淺談預付費多用戶電能管理系統(tǒng)的設計與應用

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司

【摘要】：該設計解決了IC卡預付費電能表存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門的管理微機通過RS485網(wǎng)絡對電能表進行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。

【關鍵詞】：IC卡預付費電能表；RS485網(wǎng)絡：射頻卡

0引言

IC卡預付費電能表采用先購電后用電的管理模式，在一定程度上解決了電力部門收取電費難的問題。然而IC卡預付費電能表存在很大的問題，首先是由于電力部門缺乏對IC卡電能表用戶的監(jiān)管，當IC卡被破密后，很難發(fā)現(xiàn)和查處，導至國家損失大量的電費；其次IC卡易被污染和損壞等。

本設計的主要目的就是為了解決IC卡預付費電能表的存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門的管理微機通過RS485網(wǎng)絡對電能表進行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。

1電能表管理系統(tǒng)

為了降低成本，管理微機既作為電能表用電管理上位機，同時還和發(fā)卡機一起完成發(fā)卡任務。電能表管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1電能表管理系統(tǒng)圖

管理微機與發(fā)卡機通過COM1來實現(xiàn)通信，采用RS232C通信接口標準。管理微機與電能表通過COM2來實現(xiàn)通信，采用RS485通信接口標準。

發(fā)卡機具備射頻卡讀寫功能。其主要作用是讀寫射頻卡，與管理微機一起實現(xiàn)用戶的開戶、交費、注銷、電量查詢等功能。

2基于射頻識別技術的電能表其主要的工作原理

1. 用戶用電前需要先到電力管理部門購買射頻卡和預交電費，由管理部門把用戶的信息及購電量錄入管理微機并由發(fā)卡機寫入射頻卡。

2. 當用戶持有效射頻卡掠過電能表時，電能表內(nèi)的讀寫模塊首先對射頻卡進行驗證，通過驗證后讀取射頻卡的信息，當卡內(nèi)電費充足時為用戶供電，同時把用戶信息寫入EEPROM，且電能表開始計量用電量。

3. 電能表采用遞加計量的方式，用電量存儲在EEPROM中，且用電量每增1度存儲器存儲一次。電能計量精度為0.01度。

4. 管理微機采用RS485串行通信接口標準定時向網(wǎng)絡上的各個電表采集用電數(shù)據(jù)，用電數(shù)據(jù)經(jīng)管理微機處理后列出兩個名單(電量小于10度的黃名單與電量為0的黑名單)向網(wǎng)絡中的電能表廣播。電能表在確認用戶卡上了黃名單后聲音與指示燈報警，提醒用戶及時充值，但電能表繼續(xù)為用戶供電；電能表在確認用戶卡上了黑名單后，聲音與指示燈報警，且停止為該用戶供電，退出該用戶卡，電能表處于待機狀態(tài)。

5. 用戶想終止用電，只需將射頻卡再次靠近電能表，電能表再次讀取射頻卡內(nèi)的信息，把卡內(nèi)電量減去本次用電量，且把運算結(jié)果回寫射頻卡內(nèi)。同時電能表斷開繼電器，停止為該用戶供電。

6. 電能表在為某用戶供電過程中，其它射頻卡則不能刷卡用電，只有在電能表待機時才能接受另一用戶卡的刷卡。由于有效讀卡距離僅為lOOmm左右，因此當有卡路過某電能表時，卡與電能表距離較遠不會觸發(fā)電能表。

7. 一張卡可以在不同的電能表中使用，且可以在多個電能表上同時使用。

8. 在用電過程中如出現(xiàn)斷電，通過備用電池將用戶本次用電量存入EEPROM中。來電后，電能表繼續(xù)為該用戶供電。如用戶不想下次來電后繼續(xù)供電，只需將射頻卡再次靠近電能表，取消供電，來電后電能表將處于待機狀態(tài)。

3電能表系統(tǒng)硬件構(gòu)成

電能表硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)由七大部分組成：射頻卡讀寫模塊、電能計量模塊、存儲器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報警等。系統(tǒng)采用模塊化設計思想，以MCU為核心，將其他模塊有機的整合在一起，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。以下各節(jié)是系統(tǒng)各部分的具體設計方案。

圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

4軟件模塊的構(gòu)成

4.1軟件模塊的劃分

軟件采用模塊化設計，共劃分為五大模塊(如圖3)，分別為與管理微機的通訊模塊、電能計量模塊、聲光報警模塊、射頻卡讀寫模塊以及黑黃名單的驗證模塊。為了實現(xiàn)每個大模塊的功能，又把每個大模塊劃分為若干個相應的功能子程序或小模塊。主程序的作用是系統(tǒng)的初始化、中斷管理和監(jiān)視以及各功能模塊的調(diào)用等。

圖3軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

4.2主程序設計

設定MCU內(nèi)部RAM的78H作為黑、黃名單標志單元，當78H數(shù)據(jù)為#FFH時，指示用戶卡已上黑名單；當78H數(shù)據(jù)為#FEH時，指示用戶卡已上黃名單；為其它數(shù)據(jù)則表明用戶卡未上黑(黃)名單。在進行黑、黃名單驗證時，程序根據(jù)驗證結(jié)果對RAM的78H寫入對應的值，以供主程序判斷。RAM的79H作為在有無刷卡標志單元，如電表當前已有用戶卡在消費，79H的內(nèi)容為#FFH；當無用戶卡在消費(電表處于待機狀態(tài))時，79H的內(nèi)容為#00H；當正在消費的用戶卡第二次刷卡后，79H的內(nèi)容為#FEH，此時主程序檢測到這一狀態(tài)后，斷開用戶供電，計算本次用電后用戶的電費余額，且將余額回寫射頻卡。

主程序流程圖如圖4，系統(tǒng)上電時進行系統(tǒng)初始化，開放外部中斷0及串行口中斷，然后等待中斷。當無刷卡中斷時，則不斷循環(huán)檢測卡片標志單元79H。當刷卡時，射頻接口模塊通過INT0請求中斷，MCU響應中斷請求，調(diào)用讀卡子程序，此時分為兩種情況：1、如電能表處于待機狀態(tài)，則接收刷卡，讀出卡內(nèi)信息，同時，置RAM中79H的值為#FFH，然后返回主程序。主程序調(diào)用黑黃名單驗證子程序，如用戶卡已上電量不足的黑名單則報警同時返回主程序；當用戶卡上電量小于10度的黃名單時報警但繼續(xù)為該用戶供電，直到電費全部用完后停止供電；當用戶卡不上黑黃名單時，則正常為該用戶供電，同時調(diào)用電能計量程序。2、如電能表處于非待機狀態(tài)，說明電能表正在為一用戶卡供電，此時首先判斷本次的刷卡卡號與正在用電的用戶卡號是否相同，如相同則為該用戶的二次刷卡，射頻接口程序把RAM的79H置#00H，然后返回主程序。主程序在檢測出79H的數(shù)據(jù)為#00H后，判斷為是用戶取消供電，主程序調(diào)用電量核算程序，把該用戶的卡內(nèi)余額電量減去本次的用電量得到新的電量余額，然后調(diào)用寫卡子程序把新的電量余額回寫卡內(nèi)；如本次刷卡卡號與正在用電的用戶卡號不同，則本次刷卡無效。

電能表在執(zhí)行電能計量程序的過程中，也能響應中斷程序。在每次執(zhí)行了黑黃名單接收程序后，進行一次黑黃名單驗證，根據(jù)驗證結(jié)果對RAM的78H寫入對應的值，然后返回電能計量程序。計量程序檢測78H的值，如為#FFH表明用戶卡已上新的黑名單，調(diào)用報警程序，然后切斷用戶供電，返回主程序。

圖4主程序流程圖

4.3電能計量程序設計

電能計量子程序流程圖如圖5所示。電能計量采用遞加的方式，單片機的P3.4(TO)端輸入用電計量脈沖，計滿3200個脈沖為一度電，用電量加1，數(shù)碼顯示加1。用電量存儲在EEPROM中，每增1度電則電量重新存儲一次，管理微機定時從各個電表的EEPROM中采集用電數(shù)據(jù)。

4.4射頻接口程序

MFRC500能執(zhí)行有限的一些指令，并將這些指令傳輸?shù)組IFARE1用戶卡片上，單片機對MFRC500的某一指令操作不是簡單的一條指令所能完成的，需要有一個程序序列來完成，其中有對MFRC500硬件內(nèi)核寄存器的設置以及判斷。在進行讀寫數(shù)據(jù)或增、減值操作之前還需要經(jīng)過復位應答、防碰撞、選卡及認證過程。操作流程圖如圖6所示。本設計采用基于KeilC的C語言進行編程，調(diào)用Philips公司提供的基本庫函數(shù)來實現(xiàn)各種功能。

圖5電能計量程序圖圖6操作流程

4.5軟件調(diào)試及仿真

本設計采用KeiluVision2調(diào)試單片機軟件，管理微機的管理數(shù)據(jù)庫采用SQLserver2000編寫。通過幾次軟件修改與電路調(diào)試現(xiàn)已實驗成功，電度表能達到設計所預期的功能，包括多張用戶射頻卡的讀寫，與主機的通訊，電能計量、顯示、存儲等。

5預付費遠程電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

預付費遠程電能管理系統(tǒng)使用安科瑞智能管理軟件，通過用戶安裝的通訊設備與智能電能表進行通訊，實現(xiàn)對多用戶智能電能表的抄表、控制、管理。其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖7預付費遠程電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.1管理層

管理層是系統(tǒng)的*上層部分，通過對現(xiàn)場所采集的各項數(shù)據(jù)進行分析、計算和處理，將*終得到的結(jié)論以圖形、聲音等方式展示出來，使管理人員隨時掌握現(xiàn)場的運行情況。主要包括系統(tǒng)軟件和配套的硬件設施，如服務器、射頻讀卡器。

5.2通訊層

通訊管理層是系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄海饕饔檬羌刑幚?85總線上的所有儀表信息，完成遠程抄表和數(shù)據(jù)上傳的功能，以及處理服務器端的各類遙控執(zhí)行指令。主要設備有通訊適配器、網(wǎng)絡適配器、物聯(lián)網(wǎng)模塊。

5.3設備層

設備層是數(shù)據(jù)測量的基礎，是構(gòu)建系統(tǒng)的必要元素，主要包括系統(tǒng)網(wǎng)絡中用于測量用電信息的各類之智能電表。

6預付費遠程電能管理系統(tǒng)技術特點

智能網(wǎng)絡電表采用國際超大規(guī)模集成電路及SMT工藝制造，集成化程度高，體積小，功耗低、精度高；

系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊使用防雷電路，內(nèi)部強電與弱電采用鍍鋅屏蔽板進行隔離，對通訊電路與其他電路分離處理，使之具備更強的抗干擾能力；

智能網(wǎng)路電表內(nèi)部采用多CPU結(jié)構(gòu)，一個主管計量，一個主管通訊、顯示和指示，一個負責檢測狀態(tài)，各CPU相互獨立工作，互不影響；

過載保護(限流)功能：當用戶使用的負載超過規(guī)定負載時，系統(tǒng)將啟動過載保護，自動切斷該用戶電源供電；

控制功能：系統(tǒng)可以對用戶進行遠程通斷電控制；斷電自動回復功能：在規(guī)定的斷電次數(shù)內(nèi)，用戶觸發(fā)過載保護后，待負載降至允許范圍內(nèi)系統(tǒng)將自動恢復供電；系統(tǒng)可依據(jù)實際需求對單三相戶數(shù)進行設置，但不能超過電表已配置回路數(shù)；

數(shù)據(jù)安全：系統(tǒng)網(wǎng)絡使用加密算法對各項數(shù)據(jù)進行加密處理，保證信息安全。

7預付費遠程電能管理系統(tǒng)功能特點

本系統(tǒng)采用DD/TSY1352型智能電表，具備體積小、精度高、管理功能強大等特點，可以實現(xiàn)對用戶用電的精確管理，包括預付費、惡性負載識別、定時斷送電、電價調(diào)整、用戶用電狀態(tài)監(jiān)控、在線控制、透支用電、數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢分析等智能管理功能，可以對項目的能耗情況及實時能耗量進行有效的監(jiān)控及管理。

產(chǎn)品遠傳遠控，節(jié)省人力，實現(xiàn)強大管理功能，可通過多種方式方便組網(wǎng)，如RS485專線、電話網(wǎng)絡、以太網(wǎng)、光纖、無線、GPRS等；組網(wǎng)后，管理方只需要一個人，就可以通過電腦對所有用戶的用電情況進行監(jiān)測及管理，避免了大量工作人員現(xiàn)場抄表或插卡售電，節(jié)省的大量的人力及精力，特別適合用戶數(shù)量眾多的大型商業(yè)、寫字樓的用電管理；

系統(tǒng)具備分級授權(quán)的功能，各軟件操作人員由自己的賬號及權(quán)限，各司其責，提高工作效率，系統(tǒng)會自動記錄每個操作員登陸后進行的操作，防止工作人員錯誤；

系統(tǒng)采用無卡式售電，用戶買的電，直接充值到用戶電表上，不需要在買電后再跑回去插卡，使用方便；將電純粹作為一種商品對待，可買可退，可批量售電，可預置，可清零，可打印單據(jù)；

系統(tǒng)具備智能用電管理功能，可以在線控制每個房間或整棟建筑的通電斷電，方便處理突發(fā)事件或進行設備檢修；可以限制每個用戶使用的*大負荷，保障主電網(wǎng)供電穩(wěn)定；

系統(tǒng)具備惡性負載識別功能。系統(tǒng)將熱得快、電茶壺、電吹風等容易引起火災等安全隱患的用電設備定義為惡性負載，可以自動識別此類惡性負載，并選擇禁止使用或允許使用。系統(tǒng)通過多種參數(shù)對負載類型進行識別，識別精確度高，且可以識別市面上流通的智能插座等改變惡性負載設備電氣特性的產(chǎn)品，杜絕用戶通過智能插座使用惡性負載。

系統(tǒng)具備定時功能，每天都可以設置八個時間段，到時間段自動執(zhí)行通電或斷電操作，方便了商戶的用電管理，避免了工作人員挨個拉閘的繁瑣操作。

系統(tǒng)具備同一房間多個回路計量、分路管理功能。照明、插座、空調(diào)等可以各設一個回路，每個回路可以執(zhí)行獨立的通斷電狀態(tài)及管理設置，統(tǒng)一計費。

系統(tǒng)可以實時查詢用戶的用電狀態(tài)、斷電記錄等，包括用戶當前工作狀態(tài)及功率、功率因數(shù)等，*近10次斷電時間及原因；便于管理方實時掌握用戶用電情況，同時用戶對用電有疑義時可以方便地調(diào)出記錄；

系統(tǒng)具備低電量報警功能，當用戶電量低于預警值時，電表顯示窗上會不停閃爍，并可以選擇是否斷電一分鐘進行報警；同時操作員可以通過軟件打印處報表張貼出來，提醒用戶買電；若項目配備了短信或語音模塊、液晶可視查詢終端、LED大屏幕等輔助設備，還可以通過這些輔助設備進行自動報警，如給客戶發(fā)低電量提醒短信等；

系統(tǒng)具備統(tǒng)計查詢功能，系統(tǒng)的所有管理操作以及用戶的所有用電信息都可以進行統(tǒng)計分析，系統(tǒng)自動計算并生成報表，例如售電記錄、用戶用電量記錄等，為管理方提供直觀而詳盡管理依據(jù)，可以隨時看到電費收支情況，及時調(diào)整用電策略；

系統(tǒng)具備水電氣暖多能耗管理功能，通過一套系統(tǒng)及相應基表，就可以對整個項目的用電、用水等能耗進行綜合管理；系統(tǒng)具備卡片式管理功能，每個用戶一張感應卡（可兼容

其他廠家一卡通），通過卡片隨時查詢自己的用電信息，在通訊網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時也可以通過卡片實現(xiàn)買電、恢復供電等應急功能。

產(chǎn)品采用標準的接口以及通訊協(xié)議，可以通過RS485接口、交互式數(shù)據(jù)庫或TCP/IP接口等，與一卡通、消防、門禁、樓宇自控、財務等其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的共享，實現(xiàn)集團綜合管理，更好地體現(xiàn)管理的智能化、一體化；集團各部門可以通過互聯(lián)網(wǎng)絡聯(lián)合管理集團用電，只要有互聯(lián)網(wǎng)信號的地方，就可以通過相應權(quán)限的賬號進入能耗管理系統(tǒng)進行管理。

8安科瑞Acrelcloud-3200預付費水電云平臺應用方案

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(tǒng)。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統(tǒng)，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。主要完成電能表/水表參數(shù)設置，商戶售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡便，實現(xiàn)物業(yè)公司遠程實時操作實時監(jiān)控，具有良好的人機界面，能夠有效的統(tǒng)計和管理數(shù)據(jù)。安裝方便，是用電管理部門、商業(yè)廣場和物業(yè)小區(qū)，提高用電用水管理水平，解決收費難問題的理想產(chǎn)品。

8.1應用場所

本平臺適用于公寓出租戶、商業(yè)廣場、公寓酒店、物業(yè)小區(qū)、寫字樓、物流倉儲、高校、連鎖超市、智慧園區(qū)、農(nóng)貿(mào)市場等場所。

8.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

8.3系統(tǒng)功能

8.3.1房間監(jiān)控

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

8.3.2電戶開表

系統(tǒng)針對商鋪開戶不僅支持一戶一表，也支持一戶掛多表的需要;支持自定義電價方案，單一電價、尖峰平谷電價、階梯電價等:支持預先設置開戶信息后期一鍵開戶;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、語音外呼、公眾號推送等。

8.3.3充電繳費

可以對已開戶的電表進行遠程充值，電費實時下發(fā)到電表。電表會根據(jù)電度走字實時扣除電費同時系統(tǒng)也支持早臺計費，金額下發(fā)到系統(tǒng)賬戶，到賬快速穩(wěn)定。

8.3.4財務管理

訂單總覽，包含系統(tǒng)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，時間跨度等不同維度統(tǒng)計水電費收入情況，收入組成。

8.3.5報表

系統(tǒng)還提供了多個報表以供查詢。用電綜合報表，幫助財務統(tǒng)計每個月商鋪總用電量，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，年三個不同維度查詢電表每個階段的用能情況。

8.3.6批量操作

為了方便用戶對大量儀表進行管理和設置，可以在系統(tǒng)中新建批量操作任務，比如設置電價、電表控制、儀表設置、充值等，批量任務可以立即執(zhí)行，也可以定時執(zhí)行。

8.3.7自定義收費方案

為了靈活應對用戶多種多樣的收費方案，比如物業(yè)費，房租，服務費等，系統(tǒng)支持用戶自定義收費項目。收費方式可設置直接從賬戶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。

8.3.8公共區(qū)域用電分攤

某塊表為主表，然后分配關聯(lián)子表，系統(tǒng)每個月自動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(tǒng)計的麻煩。公攤方式多樣，可以根據(jù)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。

8.3.9后付費模式

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

8.3.10公眾號在線支付

用戶可以在微信小程序或者微信公眾號自助查詢電表使用情況以及繳費。

8.4系統(tǒng)硬件配置

9結(jié)束語

本設計解決了IC卡預付費電能表存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式。本設計形成產(chǎn)品后市場前景廣闊，對于我國電力市場的規(guī)劃管理將起到積極的作用。

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