排实现的基础上，极大地促进了电力市场的发展，引导用户形成良好的用电习惯；（2）智能电表的应用能够促进电力企业服务质量的提高。通过智能电表所实时采集和分析处理后的各种用电信息，电力企业可以及时了解用电的高峰和低谷，从而优化电力资源的配置，提高自身的服务质量；（3）智能电表的应用能够有效防止窃电行为的发生。窃电行为的特殊性导致电力企业对其进行查处和处罚比较困难，而应用智能电表后，能够及时检测到接线的变动、表箱的开启以及表计软件的更改等信息，从而使得电力企业能够及时地发现各种窃电现象，然后采取适当的措施进行打击Ⅲ。
2、基于ARM10的智能电表的设计
2.1 智能电表硬件部分的总体设计
本文将研究和设计基于ARM10的智能电表，该智能电表能够提供实时数据，具有互动性和双向实时通信的功能，因此该智能电表的硬件部分将采用ARMIO为控制核心，采用ATT7022B为信号采集处理芯片，具体见图2：
基于ARMl0智能电表的硬件部分主要有以下几个模块构成：
（1）微控制器模块。微控制器模块使用的是Intel的PXA270处理器，该处理器具有如下资源：VGA显示接口、LCD显示接口、通讯接口、音频接口、触摸屏接口、键盘接口、工业及标准RS485接口、JTAG调试接口、USBHOST和USBClient波特率达12MbpsoPXA270处理器具有非常丰富的外围接口，很适合应用在嵌入式系统中。
（2）数据采集模块。数据采集使用炬力公司的ATT7022B，它是一种高精度三相电量测量芯片，非常适合使用在三相三线和三相四线的智能电表中。ATT7022B能够测量各相和合相的无功功率、有功功率、视在功率、无功能量和有功能量，还能够测量各相的电压有效值、电流有效值、频率、功率因素和视角等参数，能够充分满足智能电表各种功能的需求。
（3）通信模块。智能电网的实现，是建立在双向、高速、实时和集成的电力通信系统上的。本文中通信模块使用了3G，采用3G通信的优势在于：能够极大地提高数据传输的速度，确保各种智能设备的可靠运用；其拥有的视频功能，能够满足电网与发电企业、需求侧和环境的需求；能够极大土也提高安全性和可靠性，同时为智能需求侧管理、线路巡检、电网视频监控、智能控制和电力抢修等提供第一手的信息。 本文中的3G无线模块采用华为公司的EM770w，由内部FlashROM、匹配电源、外围接口、基带处理器、射频天线和一个52脚的金手指组成。图3为EM770W的结构框架图：
（4）电力载波电路。发展中国家释放的电磁波较多，这会电力线的通信将会产生很大的影响，因此适合于是用电力载波通讯技术。本文所研究的智能电表采用的是福星晓程公司生产的PL3106芯片，该芯片具有独特的宽带直序扩频技术，可以通过牺牲带宽来获得比较高的信噪比，从而延长了集中器和各智能电表间的传输距离。
（5）cAN，总线。由于智能电表的工作环境比较复杂，因此不可能单独依靠zigbee技术来实施局域网的数据传输，因此本文采用了cAN总线进行数据的传输。智能电表采用了带有SPI接口传输速度较快的独立CAN控制器MCP2515和cAN，总线驱动器PCA82C250。
（6）无线数据传输模块。智能电表的无线传输主要是采用Zigbee技术，本文中采用的是n公司生产的cC2430芯片，它结合了一个高性能2.4GHz的直接序列扩频射频收发器核心和一颗工业级的8051控制器，能够满足智能电表数据传输的要求。
（7）LCD接口电路。本文所研究的智能电表采用了2.4存TFT-LCD彩屏，它具有编程简单、接口丰富和易于扩展的特点，能够将智能电表的各种参数和故障记录直观地展示给用户。
2.2 智能电表软件部分的总体设计
基于ARM10智能电表的软件部分，将采用嵌入式Linux系统作为运行平台。由于需要同时运行多个任务，因此智能电表采用Linux系统中顶部中断与底部中断相结合的方式，其中顶部中断主要完成状态标志之类的任务，底部中断主要完成中断中的具体任务。图4为基于ARM10智能电表的软件功能模块图：（如图4）
基于ARM10智能电表的软件设计，主要涉及以下几个方面的内容：
（1）数据传输框架和协议。基于ARM10智能电表的数据传输框架主要由通信网络、智能电表、用户户内网络和量测数据管理系统构成，为了充分利用智能电表中的数据，需要为许多现有的应用系统建立专门的应用接口。数据传输协议是智能电表软件设计的重要构成部分，选择的协议既要能够满足传统电力网络的需要，也要能够兼容于未来的智能电能，因采用IEC61850作为企业用户、家庭用户和自动化变电所及配电主站的数据传输协议，以IEC60870协议作为智能调度间的信息互动。
（2）嵌入式系统开发环境。本文所研究的智能电表是在嵌入式Linux系统平台上运行的，其具有如下优势：Linux的源代码是开放性的，设计者可以免费进行使用和修改，因此能够极大地降低开发成本，Linux能够支持多种硬件平台，并且可以被移植到多种硬件平台，其适应性很强；Linux的内核可裁剪，设计者可以根据自己的需要来将某些模块裁剪到内核中去。
（3）智能电表的主流程。作为智能电表软件部分的主线，智能电表的主流程复杂系统、器件的初始化和对各功能模块的调度，实现整个嵌入式系统的各种功能。
（4）驱动程序。Linux的设备驱动有块设备驱动、字符设备驱动和网络设备驱动这三类，每种类型都为内核提供相应的调用接口，使得内核可以用相同的方式来处理不同的设备。基于ARM10智能电表的软件驱动程序主要有UART口驱动、SPL总线驱动、IIC总线驱动和一般字符设备驱动。
3、小结
随着通信技术和计算机技术的日益成熟，智能电表开始受到人们越来越多的关注和重视。尤其是国家倡导节能减排后，智能电表的应用能够降低电力企业在输电过程中的损耗，引导用户形成合理的用电习惯，优化对家用电器的管理控制，因此研究智能电表的特点及其应用优势具有重要的现实意义。本文在对智能电表进行阐述的基础上，研究和设计了基于ARM10的智能电表，它具备双向通信、双向计量和多种控制相结合的功能，具有内置双向通信模块，支持分时电价和实时测量和存储带有时标的计量值。
【关键词】智能电表；智能电网；应用优势；ARM10；Linux
【中图分类号】TM933.4 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0058-02
O、引言
作为我国一次能源的最大使用者，电力行业在努力满足社会快速增长需求的同时，也应该承担起节能减排的社会责任。目前煤电仍然是我国电力的主要来源，电力企业每年会排放大量的温室气体，因此加快转变电力行业的发展模式、促进电力企业的节能减排，已经成为关系到影响我国环境友好型社会建设的重要问题。
鉴于此，国家电网公司提出了要建设坚强智能电网。作为智能电网建设的重要基础设备，智能电表近年来因其在资产管理、系统运行和负荷响应上所实现的节能减排而受到了越来越多的关注和重视，因此本文将对智能电表的特点和应用优势展开深入的探讨，并研究和设计了基于ARMl0的智能电表。
1、智能电表的概述
1.1 智能电表的定义和特征
目前国际上并没有对智能电表形成统一的概念和标准，美国习惯使用“advanced meter”来描述智能电表，欧洲习惯使用“smart electricmeter”来描述智能电表。我国定义的智能电表具有如下特性：以微处理器为核心，能够对数据进行自动测量、实时分析和判断；能够进行自动调零和单位换算；能够对简单的故障进行提示；通过操作面板和显示器来实现人机的交互；能够实现多用户计量和特定用户的计量；能够实现计量数据的双向通信。
智能电表的工作原理如下：实时采集用户的供电电压和电流信号，利用专用的电能表集成电表处理采集到的供电电压和电流信号，并将处理后的信息转化为与电能成正比的脉冲输出，然后使用单片机将脉冲转化为用电量并输出。图1为智能电表的构成原理图：
作为应用于电力用户侧的智能电子设备，智能电表具有如下功能：能够实现电表间的双向通信，确保电力企业能够实时地掌握各种顾客的用电信息，同时支持智能电器的接入控制；能够分时段地对用电量进行采集；能够记录用户的各种异常用电事件，并及时进行报告；当用户初次安装或者是更换电表、未缴纳电费和发生紧急状况时，能够实现远程的断电和上电；记录和报告停电恢复、停电通知和交流失电等事件；能够将采集到的信号经处理后显示给操作人员，包括负荷、费率、功率方向、双向电能、电压和需求量等信号；能够监视电网不平衡、谐波和畸变等影响电能质量的因素，并且发现电能质量不稳定时发出警报；能够记录并报告各种异常情况，包括未授权的访问、表计数据的篡改和定制修改等；能够实时监视控制用户储能单位和分布式电源，优化管理微电网的用电和插入式混合电力汽车的用电；能够实现远程诊断、数据压缩和安全传输、时钟同步、变成编程等；能够对智能安防传感器和智能插座进行控制。
智能电表采用了电子集成电路和远程通信方式，因此无论是操作还是性能上都有着感应式电表所无法比拟的优势，表1为智能电表与传统电
1.2 智能电表的应用优势
将智能电表应用于电力系统中，具有如下的应用优势：（1）智能电表的应用能够促进电力市场的发展。随着智能电表技术的日趋成熟，电力企业在供电过程中可以极大地降低供电损耗，从而降低用户的用电成本，在促进节能减排实现的基础上，极大地促进了电力市场的发展，引导用户形成良好的用电习惯；（2）智能电表的应用能够促进电力企业服务质量的提高。通过智能电表所实时采集和分析处理后的各种用电信息，电力企业可以及时了解用电的高峰和低谷，从而优化电力资源的配置，提高自身的服务质量；（3）智能电表的应用能够有效防止窃电行为的发生。窃电行为的特殊性导致电力企业对其进行查处和处罚比较困难，而应用智能电表后，能够及时检测到接线的变动、表箱的开启以及表计软件的更改等信息，从而使得电力企业能够及时地发现各种窃电现象，然后采取适当的措施进行打击Ⅲ。
2、基于ARM10的智能电表的设计
2.1 智能电表硬件部分的总体设计
本文将研究和设计基于ARM10的智能电表，该智能电表能够提供实时数据，具有互动性和双向实时通信的功能，因此该智能电表的硬件部分将采用ARMIO为控制核心，采用ATT7022B为信号采集处理芯片，具体见图2：
基于ARMl0智能电表的硬件部分主要有以下几个模块构成：
（1）微控制器模块。微控制器模块使用的是Intel的PXA270处理器，该处理器具有如下资源：VGA显示接口、LCD显示接口、通讯接口、音频接口、触摸屏接口、键盘接口、工业及标准RS485接口、JTAG调试接口、USBHOST和USBClient波特率达12MbpsoPXA270处理器具有非常丰富的外围接口，很适合应用在嵌入式系统中。
（2）数据采集模块。数据采集使用炬力公司的ATT7022B，它是一种高精度三相电量测量芯片，非常适合使用在三相三线和三相四线的智能电表中。ATT7022B能够测量各相和合相的无功功率、有功功率、视在功率、无功能量和有功能量，还能够测量各相的电压有效值、电流有效值、频率、功率因素和视角等参数，能够充分满足智能电表各种功能的需求。
（3）通信模块。智能电网的实现，是建立在双向、高速、实时和集成的电力通信系统上的。本文中通信模块使用了3G，采用3G通信的优势在于：能够极大地提高数据传输的速度，确保各种智能设备的可靠运用；其拥有的视频功能，能够满足电网与发电企业、需求侧和环境的需求；能够极大土也提高安全性和可靠性，同时为智能需求侧管理、线路巡检、电网视频监控、智能控制和电力抢修等提供第一手的信息。 本文中的3G无线模块采用华为公司的EM770w，由内部FlashROM、匹配电源、外围接口、基带处理器、射频天线和一个52脚的金手指组成。图3为EM770W的结构框架图：
（4）电力载波电路。发展中国家释放的电磁波较多，这会电力线的通信将会产生很大的影响，因此适合于是用电力载波通讯技术。本文所研究的智能电表采用的是福星晓程公司生产的PL3106芯片，该芯片具有独特的宽带直序扩频技术，可以通过牺牲带宽来获得比较高的信噪比，从而延长了集中器和各智能电表间的传输距离。
（5）cAN，总线。由于智能电表的工作环境比较复杂，因此不可能单独依靠zigbee技术来实施局域网的数据传输，因此本文采用了cAN总线进行数据的传输。智能电表采用了带有SPI接口传输速度较快的独立CAN控制器MCP2515和cAN，总线驱动器PCA82C250。
（6）无线数据传输模块。智能电表的无线传输主要是采用Zigbee技术，本文中采用的是n公司生产的cC2430芯片，它结合了一个高性能2.4GHz的直接序列扩频射频收发器核心和一颗工业级的8051控制器，能够满足智能电表数据传输的要求。
（7）LCD接口电路。本文所研究的智能电表采用了2.4存TFT-LCD彩屏，它具有编程简单、接口丰富和易于扩展的特点，能够将智能电表的各种参数和故障记录直观地展示给用户。
2.2 智能电表软件部分的总体设计
基于ARM10智能电表的软件部分，将采用嵌入式Linux系统作为运行平台。由于需要同时运行多个任务，因此智能电表采用Linux系统中顶部中断与底部中断相结合的方式，其中顶部中断主要完成状态标志之类的任务，底部中断主要完成中断中的具体任务。图4为基于ARM10智能电表的软件功能模块图：（如图4）
基于ARM10智能电表的软件设计，主要涉及以下几个方面的内容：
（1）数据传输框架和协议。基于ARM10智能电表的数据传输框架主要由通信网络、智能电表、用户户内网络和量测数据管理系统构成，为了充分利用智能电表中的数据，需要为许多现有的应用系统建立专门的应用接口。数据传输协议是智能电表软件设计的重要构成部分，选择的协议既要能够满足传统电力网络的需要，也要能够兼容于未来的智能电能，因采用IEC61850作为企业用户、家庭用户和自动化变电所及配电主站的数据传输协议，以IEC60870协议作为智能调度间的信息互动。
（2）嵌入式系统开发环境。本文所研究的智能电表是在嵌入式Linux系统平台上运行的，其具有如下优势：Linux的源代码是开放性的，设计者可以免费进行使用和修改，因此能够极大地降低开发成本，Linux能够支持多种硬件平台，并且可以被移植到多种硬件平台，其适应性很强；Linux的内核可裁剪，设计者可以根据自己的需要来将某些模块裁剪到内核中去。
（3）智能电表的主流程。作为智能电表软件部分的主线，智能电表的主流程复杂系统、器件的初始化和对各功能模块的调度，实现整个嵌入式系统的各种功能。
（4）驱动程序。Linux的设备驱动有块设备驱动、字符设备驱动和网络设备驱动这三类，每种类型都为内核提供相应的调用接口，使得内核可以用相同的方式来处理不同的设备。基于ARM10智能电表的软件驱动程序主要有UART口驱动、SPL总线驱动、IIC总线驱动和一般字符设备驱动。
3、小结
随着通信技术和计算机技术的日益成熟，智能电表开始受到人们越来越多的关注和重视。尤其是国家倡导节能减排后，智能电表的应用能够降低电力企业在输电过程中的损耗，引导用户形成合理的用电习惯，优化对家用电器的管理控制，因此研究智能电表的特点及其应用优势具有重要的现实意义。本文在对智能电表进行阐述的基础上，研究和设计了基于ARM10的智能电表，它具备双向通信、双向计量和多种控制相结合的功能，具有内置双向通信模块，支持分时电价和实时测量和存储带有时标的计量值。