簡(jiǎn)析三相電能預付費控制系統的設計與產(chǎn)品選型

摘要：介紹了一種電能預付費系統，主要用于三相動(dòng)力用戶(hù)。采用預付費控制器終端和電能表分離的方式，從原有電表讀取相關(guān)數據用于比較，在盡量少改動(dòng)原有接線(xiàn)的情況下安裝預付費控制系統。采用安全性和穩定性高的RFID卡，數據存儲空間大，實(shí)現不開(kāi)箱操作．控制器終端數據存儲采用數據冗余技術(shù)，有效降低數據丟失和出錯可能性。后臺管理系統嵌入有電能質(zhì)量管理程序，分析從電表讀出的相關(guān)參數數據，提高供電質(zhì)量；增設用戶(hù)信用度管理，實(shí)現信用管理。后臺管理系統和控制器終端相結合，實(shí)現丟卡不丟電，充分保障用戶(hù)權益。系統可升級，可以增設用戶(hù)賬號，做到一卡多戶(hù)或者一表多卡。引進(jìn)開(kāi)箱記錄的防竊電思想，可以實(shí)現開(kāi)箱管理，防止竊電。

關(guān)鍵詞：三相動(dòng)力；預付費系統；電能質(zhì)量管理；RFID；防竊電

引言

在電能用戶(hù)群中，很多小型企業(yè)為三相動(dòng)力用戶(hù)，他們用電量比較大，電費額高。由于某些用戶(hù)信用度較差、經(jīng)營(yíng)風(fēng)險較大、經(jīng)濟效益差，及時(shí)足額回收其電費是供電企業(yè)經(jīng)營(yíng)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前很多供電企業(yè)都面臨著(zhù)某些大用戶(hù)電費回收難的問(wèn)題，造成這一問(wèn)題的根本原因在于“先用電后付費"的營(yíng)銷(xiāo)模式。為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前常用且有效的方法是采用預付費控制系統[1-2]。預付費控制系統包括后臺管理系統和預付費控制終端兩大部分，前者包括計算機、Ic卡讀寫(xiě)器、打印機等設備，后者由讀卡模塊、數據存儲模塊、開(kāi)關(guān)信號輸出等部分構成?，F有的預付費電能表一般采用存貯媒介(IC卡)來(lái)傳遞信息，用戶(hù)購電的同時(shí)，信息將自動(dòng)通過(guò)存貯媒介傳回售電部門(mén)，售電部門(mén)可以對傳回的用電信息及時(shí)進(jìn)行分析和統計。

目前，預付費控制系統種類(lèi)繁多，采用的方式也很多【1-5】。大部分的預付費控制系統是與電能表相結合，采用預付費電能表的方式，這種方式適用于普通居民等電流量較小的用戶(hù)。由于電表系統和預付費系統及其控制部分一體化的預付費電能表的通斷能力有限，電表需要國家相關(guān)計量部門(mén)驗證通過(guò)才能使用，再考慮到當前在很多場(chǎng)合已經(jīng)有電表投入到使用中，重新安裝新系統成本較高。所以筆者研究一種分體式的預付費控制系統，電能量從原有電表中讀出。該系統除應用于普通居民用電還可用于一些三相動(dòng)力和臨時(shí)施工場(chǎng)所，有一定的應用前景。

一、設計思想與總體結構

整個(gè)系統由后臺售電管理系統、RFID射頻卡和控制器終端組成。用戶(hù)拿電卡(射頻IC卡)到供電部門(mén)繳費充電，供電部門(mén)利用讀卡器對電卡寫(xiě)數據充值，同時(shí)后臺管理系統記錄相關(guān)的信息。用戶(hù)拿充值后的電卡到安裝在配電柜里的控制器終端刷卡充電?？刂破鹘K端記錄相關(guān)信息，并一直從電表讀取數據對比電量，到相應的電量發(fā)出警報或斷開(kāi)電路。

控制器終端和電表是分離的，控制器終端起到讀取并保存電量，讀取電表數據并比對的功能，還有實(shí)現接觸器的通斷控制?？梢栽谠邢到y上稍作改動(dòng)而實(shí)現預付費功能。配電柜里的一次接線(xiàn)如圖1所示。

這樣的系統可用于三相三線(xiàn)系統和三相四線(xiàn)系統中。進(jìn)線(xiàn)經(jīng)過(guò)刀閘和電能表后再通過(guò)交流接觸器接到用戶(hù)設備?？刂破鹘K端的用電則取白線(xiàn)電壓或者某一相電壓，它的485接口從電能表的485輸出口讀取電能?？刂破鲙в猩漕l卡讀卡器，用戶(hù)持保存有電量數據的射頻卡到控制器的讀卡器附近可以將電量數據輸入到控制器內，與此同時(shí)，射頻卡上的電量數據將被清零?？刂破鲀炔拷?jīng)過(guò)計算和比對后，控制繼電器信號輸出，繼而控制交流接觸器來(lái)控制主線(xiàn)路的通斷。交流接觸器的工作電壓取自線(xiàn)電壓，經(jīng)過(guò)自身的輔助觸點(diǎn)和繼電器的配合，接成一個(gè)脫扣和吸合互斥的電路。

二、后臺管理系統

目前已經(jīng)應用的后臺管理系統以及讀卡器都已較多，但是很多管理系統只是簡(jiǎn)單地記錄相關(guān)的數據和對讀卡器操作。本后臺管理系統是綜合信息記錄、讀卡器操作、數據反饋分析、電能質(zhì)量管理于一體的智能化系統。后臺管理系統采用的是VisualBASIC和ACCESS數據庫編寫(xiě)。數據查詢(xún)結果輸出到功能*強大的表格處理軟件Excel中方便編輯和打印。

數據分析的功能是后臺管理系統和控制器終端以及電卡相結合而實(shí)現的。在控制器終端嵌入有讀取電表各種數據的程序，可以將A、B、c各相的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因素等數據讀取，在刷卡充電時(shí)將數據寫(xiě)入電卡。當電卡拿到后臺管理系統充電時(shí)，數據讀出保存到硬盤(pán)此功能可以實(shí)現電能質(zhì)量管理和線(xiàn)損管理，提高供電可靠性和供電質(zhì)量。

三、預付費控制器終端

預付費控制器終端是應用于現場(chǎng)的控制器件?？傮w結構如圖2所示。

1讀卡模塊

在控制器中，讀卡部分采用的是讀卡模塊。讀卡模塊把飛利浦的讀卡芯片MFRC522IS[8]及其所需要的外圍電容等器件以及印刷天線(xiàn)做成集成電路，留出電源和數據通信接口用于與母板單片機連接。模塊與單片機之間的通信方式采用具有協(xié)議完善、支持芯片較多和占用I/O線(xiàn)少等諸多優(yōu)點(diǎn)的IC協(xié)議。模塊的接口及其定義如圖3所示。

LED引腳的作用是當有卡進(jìn)人射頻區標志位，該引腳輸出低電平，可用于觸發(fā)單片機中斷并點(diǎn)亮指示發(fā)光二極管．SDA為I2C總線(xiàn)的數據線(xiàn)，SCL為串行時(shí)鐘線(xiàn)，用于同步收發(fā)機。I2C協(xié)議的具體通信過(guò)程請參考文獻[9]。

2數據存儲

由于單片機的內存在掉電后丟失所有數據，而電量等重要信息要求在控制器掉電后不能丟失，所以要求控制器內有非易失性的存儲器。筆者采用的是Atmel公司的AT24C256型非易失性EEPROM，其存儲容量為32k×8bits。通信方式也是IC協(xié)議，數據通信有其特定的幀格式。其引腳定義及操作方式請參閱參考文獻[9]。

數據保護措施：①只有在寫(xiě)EEPROM時(shí)才將其使能，其它情況不能對其進(jìn)行寫(xiě)操作。②數據冗余保護法。將數據分成1個(gè)正本和2個(gè)副本(或者4個(gè)副本，總本數為奇數即可)，每次存儲，在讀取數據時(shí)采用軟件自動(dòng)修補功能，即采用“少數服從多數"的原則，將異常的數據修補完整，讀出正確的數據。此方法大大提高了數據存儲的可靠性，將數據丟失和出缽的概率幾乎降到零。

3電能表通信

控制器與電能表的通信采用485通信，其協(xié)議采用DL/T645電表通信規約。485通信的電氣連接較簡(jiǎn)單，采用485轉換芯片與單片機的串行口連接，用一個(gè)I/O口選擇接收或發(fā)送即可。這里重點(diǎn)說(shuō)一下DL/T645電表通信規約。該規約的字節格式為：每字節含8位二進(jìn)制碼，傳輸時(shí)加上一個(gè)起始位(0)、一個(gè)偶校驗位和一個(gè)停止位(1)共11位。DO是字節的*低有效位，D7是字節的*高有效位。先傳低位，后傳高位。初始速率采用1200bpd。如圖4所示。

讀取電表數據還有固定的幀格式，以68H開(kāi)頭。比如，讀取電表點(diǎn)總電量的指令為：

68 DF 01 23 45 5D DF 68 0l 02 43 C3 5D 16H

DF 01 23 45 5D DF為電能表地址。

圖中相關(guān)的術(shù)語(yǔ)和細節請參閱參考文獻[10]，這里不再贅述。

4工作流程

控制器終端的工作流程和中斷處理流程如圖5和圖6所示。

控制器終端系統處于一直讀取電表數據和比較的循環(huán)中，如果有電卡進(jìn)入射頻區則進(jìn)入中斷處理程序。上電開(kāi)機后從EEPROM讀取保存的信息，讀取的內容包括電表表號、剩余電量、報警門(mén)限等信息。讀取完成后從電能表讀取當前電量，比較相關(guān)數據判斷是否到達相應的動(dòng)作條件。如果到達低電量則報警，電用完則向繼電器發(fā)送斷開(kāi)信號，由繼電器控制交流接觸器斷開(kāi)主電路。

電卡進(jìn)入射頻區則觸發(fā)中斷處理程序，先檢查卡種。如果是設置卡讀出卡內報警門(mén)限設置值并保存；如果是檢查卡則按照要求讀取相應的數據并寫(xiě)入電卡中，可用于后臺管理系統分析；如是用戶(hù)卡則讀出充電量并清除卡內電量。

如果還有一定的電沒(méi)有充到控制器里邊而電卡丟失，可以到售電處補卡，后臺管理系統把原來(lái)電卡卡號寫(xiě)入新卡。新卡在控制器終端感應后驗證為補卡，將從總充電量中計算出丟失卡的時(shí)候沒(méi)有充進(jìn)去的電量以及補卡時(shí)再次充值量，從而實(shí)現丟卡不丟電功能。

四、電卡

電卡采用的是非接觸式射頻IC卡，克服了接觸式IC卡易損壞，讀卡口易遭破壞的弊端，并且可以實(shí)現不開(kāi)箱操作。采用飛利浦公司的MifarelS50卡【11】，該卡容量為8k位，分為16個(gè)扇區，每個(gè)扇區為4塊，每塊16個(gè)字節，以塊為存取單位，每個(gè)扇區有獨立的一組密碼及訪(fǎng)問(wèn)控制，每張卡有4字節序列號，具有防沖突機制，支持多卡操作等性能。Mifare卡是一種技術(shù)成熟、性能穩定、內存容量大的一種感應式智能Ic卡，它可靠性高，安全性好，有利于提升系統的性能。

五、安科瑞Acrelcloud-3200預付費水電云平臺

1概述

AcrelCloud-3200預付費水電云平臺是安科瑞公司研制的與DDSY-1352單相電子式預付費電能表及DTSY-1352三相電子式預付費電能表配套的售電管理系統。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。主要完成電能表/水表參數設置，商戶(hù)售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡(jiǎn)便，實(shí)現物業(yè)公司遠程實(shí)時(shí)操作實(shí)時(shí)監控，具有良好的人機界面，能夠有效的統計和管理數據。安裝方便，是用電管理部門(mén)、商業(yè)廣場(chǎng)和物業(yè)小區，提高用電用水管理水平，解決收費難問(wèn)題的理想產(chǎn)品。

2應用場(chǎng)所

本平臺適用于公寓出租戶(hù)、商業(yè)廣場(chǎng)、公寓酒店、物業(yè)小區、寫(xiě)字樓、物流倉儲、高校、連鎖超市、智慧園區、農貿市場(chǎng)等場(chǎng)所。

3系統結構

4系統功能

（1）房間監控

清晰簡(jiǎn)潔的展示所有房間狀態(tài)信息，所屬樓棟樓層，在線(xiàn)失連情況，費用狀態(tài)等，進(jìn)入房間詳情可對房間當前實(shí)時(shí)信息進(jìn)行查看，并可了解當天用電量和使用金額情況，可對房間內的電表進(jìn)行各種遠程控制操作，比如開(kāi)戶(hù)、電價(jià)設置，售電、退電、報警金額設置、分合閘操作等等。

（2）電戶(hù)開(kāi)表

系統針對商鋪開(kāi)戶(hù)不僅支持一戶(hù)一表，也支持一戶(hù)掛多表的需要;支持自定義電價(jià)方案，單一電價(jià)、尖峰平谷電價(jià)、階梯電價(jià)等:支持預先設置開(kāi)戶(hù)信息后期一鍵開(kāi)戶(hù);支持設置電表合額告警默認三級告警，告警金額和次也可以自定義，推送方式支持手機短信，APP推送，郵件、語(yǔ)音外呼、公眾號推送等。

（3）充電繳費

可以對已開(kāi)戶(hù)的電表進(jìn)行遠程充值，電費實(shí)時(shí)下發(fā)到電表。電表會(huì )根據電度走字實(shí)時(shí)扣除電費同時(shí)系統也支持早臺計費，金額下發(fā)到系統賬戶(hù)，到賬快速穩定。

（4）財務(wù)管理

訂單總覽，包含系統里所有水電充值退費記錄，以及物業(yè)費扣費流水記錄。收入概況，可以從日，月，年，時(shí)間跨度等不同維度統計水電費收入情況，收入組成。

（5）報表

系統還提供了多個(gè)報表以供查詢(xún)。用電綜合報表，幫助財務(wù)統計每個(gè)月商鋪總用電量，尖峰平谷用電量以及電費，能耗同比分析，可以比較每個(gè)月份與去年同期相比的用能差距。能耗日月年報表，按日，月，年三個(gè)不同維度查詢(xún)電表每個(gè)階段的用能情。

（6）批量操作

為了方便用戶(hù)對大量?jì)x表進(jìn)行管理和設置，可以在系統中新建批量操作任務(wù)，比如設置電價(jià)、電表控制、儀表設置、充值等，批量任務(wù)可以立即執行，也可以定時(shí)執行。

（7）自定義收費方案

為了靈活應對用戶(hù)多種多樣的收費方案，比如物業(yè)費，房租，服務(wù)費等，系統支持用戶(hù)自定義收費項目。收費方式可設置直接從賬戶(hù)扣除或者生成催繳賬單，可設置周期性收費或者一次性收費，可以按固定金額收費或者按房間面積換算等等。

（8）公共區域用電分攤

某塊表為主表，然后分配關(guān)聯(lián)子表，系統每個(gè)月自動(dòng)將主表的用電按比例換算成電費從子表中扣除，這樣可以剩余人工統計的麻煩。公攤方式多樣，可以根據比例公攤，按房間面積公攤，按用量公排，收費方式有直接扣費或者生成維費賬單。

（9）后付費模式

按日期生成后付費用戶(hù)周期用電費用，對數據進(jìn)行確認后生成繳費賬單方便追蹤客戶(hù)繳費情況可導出繳費賬單以及欠費賬單通知客戶(hù)。

（10）公眾號在線(xiàn)支付

  用戶(hù)可以在微信小程序或者微信公眾號自助查詢(xún)電表使用情況以及繳費。

5．系統硬件配置

六、結論

小型工廠(chǎng)和臨時(shí)施工用電客戶(hù)等三相動(dòng)力客戶(hù)是比較大的用電群體，電費額高，管理復雜。采用預付費管理實(shí)現“先付費后用電"可以有效解決電費回收難的問(wèn)題。數據分析和管理可以把營(yíng)銷(xiāo)和管理思想有效地融人到電力銷(xiāo)售中，并且有利于提高供電質(zhì)量。非接觸式射頻Ic卡具有穩定性高，安全性好，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現不開(kāi)箱操作，提升整個(gè)系統的可靠性和防竊電性能。數據冗余技術(shù)增強了數據存儲的安全性，有效降低數據出錯和丟失的可能性。

預付費控制器和電表分離的方式，大大降低了預付費系統的安裝成本，可以繼續使用原來(lái)的電表系統，盡量少地改動(dòng)原有接線(xiàn)。同時(shí)也提高了線(xiàn)路的通斷能力，提高控制和供電可靠性。該系統成本低、安裝方便，能較好地適用于三相小動(dòng)力用戶(hù)。

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作者簡(jiǎn)介：魏健輝，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，手機:13681652469(微信)