基于NOR Flash的智能電能表數據管理方法

王冠男 ，許金宇 ，熊 劍 ，左 勇

（1.南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

近年來，隨著智能電能表[1-2]的大規模普及，居民的用電體驗發生了天翻地覆的變化，為智能電網的發展提供了有力支撐。

智能電能表已經不僅僅是一種電能計量器具，同時還承擔著記錄電網運行數據、異常用電情況判斷、用戶用電行為分析等多種角色。智能電能表的功能越來越豐富、越來越復雜，需要存儲的數據總量也越來越多，數據內容的靈活性也越來越高，特別是《面向對象的用電信息數據交換協議》[3]發布并使用以來，要求實現對事件、凍結類數據的靈活配置，存取方式也更加多變。因此，設計一種適用于智能電能表的數據管理方法就顯得非常的必要。

結合智能電能表數據的特性，在此提出一種適用于智能電能表（特別是支持DL/T698.45的智能電能表）的數據管理方法，實現對智能電能表數據的簡便、高效的存取。

1 智能電能表數據特性分析

目前，常用的智能電能表存儲芯片有3種，即FRAM，EEPROM 和 NOR Flash[4-5]。

其中，FRAM的空間最小，主要用于存儲數據變化最頻繁的電能量數據；EEPROM的空間適中，用于存儲需量、參數、關聯列表等變化頻率一般的數據；NOR Flash的空間最大，用于存儲事件、凍結等數據量較大且寫入后不會頻繁改變的數據[5]。FRAM和EEPROM[6]無需擦除，可直接對任意地址進行“寫”操作，且使用壽命較長，基本不需要對存儲數據進行特殊管理，但是其存儲容量較小且價格昂貴。NOR Flash[7]支持任意地址的訪問，在“寫”操作前必須進行擦除，一次性擦除范圍隨芯片特性而定，一般不小于4 kB，使用不夠便捷，需要對存儲數據進行有效管理，但是存儲容量較大且價格便宜。

基于這3種存儲芯片特性，在此僅討論對NOR Flash存儲數據（主要是事件、凍結數據）的管理方法。

以三相智能電能表為例，共有72類事件、13類凍結，共計85類數據需要存儲在NOR Flash，數據特點如下：①每類數據的具體內容可靈活配置；②每類數據可多次存儲，需按照規范定義的“保留次數”保留最近存儲的多次記錄（一般為最近10次）；③同類數據中，可根據數據存儲的先后順序進行查找讀取；④特殊數據分鐘凍結。產生特別頻繁（1次每 1 min）、保留次數特別巨大（20 d，共 28800次），占用空間特別巨大（至少3.6 MB），需要在存儲時特殊處理。

2 傳統智能電能表數據管理方法

2.1 方法簡介

將NOR Flash的最小擦除單元記為Sector，則傳統方法管理流程可描述如下：

步驟1根據每類數據的數據大小，以Sector為單位，分別劃分固定的存儲區域。

步驟2為每類數據分別設置In，Out和Sum三個變量。其中，In始終指向“寫”操作地址；Out始終指向最早的1條記錄；Sum為當前實際存儲的數據記錄總次數。

步驟3盡可能多地為分鐘凍結分配Sector，以降低擦除頻率。寫數據時按照In指向的地址寫入。讀數據時根據Out和要讀取的數據順序編號來計算偏移地址，再讀取數據。擦除管理即當分配的存儲區無空閑時，擦除Out指向的Sector，同時更新In，Out和Sum的值。

2.2 特性分析

1）RAM占用。每類數據都要分配3個指針，85個文件共計占用約1 kB，對資源緊張的電表而言，RAM占用較大。

2）擦除頻率與磨損均衡性。產生頻繁的某類數據存儲區會擦除頻繁，不經常產生的某些類數據存儲區則長時間處于空閑狀態。另外，若某種故障工況下導致某些事件頻繁產生，或者某類數據的數據量較大時，也會提高擦除頻率。整體而言，擦除頻率可控性較差，整片Flash的磨損均衡性也較差。

3）靈活性。每類數據的存儲區域是預先固定的，當數據類型變化或Flash規格變化時，都需重新分配存儲區域，靈活性較差。

4）對分鐘凍結的處理。沒有特別的針對性措施，只能通過多分配Sector來降低分鐘凍結存儲區域的擦除頻率。

3 新型智能電能表數據管理方法

所提新型智能電能表數據管理方法結合智能電能表數據的特性，采用鏈表和重映射的概念思想，提高了訪問NOR Flash的科學性和靈活性，且資源占用低，數據存取便捷高效，適用于智能電能表。

3.1 NOR Flash分區設計

以Sector為單位，將NOR Flash劃分為鏈表區和數據區兩部分。鏈表區存放各類數據在數據區的對應存儲地址；數據區存放各類數據的具體內容。數據存取時，先在鏈表區查找該類數據在數據區的對應存儲地址，再到數據區對該類數據的具體內容進行存取操作。

3.1.1 鏈表區結構設計

鏈表區由多個鏈表組成。為便于管理，每個鏈表大小可設置為與Sector相等，每類數據對應各自的鏈表。因此，對于三相智能電能表，鏈表區大小為85個 Sector。

鏈表由鏈表單元Link組成。Link由1 B狀態標志和3 B數據地址組成。其中，狀態標志表示4種狀態，空閑、有效、可擦除、已擦除；數據地址表示該Link對應的數據記錄在數據區的存放地址。鏈表區結構如圖1所示。

圖1 鏈表區結構示意圖Fig.1 Linked list area structurd sketch

3.1.2 數據區結構設計

除去鏈表區占用的空間，NOR Flash中的剩余空間為數據區。數據區由數據單元Data組成，為提高讀寫速率，一般Data大小等于Flash的頁大小。Data由1 B狀態標志、3 B串聯地址、1 B數據編號和數據具體內容組成。其中，狀態標志與Link中的狀態標志保持一致；數據編號表示不同類型的數據；串聯地址一般為0，但若1個Data不足以存儲該類數據，則串聯地址存放下1個Data的地址。數據區結構如圖2所示。

圖2 數據區示意圖Fig.2 Data area structurd sketch

3.2 數據管理方法

在數據區設置Base，Dirty，Reserve和In四個指針。其中，Base為重映射指針，始終指向數據區邏輯地址0對應的Sector（即數據存入最早的Sector）；Dirty指向待擦除的Sector；Reserve指向擦除備用的Sector；In指向待寫入的空閑Data。

寫數據時，在In指向的Data中寫入數據，若數據大小超過Data，則查找下一個空閑Data繼續寫入數據，直至文件數據寫完。同時Data中的狀態標志和串聯地址。完成后，在鏈表中查找空閑Link，更新Link中的狀態標志和數據地址。

讀數據時，根據該類數據鏈表中的數據地址在數據區讀取數據。若數據占用多個Data，則按照Data中的串聯地址連續讀取，直至讀取到完整的數據。

鏈表擦除管理當某類數據的鏈表中沒有空閑Link時，擦除鏈表，保留狀態標志為有效的Link。

數據區擦除管理當數據區沒有空閑Data時，將Dirty指向的Sector中狀態標志為有效的Data轉移到Reserve指向的Sector中，然后擦除Dirty指向的Sector。

數據區指針維護初始化時，Base，Dirty指向起始 Sector；In指向起始 Data，Reserve指向尾部Sector。每次寫數據時，In按地址順序指向下一個Data。每次數據區擦除時，Dirty，Reserve按地址順序指向下一個Sector。當擦除前Dirty等于Base時，Base按地址順序指向上一個Sector。

數據管理流程如圖3所示。

圖3 數據管理流程Fig.3 Data manage ment flow chart

3.3 分鐘凍結特殊處理

由于分鐘凍結數據的保留次數特別巨大（28800次），若每個Link對應一條數據記錄，則鏈表占用空間巨大，故需特殊處理——采用“分散式多級鏈表”的方法。

針對分鐘凍結數據，每60 min的數據共用1個Link（即每個整點數據建立1個Link），則鏈表中只需包含480個Link，并且為分鐘凍結的鏈表分配2個Sector（以4 kB為例，1個Sector可存放1024個Link），可充分滿足保留次數的要求。

在數據區，若Data存儲數據為分鐘凍結，則將Data尾部4 B作為分鐘凍結多級鏈表使用 （如圖4所示的虛線框內）。其中，1 B為分鐘標志，表示當前Data存儲的分鐘凍結的具體分鐘數；3 B為跳轉地址，表示下一分鐘的分鐘凍結在數據區的存儲地址。將每小時60 min的數據分散在60個Data的跳轉地址中，從而實現分鐘凍結數據的存取。

數據區結構變化如圖4所示。

圖4 數據區結構示意圖（含分鐘凍結）Fig.4 Data area structural sketch（include minute freeze）

寫分鐘凍結數據時，與3.2節中寫數據流程相同。完成后，根據Link中的整點數據地址和Data中的跳轉地址，逐分鐘查找到上一分鐘所在的Data，將其跳轉地址更新為本次寫數據的Data地址。

讀分鐘凍結數據時，先根據小時數查找Link，再根據Data中的分鐘數和跳轉地址，逐分鐘查找，讀取具體某一分鐘的數據。

分鐘凍結鏈表擦除管理，即當鏈表中沒有空閑Link時，直接擦除較早的Sector，無需保留其中的有效Link。

3.4 特性分析

按照2.2節的4個方面與傳統方法進行對比，該方法具有以下突出優點：

①RAM占用。通過設置4個指針，即完成數據區的存取和擦除管理，RAM占用極低。

②擦除頻率與磨損均衡性。每個鏈表可存儲1024條數據記錄，遠遠大于保留次數，根據電表實際應用情況，使用壽命期間擦除次數幾乎為零。對于數據區，每個Sector按照地址順序循環寫入，循環擦除，磨損均衡性相等。

不再為每類數據分配固定的存儲區域，最大化對數據區進行使用，把擦除頻率降到最低。

③靈活性。當數據類型變化或Flash規格變化時，只需適當調整Link和Data的大小即可通用。

④對分鐘凍結的處理。通過對Link和Data的結構進行微調，解決了鏈表占用過大和數據存儲區擦除過于頻繁的問題，無需刻意為分鐘凍結分配較多的存儲空間。

4 結語

通過分析智能電能表數據的特性以及傳統數據管理方法存在的缺陷，并針對智能電能表的需求和目前存在的缺陷，獨立提出了一種新型的智能電能表數據管理方法。

該方法基于鏈表和重映射的概念思想，將NOR Flash劃分為鏈表區和數據區2部分，提高了訪問NOR Flash的科學性和靈活性，且資源占用低，數據存取便捷高效。該方法緊密結合智能電能表數據特性，通過設置4個指針，實現了對數據區的管理維護；通過巧妙的對Link和Data數據結構進行微調，便解決分鐘凍結的問題；與傳統方法相比，在RAM占用、磨損均衡性和擦除頻率以及靈活性等方面都有很大的提高，希望對智能電能表的數據管理提供一些參考。