簡析三相電能預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品選型

摘要：介紹了一種電能預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，主要用于三相動(dòng)力用戶。采用預(yù)付費(fèi)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(shù)據(jù)用于比較，在盡量少改動(dòng)原有接線的情況下安裝預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)。采用安全性和穩(wěn)定性高的RFID卡，數(shù)據(jù)存儲空間大，實(shí)現(xiàn)不開箱操作．控制器終端數(shù)據(jù)存儲采用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)，有效降低數(shù)據(jù)丟失和出錯(cuò)可能性。后臺管理系統(tǒng)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(shù)數(shù)據(jù)，提高供電質(zhì)量；增設(shè)用戶信用度管理，實(shí)現(xiàn)信用管理。后臺管理系統(tǒng)和控制器終端相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)丟卡不丟電，充分保障用戶權(quán)益。系統(tǒng)可升級，可以增設(shè)用戶賬號，做到一卡多戶或者一表多卡。引進(jìn)開箱記錄的防竊電思想，可以實(shí)現(xiàn)開箱管理，防止竊電。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)；預(yù)付費(fèi)云平臺；電能質(zhì)量管理；在線支付；通訊管理

引言

在電能用戶群中，很多小型企業(yè)為三相動(dòng)力用戶，他們用電量比較大，電費(fèi)額高。由于某些用戶信用度較差、經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)較大、經(jīng)濟(jì)效益差，及時(shí)足額回收其電費(fèi)是供電企業(yè)經(jīng)營中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前很多供電企業(yè)都面臨著某些大用戶電費(fèi)回收難的問題，造成這一問題的根本原因在于“先用電后付費(fèi)”的營銷模式。為了解決這個(gè)問題，目前常用且有效的方法是采用預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)^[1-2]。預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)包括后臺管理系統(tǒng)和預(yù)付費(fèi)控制終端兩大部分，前者包括計(jì)算機(jī)、Ic卡讀寫器、打印機(jī)等設(shè)備，后者由讀卡模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、開關(guān)信號輸出等部分構(gòu)成?，F(xiàn)有的預(yù)付費(fèi)電能表一般采用存貯媒介(IC卡)來傳遞信息，用戶購電的同時(shí)，信息將自動(dòng)通過存貯媒介傳回售電部門，售電部門可以對傳回的用電信息及時(shí)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。

目前，預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)種類繁多，采用的方式也很多^【1-5】。大部分的預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)是與電能表相結(jié)合，采用預(yù)付費(fèi)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。由于電表系統(tǒng)和預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)及其控制部分一體化的預(yù)付費(fèi)電能表的通斷能力有限，電表需要國家相關(guān)計(jì)量部門驗(yàn)證通過才能使用，再考慮到當(dāng)前在很多場合已經(jīng)有電表投入到使用中，完全重新安裝新系統(tǒng)成本較高。所以筆者研究一種分體式的預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)，電能量從原有電表中讀出。該系統(tǒng)除應(yīng)用于普通居民用電還可用于一些三相動(dòng)力和臨時(shí)施工場所，有一定的應(yīng)用前景。

一、設(shè)計(jì)思想與總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由后臺售電管理系統(tǒng)、RFID射頻卡和控制器終端組成。用戶拿電卡(射頻IC卡)到供電部門繳費(fèi)充電，供電部門利用讀卡器對電卡寫數(shù)據(jù)充值，同時(shí)后臺管理系統(tǒng)記錄相關(guān)的信息。用戶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(shù)據(jù)對比電量，到相應(yīng)的電量發(fā)出警報(bào)或斷開電路。

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(shù)據(jù)并比對的功能，還有實(shí)現(xiàn)接觸器的通斷控制。可以在原有系統(tǒng)上稍作改動(dòng)而實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。配電柜里的一次接線如圖1所示。

這樣的系統(tǒng)可用于三相三線系統(tǒng)和三相四線系統(tǒng)中。進(jìn)線經(jīng)過刀閘和電能表后再通過交流接觸器接到用戶設(shè)備?？刂破鹘K端的用電則取白線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，用戶持保存有電量數(shù)據(jù)的射頻卡到控制器的讀卡器附近可以將電量數(shù)據(jù)輸入到控制器內(nèi)，與此同時(shí)，射頻卡上的電量數(shù)據(jù)將被清零?？刂破鲀?nèi)部經(jīng)過計(jì)算和比對后，控制繼電器信號輸出，繼而控制交流接觸器來控制主線路的通斷。交流接觸器的工作電壓取自線電壓，經(jīng)過自身的輔助觸點(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(tǒng)

目前已經(jīng)應(yīng)用的后臺管理系統(tǒng)以及讀卡器都已較多，但是很多管理系統(tǒng)只是簡單地記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)和對讀卡器操作。本后臺管理系統(tǒng)是綜合信息記錄、讀卡器操作、數(shù)據(jù)反饋分析、電能質(zhì)量管理于一體的智能化系統(tǒng)。后臺管理系統(tǒng)采用的是VisualBASIC和ACCESS數(shù)據(jù)庫編寫。數(shù)據(jù)查詢結(jié)果輸出到功能*強(qiáng)大的表格處理軟件Excel中方便編輯和打印。

數(shù)據(jù)分析的功能是后臺管理系統(tǒng)和控制器終端以及電卡相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。在控制器終端嵌入有讀取電表各種數(shù)據(jù)的程序，可以將A、B、c各相的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素等數(shù)據(jù)讀取，在刷卡充電時(shí)將數(shù)據(jù)寫入電卡。當(dāng)電卡拿到后臺管理系統(tǒng)充電時(shí)，數(shù)據(jù)讀出保存到硬盤此功能可以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量管理和線損管理，提高供電可靠性和供電質(zhì)量。

三、預(yù)付費(fèi)控制器終端

預(yù)付費(fèi)控制器終端是應(yīng)用于現(xiàn)場的控制器件?？傮w結(jié)構(gòu)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做成集成電路，留出電源和數(shù)據(jù)通信接口用于與母板單片機(jī)連接。模塊與單片機(jī)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(dāng)有卡進(jìn)人射頻區(qū)標(biāo)志位，該引腳輸出低電平，可用于觸發(fā)單片機(jī)中斷并點(diǎn)亮指示發(fā)光二極管．SDA為I²C總線的數(shù)據(jù)線，SCL為串行時(shí)鐘線，用于同步收發(fā)機(jī)。I²C協(xié)議的具體通信過程請參考文獻(xiàn)[9]。

2數(shù)據(jù)存儲

由于單片機(jī)的內(nèi)存在掉電后丟失所有數(shù)據(jù)，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(nèi)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(shù)據(jù)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(xiàn)[9]。

數(shù)據(jù)保護(hù)措施：①只有在寫EEPROM時(shí)才將其使能，其它情況不能對其進(jìn)行寫操作。②數(shù)據(jù)冗余保護(hù)法。將數(shù)據(jù)分成1個(gè)正本和2個(gè)副本(或者4個(gè)副本，總本數(shù)為奇數(shù)即可)，每次存儲，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)采用軟件自動(dòng)修補(bǔ)功能，即采用“少數(shù)服從多數(shù)”的原則，將異常的數(shù)據(jù)修補(bǔ)完整，讀出正確的數(shù)據(jù)。此方法大大提高了數(shù)據(jù)存儲的可靠性，將數(shù)據(jù)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(guī)約。485通信的電氣連接較簡單，采用485轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)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)說一下DL/T645電表通信規(guī)約。該規(guī)約的字節(jié)格式為：每字節(jié)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(yàn)位和一個(gè)停止位(1)共11位。DO是字節(jié)的*低有效位，D7是字節(jié)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(shù)據(jù)還有固定的幀格式，以68H開頭。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)語和細(xì)節(jié)請參閱參考文獻(xiàn)[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(tǒng)處于一直讀取電表數(shù)據(jù)和比較的循環(huán)中，如果有電卡進(jìn)入射頻區(qū)則進(jìn)入中斷處理程序。上電開機(jī)后從EEPROM讀取保存的信息，讀取的內(nèi)容包括電表表號、剩余電量、報(bào)警門限等信息。讀取完成后從電能表讀取當(dāng)前電量，比較相關(guān)數(shù)據(jù)判斷是否到達(dá)相應(yīng)的動(dòng)作條件。如果到達(dá)低電量則報(bào)警，電用完則向繼電器發(fā)送斷開信號，由繼電器控制交流接觸器斷開主電路。

電卡進(jìn)入射頻區(qū)則觸發(fā)中斷處理程序，先檢查卡種。如果是設(shè)置卡讀出卡內(nèi)報(bào)警門限設(shè)置值并保存；如果是檢查卡則按照要求讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)并寫入電卡中，可用于后臺管理系統(tǒng)分析；如是用戶卡則讀出充電量并清除卡內(nèi)電量。

如果還有一定的電沒有充到控制器里邊而電卡丟失，可以到售電處補(bǔ)卡，后臺管理系統(tǒng)把原來電卡卡號寫入新卡。新卡在控制器終端感應(yīng)后驗(yàn)證為補(bǔ)卡，將從總充電量中計(jì)算出丟失卡的時(shí)候沒有充進(jìn)去的電量以及補(bǔ)卡時(shí)再次充值量，從而實(shí)現(xiàn)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(xiàn)不開箱操作。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(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊，每塊16個(gè)字節(jié)，以塊為存取單位，每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼及訪問控制，每張卡有4字節(jié)序列號，具有防沖突機(jī)制，支持多卡操作等性能。Mifare卡是一種技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、內(nèi)存容量大的一種感應(yīng)式智能Ic卡，它可靠性高，安全性好，有利于提升系統(tǒng)的性能。

五、安科瑞Acrelcloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺

1概述

AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺是安科瑞公司研制的與DDSY-1352單相電子式預(yù)付費(fèi)電能表及DTSY-1352三相電子式預(yù)付費(fèi)電能表配套的售電管理系統(tǒng)。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)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(shù)設(shè)置，商戶售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡便，實(shí)現(xiàn)物業(yè)公司遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操作實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有良好的人機(jī)界面，能夠有效的統(tǒng)計(jì)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(fèi)難問題的理想產(chǎn)品。

2應(yīng)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。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4系統(tǒng)功能

（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(fèi)用狀態(tài)等，進(jìn)入房間詳情可對房間當(dāng)前實(shí)時(shí)信息進(jìn)行查看，并可了解當(dāng)天用電量和使用金額情況，可對房間內(nèi)的電表進(jìn)行各種遠(yuǎn)程控制操作，比如開戶、電價(jià)設(shè)置，售電、退電、報(bào)警金額設(shè)置、分合閘操作等等。

（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(jià)方案，單一電價(jià)、尖峰平谷電價(jià)、階梯電價(jià)等:支持預(yù)先設(shè)置開戶信息后期一鍵開戶;支持設(shè)置電表合額告警默認(rèn)三級告警，告警金額和次也可以自定義，推送方式支持手機(jī)****，APP推送，郵件、語音外呼、公眾號推送等。

（3）充電繳費(fèi)

可以對已開戶的電表進(jìn)行遠(yuǎn)程充值，電費(fèi)實(shí)時(shí)下發(fā)到電表。電表會根據(jù)電度走字實(shí)時(shí)扣除電費(fèi)同時(shí)系統(tǒng)也支持早臺計(jì)費(fèi)，金額下發(fā)到系統(tǒng)賬戶，到賬快速穩(wěn)定。

（4）財(cái)務(wù)管理

訂單總覽，包含系統(tǒng)里所有水電充值退費(fèi)記錄，以及物業(yè)費(fèi)扣費(fèi)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(tǒng)計(jì)水電費(fèi)收入情況，收入組成。

（5）報(bào)表

系統(tǒng)還提供了多個(gè)報(bào)表以供查詢。用電綜合報(bào)表，幫助財(cái)務(wù)統(tǒng)計(jì)每個(gè)月商鋪總用電量，尖峰平谷用電量以及電費(fèi)，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(bào)表，按日，月，年三個(gè)不同維度查詢電表每個(gè)階段的用能情。

（6）批量操作

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

（7）自定義收費(fèi)方案

為了靈活應(yīng)對用戶多種多樣的收費(fèi)方案，比如物業(yè)費(fèi)，房租，服務(wù)費(fèi)等，系統(tǒng)支持用戶自定義收費(fèi)項(xiàng)目。收費(fèi)方式可設(shè)置直接從賬戶扣除或者生成催繳賬單，可設(shè)置周期性收費(fèi)或者一次性收費(fèi)，可以按固定金額收費(fèi)或者按房間面積換算等等。

（8）公共區(qū)域用電分?jǐn)?/span>

指定某塊表為主表，然后分配關(guān)聯(lián)子表，系統(tǒng)每個(gè)月自動(dòng)將主表的用電按比例換算成電費(fèi)從子表中扣除，這樣可以剩余人工統(tǒng)計(jì)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(fèi)方式有直接扣費(fèi)或者生成維費(fèi)賬單。

（9）后付費(fèi)模式

按日期生成后付費(fèi)用戶周期用電費(fèi)用，對數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)后生成繳費(fèi)賬單方便追蹤客戶繳費(fèi)情況可導(dǎo)出繳費(fèi)賬單以及欠費(fèi)賬單通知客戶。

（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(fèi)。

5．系統(tǒng)硬件配置

六、結(jié)論

小型工廠和臨時(shí)施工用電客戶等三相動(dòng)力客戶是比較大的用電群體，電費(fèi)額高，管理復(fù)雜。采用預(yù)付費(fèi)管理實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi)后用電”可以有效解決電費(fèi)回收難的問題。數(shù)據(jù)分析和管理可以把營銷和管理思想有效地融人到電力銷售中，并且有利于提高供電質(zhì)量。非接觸式射頻Ic卡具有穩(wěn)定性高，安全性好，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)不開箱操作，提升整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和防竊電性能。數(shù)據(jù)冗余技術(shù)增強(qiáng)了數(shù)據(jù)存儲的安全性，有效降低數(shù)據(jù)出錯(cuò)和丟失的可能性。

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

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安科瑞唐曉娟13774431042