胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

   摘要:介紹一種由射頻卡預付費和RS485總線(xiàn)組成的集中控制式預付費抄表系統,系統能準確及時(shí)地釆集處理電能計量數據并實(shí)現預付費功能。該系統簡(jiǎn)化用戶(hù)電能表設計，使智能集中控制器具有多功能化，實(shí)現系統資源的優(yōu)化。詳細給出了系統各組成部分的結構、原理。

   關(guān)鍵詞:射頻卡;預付費;集抄集控

一、前言

   為實(shí)現預付費集抄集控系統的功能，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)現硬件資源的優(yōu)化配置，釆用簡(jiǎn)化電能表結構但同時(shí)擴展智能集中控制器功能的系統設計思路, 獲得了較好的成效。通過(guò)將RS485信道和射頻卡技術(shù)相結合，避免了低壓電力線(xiàn)載波通訊所面臨的配電網(wǎng)的拓撲結構不可預見(jiàn)及不可控等難題,保證了預付費數據的安全。

二、結構和功能

   本系統釆用三層網(wǎng)絡(luò )結構

圖1 集中控制式預付費抄表系統結構圖

2.1用戶(hù)電能表

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

2.2智能集中控制器

   中間層是智能集中控制器，也是本系統的核心。它主要完成電量抄讀、預付費數據處理和用戶(hù)用電信息査詢(xún)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128個(gè)用戶(hù)電能表通訊，循環(huán)釆集用戶(hù)的用電信息。

（2）預付費數據處理:用戶(hù)在控制中心用卡購電后，在智能集中控制器處刷卡（用戶(hù)也可在控制中心直接購電,控制中心通過(guò)RS485總線(xiàn)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算,并將預付費數據保存在存儲器內。如用戶(hù)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(hù)重新購電才可供電。

（3）用戶(hù)用電信息査詢(xún):用戶(hù)只需在智能集中控制器的鍵盤(pán)處輸入對應的戶(hù)號即可査詢(xún)自己的用電量及剩余電量等信息。

(4)擴展功能:上層主控中心對智能集中控制器設置統一斷送電時(shí)間,智能集中控制器對用戶(hù)電能表實(shí)現定時(shí)斷送電控制。

2.3主控中心

   上層是主控中心，實(shí)現系統整體的控制和管理，可定時(shí)或實(shí)時(shí)抄收系統中每個(gè)電表的用電數據,并實(shí)現預付費功能。

2.4通訊方案

   集中控制式預付費抄表系統數據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(xiàn)方式,RS-485總線(xiàn)具有抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點(diǎn),只需要用兩根線(xiàn)便可方便的構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據交換釆用射頻卡和RS485總線(xiàn)兩種數據交換方式。

三、工作原理

   圖1給出了本系統各組成部分及數據交換方式，以下詳述各部分工作原理。

3.1用戶(hù)電能表的設計

   電能表在一般帶485接口電能表的基礎上內置了磁保持繼電器，可切斷和接通用戶(hù)的用電負荷，并且和智能集中控制器一起實(shí)現預付費控制功能,電能表其它部分和常規電能表相似。

3.2智能集中控制器的設計

   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/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)在單片機和RS485總線(xiàn)之間加入光耦對信號進(jìn)行隔離。RS485接口分上行和下行兩個(gè)獨立的接口，分別用于與主控中心和用戶(hù)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，作為其它數據交換方式的補充。

   射頻卡處理模塊中使用的芯片是基于IS014443標準的非接觸式讀寫(xiě)卡設備專(zhuān)用芯片，操作距離可達10cm,可有效避免接觸式卡的卡口易受攻擊的問(wèn)題。

   存儲、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊中的芯片內置64K位的鐵電存儲器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓復位、看門(mén)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,為多費率應用提供了硬件基礎。

   電源模塊是系統各部分能量的來(lái)源,220V市電降壓后生產(chǎn)兩組獨立的電源，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(mǎn)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 主控中心的設計

   主控中心由主機、射頻卡讀寫(xiě)卡器、RS232-485 轉換器和打印機等設備組成。主控中心管理軟件主要由預付費管理、用電信息發(fā)布、電能表異常告警、報表分析統計、定時(shí)數據自動(dòng)備份等功能模塊組成。

四、數據安全性

   由于系統需要對計量和預付費數據進(jìn)行處理，系統須具有很高的安全性;本系統采用以下安全措施。

4.1多級權限管理

   賦予不同操作員完成用戶(hù)卡、管理卡、系統參數設定、電價(jià)修改的操作權限,確保系統的可靠運行。

4.2數據加密

          RS485總線(xiàn)上的購電量等敏感數據采用加密方式傳輸,保證數據在RS485總線(xiàn)上不被破解;射頻卡內部帶有加密單元，同時(shí)對射頻卡內部的數據進(jìn)行軟件加密確?？▋葦祿陌踩?。

4.3數據自動(dòng)備分

   所有的數據均定期進(jìn)行自動(dòng)備份,在計算機故障使部分或全部數據丟失后，可及時(shí)恢復所有數據，避免造成較大的損失。

五、安科瑞預付費管理系統及現場(chǎng)硬件選型

5.1 系統結構

5.2 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)階段的用能情況。

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.負載控制

   系統具備惡性負載識別功能，自動(dòng)識別學(xué)院規定禁止使用的各類(lèi)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.基礎電量

   可根據管理要求，對各宿舍，不同區域獨立設置基礎電量，提供給學(xué)生一定的免費電量。

10.負控復位

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

11.時(shí)間控制

   可根據學(xué)校實(shí)際要求，進(jìn)行生效日期設置、節假日設置、通斷設置和備注，并對已經(jīng)設置的進(jìn)行篩選查看。

12.白名單管理

   該功能用于維護電器白名單的信息，系統支持學(xué)習功能，自帶不低于30類(lèi)學(xué)校常用電器使用特征的數據庫。不在特征數據庫的電器可以通過(guò)現場(chǎng)學(xué)習進(jìn)入數據庫，從而區分惡性負載及白名單負載。

13.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。

5.3 設備選型

六、結束語(yǔ)

   集中控制式預付費抄表系統實(shí)現了遠程抄表和預付費功能的有機結合,在系統整體性能提升的前提下大大降低了建設成本，適合于智能小區、學(xué)校、醫院、企業(yè)等用戶(hù)相對集中場(chǎng)合，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻

[1]馬利人，王偉， —種集中控制式預付費抄表系統的研制

[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)設計與應用手冊2019.11版

[4]安科瑞用戶(hù)測電能計量與預付費管理解決方案手冊 2020.02版

作者簡(jiǎn)介：