安科瑞淺談集中控制式預(yù)付費(fèi)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要:介紹一種由射頻卡預(yù)付費(fèi)和RS485總線組成的集中控制式預(yù)付費(fèi)抄表系統(tǒng),系統(tǒng)能準(zhǔn)確及時(shí)地釆集處理電能計(jì)量數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。該系統(tǒng)簡(jiǎn)化用戶電能表設(shè)計(jì)，使智能集中控制器具有多功能化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化。詳細(xì)給出了系統(tǒng)各組成部分的結(jié)構(gòu)、原理。

   關(guān)鍵詞:射頻卡;預(yù)付費(fèi);集抄集控

一、前言

   為實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)集抄集控系統(tǒng)的功能，通常電能表須帶卡處理模塊和RS485通訊模塊、時(shí)鐘模塊和電池，成本較高。

   為實(shí)現(xiàn)硬件資源的優(yōu)化配置，釆用簡(jiǎn)化電能表結(jié)構(gòu)但同時(shí)擴(kuò)展智能集中控制器功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路, 獲得了較好的成效。通過將RS485信道和射頻卡技術(shù)相結(jié)合，避免了低壓電力線載波通訊所面臨的配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不可預(yù)見及不可控等難題,保證了預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)的安全。

二、結(jié)構(gòu)和功能

   本系統(tǒng)釆用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1 集中控制式預(yù)付費(fèi)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1用戶電能表

   底層由數(shù)量眾多的用戶電能表組成，它完成用戶電量信息的記錄和通斷電動(dòng)作的執(zhí)行。

2.2智能集中控制器

   中間層是智能集中控制器，也是本系統(tǒng)的核心。它主要完成電量抄讀、預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)處理和用戶用電信息査詢等功能。

（1）電量抄讀功能:一個(gè)智能集中控制器可同時(shí)與多達(dá)128個(gè)用戶電能表通訊，循環(huán)釆集用戶的用電信息。

（2）預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)處理:用戶在控制中心用卡購電后，在智能集中控制器處刷卡（用戶也可在控制中心直接購電,控制中心通過RS485總線把電量下發(fā)到智能集中控制器）。智能集中控制器完成剩余電量的計(jì)算,并將預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器內(nèi)。如用戶剩余電量為零或允許透支量用完時(shí)，智能集中控制器發(fā)出分閘斷電命令;直到用戶重新購電才可供電。

（3）用戶用電信息査詢:用戶只需在智能集中控制器的鍵盤處輸入對(duì)應(yīng)的戶號(hào)即可査詢自己的用電量及剩余電量等信息。

(4)擴(kuò)展功能:上層主控中心對(duì)智能集中控制器設(shè)置統(tǒng)一斷送電時(shí)間,智能集中控制器對(duì)用戶電能表實(shí)現(xiàn)定時(shí)斷送電控制。

2.3主控中心

   上層是主控中心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的控制和管理，可定時(shí)或?qū)崟r(shí)抄收系統(tǒng)中每個(gè)電表的用電數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。

2.4通訊方案

   集中控制式預(yù)付費(fèi)抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的方案分為底層和頂層兩部分。底層電表與智能集中控制器之間的通訊釆用RS485總線方式,RS-485總線具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),只需要用兩根線便可方便的構(gòu)成一主多從的雙向通訊網(wǎng)絡(luò)。

   頂層控制管理中心與智能集中控制器之間的數(shù)據(jù)交換釆用射頻卡和RS485總線兩種數(shù)據(jù)交換方式。

三、工作原理

   圖1給出了本系統(tǒng)各組成部分及數(shù)據(jù)交換方式，以下詳述各部分工作原理。

3.1用戶電能表的設(shè)計(jì)

   電能表在一般帶485接口電能表的基礎(chǔ)上內(nèi)置了磁保持繼電器，可切斷和接通用戶的用電負(fù)荷，并且和智能集中控制器一起實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)控制功能,電能表其它部分和常規(guī)電能表相似。

3.2智能集中控制器的設(shè)計(jì)

   智能集中控制器包括處理器模塊、RS485通訊模塊、紅外通訊模塊、射頻卡處理模塊、存儲(chǔ)/實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、顯示模塊和電源模塊等。

   處理器是整個(gè)智能集中控制器的核心，具有多種外圍功能模塊。

圖2 智能集中控制器的原理框圖

           RS485通訊中的收發(fā)器可同時(shí)在單片機(jī)和RS485總線之間加入光耦對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。RS485接口分上行和下行兩個(gè)獨(dú)立的接口，分別用于與主控中心和用戶電能表通訊。

   紅外通訊電路中的接收管具有抗外界光干擾強(qiáng)的特點(diǎn),發(fā)射管的發(fā)射角度大于45度,保證通訊的可靠性，作為其它數(shù)據(jù)交換方式的補(bǔ)充。

   射頻卡處理模塊中使用的芯片是基于IS014443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式讀寫卡設(shè)備專用芯片，操作距離可達(dá)10cm,可有效避免接觸式卡的卡口易受攻擊的問題。

   存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊中的芯片內(nèi)置64K位的鐵電存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓復(fù)位、看門狗等功能模塊。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊給智能集中控制器提供時(shí)鐘基準(zhǔn),為多費(fèi)率應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)。

   電源模塊是系統(tǒng)各部分能量的來源,220V市電降壓后生產(chǎn)兩組獨(dú)立的電源，一組給RS485供電，一組給其它單元供電。每路電源均自帶有濾波電路提高電源電路的抗干擾能力,保證電源供電滿足電磁兼容的要求。

圖3 智能集中控制器主程序流程圖

3.3 主控中心的設(shè)計(jì)

   主控中心由主機(jī)、射頻卡讀寫卡器、RS232-485 轉(zhuǎn)換器和打印機(jī)等設(shè)備組成。主控中心管理軟件主要由預(yù)付費(fèi)管理、用電信息發(fā)布、電能表異常告警、報(bào)表分析統(tǒng)計(jì)、定時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)備份等功能模塊組成。

四、數(shù)據(jù)安全性

   由于系統(tǒng)需要對(duì)計(jì)量和預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，系統(tǒng)須具有很高的安全性;本系統(tǒng)采用以下安全措施。

4.1多級(jí)權(quán)限管理

   賦予不同操作員完成用戶卡、管理卡、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、電價(jià)修改的操作權(quán)限,確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

4.2數(shù)據(jù)加密

          RS485總線上的購電量等敏感數(shù)據(jù)采用加密方式傳輸,保證數(shù)據(jù)在RS485總線上不被破解;射頻卡內(nèi)部帶有加密單元，同時(shí)對(duì)射頻卡內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件加密確保卡內(nèi)數(shù)據(jù)的安全。

4.3數(shù)據(jù)自動(dòng)備分

   所有的數(shù)據(jù)均定期進(jìn)行自動(dòng)備份,在計(jì)算機(jī)故障使部分或全部數(shù)據(jù)丟失后，可及時(shí)恢復(fù)所有數(shù)據(jù)，避免造成較大的損失。

五、安科瑞預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)硬件選型

5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.2 系統(tǒng)功能

1.房間監(jiān)控

   清晰簡(jiǎn)潔的展示所有房間狀態(tài)信息，所屬樓棟樓層，在線失連情況，費(fèi)用狀態(tài)等，進(jìn)入房間詳情可對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)告警，告警金額和次也可以自定義，推送方式支持手機(jī)短信，APP推送，郵件、語音外呼、公眾號(hào)推送等。 

3.充電繳費(fèi)

   可以對(duì)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(huì)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(tái)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)階段的用能情況。

6.批量操作

   為了方便用戶對(duì)大量?jī)x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(duì)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.負(fù)載控制

   系統(tǒng)具備惡性負(fù)載識(shí)別功能，自動(dòng)識(shí)別學(xué)院規(guī)定禁止使用的各類違章電器（如熱得快、電吹風(fēng)、電熱毯、暖手煲等）功能，并及時(shí)自動(dòng)斷電。 

9.基礎(chǔ)電量

   可根據(jù)管理要求，對(duì)各宿舍，不同區(qū)域獨(dú)立設(shè)置基礎(chǔ)電量，提供給學(xué)生一定的免費(fèi)電量。 

10.負(fù)控復(fù)位

   超負(fù)荷斷電或使用禁用發(fā)熱電器自動(dòng)斷電后可自動(dòng)恢復(fù)供電，自動(dòng)供電時(shí)間可設(shè)。管理者可設(shè)定自動(dòng)供電的次數(shù)，超過設(shè)定次數(shù)后系統(tǒng)不能再自動(dòng)供電，需找管理者查明斷電原因后，由供電管理人員恢復(fù)供電。

11.時(shí)間控制

   可根據(jù)學(xué)校實(shí)際要求，進(jìn)行生效日期設(shè)置、節(jié)假日設(shè)置、通斷設(shè)置和備注，并對(duì)已經(jīng)設(shè)置的進(jìn)行篩選查看。

12.白名單管理

   該功能用于維護(hù)電器白名單的信息，系統(tǒng)支持學(xué)習(xí)功能，自帶不低于30類學(xué)校常用電器使用特征的數(shù)據(jù)庫。不在特征數(shù)據(jù)庫的電器可以通過現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，從而區(qū)分惡性負(fù)載及白名單負(fù)載。

13.公眾號(hào)在線支付

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

5.3 設(shè)備選型

六、結(jié)束語

   集中控制式預(yù)付費(fèi)抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表和預(yù)付費(fèi)功能的有機(jī)結(jié)合,在系統(tǒng)整體性能提升的前提下大大降低了建設(shè)成本，適合于智能小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等用戶相對(duì)集中場(chǎng)合，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]馬利人，王偉，—種集中控制式預(yù)付費(fèi)抄表系統(tǒng)的研制

[2]李志明，自動(dòng)抄表技術(shù)的研究[D],浙江大學(xué)，2005

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2019.11版

[4]安科瑞用戶測(cè)電能計(jì)量與預(yù)付費(fèi)管理解決方案手冊(cè) 2020.02版