（控制理论与控制工程专业论文）基于nec单片机的单相智能电能表设计.pdf

合肥工业大学 i i i i ii i ii iieie l lut lfiiii ly 18 8 7 2 18 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 。毯这 凄瘤钟戈锄波阏钟挝多弓刁 、勺二 t 芝 匀( 形y 丝仨j _ 一 劾彳轰 酗按 ：谰妒仓肛二嘲司压疑 天 d。艺b ，撅少m七 丞 乍 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 ：金月巴工些太堂：一或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学攀名：够呼 签字日期：沥f - 年叩髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥工业大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做作零签名2 象 签字日期珈l 1 年。铲毵日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一菇调竹 签字日期：汐f f 年年月2 6 日 电话： 邮编： 基于n e c 单片机的单相智能电能表设计 摘要 随着集成电路和微计算机控制技术的不断进步以及用户需求的不断增长， 当前电能表的局限性不断暴露出来，也严重制约着我国电力行业的发展。当前 政府正在大规模推进的智能电网建设，对电能表的需求也不断提高，因此开发 出能满足当前智能电网建设需求的智能电表就显得尤为迫切。 本文分析了国内外智能电网研究现状，智能电网建设对智能电能表的需求 以及新型智能电能表设计的重大意义，结合智能卡技术，设计出一款符合国网 规范的智能电表。该电能表采用具有高性价比的n e c 单片机i t p d 7 8 f 0 5 2 7 作为 主处理器，充分利用了其丰富的接口和外围资源，采用专用计量芯片r n 8 2 0 9 对用户用电信息进行采集和计量，引入c p u 卡和e s a m 模块来实现高效安全的费 控管理，配合电源电路、存储和时钟芯片以及通讯电路，完成单相智能电能表 设计。 本文参照国网规范，提出了单相智能电能表设计方案，给出了硬件设计框 架和软件主程序流程，并对部分硬件模块进行了详细介绍，重点阐述了计量模 块、智能卡处理模块以及费控模块实现，最后对电能表进行了计量校准，并根 据相关规范对本地预付费功能进行了测试。 关键字：智能电表；c p u 卡；嵌入式安全控制模块；片上操作系统；r n 8 2 0 9 s i n g l e - p h a s es m a r tm e t e rd e s i g n i n gb a s e d o nn e cm c u a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g ya n di n c r e a s i n gn e e d s o fe l e c t r i c i t yc o n s u m e r s ，t h e l i m i t a t i o n so f c u r r e n tm e t e rh a sb e e ne x p o s e d ，w h i c hs e r i o u s l yr e s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s ee l e c t r i c a lp o w e ri n d u s t r y t h eg o v e r n m e n ti sn o wl a r g e l yp r o m o t i n g s m a r tg r i dc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi n c r e a s e st h ed e m a n df o re n e r g ym e t e r t h u s ，i th a s b e c o m ea l li m p e r a t i v et od e v e l o p eas m a r tm e t e rm e e t i n gt h en e e d so f s m a r tg r i d t h et h e s i sa n a l y z e st h er e s e a r c hs t a t u so fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls m a r t g r i d ，d e m a n df o rs m a r tm e t e ri ns m a r tg r i dc o n s t r u c t i o na n dt h es i g n i f i c a n c eo fn e w s t y l es m a r tm e t e rs t u d y i n g i n c o n b i n a t i o nw i t hs m a r tc a r dt e c h n o l o g y ，w e d e s i g n e d as m a r t m e t e ri nl i n ew i t hs t a t e g r i ds p e c i f i c a t i o n i tt a k e s t h e c o s t e f f e c t i v en e cm c u “p d 7 8 f 0 5 2 7a st h em a i np r o c e s s o r ，m a k i n gf u l l u s eo fi t sa b u n d a n ti n t e r f a c e sa n dp e r i p h e r a l s w i t ht h ed e d i c a t e de n e r g ym e a s u r i n g c h i pr n 8 2 0 9f o ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dm e a s u r e m e n to fe l e c t r i c i t yu s a g e ，t h e i n t r o d u c t i o no fc p uc a r da n de s a mw h i c hh e l p su sa c h i e v es a f ea n de f f i c i e n t c h a r g ef u n c t i o n ，w i t ht h ep o w e rm o d u l e ，e e p r o m ，c l o c kc h i p ，a n dc o n m u n i c a t i o n c i r c u i tm o d u l e ，s i n g l e p h a s es m a r tm e t e ri sa c c o m p l is h e d i nr e f e r e n c et ot h es m a r tg r i ds p e c i f i c a t i o n ，t h et h e s i sp r o p o s e st h es c h e m eo f s i n g l e p h a s es m a r tg r i d ，s h o w st h eh a r d w a r ef r a m e w o r ka n ds o f t w a r ep r o g r a mf l o w c h a r t ，d e s c r i b e sp a r t so f h a r d w a r em o d u l ei n d e t a i l ，t h e ne x p a u n d st h e i n p l e m e n t a t i o no fm e a s u r e m e n tm o d u l e ，s m a r tc a r dp r o c e s s i n gm o d u l ea n dc h a r g e m o d u l e t h el a s tp a r ti st h em e t e rc a l i b r a t i o na n dt e s to fl o c a lp r e p a i df u n c t i o ni n a c c o r d a n c ew i t hr e l e v a n tr e g u l a t i o n s k e yw o r d s - s m a r tm e t e r ；c p uc a r d ；e s a m ；c o s ；r n 8 2 0 9 致谢 转眼之间，三年的研究生生涯就快结束了，在即将离校之际，我要感谢在 在此之间所有给我关心给我鼓励的老师、同学、朋友和亲人。 首先我要感谢我的导师陶维青副教授，无论是在生活上、学习上还是思想 上，都有陶老师无微不至的关怀，本文的研究工作也是在陶老师的悉心指导下 完成的，从课题的选择到课题的研究以及最后论文的完成都饱含了陶老师无私 的指导和谆谆教诲i 陶老师渊博的专业技术知识、扎实的学术基础、严谨的治 学态度、极高的工作热情和以及谦虚学者风范，让我深深的受到感染，这将使 我终身受益。在此谨向陶老师致以崇高的敬意和由衷的感谢。 其次，我要感谢本论文研究过程中给我帮助的师兄王璩以及同窗张巧云、 范维银、项玉球，感谢你们在学习和生活上给我的鼓励，还要感谢实验室的师 弟、师妹们以及同宿舍的好友们，是你们让我的研究生生活更加充实，这将是 我人生中最美好的回忆，谢谢你们! 还要感谢安徽科大智能公司软件部的同事 们在课题研究中对我的帮助和鼓励。此外，在研究生三年期间，单位领导对本 人在校期间的学习、生活和工作都给了无微不至的关心，让我远在外地求学也 能感觉到组织的温暖，我一定不会辜负你们的厚望，回单位后将学以致用，以 实际行动来回报领导的大力支持和鼓励。 最后，我要特别感谢我的亲人，感谢你们为我付出的辛劳和对我的支持。 作者：黄俊祥 2 0 11 年0 4 月 目录 、 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外智能电能表的研究应用现状2 1 2 1 美国智能电能表研究现状2 1 2 2 英国智能电能表研究现状2 1 2 3 国内智能电能表研究现状3 1 3 智能电能表带来的好处3 1 4 本文的主要内容及章节安排4 第二章单相智能电能表设计的技术基础5 2 1 需求响应5 2 1 1 需求响应分类5 2 1 2 需求响应的意义5 2 1 3 需求响应与智能电能表5 2 2 智能卡技术6 2 2 。l 智能卡简介6 2 2 2 智能卡片上操作系统7 2 2 3c p u 卡在购电系统中的应用7 2 3 身份认证技术8 第三章单相智能电能表总体设计及硬件实现1 0 3 1 电能表功能需求和设计依据1 0 3 1 1 单相智能电能表功能需求1 0 3 1 2 单相电能表设计依据。1 1 3 2 电能表总体设计1 2 3 2 1 主控m c u 选择1 2 3 2 2 计量芯片选择1 2 3 2 3 电能表硬件框架1 3 3 3 部分硬件模块介绍1 4 3 3 1 电源电路设计1 4 3 3 2 计量电路设计1 5 3 3 3 通讯电路设计1 8 3 3 4 存储和时钟模块2 0 3 3 5c p u 卡及e s a m 模块设计。2 2 3 3 6 继电器控制及断电检测电路2 3 3 3 7 按键、显示及其他电路。2 4 第四章单相智能电能表软件设计2 6 4 1 设计思想和方法2 6 4 2 总体流程一2 7 4 3 中断服务程序设计2 8 4 4 计量模块程序设计：2 9 4 5 费控模块程序设计3 0 4 6 卡片处理模块程序设计3 2 4 7c p u 卡驱动设计3 5 4 7 1 字符的物理传送3 6 4 7 2 报文发送与接收函数4 1 4 7 3 卡片命令处理流程。4 3 4 8 数据存储模块设计4 3 4 9 通讯模块软件设计4 6 4 9 1 通讯协议设计4 6 4 9 2 红外通讯驱动程序设计4 8 4 9 3r s 4 8 5 通讯软件设计4 9 4 9 4 通讯处理流程4 9 第五章电表校准和功能试验5 l 5 1r n 8 2 0 9 校表5 1 5 1 1 参数设置5 1 5 1 2 有效值校正一5 1 5 1 3 有功校正5 2 5 1 4 无功校正5 2 5 2c p u 卡功能测试5 2 5 2 1 功能卡检测5 2 5 2 2 用户卡功能检测5 3 第六章总结与展望。5 4 6 1 本课题所做的工作总结5 4 6 2 课题展望5 5 插图清单 图2 1c p u 卡在购电过程中的信息交互流程：8 图2 2 系统身份认证流程9 图3 1 单相智能电能表结构原理图。1 3 图3 2 电源模块电路15 图3 3r n 8 2 0 9 内部结构框图16 图3 - 4 有功计算。17 图3 5 计量模块电路设计1 8 图3 - 6 红外通讯接口电路1 9 图3 7r s 4 8 5 通讯接口电路2 0 图3 - 8a t 2 4 c 1 2 8 与m c u 接口2 l 图3 - 9r t c 8 0 2 5 t 与m c u 接口。2 2 图3 1 0c p u 卡座和e s a m 与m c u 的硬件连接2 3 图3 1 1 继电器控制电路2 4 图3 1 2 继电器短路检测电路2 4 图4 1 智能电能表软件模块结构图2 6 图4 2 电能表主程序流程图2 7 图4 3 电能量结算流程图3 2 图4 - 4 卡片处理总流程3 3 图4 5 用户卡的操作流程3 5 图4 6 字符帧格式3 6 图4 7 卡片命令处理流程图4 3 图4 8 字符传输序列一4 7 图4 9 红外编码的位时序图4 8 图4 1 0 通讯处理流程5 0 图6 1 单相智能电能表实物图5 4 表格清单 表3 1 单相智能电能表技术指标：1 1 表4 1 中断使用情况说明2 8 表4 2 费率时段设置于数据标识的关系3 1 表4 3 电能表数据存储说明表4 4 表4 4e s a m 中的钱包文件数据存放4 6 表4 5e s a m 中的费率文件数据存放4 6 表4 6 通讯帧格式_ 4 7 表5 1 功能卡测试项目说明表5 3 表5 - 2 用户卡功能测试项目说明表。5 3 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 j 近年来，随着世界经济的高速发展和科技的进步，全社会对能源的需求和 依赖迅猛增长，用户对电能的质量和可靠性要求不断提高，电力网络与用户的 交互与协调也越来越密切，传统电网多年积累下来的诟病，已经难以适应时代 发展的新需求了，智能电网的概念应运而生，尤其是随着政府的政策引导，越 来越多的资金和研发力量都进入智能电网概念、技术研究和工程实践中相关领 域【1 - 5 1 。 当前，智能电网并没有统一的定义，但不可否认的是智能电网是将先进的 传感器技术、信息通讯技术、分析决策技术和自动控制技术与能源电力技术以 及电网基础设施高度集成的新型现代化电网。7 j ，在其发展过程中的三个里程碑 包括2 0 0 6 年美国i b m 公司提出的“智能电网 解决方案，奥巴马上任后提出 的一系列能源计划，中国能源专家武建东提出的“互动电网 。智能电网具有高 度自愈，坚强，信息互动，高电能质量，资产优化，高效运行，电网兼容性增 强且抵御攻击能力强等特征捧母j 。当前国家正在推进的智能电网建设，是一项着 手现在，放眼未来的系统工程，是继2 0 0 2 年四月国务院发布以厂网分离为改革 目标的电力体制改革方案以来，我国电力行业的又一重大举措。据有关分 析机构估计，我国智能电网的建设，预计将带来近8 4 0 0 亿元的相关电力设备市 场并将推动相关技术的不断进步和更新【l 们，涉及的环节包括发电、输电、变电、 配电、用电、调度等电力体系的方方面面。传统电网体系的信息化、数字化、 自动化以及互动水平都将得到重大提高，实现我们电力产业结构的跨越式调整， 使得我国的电力产业从中低端电力供应商的传统模式提升为集信息互动技术、 计算机控制技术和通讯技术为一体的高端模式【l ，实现“电力流、信息流和业 务流”的高度一体化，让能源更好的服务于人类。 智能电网建设，必须实现对电能量的精确计量，清楚地掌握用户及各区域 的用电情况，才能从全局把握，综合管理，提高用电效率，而这离不开处在智 能电网最底层的基础设备一一智能电表【1 2 以3 1 。智能电表是这样的电表，它已经 不再是传统的机械式电能表了，而是功能和性能都大大增强的全新电子式计量 表，它不仅具有基本的计量费控功能，而且能够显示和记录电能消耗的实时信 息，具有访问权限控制，互操作性以及双向通信等特征 1 4 - 1 7 】。智能电表是智能 电网所必须的负责用户原始数据计量、采集和传输的基本设备，是信息集成、 数据分析、优化管理的基础，基于其建立的a m i ( a d v a n c e dm e t e r i n g i n f r a s t r u c t u r e ，高级量测体系) 、a m r ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，自动抄表) 、 资产管理以及需求侧响应能为用户提供更加优质的服务，不仅可以灵活控制用 电，还能将多余的电回馈电网，提高能源利用效率，促进低碳排放。在智能电 网建设大规模推进的过程中，大量的智能电表将被推广，智能电表市场空间巨 大，据有关报道【18 1 ，这个市场规模每年将超过5 0 亿元，智能电表研发生产厂 商也必须担当起智能电网建设的排头兵。 1 2 国内外智能电能表的研究应用现状 随着智能电网的不断推进，传统意义上的电能表已经无法满足其需求了， 美国、英国、日本、澳大利亚等国家均开展了大规模的智能电表研发工作，并 成立了一些专门的高规格项目或专门性的技术合作小组。 1 2 1 美国智能电能表研究现状 2 0 0 6 年，美国的i b m 公司与全球电力专门研究机构、各大电力企业合作， 开发出了“智能电网”解决方案，这一方案得到极大的响应，通过该方案，美 国着力于电力网络基础设施构架的升级更新，逐步增加投入，为新能源的应用 做好充分的准备。2 0 0 8 年，随着全美第一个智能电网的建立，科罗拉多州首府 丹佛附近一个名不见经传的小镇波尔德迅速被全世界所认识 1 9 1 ，它是全美第一 个智能电网城市，在这个城市，每户家庭都安装有智能电能表，人们可以通过 安装在家里的智能电能表很直观的掌握当前的电价，以及用电情况，从而把一 些非必要用电安排在电价较低的时段进行，电表还可以帮助人们优先使用太阳 能等清洁能源，电力部门通过智能电能表实现远程抄表，收集到每家每户的用 电情况，统一储存，对用电高峰或故障进行预测和分析。2 0 0 9 年一月份，美国 白宫发布的复苏计划尺度报告中提出：将为2 0 0 0 万美国家庭安装智能电能 表。2 0 1 0 年以来，不少用户家中已经安装具有双向通讯功能的智能电能表，以 更方便监测电力消耗和资产管理，提高输配电的效率，奥巴马政府将继续对企 业及各地方团体进行财政专项援助，计划在2 0 1 3 年以前将有6 6 0 0 万个家庭将 安装上智能电能表，享受智能电网带来的全新用户体验。 1 2 2 英国智能电能表研究现状 随着欧盟能源委员会能源最终使用效率和能源服务法令2 0 0 6 年五月在欧 洲杂志上的发布，引起了人们对智能电能表的广泛关注【2 引，该法令的第13 条 指出，很多用户都希望得到实际能源消耗以及实时使用情况的精确反映，并且 希望得到更规范和更详细的账单。根据该法令，英国政府于2 0 0 7 年5 月起立法 通过了关于智能电表和能源效率的白皮书，该国的能源零售商联盟( e r a ) 及 其成员共同参与起草了智能计量供应商要求工程( s r s m ) ，并在随后的几年里 发布了大量的研究成果和总结报告。2 0 0 8 年4 月政府决定在大型商业点安装2 0 万只智能电表，并为在国内开展大规模的智能电表安装做更进一步的可行性规 划，费率方案也将在2 0 0 8 年底前最终确定下来。该项目预计总共将带来3 0 0 0 2 万只智能电能表的市场需求，而且该项目通讯协议方案主要采用的是 g s m g p r s ，项目的很多关键部分都具有很好的通用性【2 1 也】。 1 2 3 国内智能电能表研究现状 长期以来，我国普遍使用的电能表都是老式的感应式机械表，从而不得不 耗费大量的人力去进行抄表工作，而随着计算机和互联网技术的发展，大部分 电力公司都是已经配备了计算机售电和管理应用系统，作为用电管理最基本的 用电数据的收集方式相当滞后，不但降低了工作效率，而且影响到计量的精度 和效率，阻碍着人们用电消费体验的提升【2 弘2 4 j 。正是由于以上背景，更先进的 电度表应运而生。目前国内电能表按结构可划分为机电一体式和全电子式两类， 机电一体式电能表是在原来的老机械式电能表上附加一定的附件，以达到既不 破坏原有装置，又能够进行电度计量和电脉冲输出；全电子式电能表则是从数 据采集到计量到费控全部采用高度集成的芯片，省去了传统电表上的机械部件， 不仅减小了电能表的体积，可靠性和精确度也得到了较大的提升，连一些微弱 的电流如手机充电器以及接线板等的静态损耗都能检测到，并进行计费。 自中国能源问题专家武建东提出“互动电网”概念以来【2 引，国家电网公司 以及国内相关企业都相继加入智能电网设备的标准制定和研发生产中来，2 0 0 9 年9 月，国家电网公司按照建设统一坚强智能电网的总体要求，结合国内外计 量、通信中的先进技术，组织编制了智能电能表系列标准，包括单相三相智能 电能表的功能规范、型式规范、技术规范、信息交换安全认证技术规范等共1 2 个标准。越来越多的企业和研发机构通过将先进的微型计算机控制、通信、安 全技术引入到电子式计量设备中来，不断提升智能电能表的性能。去年以来， 国家电网公司分批组织智能电能表集中招标，预计总的市场需求将达2 亿到3 亿台。 1 3 智能电能表带来的好处 自电灯问世以来，人们的生产生活就越来越依赖于电力了，在电力供应和 消费过程中，电力相关部门始终占据着主导地位，用户和公共事业部门始终无 法很好地参与到电力事业的建设和发展中来。传统电能表及其收费模式直制 约着电力服务的提升，智能电能表的出现，将给电力相关各方带来巨大的益处， 它不仅将使得用户有机会主动参与到现代智能电网的建设中，而且有利于政府 和公共事业部门的适当介入和引导，将为电力行业的新产品和新服务提供更多 的机会 2 7 - 2 9 】。 a ) 政府和公共事业部门的获益 对于公共事业服务部门来说，可以增加网络的可靠性，避免重复建设，可 以在未来的不久统一水、电、气基础管理设施，并共享通信信道，大大降低通 讯成本，提高管理效率。并且为能源服务开辟新的市场，促进低碳家庭。 b ) 用户的获益 对于用户来说，最大的好处就是能够得到及时准确的电价和用电信息，再 也不用每个月都在家里等着抄表员上门抄录用电数据，增加了电力消费情况的 知情权，而且通过电力公司发送在网络上的实时电价和用电信息，可以预测用 电高峰，进行用电时间调整，避开用电高峰，从而节约电费。 c ) 电力部门的获益 有了智能电表，电力公司的资源将从繁重低效的人工抄表中节约出来，用 于更好地为用户提供更高级的服务，不仅省却了人工抄表的成本，而且大大降 低了人工抄表时产生的错误率，计量更精确，用户的电费账单也可以通过多种 渠道实时地告知用户，通过分时电价，可以动态调整用电负荷，削峰平谷，提 高电能利用率。此外，电力公司可以很方便的通过远程收集来的用电数据以及 实时的电网监测数据，对电网质量、潮流和故障进行有效管理和应对。 1 4 本文的主要内容及章节安捧 本文共分为六章，以课题的进展为依据，按照课题背景，技术原理，硬件 设计，软件实现以及调试和总结的顺序来组织全文： 第一章，绪论。阐述了本课题的研究背景以及国内外研究现状，并对智能 电能表带来的获益进行了分析。 第二章，单向智能电能表设计的技术基础。详细分析了智能电能表相关的 几个关键技术包括需求侧响应理论，c p u 卡技术以及身份认证技术。 第三章，单相智能电能表总体设计及硬件实现。通过对单相智能电能表的 功能需求分析，提出单相智能电能表的实现方案，采用瑞萨公司生产的高性能 单片机加专用计量芯片实现基本的电能计量功能，加入内置式安全认证模块 e s a m 存储关键数据并防止外部对电能表的非授权操作，费控功能采用c p u 卡， 抄表通讯采用红外与r s 4 8 5 方式，并且预留载波模块接口，以利于后面的升级 或调整。 第四章，单相智能电能表软件设计。介绍了软件设计思想和方法，给出了 系统构架及总的软件流程，重点阐述了电能计量处理、费率控制、数据存储、 卡片处理以及抄表通讯的软件实现，并详细介绍了基于i s o i e c7 8 1 6 3 的c p u 卡驱动设计。 第五章，系统实验与校表。对电表误差进行了软件调校，并进行了有关功 能调试。 第六章，总结与展望，是对本文所做工作的总结以及对智能电能表的展望。 4 第二章单相智能电能表设计的技术基础 随着新技术的不断发展，电力解决方案中不断有新的技术和概念被提出， 一些基于电能表的体系和计划如高级量测体系，需求侧响应等，对电能表的发 展推出了更高的要求。以下重点分析几个在智能电能表设计中需要考虑或解决 的技术。 2 1 需求响应 电力的需求响应( d r ) 是在需求侧管理的理论基础上发展起来的，其定义 为1 3 0 - 3 2 ：电力用户响应电价变化和激励支付，改变其原有的电力消费模式。其 中激励支付的目的是在电网上的电价很高或用电高峰时系统供电有困难或系统 可靠性有危险时促使用户减少用电。 2 1 1 需求响应分类 总的来说需求响应可以分为两大类：基于激励的需求响应和基于价格的需 求响应，其中基于价格的需求响应包括分时电价、实时电价、尖峰电价等，基 于激励的需求响应包括直接负荷控制、需求侧竞价、紧急需求相应计划、容量 市场计划、辅助服务计划等。基于激励的需求响应，是在系统需要或过负荷时， 用户通过调整用电时间，将高峰期的用电转移至负荷低谷时段，或通过本地的 分布式电源供电，以减少自身对电网的需求，这样用户将得到一个优惠的零售 电价或相应的激励补偿；基于价格的需求响应是指批发市场价格的变化传递到 用户，用户根据电价的变化调整其用电习惯。 2 1 2 需求响应的意义 需求响应能够给电力市场的参与者带来利益，提高能源效率。而在引入竞 争机制的电力市场中，需求响应更成为了确保系统可靠性、促进电力市场高效 运作的必要手段【3 3 。3 5 j ： a )在电力系统因故障或负荷突增出现功率缺额时，减少用电，防止电网出 现稳定破坏事故，提高供电可靠性，这也是当年洛杉矶电力危机的一个教训。 b ) 削峰平谷，使得负荷曲线趋于平滑，提高电网的负荷率，延缓电力需求 增长对电网固定资产投资的挑战，从而降低运营成本。 c )优化电能利用，为用户节省电费支出； d )参与电网互动，优化电网运行； 2 1 3 需求响应与智能电能表 需求响应机制的引入，大大增强了用户与智能电网的信息与电能互动性， 5 传统电网中，供需双方的界定是以用户电能表为界限的，电能表以上为供应侧， 以下为需求侧，而在智能电网中，借助于智能电能表的双向通信功能和正反向 计量能力，用户也可以将分布式电源所发的电送入电网，从而提高了整个电网 设备利用率。 智能电能表是需求响应的信息和控制终端，它能够记录用户在各费率时段 的实时用电信息，让用户更明白自己的电力消费习惯，结合智能电能表的双向 通信能力，用户可以获得电网当前的运行信息，从而为其参与各项需求响应提 供有力支撑。此外，电力部门也通过智能电能表的通信网络，可以远程对用户 进行抄表，掌握用户用电规律，制定事故应急预案，以应对可能发生的故障【3 引。 2 2 智能卡技术 根据智能电能表相关标准，费控功能是必须实现的，包括缴费充值以及欠 费拉闸限电等，在用户与售电部门之间需要有一个介质将其联系起来，实现从 售电部门购电再到电能表的实时计费扣除，具有大容量信息存储和高数据处理 能力高安全性的智能卡的引入显得尤为必要。 2 2 1 智能卡简介 智能卡( s m a r tc a r d ) 又称i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，集成电路) 卡，它是将 一个专门的集成电路芯片嵌入在塑料基片中，封装成卡片形式。跟当前仍在广 泛使用中的磁条卡相比，智能卡卡内集成了微处理器( c p u ) 、电可擦除可编程 只读存储器存储器e e p r o m 、随即存储器r a m 以及固化了片上操作系统c o s 的只读存储器r o m 。具有更高的安全性、更大的存储容量，并且能够与接口设 备共同完成一些运算处理。i c 卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，其内部 存储的内容可以根据需要供外界读取，作为信息处理和判断p 。需要指出的是， 只有带微处理器的卡片才是真正意义上的智能卡，本文后面提到的c p u 卡，如 不做特殊说明，均为智能卡。 根据接口方式的不同，智能卡可以分为非接触式i c 卡( 即射频卡) 和接触 式i c 卡以及同时均有射频接口和触点式接口的双界面卡。伴随着2 0 0 9 年射频 卡巨头菲利普公司射频卡加密算法被宣告破解，人们对射频卡的安全性开始担 忧起来，并纷纷开始关注具有内部独立加解密运算能力的c p u 卡，即本课题所 采用的接触式i c 卡。 接触式i c 卡通常简称c p u 卡，其遵循的是i s o i e c7 8 16 国际规范，在我 国还应遵循根据i s o i e c7 8 1 6 规范本土化而编制的中国金融集成电路( i c ) 卡规范p b o c 2 0 ，它通过一组6 8 个金属触点建立与外界的接口【3 8 】，接口设 备向卡片提供电源和时钟脉冲，按照7 8 1 6 3 协议格式实现数据的交互。 6 2 2 2 智能卡片上操作系统 智能卡之所以能够支持复杂的应用，其便利和安全的基础就是片上操作系 统( c h i po p e r a t i o ns y s t e m ，简称c o s ) ，它是一个小型的专用操作系统，是紧 紧围绕着它所服务的智能卡的应用途径而开发的，主要用于完成硬件资源管理、 数据安全存取的执行以及与外部接口设备通信1 3 9 。目前国内比较常用的c o s 有北京握奇数据的t i m e c o s 、融通高科的a r t c o s 2 0 、复旦微电子的 f m c o s 2 0 以及东信和平的东信c o s 3 o 等。 文件系统是c o s 的重要模块，它负责组织、管理和维护卡片上的所有数据 和信息，根据文件在树状分层结构中的功能不同，文件可以分为主文件( m f ) 、 专用文件( d f ) 和基本数据文件( e f ) 三大类。主文件是整个文件树的根，具 有唯一性，是整个卡片的入口，对卡片的所有操作都是从选择m f 开始的；专 用文件类似于p c 文件系统中的目录文件，一般可以看做是一个应用或一类数 据在卡内的映射，同级别的专用文件相互独立，其下可以存储基本数据文件或 下一级专用文件；基本数据文件是处于文件树中没有子节点的文件，是卡内数 据的基本载体，根据不同标准可以分成不同的类型，比如按数据结构来分的话 e f 可分为透明二进制文件、定长记录文件、变长记录文件、环形定长记录文件； 按文件用途来分的话e f 可以分为d i r 文件、p i n 文件、对称k e y 文件、非对 称k e y 文件以及应用自定义文件( 如电子钱包，电子存折就是两个特殊文件) 。 c p u 卡的安全体系是整个c o s 的最核心模块，它涉及到卡的鉴别与核实 方式的选择，包括了对卡片内部文件访问控制以及卡片内部信息的保密机制， c o s 的安全体系能够给用户提供一个较高的安全保证，这也是c p u 卡得以迅 速发展并流行开来的原因。安全体系主要包括三个层面的内容：安全状态、安 全属性以及安全机制【4 孤。其中安全状态是指卡片当前所处的安全级别，包括全 局安全状态、特定文件的安全状态以及特定命令的安全状态；安全属性是对数 据对象的访问权限控制，包括文件访问的安全属性和命令的安全属性；安全机 制指的是在c p u 卡内部完成安全操作和安全信息传递所需的一些列措施的结 合，包括加密算法、数字签名、m a c 校验、散列算法和认证等。 2 2 3c p u 卡在购电系统中的应用 在智能电能表中，通过c p u 卡用户不仅可以实现电能表的开户操作，一表 一卡，还能通过多种途径购电，不仅可以前往电力公司柜台购电，而且可以在 指定银行网点甚至在家通过网上银行就可以实现缴费，选择的空间变大，用电 消费变得更加高效方便，大大提高了用户的消费体验。在c p u 卡的使用过程中， 电能表的安全性也必须得到足够的重视，因为要接入银行系统，所以我们采用 的c p u 卡必须符合中国人民银行金融集成电路( i c ) 卡规范( p b o c 2 0 ) ，并 且卡片使用过程中必须进行安全认证，如图2 1 示出了c p u 卡在购电系统中的 7 信息交互流程： 银行接口前鼽h 黼 a t m 自助终端ii 用户家用电脑 c p u 卡读卡器llc p u 卡读卡器i 厂一 ( 内嵌p s a m ) ii ( 内嵌p s a m ) ii c p u 卡读卡嚣 电力公司售电主机 本地智能 电能表 ( 内嵌 e s a m ) 图2 - 1c p u 卡在购电过程中的信息交互流程 ( c 2 3 身份认证技术 智能电能表不仅能够完成基本的电能计量，它还要实现预购电和费控功能， 这其中不仅涉及到用户和供电部门，而且需要接入银行金融系统，所以电表的 安全性显得尤为重要。当前用于费控实现的i c 卡主要有存储器卡、逻辑加密卡 和c p u 卡。存储器卡内部无硬件密保措施，内部数据很容易被截获或随意改写； 逻辑加密卡具有硬件加密逻辑，每次对其写数据都需要进行密码校验，校验成 功才允许对其写入，具有一定的安全性，但读操作不需要校验，无法限制对卡 片内部数据的非法读取，而且加密逻辑一旦被破译，可以对卡片进行无限复制， 严重威胁系统的安全；c p u 卡芯片内部集成了微型处理器和数据存储单元，可 以在卡片内部进行加解密运算，安全性相对来说比较高。 鉴于此，本课题采用c p u 卡作为费控功能实现的介质，用于电能表充值及 参数设置等。为了提高系统的安全性，卡片与电表进行交易之前需对其进行身 份认证，而此认证需要电能表能够产生随机数，和提供加密算法，目前的电能 表内部并不具备此功能，因此本课题在电能表内嵌入一个e s a m ( 嵌入式安全 控制模块) ，将一些关键数据如剩余金额、充值次数、费率参数存入e s a m 中， 8 在电能表主控m c u 的控制下，完成与卡片的身份认证，充分保障电能表的安 全。 身份认证包括内部认证和外部认证，内部认证是c p u 卡对接口设备提供的 数据进行加密计算产生认证数据，并将认证数据发回接口设备，以使接口设备 对验证卡片的合法性，外部认证则是接口设备对从c p u 卡取得的随机数进行加 密计算产生认证数据，并发回给卡片，以使c p u 卡对接口设备的合法性进行验 证，这就是c p u 卡的双重身份认证机制【4 4 1 。在本课题中，电能表的关键数据 存入e s a m 中，每次电表处理卡片时都是首先必须进行身份认证，身份认证是 在主控m c u 控制下由e s a m 与c p u 卡共同参与来完成的，认证流程如图2 2 ： 回送8 位随机 数+ 9 0 0 0 返回9 0 0 0 返回6 10 8 返同 r 1 + 9 0 0 0 主控m c u 取随机数 生成临时密钥 加密计算 获取认证数据 r l 内部认证 获取认证数据r 2 比对r 1 和r 2 若相同则 身份认证通过 图2 2 系统身份认证流程 c p u 卡 返回6 10 8 返回 r 2 + 9 0 0 0 对认证数据的计算包括以下几个步骤： 密钥的查找：身份认证有专门的密钥，通过密钥用途、密钥版本或密 钥索引都可以找到； 生成过程密钥：密钥找到之后，利用其对命令数据域中的后8 字节分 散向量做加密计算，结果为8 字节，作为此次认证的过程密钥； 认证结果计算：用过程密钥对取得的随机数进行加密，得到认证数据。 9 第三章单相智能电能表总体设计及硬件实现 电能表的设计，不仅要实现预期功能，而且各项技术指标都必须达到国家 相关标准的要求，单相智能电能表除了需要具有传统的电能计量和远程控制功 能，还能够实现远程和本地费控，参考国家电网电力相关标准，本课题设计的 智能单相电能表将能必须满足以下设计要求。 3 1 电能表功能需求和设计依据 3 1 1 单相智能电能表功能需求 ( 1 ) 电能计量：对各分时段( 尖、峰、平、谷) 有功，无功电能量及总电能 量分别进行累计，存储，并在需要时输出； ( 2 ) 需量测量：在设定的时间间隔内( 一般为一个月) ，测量单相或双向最 大需量、分时