智能電能表大容量數據安全存儲的方法研究*

沈建良，李亦龍，吳劍芳

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310000）

0 引 言

智能電能表［1-2］作為一種電能計量器具，用來衡量用戶消費電量的多少，是電力公司對用戶用電收費的依據，因此，其存儲數據［3-4］的安全可靠顯得十分重要。目前，智能電能表主要存儲數據包括當前電能、歷史電能以及事件記錄等信息，隨著用電情況的越來越多變，智能電能表的功能越來越豐富，特別是OIML R46國際建議［5-6］的推行，要求智能電能表計量功能與其他功能相互獨立，“計量芯”負責計量功能，“管理芯”負責其他功能，即“雙芯”設計。因此，新一代智能電能表將涉及計量芯、管理芯的電能相關數據的校核，同時，計量芯作為最基礎也是最重要的電能計量部分，存儲的數據量特別大，并且不允許數據丟失或錯誤。

如何設計既能實現智能電能表的大容量數據存儲，又能保證數據存儲的安全性，就顯得尤為重要。本文從 EEPROM［7-8］及 Flash［9］數據保存特點出發，結合電能存儲數據的重要性，提出了一種智能電能表的大容量數據存儲方法，來實現數據的安全存儲。

1 “雙芯”設計智能電能表數據存儲分配

采用“雙芯”設計的智能電能表包含計量芯和管理芯，計量芯主要用來存儲當前電能及基礎凍結電能的數據信息。管理芯主要用來存儲當前電能、歷史電能、當前需量、歷史需量、事件記錄和運行設置相關參數的數據信息。

目前，智能電能表主要用到的存儲器包含EEPROM、Flash等［10］，EEPROM存儲器具有免擦寫，讀寫壽命超過100萬次的優點，但其存儲容量有限，主要用來存儲當前電能、當前需量和運行設置相關參數等數據量較小的數據信息。Flash存儲器具有存儲容量大的優點，但寫入數據前，如果待存儲區域不為空，需進行擦除操作，且擦除時間長，同時擦除次數不超過10萬次。因此，主要用來存儲歷史電能、事件記錄等數據量較大的數據信息。

2 計量芯大容量數據的存儲

計量芯功能需要進行基礎凍結電能信息的保存，用來滿足管理芯費率電能的處理，同時用于管理芯計費數據的校核。為滿足未來多變的用電信息需求，這里定義基礎電能信息需要滿足正、反向有功總電能每1分鐘的存儲間隔，以及第一、二、三、四象限無功電能每15分鐘的存儲間隔，并且存儲深度不小于1年。為了保證數據的安全性，數據通常采用三處備份的方式。由此計算，電能表存儲數據量很大，可超過20 MByte。因此，采用“雙芯”設計的智能電能表數據的存儲不僅要求存儲器容量大，而且還需要其具有較長的讀寫壽命，保證數據存儲的安全性。

2.1 存儲區說明

數據存儲區域主要分為兩處，分別在EEPROM和Flash。利用EEPROM數據可直接寫入的特點，在EEPROM中實時存儲最近兩天的電能數據信息，同時結合Flash存儲容量大的特點，其他時間的電能數據信息都定時保存在Flash中。該方式可避免實時寫Flash數據時，擦除Flash操作，減少外部異常對Flash擦除操作的影響，提高寫入安全性。同時定時把EEPROM中的批量數據，保存至Flash中，提高存儲效率。

在EEPROM中開辟兩塊地址空間，用于存儲兩天的數據信息，采用交替擦寫的方式存儲數據。電能表正常運行狀態時，一處EEPROM存儲空間存放數據，另一處數據為空。當EEPROM中儲存的數據量滿1天時，將該存儲數據寫入Flash中，同時清除該存儲空間，新紀錄數據存放至EEPROM另一個地址空間，兩塊存儲空間采用輪換的存儲方式。

在滿足電能表基礎電能信息存儲容量20 MByte的要求下，分析比較采用EEPROM、Flash和EEPROM+Flash三種存儲方式的特點，如表1所示。分析可見，采用EEPROM+Flash的存儲方式既可以滿足數據存儲的讀寫壽命和可靠性要求，同時又可以在成本上得到有效控制。

表1 三種存儲方式特點比較Tab.1 Comparison of three data storage methods

2.2 EEPROM存儲設計

電能表每分鐘觸發數據存儲動作，將當前電能表有效時鐘和需存儲的數據組織好后放入臨時緩存。然后讀取兩處EEPROM地址的數據，判斷時標是否有效。

第一種情況，兩處地址數據都有效。先將兩處地址中時標較小數據轉存Flash，然后比較臨時緩存數據時標和兩處地址中較大時標的日期大小：（1）若臨時緩存數據時標日期小于EEPROM中較大時標的日期，則不寫入；（2）若臨時緩存數據時標日期大于EEPROM中較大時標的日期，則寫入另一處EEPROM，同時將該EEPROM中原有效的數據轉存至Flash；（3）若相等，則判斷臨時緩存時標中的時分對應EEPROM中已存數據的時分偏移地址往后（包括這個點）的數據是否全部無效，若全部無效，則寫入。

第二種情況，一處地址數據有效。比較臨時緩存數據時標和有效數據時標的日期大小：（1）若臨時緩存數據時標日期小于有效數據時標日期，則不寫入；（2）若臨時緩存數據時標日期大于有效數據時標日期，則寫入另一處EEPROM地址，同時將該EEPROM中原有效的數據轉存至Flash；（3）若相等，則判斷臨時緩存時標中的時分對應EEPROM中已存數據的時分偏移地址往后（包括這個點）的數據是否全部無效，若全部無效，則寫入。

第三種情況：兩處地址都無效。則將臨時緩存中的數據存入其中一處EEPROM地址。

一是立志“成一家之言”。在年輕的時候，章學誠就立下大志，要對《漢書·藝文志》進行研究，校讎其書，申明微旨，“又取古今載籍，自六藝以降，訖于近代作者之林，為之商榷利病，討論得失，擬為《文史通義》一書，分內外雜篇，成一家言”[1]。章學誠的“成一家之言”是要對歷史文獻“商榷利病，討論得失”，發現規律，提出新的史學觀點，研究新的史學理論。章學誠的學術實踐也正是這么做的，他在史學領域大膽發揮，“自信發凡起例，多為后世開山。”[2]為千古史學開辟了新的道路。

2.3 Flash存儲設計

為提高MCU執行效率，在MCU處理器正常處理任務間隙，檢查判斷需寫入的Flash是否為空，若不為空則擦除。避免在寫入時，再進行Flash擦除操作，提高Flash數據寫入效率，縮短寫入數據時間，進一步提高數據寫入的可靠性。

當EEPROM數據存儲流程中觸發數據轉存Flash時，比較需轉存數據的時標與Flash中最近一天數據的時標：（1）若需轉存數據的時標大于Flash中最近一天數據的時標，則將數據寫入；（2）若需轉存數據的時標小于等于Flash中最近一天數據的時標，則不寫入。

Flash中數據按時標順序循環存儲，當存儲數據量滿1年時，將覆蓋最早一天的數據，以此類推，如圖1所示。

2.4 數據存儲流程

計量芯電能數據信息在EEPROM與Flash中存儲流程，具體實現方法如圖2所示。

圖1 Flash數據存儲模式Fig.1 Mode of Flash data storage

圖2 計量芯電能數據信息存儲流程Fig.2 Flow chart of electricity data information storage for metering chip

步驟如下：

S101：電能表每分鐘觸發數據存儲動作，將當前電表時鐘和需存儲的數據組織好后放入臨時緩存；

S102：讀取兩處存儲區的數據，判斷其時標是否都有效，若是進入步驟 S103、S104，否則進入步驟S111；

S104：將兩處存儲區中時標較小的有效數據作為待轉存數據，然后進入步驟S106；

S105：將該臨時緩存數據作為待轉存數據；

S106：比較待轉存數據的時標是否大于Flash中最近一天數據的時標，若是進入步驟 S107，否則結束；

S107：將EEPROM中有效的數據轉存至Flash，然后進入步驟S110；

S108：如果臨時緩存數據時標不大于兩處存儲區中較大時標的日期，則判斷臨時緩存數據時標是否等于兩處存儲區中較大時標的日期，判斷是進入步驟S109，否則結束；

S109：判斷臨時緩存時標中的時分在對應EEPROM中已存數據的時分偏移地址往后（包括這個點）的數據是否全部無效，若是進入步驟 S110，否則結束；

S110：將臨時緩存數據寫入EEPROM；

S111：判斷兩處存儲區中的數據是否有一處有效，若是進入步驟S103，否則進入步驟S112；

S112：將臨時緩存中的數據存入EEPROM的其中一處存儲區。

3 結束語

簡述了智能電能表大容量數據存儲方式下存儲器的劃分，結合目前常用存儲器EEPROM及Flash存儲器特征，研究了如何用目前常用的EEPROM和Flash存儲器安全、高效的存儲“計量芯”中大容量電能數據。有效的避免了現有技術中EEPROM存儲容量小、Flash閃存擦寫次數低以及擦寫時間長的缺點。在降低EEPROM存儲容量要求的同時，減少了Flash操作次數，不僅提高了雙芯電能表數據的存儲效率，而且擴展了存儲器的使用壽命，提高了電能表大容量數據存儲的安全性與可靠性，同時，在成本上也得到了有效的控制。