一种简易的智能电表

1  绪论

智能电网是一个完整的信息架构和基础设施体系，实现对电力客户、电力资产、电力运营的持续监视，利用“随需应变”的信息提高电网公司的管理水平、工作效率、电网可靠性和服务水平。智能电网的产业主要由高级计量体系（AMI）、高级配电运行（ADO）、高级输电运行（ATO）和高级资产管理（AAM）四大模块构成。AMI是一种用于先进电表，能够提供实时的双向通信设施，是智能电网的基础信息平台^[1]。IBM 利用智能电表计量管理系统，帮助电力行业向服务模式转型，使个人和企业可以选择使用能源的方式和时间，从而在降低电力高峰负荷的同时，大幅提升客户体验。在实践中，IBM 已经帮助终端用户节省了 10%的电费支出，并让电网在用电高峰期降低 15%的负荷^[2]。Rich在主题讲演中说，智能电表将是建立家庭和供电企业双向沟通的第一步^[3]。

智能电网已经是一个世界性的课题，智能电表作为智能电网最重要的终端设备，研究热度飙升。智能电网的网络建设更成为当下的重要任务。

本文试图搭建一个“抗毁智能电网—交互性终端（智能电表）—信息安全传输”的智能网络框架。由于出于一个人的绵薄之力，技术和思想上都有局限，希望老师予以指导。

1.1  智能电网概述

电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

中国的智能电网的基本特征是在技术上要实现信息化、自动化、互动化。

1.2  智能电表概述

作为智能电网的终端设备，智能电表与普通电表最显著的区别在于电表不仅是查看计量工具，更是一个实时双向通讯，获取更多电网信息，进行主动选择和合理分配用电，进一步可以制作用电计划。

2 智能电表系统设计

2.1  智能电表市场简述

据《中国智能互动电网发展战略报告》中预计，2009年起，仅中国需要更换智能电表约3000万块～5000万块，预计在设备采购中，智能电表每年可达到56亿元的规模。智能电表有可能成为智能电网投资中最大的赢家。

目前我国智能电表应用较少，智能电网建设全面铺开后，智能电表的相关企业将面临一个每年超过50亿规模的市场，将充分受益于智能电网的建设。目前A股中涉及智能电表的企业主要是长城开发（000021）和科陆电子（002121）^[1]。

有理由相信，智能电表是智能电网出现在市场，给IT行业带来巨大效益的一个设备行业，值得大力投资研发。

2.2  智能电表需求分析

2.2.1 智能电表功能

a) 显示累计用电电量（千瓦时）

b) 显示累计用电总额（分）

c) 显示及时电价

d) 显示各个智能电器用电电量

e) 显示累计发电电量及金额

f) 向电网总公司传输用电数据

g) 选择使用煤发的电

h) 选择使用绿色能源发的电（太阳，风等）

i) 选择向电网卖电（通过太阳能，汽车电子等）

j) 家庭结算使用与发电

k) 控制智能家电定时取电

下图是智能电表的功能模块示意图。

  

 图2.1 智能电表功能模块图

2.2.2 智能电表操作

根据智能电表功能分析，将智能电表需要实现的功能分为表内操作（智能电表计算和通信）和表外操作（手动控制用电方式）。a,b,c,d,e,f,j为表内操作，g,h,i,k为表外操作。

智能电表的操作体现在键盘功能设计上，如下给出了智能电表表上键盘操作的清单：

·按钮一： 选择煤电

·按钮二： 选择水电

·按钮三： 选择风电

·按钮四： 选择太阳能电

·按钮五： 选择蓄电池电（例汽车电子，家庭蓄电池柜等）

·按钮六： 买电（使用）

·按钮七： 卖电（向电网输电）

·按钮八： 家庭断/开电

·按钮九： 显示计划用电信息（控制智能家电定时取电，但这个基于控制相对复杂，设计在电表上不妥当，电表只用于显示出这个智能家电计划用电信息即可，其他实际控制设计在智能家电的功能中。）

智能电表的简易操作规则：

·操作1：按下“按钮八”，家庭开电；再按“按钮八”，家庭断电。

在开电和用电状态下，可以进行2~6操作：

·操作2：按下“按钮一”，启用煤电使用。

·操作3：按下“按钮二”，启用水电使用。

·操作4：按下“按钮三”，启用风电使用。

·操作5：按下“按钮四”，启用太阳能电使用。

·操作6：按下“按钮五”，启用蓄电池电使用。

在开电和卖电状态下，可以进行7~11操作：

·操作7：按下“按钮七”，再按下“按钮一”，启用煤电卖电。

·操作8：按下“按钮七”，再按下“按钮二”，启用水电卖电。

·操作9：按下“按钮七”，再按下“按钮三”，启用风电卖电。

·操作10：按下“按钮七”，再按下“按钮四”，启用太阳能电卖电。

·操作11：按下“按钮七”，再按下“按钮五”，启用蓄电池电卖电。

在卖电结束后下，可以如下操作：

      ·操作12：按下“按钮六”，将电表进行用电状态。

智能家电计划用电设计好之后：

      ·操作13：按下“按钮九”，电表显示计划好的智能家电用电情况，并将信息存储在电表中，等计划的用电信息时刻到达时，予以按计划进行智能用电。本次计划和实现都已经发生，即刻自动复位该按钮，处于等待被唤醒状态。

以上设计的操作简单易懂，涉及到的按键数量少，却能涵盖本文设计的智能电表的所有功能，并可以根据需求进行扩展。

2.3  智能电表详细设计

2.3.1 智能电表的设计结构图

本文根据功能分析得到的结果，设想构造出一个智能电表的实际工作界面，展示智能电表在家庭用电上的功能和优势。声明这存属于作者关于智能电表的实际效果构想。

 

图2.2 智能电表外观效果示意图

2.3.2 智能电表的硬件设计

a)  CPU：单片机一个，选定型号为MSP430F449。

b)  存储器：FLASH

c)  网络接口模块

d)  各种电能驱动模块

d)  显示器一块

e)  键盘一个

f)  其他普通电表的相应元器件，例如电能计量单元等。

MSP430系列单片机是一种具有集成度高、功能丰富、功耗低等特点的16位单片机。它的集成调试环境Embedded Workbench提供了良好的C语言开发平台。设计中考虑到程序的复杂性和程序容量大的要求选择了MSP430F449，这款单片机的FLASH存储器高达64kB，RAM多达2kB，串行通信可软件选择UART/SPI模式，同时具有160段液晶驱动能力，可满足智能电表的设计需要。

为保障数据安全，在本系统中外扩了一种非议实行存储器。串行接口的FLASH与CPU接口简单，连线少，它的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息。考虑到存储容量并不多，读写并不频繁，对读写速度要求不高，加以数据可靠性要求很高，因此在这里选用外扩一个非易失型存储器FLASH。

对于智能电表与上位机的通信，选择使用RS-485总线通信。RS-485可以进行多点和双向通信，允许多个发送器连接到同一条总线上，使得一个集中器管理多个电表的线路，易于实现。同时，RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性、传输距离较长等特点，使其成为首选的串行接口。基于RS-485总线的智能电表系统不仅结构简单、成本比较低，而且容易控制。

本系统可以选择各种渠道提供电能，因此加入一个“各种电能驱动模块”。根据键盘输入，单片机得到了此时需要何种电能的信息。通过一系列处理后，通过驱动模块，来驱动所要求电能的发电方。

下面是智能电表的硬件设计结构图。

 

图2.3 智能电表硬件结构图

2.3.3 智能电表的软件设计

    系统所用的软件是采用C语言编写的，采用模块化设计，主要包括主程序、定时及通信中断服务子程序和可供调用的功能模块等，可实现数据处理、通信控制、人机界面等任务。定时中断为最高中断，主要完成测量芯片内部寄存器数据的读取、转换及显示刷新等任务。

智能电表对用户显示涉及到的计算并不复杂，处理器处理的运算有如下：

累计分时计价总额UCost，由各个间断电价和对应的用电量乘加。

  （公式1）

累计分时发电总额PCost，由每次向电网卖电的电量和对应的电价乘加。

  （公式2）

智能电网买卖结算IOCost，使用电总额减去卖电总额。

            （公式3）

本文后面涉及的载波通信安全信息传输算法要求的处理器比较高，涉及的计算比较复杂。但是对用户是透明的，所以在说明书中不予说明。

其他显示信息由通信直接实时显示在智能电表上，不是智能电表本身技术。

2.4.4 加解密硬件加速器设计

智能电表作为智能电网的终端，其对数据信息的安全要求比其他嵌入式系统设备要显得更为重要，能有效的降低因黑客等截取智能电表数据信息，用作不法的活动，本文考虑将智能电表加一个模块用于信息的加密，使得智能电表获取的信息转换成密文进行智能电网上的传输。考虑到智能电表作为一个终端设备，是需要接受市场和用户的价格水平，硬件要求不能过高，因此智能电表的加解密这个模块代价不能像普通的加解密算法那样对硬件的高要求，否则就缺乏加解密速度。本文给出的加解密模块只是一个设想，具体实践工程，还需要进行进一步的市场调研和技术研究。因此，也是本文的一个技术难点。

本文将加解密的模块设计成一个加解密硬件加速器，封装在智能电表里，这样做的优点是提高加密算法思想的安全性和用硬件提高加解密信息的速度。

下图是信息在智能电网传输过程中的表现形式。

 

密文

加解密硬件加速器

电网中心

明文

明文

图2.4 信息在智能电网中的存在方式图

加解密硬件加速器设计的关键是加解密的算法设计，出于智能电表的硬件水平（产品价格）和信息传输安全，本文作者提出了随机映射表算法。

2.4.4.1 随机映射表算法

为表述方便，模拟一个攻击智能电网场景，从场景得出结论。

·角色：智能电表1~100，黑客，明文（智能电表与电网中心的实际数据），密文（通过随机映射表映射生成的加密数据）

·动作：黑客在途中截取智能电表1发出的密文，试图破译，由于是映射表映射，无法通过普通算法破译。黑客必须寻找智能电表1内映射表，实现这一目的，除非是到智能电表1家中打开智能电表，获取制作过程中固定上去的映射表，否则密文处于安全状态。

·疑点：黑客是否可以用自己家中的智能电表内的映射表来破译智能电表1传出的密文？

·疑点解决方案：智能电表设计就像钥匙，在映射表这个模块上具有不同性。黑客家里的映射表不一定是智能电表1中的映射表。

·疑点：那么是否需要每个智能电表一个映射表？

·疑点解决方案：不需要。假如设计100张映射表，将智能电表规格做成100中，智能电表1中的映射表在电网中心以户主ID识别。这样给工程上带来了可行。

·疑点：那黑客可以用每个映射表一一带入破译么？

·疑点解决方案：除非黑客知道设计出刚刚好100张表，而且除非黑客能获得这些所有的表。电网中心和生产厂商对此是用保密方法，使得黑客不知道是100张表，而且看电表外观不知道里面是什么表。

·定案：经过几轮讨论，智能电表1采用映射表映射的简单算法，将明文转换为密文，传给电网中心，电网中心根据智能电表1的户主ID，从数据库里面搜索出该映射表属于哪一个，然后进行映射表解码。因此映射表在智能电表中表现出一定的随机性和不确定性。本文将这个加解密的过程称为随机映射表映射。

·优点：无法进入智能电表1家中，无法获取电网中心数据库，黑客很难破译传输的信息。硬件加速器设计简单，只需存一张随机映射表，并进行哈希查表得硬件逻辑即可。随机映射表映射的加解密硬件加速器，以极小的代价，充分发挥智能电表和智能电网与众不同的特点，较好的保证了数据传输的安全性，是一种可行的方案。

·映射表进一步分析：分析智能电表和电网中心传输的数据，不难得出该数据有个特性是数据比较单一，不复杂。信息基本上是分为两种，一种是通知和新闻信息；另一种是用电量，电费，及时电价等电表需要的信息。前者数据不需要保密，所以传输不需要加密，而后者数据比较单一，需要的映射表大小比较小。

2.4.4.2 硬件加速器原理设计

为了进入硬件加速器的设计，先举个例子。假如电网中心需要将及时电价和温馨提醒信息广播到智能电表，传输的报文可以不用加密。例如信息“煤电价7:00~12:00 0.40元 …温馨提示 请节约用电”。这条简单的信息报文头为0，表示非加密信息，采用广播的方式发给各个电表，智能电表的硬件加速器根据报文头是0，选择不用翻译报文。而智能电表把电费电量等信息发给电网中心时，需要加密处理。例如信息“总电量100 ，总电费50，…”，这条信息报文头设为1，经过加解密硬件加速器将报文的数据的通过内嵌的映射表映射成密文，比如数据变成“恩典就减肥肥豆恩典快加肥豆…”。不难发现映射表中的一一对应关系：

总

电

量

1

0

5

费

，

恩

典

就

减

肥

加

快

豆

表1 该智能电表的一段映射表

这段密文封装在一个具有三个关键字段（报文头，用户ID，数据段）的报文中，传到电网中心后，电网中心根据用户ID，从数据库中找到这个智能电表的硬件加速器中的映射表类型，从而进行解码，还原信息。

报文头

用户ID

数据段

其他

1位

ID长度位

 

 

表二 报文格式的与加解密有关的关键字段

以上给出了一个简单的关于信息处理的例子，下面给出本文设计的一个简单的信息处理模型，从而得到加解密硬件加速器的原理。

  

 图2.5 硬件加速器处理信息过程图

硬件加速器要完成上述功能，需要的硬件模块是一张映射表，一个查表得硬件电路，由上分析得到硬件加速器的内部模块。

 

图2.6 硬件加速器模块

硬件加速器设计步骤：

①数据分析。总结智能电表需要加密处理的数据。举例，待加密数据全部字符如下（这是个简化版，随着需要加密的内容字符量对映射表进行扩充）：

{总电量费0123456789元度，。买卖}

②采用软件程序随机生成一个映射表如：

总

电

量

费

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

元

度

，

。

买

卖

 

 

大

小

多

少

我

你

她

还

有

是

么

哎

日

土

月

心

信

贵

服

衣

 

 

表3 一张映射表例子

将这个映射表用ram存储在硬件加速器中，作为一个模块——映射表模块。

③查表硬件电路设计，作一一映射变成密文。

 

图2.7 查表电路模块图

④封装数据。将密文数据按照上文定义的报文格式封装成报文。

2.4.4.3 随机映射表优点

随机映射表具有单向随机性，很难从密文破解明文。这个简单的加密之所以能用于智能电表，归根结底在于智能电表作为智能电网终端，和智能电网中心之间的信息传输内容具有局限性，而且内容固定单一。充分利用这一个特点，可以利用最简单最廉价的映射表作为明文和密文转换的函数映射，可以很好的满足安全性这个要求。

3  智能电表市场分析

3.1  市场容量分析

中国电表网新闻动态 指出，从去年上半年开始，智能电表渐渐成为微控制器(MCU)业的应用热点，几大MCU公司竞相发布新产品。不久前，飞思卡尔、ADI和NXP公司上演了新产品秀。

更显然的是2010年4月份以来，电力设备行业股体现出较强的抗跌性，表现最为强势的是二次设备子行业，逆市上涨超过20%；电源设备业股次之，跌幅仅为0.08%；一次设备业股略强于大盘，下跌12.19%，已具备估值优势。

智能电表的市场已经开始上演激烈与可观的阶段，相信在不就得将来，智能电表作为一个产业，市场将是欣欣向荣。

国家电网2010年计划完成固定资产投资2641亿元，同比下降15.11%；其中完成电网基建投资2274亿元，同比下降25.65%，其中电网基础投资主要向特高压和配电网更新改造倾斜。随着城市化进程的加快和智能电网全面建设的即将到来，作为电力系统终端和基础的配电网设备市场将保持较快增长。在一次设备行业中，建议关注许继电气[33.60 -4.33%](000400，收盘价33.60元)。公司是产业链最完整、输变电领域最先进的电力设备供应商；尤其是在直流输电领域，将成为唯一一家能同时生产直流换流阀和直流输电控制保护系统的企业。

《中国智能互动电网发展战略报告》中预计，2009年起，仅中国需要更换智能电表约3000万块～5000万块，预计在设备采购中，智能电表每年可达到56亿元的规模。智能电表有可能成为智能电网投资中最大的赢家。

从国家的计划方针，从社会对智能电表的支持，从股票的优质，从各个技术公司对智能电表的热点研究，每个方面都能看出智能电表市场在中国这个人口大国将成为角斗追逐的极大战场。容量之大，效益之高，值得投资者青睐。

3.2  目标市场分析

智能电表作为一个比较先进，科技含量比较高的产品，目标市场的定位直接影响到智能电表的价格和用户的心理接受水平。本文制定了“3个阶段战略”来试图较好的占领智能电表目标市场。

第一阶段，特区阶段。智能电表刚入市，免不了价格偏高，智能电网为普及，使用相对以前的电表较繁琐等特点，因此，入市选择我国经济特区城市，这里的市场用户经济条件相对好，价格不是主要影响因素；经济特区城市的城市规划和建设比较超前，智能电网在这些城市相对的完善，这给智能电表的入户提供的智能电网系统的可行性；这些地区的用户接受教育程度和对科学的理解程度相对较高，智能电表的使用上更容易上手。因此，选择特区城市作为打开智能电表市场的第一个目标市场战略。

第二阶段，网状拓扑相对普及阶段。这个阶段智能电表技术达到了相对进步，价格有所下降，适合特区周边城市。智能电网在第一阶段已经成功后，以各个特区为各个中心点，像周围城市延伸。这样的优点有如下：首先，每个城市都有了智能电表的售卖维护中心，以该点为中心，方便营业部的新建，这是地域上就近的优势。其次，搭建好了智能电表公司的营业部关系，“总部——特区营业中心——周边营业厅”。另外，横向并行的特区向周边扩展有利于加大智能电表技术传播速度，并给行业的技术交流带来优势。

第三阶段，普及阶段。在以特区点为各个中心点的地区智能电表落实后，而且智能电表的技术水平达到了相对先进，智能电表的价格也下降到了普通用户都能接受的水平。这个阶段是实现国家“智能电网”战略的实现。每个电表的利润很低，但以巨大的销售数量获取很大的收益。

3.3  智能电表竞争点分析

本文设计的智能电表如果投入市场，其与同类产品相比，具有如下几大优势：

1．信息安全机制。

2．卖电功能。

3．清洁能源接入。

4．分段计费。

5．温馨信息提示功能。

3.4  销售模型

按照“三个阶段”的战略方针，销售模型也定义“两个模型”。

第一模型，媒体效应。利用互联网，电视广告，广播等媒体介绍智能电表产品。这一个模型适合“第一阶段”和“第二阶段”。目标是打开市场。

第二模型，政府效应。和国家电网合作，响应国家建设国家智能电网的需求，用成熟廉价的产品来普及智能电表。

3.5        市场推广必备要求

要将智能电表推广到市场，必须具备如下几个先觉条件：

第一．市场所在的城市或地区必须已经建成了智能电网。

第二．智能电表价格必须符合用户心理价位，在可行的价格内设计出相对功能较高的产品。

第三．智能电表必须能响应加密机制。因为智能电网作为一个“传输金钱”的网络，防范不法分子盗取信息利用的措施是必须建立的。

第四．“第三阶段”必须将智能电表产品价格廉价化，必须和国家电网合作。因为这是一个国家战略，竞争力会巨大。只有用性价比最高的智能电表，才能和国家电网合作，普及到千家万户，而能占领这个目标市场的智能电表，才会是最大的赢家。类似机顶盒，从开始的较贵价格到赠送，完全因为有政府在其中的巨大作用。

结论

本文设计的智能电表实现了智能电网的客户终端智能化，自动化，实时化，并结合智能电网的数据特征和使用特性，设计了一个加解密硬件加速器，性价比十分之高。智能电表作为一个还在研究的未来产品，在中国这个超级大国将实施智能电网的推广之路上，肯定会迎来一个属于它的春天。

参考文献

[1]智能电网行业研究，看好智能电表企业，日信证券，2009.5

[2] IBM智慧的地球，智慧的电力.

[3] 飞思卡尔，Rich关于智能电表的演讲.