簡析三相電能預付費控制系統(tǒng)的設計與產(chǎn)品選型

時間：2023-07-03作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：38

楊翠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：介紹了一種電能預付費系統(tǒng)，主要用于三相動力用戶。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數(shù)據(jù)用于比較，在盡量少改動原有接線的情況下安裝預付費控制系統(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，有效降低數(shù)據(jù)丟失和出錯可能性。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參數(shù)數(shù)據(jù)，提高供電質(zhì)量；增設用戶信用度管理，實現(xiàn)信用管理。后臺管理系統(tǒng)和控制器終端相結合，實現(xiàn)丟卡不丟電，充分**用戶權益。系統(tǒng)可升級，可以增設用戶，做到一卡多戶或者一表多卡。引進開箱記錄的防竊電思想，可以實現(xiàn)開箱管理，防止竊電。

關鍵詞：三相動力；預付費系統(tǒng)；電能質(zhì)量管理；RFID；防竊電

引言

在電能用戶群中，很多小型企業(yè)為三相動力用戶，他們用電量比較大，電費額高。由于某些用戶信用度較差、經(jīng)營風險較大、經(jīng)濟效益差，及時足額回收其電費是供電企業(yè)經(jīng)營中的重點與難點。目前很多供電企業(yè)都面臨著某些大用戶電費回收難的問題，造成這一問題的根本原因在于“先用電后付費”的營銷模式。為了解決這個問題，目前常用且有效的方法是采用預付費控制系統(tǒng)^[1-2]。預付費控制系統(tǒng)包括后臺管理系統(tǒng)和預付費控制終端兩大部分，前者包括計算機、Ic卡讀寫器、打印機等設備，后者由讀卡模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、開關信號輸出等部分構成。現(xiàn)有的預付費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，信息將自動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進行分析和統(tǒng)計。

目前，預付費控制系統(tǒng)種類繁多，采用的方式也很多^【1-5】。大部分的預付費控制系統(tǒng)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。由于電表系統(tǒng)和預付費系統(tǒng)及其控制部分一體化的預付費電能表的通斷能力有限，電表需要國家相關計量部門驗證通過才能使用，再考慮到當前在很多場合已經(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付費控制系統(tǒng)，電能量從原有電表中讀出。該系統(tǒng)除應用于普通居民用電還可用于一些三相動力和臨時施工場所，有一定的應用前景。

一、設計思想與總體結構

整個系統(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)到供電部門繳費充電，供電部門利用讀卡器對電卡寫數(shù)據(jù)充值，同時后臺管理系統(tǒng)記錄相關的信息。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。控制器終端記錄相關信息，并一直從電表讀取數(shù)據(jù)對比電量，到相應的電量發(fā)出警報或斷開電路。

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，還有實現(xiàn)接觸器的通斷控制。可以在原有系統(tǒng)上稍作改動而實現(xiàn)預付費功能。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。進線經(jīng)過閘和電能表后再通過交流接觸器接到用戶設備?？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，射頻卡上的電量數(shù)據(jù)將被清零?？刂破鲀?nèi)部經(jīng)過計算和比對后，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)過自身的輔助觸點和繼電器的配合，接成一個脫扣和吸合互斥的電路。



二、后臺管理系統(tǒng)

目前已經(jīng)應用的后臺管理系統(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的數(shù)據(jù)和對讀卡器操作。本后臺管理系統(tǒng)是綜息記錄、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)查詢輸出到功能*強大的表格處理軟件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合而實現(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，在刷卡充電時將數(shù)據(jù)寫入電卡。當電卡拿到后臺管理系統(tǒng)充電時，數(shù)據(jù)讀出保存到硬盤此功能可以實現(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、預付費控制器終端

預付費控制器終端是應用于現(xiàn)場的控制器件?？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線少等諸多優(yōu)點的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人射頻區(qū)標志位，該引腳輸出低電平，可用于觸發(fā)單片機中斷并點亮指示發(fā)光二極管．SDA為I²C總線的數(shù)據(jù)線，SCL為串行時鐘線，用于同步收發(fā)機。I²C協(xié)議的具體通信過程請參考文獻[9]。

2數(shù)據(jù)存儲

由于單片機的內(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[9]。

數(shù)據(jù)保護措施：①只有在寫EEPROM時才將其使能，其它情況不能對其進行寫操作。②數(shù)據(jù)冗余保護法。將數(shù)據(jù)分成1個正本和2個副本(或者4個副本，總本數(shù)為奇數(shù)即可)，每次存儲，在讀取數(shù)據(jù)時采用軟件自動修補功能，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轉換芯片與單片機的串行口連接，用一個I/O口選擇接收或發(fā)送即可。這里重點說一下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位二進制碼，傳輸時加上一個起始位(0)、一個偶校驗位和一個停止位(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。

圖中相關的術語和細節(jié)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(tǒng)處于一直讀取電表數(shù)據(jù)和比較的循環(huán)中，如果有電卡進入射頻區(qū)則進入中斷處理程序。上電開機后從EEPROM讀取保存的信息，讀取的內(nèi)容包括電表表號、剩余電量、報警門限等信息。讀取完成后從電能表讀取當前電量，比較相關數(shù)據(jù)判斷是否到達相應的動作條件。如果到達低電量則報警，電用完則向繼電器發(fā)送斷開信號，由繼電器控制交流接觸器斷開主電路。

電卡進入射頻區(qū)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(nèi)報警門限設置值并保存；如果是檢查卡則按照要求讀取相應的數(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后驗證為補卡，將從總充電量中計算出丟失卡的時候沒有充進去的電量以及補卡時再次充值量，從而實現(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個扇區(qū)，每個扇區(qū)為4塊，每塊16個字節(jié)，以塊為存取單位，每個扇區(qū)有獨立的一組密碼及訪問控制，每張卡有4字節(jié)序列號，具有防沖突機制，支持多卡操作等性能。Mifare卡是一種技術成熟、性能穩(wěn)定、內(nèi)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(tǒng)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(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。

2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。

3系統(tǒng)結構



4系統(tǒng)功能


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