基于FreeRTOS的智能用电监控系统

刘迎澍，杨珂，丁纬航

（天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）

在未来的智能电网架构中，灵活互动的智能用电管理将成为其中的重要环节。因此，研究高效、便捷的楼宇、家居智能用电管理技术，对于充分合理利用电力资源、实现精细化管理以及节能减排具有重要意义[1-3]。

为了满足楼宇、家居智能用电管理的需要，必须实时采集各种电气设备的运行状态，如负荷电能消耗、分布式可再生能源及储能单元的运行状态、电能质量及报警事件等信息[4-7]。这样一方面可以向电能向用户展示实际的供电、用电情况；还可以通过分析楼宇、家居的具体时段用电量、具体负荷用电量、历史用电量等信息，结合当前市电及可再生能源的电能质量和电价结构，来制定、选择合理的用电管理控制策略[8-10]。

1 智能用电监控系统

面向智能楼宇和智能家居的智能用电监控系统如图1所示，系统的核心是一个多功能的智能用电管理单元，也可称为“电能网关”。该装置配备交、直流电气接口，可以连接市电、分布式电源、储能单元及各种交直流负荷，并具备丰富的交、直流监测以及通信和管理功能。

图1 智能用电监控系统框图

智能用电管理单元由主控制、电气接口和一组交、直流电能计量模块构成。主控制器由ARM Cortex-M3核心板、基本IO接口电路、人机接口模块（带触摸功能的液晶屏）、数据存储模块（SD卡）、以太网通信模块和RS485接口构成。各部分的主要功能如下：

1）微处理器是基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103ZET6，该处理器具有功能强大的硬件资源以及内容丰富的程序固件库，非常适合于智能家电、工业控制等众多应用场合；

2）电气接口相当于一组智能插座，系统内部的各种交、直流电气设备可以直接、或通过插座间接连接到用电接口；

3）交、直流电能计量模块的功能非常丰富，通过与电气接口相连，即可以测量各种用电负荷的实时用电量，还可计量市电的用电量和分布式电源（如光伏电池）的发电量，而且能够实时测量市电和分布式电源的电压、电流、频率及功率因数，从而为电能用户、以及用电管理部门提供详实的电能信息；

4）交、直流电能计量模块通过RS485接口将测量的电能实时信息传输给主控单元，后者可通过人机接口模块（液晶屏）实时显示各种设备的用电信息、以及电源和储能单元的运行状况，并将这些实时数据存储在数据存储模块（SD卡），还可以通过以太网通信模块将这些信息上传。

庆历二年，辽国以重兵压境，求关南十县之地。朝廷欲派人前去谈判，但在廷之臣无敢行者，在此紧要关头，有人建议富弼出使辽国，与辽国议和。而当富弼出使回来再度使辽时，路上发现所受政府国书与政府口传之辞不符，于是紧急回朝：

智能用电管理单元的硬件如图2所示。图中的交、直流电能计量模块分为两组，一组是电源侧计量模块，用于连接市电、分布式电源和储能单元；另一组是负荷侧计量模块，用于连接各种交、直流负荷。

图2 智能用电管理单元

2 基于FreeRTOS的智能用电管理软件

2.1 智能用电管理软件结构

智能用电监控系统的软件可以用图3所示的分层结构来表示。根据软件的功能，自下而上依次可划分为硬件驱动层、系统层、应用服务层和应用层。

图3 智能用电监控系统软件架构

1）硬件驱动层

该层提供ARM Cortex-M3处理器及核心板配置的基本IO驱动程序，如SRAM与FLASH驱动、实时时钟驱动、HMI驱动（液晶屏显示及触摸）、电源管理驱动、以太网模块驱动、串行总线驱动（RS485、SPI）、SD卡驱动等。

2）系统层

系统层运行的是具有多任务特性的硬实时操作系统—FreeRTOS的内核[11-12]。系统层是电能监控软件的核心，向下为各种硬件驱动程序提供基本的IO访问接口，向上为电能监控系统的各个应用程序提供统一的管理、调度环境。

作为一款轻量级的嵌入式操作系统，FreeRTOS提供了任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录等功能。由于具有源码公开、可移植性好、裁减方便、调度策略灵活等突出优点，FreeRTOS已在智能家电、工业控制、电力系统等众多领域得到广泛应用[13-15]。

3）应用服务层

提供与应用程序相关的软件驱动模块，如vfat文件系统驱动、malloc堆内存操作驱动、多任务安全事务锁驱动、LWIP（轻量级TCP/IP协议栈）等。

4）应用层

实现了基于多任务的电能计量、设备监控及信息处理等功能，主要包括：实时数据采集、数据存储及显示、信息上传及下载、用电数据分析及管理策略制定、故障检测及报警等。

2.2 智能用电管理软件的任务管理机制

由于FreeRTOS的硬实时特性，通过多任务机制，使电能管理系统中的每一个节点（光伏逆变器、电池管理模块、交、直流电能计量模块等）的监测与控制单独用一个任务去完成，由操作系统来完成任务开销的分配，各应用程序模块只需要实现各自的具体操作，而无需负责向底层的每个任务分配CPU、存储器、定时器等系统资源。

此外，FreeRTOS允许多个任务运行在相同的优先级，因为某些特定的应用情景下，并不能很严格的区分每个任务的优先程度，可以使用相同的优先级，使得每个任务对于系统资源的占用处于平等的位置。此时程序的运行方式类似于软实时操作系统中的多进程，这是其他实时系统所不具备的。

在智能用电监控系统中，所执行的主要任务包括电能计量、设备监控及信息处理等。因此可根据执行操作的功能和对实时性的要求，将这些任务分为普通型、管理型、和应急型3种。任务的优先级定义为应急型最高、管理型其次，普通型最低。各种任务的优先级划分原则为：

1）普通型任务

属于电能监控系统的正常操作，主要包括：采集各种用电负荷的用电量、市电电量、分布式电源的发电量以及储能单元的电量；测量市电和分布式电源的电压、电流、频率及功率因数等状态信息；根据用户需要将采集数据存储、显示输出、通过网络上传给上位机（PC机）或电力管理部门。

2）管理型任务

此类任务为电能管理单元运行的上层监控算法及控制指令，主要包括：根据采集的用电、发电、储能信息，结合结合当前市电及可再生能源的电能质量和电价结构，来制定、选择合理的用电管理控制策略。

3）应急型任务

主要包括系统运行过程中发生的特殊情况或故障，例如：电力系统运行参数（电压、频率）超出规定允许范围；设备故障及运行状态异常；短路及断电等故障。

3 实验验证

连接到智能用电监控系统的电源包括市电和光伏电池（额定功率1 kW），电气负荷包括热水器、PC机、咖啡壶、电灯等。这些负荷的用电参数都可以通过电能计量模块测量，并通过智能用电管理单元进行数据存储和现实输出。

图4 液晶屏显示电能测量数据

图5 热水器实时用电数据曲线

图6 电脑实时用电数据曲线

图4为通过液晶屏显示的某负荷的实时数据，包括电压、电流、功率、用电量、功率因数等。上述用电参数还可以存储，并通过上位机（PC机）显示输出，如图5和图6所示的热水器和电脑的实时用电数据曲线。通过这些实时数据的测量及显示，电能用户能够清晰、直观、及时地了解到各种负荷的用电特性，以及电源和储能单元的供电特性。

4 结论

本文研究了基于多任务、嵌入式硬实时操作系统FreeRTOS的智能用电监控系统，设计了基于多任务、多优先级的智能用电管理软件。实验结果表明，本系统通过各种用电设备及电源的实时运行数据采集、数据存储、显示及上传、故障检测及报警等功能，能够为用户实施智能用电管理提供丰富的实时数据，从而实现节能降耗、充分合理利用电力资源的目标。

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