基于FreeRTOS的智能用電監(jiān)控系統(tǒng)

劉迎澍，楊珂，丁緯航

（天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072）

在未來的智能電網架構中，靈活互動的智能用電管理將成為其中的重要環(huán)節(jié)。因此，研究高效、便捷的樓宇、家居智能用電管理技術，對于充分合理利用電力資源、實現精細化管理以及節(jié)能減排具有重要意義[1-3]。

為了滿足樓宇、家居智能用電管理的需要，必須實時采集各種電氣設備的運行狀態(tài)，如負荷電能消耗、分布式可再生能源及儲能單元的運行狀態(tài)、電能質量及報警事件等信息[4-7]。這樣一方面可以向電能向用戶展示實際的供電、用電情況；還可以通過分析樓宇、家居的具體時段用電量、具體負荷用電量、歷史用電量等信息，結合當前市電及可再生能源的電能質量和電價結構，來制定、選擇合理的用電管理控制策略[8-10]。

1 智能用電監(jiān)控系統(tǒng)

面向智能樓宇和智能家居的智能用電監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)的核心是一個多功能的智能用電管理單元，也可稱為“電能網關”。該裝置配備交、直流電氣接口，可以連接市電、分布式電源、儲能單元及各種交直流負荷，并具備豐富的交、直流監(jiān)測以及通信和管理功能。

圖1 智能用電監(jiān)控系統(tǒng)框圖

智能用電管理單元由主控制、電氣接口和一組交、直流電能計量模塊構成。主控制器由ARM Cortex-M3核心板、基本IO接口電路、人機接口模塊（帶觸摸功能的液晶屏）、數據存儲模塊（SD卡）、以太網通信模塊和RS485接口構成。各部分的主要功能如下：

1）微處理器是基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6，該處理器具有功能強大的硬件資源以及內容豐富的程序固件庫，非常適合于智能家電、工業(yè)控制等眾多應用場合；

2）電氣接口相當于一組智能插座，系統(tǒng)內部的各種交、直流電氣設備可以直接、或通過插座間接連接到用電接口；

3）交、直流電能計量模塊的功能非常豐富，通過與電氣接口相連，即可以測量各種用電負荷的實時用電量，還可計量市電的用電量和分布式電源（如光伏電池）的發(fā)電量，而且能夠實時測量市電和分布式電源的電壓、電流、頻率及功率因數，從而為電能用戶、以及用電管理部門提供詳實的電能信息；

4）交、直流電能計量模塊通過RS485接口將測量的電能實時信息傳輸給主控單元，后者可通過人機接口模塊（液晶屏）實時顯示各種設備的用電信息、以及電源和儲能單元的運行狀況，并將這些實時數據存儲在數據存儲模塊（SD卡），還可以通過以太網通信模塊將這些信息上傳。

慶歷二年，遼國以重兵壓境，求關南十縣之地。朝廷欲派人前去談判，但在廷之臣無敢行者，在此緊要關頭，有人建議富弼出使遼國，與遼國議和。而當富弼出使回來再度使遼時，路上發(fā)現所受政府國書與政府口傳之辭不符，于是緊急回朝：

智能用電管理單元的硬件如圖2所示。圖中的交、直流電能計量模塊分為兩組，一組是電源側計量模塊，用于連接市電、分布式電源和儲能單元；另一組是負荷側計量模塊，用于連接各種交、直流負荷。

圖2 智能用電管理單元

2 基于FreeRTOS的智能用電管理軟件

2.1 智能用電管理軟件結構

智能用電監(jiān)控系統(tǒng)的軟件可以用圖3所示的分層結構來表示。根據軟件的功能，自下而上依次可劃分為硬件驅動層、系統(tǒng)層、應用服務層和應用層。

圖3 智能用電監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構

1）硬件驅動層

該層提供ARM Cortex-M3處理器及核心板配置的基本IO驅動程序，如SRAM與FLASH驅動、實時時鐘驅動、HMI驅動（液晶屏顯示及觸摸）、電源管理驅動、以太網模塊驅動、串行總線驅動（RS485、SPI）、SD卡驅動等。

2）系統(tǒng)層

系統(tǒng)層運行的是具有多任務特性的硬實時操作系統(tǒng)—FreeRTOS的內核[11-12]。系統(tǒng)層是電能監(jiān)控軟件的核心，向下為各種硬件驅動程序提供基本的IO訪問接口，向上為電能監(jiān)控系統(tǒng)的各個應用程序提供統(tǒng)一的管理、調度環(huán)境。

作為一款輕量級的嵌入式操作系統(tǒng)，FreeRTOS提供了任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄等功能。由于具有源碼公開、可移植性好、裁減方便、調度策略靈活等突出優(yōu)點，FreeRTOS已在智能家電、工業(yè)控制、電力系統(tǒng)等眾多領域得到廣泛應用[13-15]。

3）應用服務層

提供與應用程序相關的軟件驅動模塊，如vfat文件系統(tǒng)驅動、malloc堆內存操作驅動、多任務安全事務鎖驅動、LWIP（輕量級TCP/IP協(xié)議棧）等。

4）應用層

實現了基于多任務的電能計量、設備監(jiān)控及信息處理等功能，主要包括：實時數據采集、數據存儲及顯示、信息上傳及下載、用電數據分析及管理策略制定、故障檢測及報警等。

2.2 智能用電管理軟件的任務管理機制

由于FreeRTOS的硬實時特性，通過多任務機制，使電能管理系統(tǒng)中的每一個節(jié)點（光伏逆變器、電池管理模塊、交、直流電能計量模塊等）的監(jiān)測與控制單獨用一個任務去完成，由操作系統(tǒng)來完成任務開銷的分配，各應用程序模塊只需要實現各自的具體操作，而無需負責向底層的每個任務分配CPU、存儲器、定時器等系統(tǒng)資源。

此外，FreeRTOS允許多個任務運行在相同的優(yōu)先級，因為某些特定的應用情景下，并不能很嚴格的區(qū)分每個任務的優(yōu)先程度，可以使用相同的優(yōu)先級，使得每個任務對于系統(tǒng)資源的占用處于平等的位置。此時程序的運行方式類似于軟實時操作系統(tǒng)中的多進程，這是其他實時系統(tǒng)所不具備的。

在智能用電監(jiān)控系統(tǒng)中，所執(zhí)行的主要任務包括電能計量、設備監(jiān)控及信息處理等。因此可根據執(zhí)行操作的功能和對實時性的要求，將這些任務分為普通型、管理型、和應急型3種。任務的優(yōu)先級定義為應急型最高、管理型其次，普通型最低。各種任務的優(yōu)先級劃分原則為：

1）普通型任務

屬于電能監(jiān)控系統(tǒng)的正常操作，主要包括：采集各種用電負荷的用電量、市電電量、分布式電源的發(fā)電量以及儲能單元的電量；測量市電和分布式電源的電壓、電流、頻率及功率因數等狀態(tài)信息；根據用戶需要將采集數據存儲、顯示輸出、通過網絡上傳給上位機（PC機）或電力管理部門。

2）管理型任務

此類任務為電能管理單元運行的上層監(jiān)控算法及控制指令，主要包括：根據采集的用電、發(fā)電、儲能信息，結合結合當前市電及可再生能源的電能質量和電價結構，來制定、選擇合理的用電管理控制策略。

3）應急型任務

主要包括系統(tǒng)運行過程中發(fā)生的特殊情況或故障，例如：電力系統(tǒng)運行參數（電壓、頻率）超出規(guī)定允許范圍；設備故障及運行狀態(tài)異常；短路及斷電等故障。

3 實驗驗證

連接到智能用電監(jiān)控系統(tǒng)的電源包括市電和光伏電池（額定功率1 kW），電氣負荷包括熱水器、PC機、咖啡壺、電燈等。這些負荷的用電參數都可以通過電能計量模塊測量，并通過智能用電管理單元進行數據存儲和現實輸出。

圖4 液晶屏顯示電能測量數據

圖5 熱水器實時用電數據曲線

圖6 電腦實時用電數據曲線

圖4為通過液晶屏顯示的某負荷的實時數據，包括電壓、電流、功率、用電量、功率因數等。上述用電參數還可以存儲，并通過上位機（PC機）顯示輸出，如圖5和圖6所示的熱水器和電腦的實時用電數據曲線。通過這些實時數據的測量及顯示，電能用戶能夠清晰、直觀、及時地了解到各種負荷的用電特性，以及電源和儲能單元的供電特性。

4 結論

本文研究了基于多任務、嵌入式硬實時操作系統(tǒng)FreeRTOS的智能用電監(jiān)控系統(tǒng)，設計了基于多任務、多優(yōu)先級的智能用電管理軟件。實驗結果表明，本系統(tǒng)通過各種用電設備及電源的實時運行數據采集、數據存儲、顯示及上傳、故障檢測及報警等功能，能夠為用戶實施智能用電管理提供豐富的實時數據，從而實現節(jié)能降耗、充分合理利用電力資源的目標。

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