智能电能表大容量数据安全存储的方法研究*

沈建良，李亦龙，吴剑芳

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310000）

0 引 言

智能电能表［1-2］作为一种电能计量器具，用来衡量用户消费电量的多少，是电力公司对用户用电收费的依据，因此，其存储数据［3-4］的安全可靠显得十分重要。目前，智能电能表主要存储数据包括当前电能、历史电能以及事件记录等信息，随着用电情况的越来越多变，智能电能表的功能越来越丰富，特别是OIML R46国际建议［5-6］的推行，要求智能电能表计量功能与其他功能相互独立，“计量芯”负责计量功能，“管理芯”负责其他功能，即“双芯”设计。因此，新一代智能电能表将涉及计量芯、管理芯的电能相关数据的校核，同时，计量芯作为最基础也是最重要的电能计量部分，存储的数据量特别大，并且不允许数据丢失或错误。

如何设计既能实现智能电能表的大容量数据存储，又能保证数据存储的安全性，就显得尤为重要。本文从 EEPROM［7-8］及 Flash［9］数据保存特点出发，结合电能存储数据的重要性，提出了一种智能电能表的大容量数据存储方法，来实现数据的安全存储。

1 “双芯”设计智能电能表数据存储分配

采用“双芯”设计的智能电能表包含计量芯和管理芯，计量芯主要用来存储当前电能及基础冻结电能的数据信息。管理芯主要用来存储当前电能、历史电能、当前需量、历史需量、事件记录和运行设置相关参数的数据信息。

目前，智能电能表主要用到的存储器包含EEPROM、Flash等［10］，EEPROM存储器具有免擦写，读写寿命超过100万次的优点，但其存储容量有限，主要用来存储当前电能、当前需量和运行设置相关参数等数据量较小的数据信息。Flash存储器具有存储容量大的优点，但写入数据前，如果待存储区域不为空，需进行擦除操作，且擦除时间长，同时擦除次数不超过10万次。因此，主要用来存储历史电能、事件记录等数据量较大的数据信息。

2 计量芯大容量数据的存储

计量芯功能需要进行基础冻结电能信息的保存，用来满足管理芯费率电能的处理，同时用于管理芯计费数据的校核。为满足未来多变的用电信息需求，这里定义基础电能信息需要满足正、反向有功总电能每1分钟的存储间隔，以及第一、二、三、四象限无功电能每15分钟的存储间隔，并且存储深度不小于1年。为了保证数据的安全性，数据通常采用三处备份的方式。由此计算，电能表存储数据量很大，可超过20 MByte。因此，采用“双芯”设计的智能电能表数据的存储不仅要求存储器容量大，而且还需要其具有较长的读写寿命，保证数据存储的安全性。

2.1 存储区说明

数据存储区域主要分为两处，分别在EEPROM和Flash。利用EEPROM数据可直接写入的特点，在EEPROM中实时存储最近两天的电能数据信息，同时结合Flash存储容量大的特点，其他时间的电能数据信息都定时保存在Flash中。该方式可避免实时写Flash数据时，擦除Flash操作，减少外部异常对Flash擦除操作的影响，提高写入安全性。同时定时把EEPROM中的批量数据，保存至Flash中，提高存储效率。

在EEPROM中开辟两块地址空间，用于存储两天的数据信息，采用交替擦写的方式存储数据。电能表正常运行状态时，一处EEPROM存储空间存放数据，另一处数据为空。当EEPROM中储存的数据量满1天时，将该存储数据写入Flash中，同时清除该存储空间，新纪录数据存放至EEPROM另一个地址空间，两块存储空间采用轮换的存储方式。

在满足电能表基础电能信息存储容量20 MByte的要求下，分析比较采用EEPROM、Flash和EEPROM+Flash三种存储方式的特点，如表1所示。分析可见，采用EEPROM+Flash的存储方式既可以满足数据存储的读写寿命和可靠性要求，同时又可以在成本上得到有效控制。

表1 三种存储方式特点比较Tab.1 Comparison of three data storage methods

2.2 EEPROM存储设计

电能表每分钟触发数据存储动作，将当前电能表有效时钟和需存储的数据组织好后放入临时缓存。然后读取两处EEPROM地址的数据，判断时标是否有效。

第一种情况，两处地址数据都有效。先将两处地址中时标较小数据转存Flash，然后比较临时缓存数据时标和两处地址中较大时标的日期大小：（1）若临时缓存数据时标日期小于EEPROM中较大时标的日期，则不写入；（2）若临时缓存数据时标日期大于EEPROM中较大时标的日期，则写入另一处EEPROM，同时将该EEPROM中原有效的数据转存至Flash；（3）若相等，则判断临时缓存时标中的时分对应EEPROM中已存数据的时分偏移地址往后（包括这个点）的数据是否全部无效，若全部无效，则写入。

第二种情况，一处地址数据有效。比较临时缓存数据时标和有效数据时标的日期大小：（1）若临时缓存数据时标日期小于有效数据时标日期，则不写入；（2）若临时缓存数据时标日期大于有效数据时标日期，则写入另一处EEPROM地址，同时将该EEPROM中原有效的数据转存至Flash；（3）若相等，则判断临时缓存时标中的时分对应EEPROM中已存数据的时分偏移地址往后（包括这个点）的数据是否全部无效，若全部无效，则写入。

第三种情况：两处地址都无效。则将临时缓存中的数据存入其中一处EEPROM地址。

一是立志“成一家之言”。在年轻的时候，章学诚就立下大志，要对《汉书·艺文志》进行研究，校雠其书，申明微旨，“又取古今载籍，自六艺以降，讫于近代作者之林，为之商榷利病，讨论得失，拟为《文史通义》一书，分内外杂篇，成一家言”[1]。章学诚的“成一家之言”是要对历史文献“商榷利病，讨论得失”，发现规律，提出新的史学观点，研究新的史学理论。章学诚的学术实践也正是这么做的，他在史学领域大胆发挥，“自信发凡起例，多为后世开山。”[2]为千古史学开辟了新的道路。

2.3 Flash存储设计

为提高MCU执行效率，在MCU处理器正常处理任务间隙，检查判断需写入的Flash是否为空，若不为空则擦除。避免在写入时，再进行Flash擦除操作，提高Flash数据写入效率，缩短写入数据时间，进一步提高数据写入的可靠性。

当EEPROM数据存储流程中触发数据转存Flash时，比较需转存数据的时标与Flash中最近一天数据的时标：（1）若需转存数据的时标大于Flash中最近一天数据的时标，则将数据写入；（2）若需转存数据的时标小于等于Flash中最近一天数据的时标，则不写入。

Flash中数据按时标顺序循环存储，当存储数据量满1年时，将覆盖最早一天的数据，以此类推，如图1所示。

2.4 数据存储流程

计量芯电能数据信息在EEPROM与Flash中存储流程，具体实现方法如图2所示。

图1 Flash数据存储模式Fig.1 Mode of Flash data storage

图2 计量芯电能数据信息存储流程Fig.2 Flow chart of electricity data information storage for metering chip

步骤如下：

S101：电能表每分钟触发数据存储动作，将当前电表时钟和需存储的数据组织好后放入临时缓存；

S102：读取两处存储区的数据，判断其时标是否都有效，若是进入步骤 S103、S104，否则进入步骤S111；

S104：将两处存储区中时标较小的有效数据作为待转存数据，然后进入步骤S106；

S105：将该临时缓存数据作为待转存数据；

S106：比较待转存数据的时标是否大于Flash中最近一天数据的时标，若是进入步骤 S107，否则结束；

S107：将EEPROM中有效的数据转存至Flash，然后进入步骤S110；

S108：如果临时缓存数据时标不大于两处存储区中较大时标的日期，则判断临时缓存数据时标是否等于两处存储区中较大时标的日期，判断是进入步骤S109，否则结束；

S109：判断临时缓存时标中的时分在对应EEPROM中已存数据的时分偏移地址往后（包括这个点）的数据是否全部无效，若是进入步骤 S110，否则结束；

S110：将临时缓存数据写入EEPROM；

S111：判断两处存储区中的数据是否有一处有效，若是进入步骤S103，否则进入步骤S112；

S112：将临时缓存中的数据存入EEPROM的其中一处存储区。

3 结束语

简述了智能电能表大容量数据存储方式下存储器的划分，结合目前常用存储器EEPROM及Flash存储器特征，研究了如何用目前常用的EEPROM和Flash存储器安全、高效的存储“计量芯”中大容量电能数据。有效的避免了现有技术中EEPROM存储容量小、Flash闪存擦写次数低以及擦写时间长的缺点。在降低EEPROM存储容量要求的同时，减少了Flash操作次数，不仅提高了双芯电能表数据的存储效率，而且扩展了存储器的使用寿命，提高了电能表大容量数据存储的安全性与可靠性，同时，在成本上也得到了有效的控制。