淺談基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

時(shí)間：2022-05-26作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：156

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 Microsoft Visual 為開發(fā)平臺(tái), 結(jié)合MS SQLServer 數(shù)據(jù)庫, 實(shí)現(xiàn)對(duì)基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表的信息管理, 由售電操作界面模塊、電能表監(jiān)測(cè)模塊、系統(tǒng)通信模塊以及數(shù)據(jù)庫端組成。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想, 同時(shí)遵循便于擴(kuò)展和便于維護(hù)的原則。
關(guān)鍵詞: RFID預(yù)付費(fèi)電能表；操作界面模塊；監(jiān)測(cè)模塊
0引言
預(yù)付費(fèi)電能表采用“客戶先購(gòu)電, 后用電”的電力營(yíng)銷模式, 凸現(xiàn)了電量的商品屬性, 能有效地解決目前供電部門普遍存在的“收費(fèi)難”問題。電力部門對(duì)企業(yè)和居民生活用電的計(jì)量計(jì)費(fèi)是電力市場(chǎng)管理的基本任務(wù), 而傳統(tǒng)的先用電后付費(fèi)方式導(dǎo)致電費(fèi)拖欠是長(zhǎng)期困擾電力部門的難題。預(yù)付費(fèi)電表及其管理系統(tǒng)提供了解決這一問題的技術(shù)手段, 能有效降低供電管理成本, 提升管理水平, 確保電能計(jì)量準(zhǔn)確可靠。
1預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成
基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)屬于由上位機(jī)(預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng))和下位機(jī) (基于RFID的單相電能表)構(gòu)成的主從式結(jié)構(gòu)。管理系統(tǒng)采用微機(jī)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和管理, 電能表采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)量和對(duì)用戶負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控, 用射頻卡作為二者之間進(jìn)行信息交換的載體?；赗FID的預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成:基于RFID的單相電能表、智能讀卡器、預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)的工作原理
本系統(tǒng)介紹的電子式預(yù)付費(fèi)電能表是通過電能測(cè)量集成電路對(duì)電壓電流的取樣信號(hào)進(jìn)行處理, 并輸出與有功功率成正比的頻率信號(hào); 微處理器通過對(duì)脈沖計(jì)數(shù)來計(jì)算所消耗的電量。首先在銷售管理系統(tǒng)中建立用戶基本檔案信息, 發(fā)行管理卡并充值, 用戶將已充值的管理卡放在RFID預(yù)付費(fèi)電能表感應(yīng)區(qū)內(nèi), 電能表讀取卡中數(shù)據(jù), 解密并判斷數(shù)據(jù)的有效性。MCU通過射頻芯片讀取卡的金額, 將其存儲(chǔ)E2PROM ,同時(shí)此卡清零。電能表將通過 LCD 顯示來提醒用戶充值成功。若數(shù)據(jù)有效則開啟電能表繼電器, 允許用戶用電。同時(shí), 電能表將會(huì)自動(dòng)把表記的當(dāng)前工作狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)寫入到用戶卡中。當(dāng)用戶持卡再次充值時(shí), 管理部門能夠記錄用戶表的運(yùn)行信息, 以便監(jiān)測(cè)用戶的使用情況。當(dāng)用戶剩余電量用盡時(shí), RFID 預(yù)付費(fèi)電能表將自動(dòng)跳開繼電器, 切斷電源, 直到用戶持卡充值并重新刷卡后才能繼續(xù)恢復(fù)使用。射頻卡式預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)通過信息載體-射頻卡,實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞, 電能表用戶與預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)之間通過射頻卡建立聯(lián)系, 實(shí)現(xiàn)電能使用的預(yù)付費(fèi)管理。預(yù)付費(fèi)電能表通過繼電器的開關(guān)動(dòng)作, 以達(dá)到管理用戶預(yù)付費(fèi)用電的目的。
圖1基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)
2預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng), 采用了MicrosoftVisual 開發(fā)平臺(tái)和SQL Server數(shù)據(jù)庫以及串口通信技術(shù), 能夠?qū)^(qū)域內(nèi)所有用戶的用電情況進(jìn)行現(xiàn)代化管理, 方便了用戶購(gòu)電。該預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)兼有預(yù)付費(fèi)售電以及電能表運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能包括系統(tǒng)維護(hù)、員工信息管理、用電分析、售電業(yè)務(wù)管理、報(bào)表打印、用戶信息管理六項(xiàng)功能。如圖 2 所示。
圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
2.1.1 員工信息管理
員工信息管理是指在系統(tǒng)初始化過程中, 每一個(gè)系統(tǒng)操作員填入一些基本信息, 如 : 姓名、性別、出生年月、聯(lián)系電話、操作權(quán)限等。員工信息管理可以幫助用電管理部門對(duì)系統(tǒng)操作員進(jìn)行管理, 員工信息管理將記錄所有登陸或使用本系統(tǒng)的時(shí)間與權(quán)限, 便于用點(diǎn)管理部門及時(shí)掌握所轄小區(qū)內(nèi)員工的工作情況, 這樣的設(shè)計(jì)將能夠有效的保證所有的售電記錄有據(jù)可查。
2.1.2 用戶信息管理
在本系統(tǒng)中, 每塊電能表對(duì)應(yīng)一個(gè)的射頻卡。當(dāng)安裝一塊電能表時(shí), 先定義客戶相關(guān)信息, 客戶信息包括客戶姓名、地址、聯(lián)系電話以及用電類型等, 然后在客戶信息的基礎(chǔ)上定義電能表信息資料, 包括電能表型號(hào)、類型資產(chǎn)號(hào)以及電能表相關(guān)參數(shù)等; 確定由哪個(gè)區(qū)域所管理。首先由售電點(diǎn)的工作人員對(duì)客戶信息進(jìn)行核對(duì), 將以上信息填入數(shù)據(jù)庫, 并給每個(gè)用戶分配一個(gè)用戶號(hào), 并且將電能表號(hào)寫入射頻卡。系統(tǒng)信息管理的主要目的是通過對(duì)客戶和電能表信息定義,確定電能表、客戶間的關(guān)系, 用電監(jiān)察人員方便快捷確定監(jiān)測(cè)目標(biāo)。
2.1.3 用電分析
用電分析功能主要包括以下兩個(gè)方面, 售電歷史記錄分析以及電能表安全記錄分析。用電管理部門通過對(duì)所轄用戶售電歷史記錄的分析, 可以了解用戶的用電習(xí)慣、充值周期, 從而對(duì)用戶進(jìn)行分組管理?；赗FID的預(yù)付費(fèi)電能表具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)功能, 除記錄電量外還可以用來記錄電能表的工作狀況,且這些記錄采用 E 2 ROM 存儲(chǔ)器存儲(chǔ), 掉電后數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。這些記錄被稱為安全記錄。電能表的安全記錄由事件記錄和負(fù)荷曲線構(gòu)成, 其中事件記錄包括系統(tǒng)事件、故障事件等, 負(fù)荷曲線包括有功、無功電量、電流、電壓等。電能表監(jiān)測(cè)是在電能表數(shù)據(jù)獲取之后, 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行當(dāng)前快速的分析。它可以監(jiān)測(cè)到設(shè)定的電能表在某一時(shí)間中所發(fā)生的事件。所謂事件記錄, 就是多功能電能表某些參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí), 記錄下發(fā)生異常狀況的時(shí)間以及當(dāng)時(shí)電能表的狀態(tài), 以備分析異常原因和追補(bǔ)電量并且能夠判斷有沒有竊電行為的發(fā)生。
2.1.4 系統(tǒng)維護(hù)
系統(tǒng)維護(hù)包括以下五項(xiàng)具體功能 : 數(shù)據(jù)庫恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫備份、售電記錄維護(hù)、用戶信息維護(hù)以及系統(tǒng)密鑰較新。售電點(diǎn)可以將營(yíng)業(yè)記錄、用戶個(gè)人信息記錄、電表監(jiān)測(cè)記錄分開保存, 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理的規(guī)范化。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性, 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中加入了密鑰較新功能, 對(duì)用戶的充值密鑰進(jìn)行定期升級(jí)與維護(hù)。
2.1.5 售電業(yè)務(wù)管理
售電業(yè)務(wù)管理主要包括兩個(gè)方面, 購(gòu)電統(tǒng)計(jì)查詢以及購(gòu)電交易。購(gòu)電統(tǒng)計(jì)查詢是根據(jù)射頻卡上用戶號(hào)對(duì)電能表信息、用戶信息、用電監(jiān)察情況以及用電分析結(jié)果進(jìn)行查詢。如查詢所有異常情況、按電能表進(jìn)行查詢或按時(shí)間進(jìn)行查詢以及按異常情況查詢等。這樣, 使用戶能方便快捷得到相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)。
2.1.6 報(bào)表輸出
電能表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠按照用戶的要求定制相應(yīng)的報(bào)表。用戶根據(jù)需要將相關(guān)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表輸出, 按文件的形式進(jìn)行存檔。
2.2 管理系統(tǒng)操作界面
本系統(tǒng)的操作界面分成三種 : 登陸管理界面、系統(tǒng)初始化主界面和售電操作主界面。在系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí), 首**入登陸管理界面, 根據(jù)員工所屬的權(quán)限級(jí)別決定下一步完成的操作。如果員工權(quán)限為管理員則可進(jìn)入系統(tǒng)初始化界面, 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置; 如果員工的權(quán)限為管理員或操作員, 則直接進(jìn)入售電操作主界面, 完成系統(tǒng)的售電操作。
2.2.1 登陸管理界面
登錄框是對(duì)系統(tǒng)的安全級(jí)別的一個(gè)控制, 判斷限制了用戶對(duì)系統(tǒng)的使用權(quán)限。根據(jù)系統(tǒng)的權(quán)限定義, 對(duì)使用系統(tǒng)的人員分三級(jí)權(quán)限管理, 高層管理員、管理員、操作員。
2.2.2 系統(tǒng)初始化主界面
初次使用本系統(tǒng)時(shí), 可以由高層管理員通過本界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化設(shè)置主要分為三個(gè)方面 : 員工權(quán)限劃分、用戶類型劃分、密鑰管理。員工權(quán)限劃分是以營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)分類管理員工, 對(duì)員工個(gè)人信息、操作權(quán)限等設(shè)置進(jìn)行修改操作。用戶類型劃分是將用戶按照所屬的營(yíng)業(yè)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)編號(hào), 同時(shí)根據(jù)用戶選擇系統(tǒng)費(fèi)率模式不同, 從而定義費(fèi)率單價(jià)。此外, 為了防值囤電行為的發(fā)生, 系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了靈活可變的充值有效期設(shè)置, 在保證用戶利益的同時(shí)有效的維護(hù)了用電管理部門的經(jīng)濟(jì)利益。密鑰管理是對(duì)系統(tǒng)初始密鑰進(jìn)行設(shè)置, 方便的控制管理系統(tǒng)密鑰的較新查詢。
2.2.3 售電操作主界面
如果員工以管理員或操作員的身份進(jìn)入系統(tǒng), 則會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入以下界面, 根據(jù)用戶的不同需求, 系統(tǒng)可以完成開戶注冊(cè)、售電充值、用戶注銷、購(gòu)電記錄查詢、電表信息查詢、補(bǔ)辦新卡等操作。
2.3 管理系統(tǒng)串口通信軟件設(shè)計(jì)
基于 RFID 的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)兼有預(yù)付費(fèi)售電和電能表管理兩種功能, 因此系統(tǒng)的通信模塊也分成了兩大部分,一部分是遵循 DLMS/COSEM 通信規(guī)約的電能表監(jiān)測(cè)通信模塊,主要指管理系統(tǒng)通過紅外光電接口與電能表進(jìn)行信息交互,另一部分是遵循 STS 預(yù)付費(fèi)售電管理協(xié)議的通信模塊, 主要用于售電系統(tǒng)上位機(jī)與射頻卡之間的通信。
2.3.1 電能表監(jiān)測(cè)通信軟件設(shè)計(jì)
RF 射頻卡式預(yù)付費(fèi)電能表在安裝時(shí), 廠家使用智能終端編號(hào)器編輯每臺(tái)計(jì)量表號(hào)。表號(hào)( 即表地址識(shí)別號(hào))是每塊表一個(gè)識(shí)別號(hào), 只能由用電管理部門用**設(shè)備進(jìn)行修改。為了保證表號(hào)的,表號(hào)由11個(gè)十進(jìn)制字組成00000000000~99999999999 。數(shù)據(jù)通信采用的方式為應(yīng)答方式, 即由管理系統(tǒng)上位機(jī)對(duì)某個(gè)計(jì)量表終端發(fā)送一個(gè)指令,該終端就返回一組數(shù)據(jù), 通信協(xié)議是基于DLMS/COSEM的。通信的流程如圖3所示。
圖3電能表監(jiān)測(cè)通信程序流程圖           圖4預(yù)付費(fèi)售電通信
2.3.2 預(yù)付費(fèi)售電通信軟件設(shè)計(jì)
預(yù)付費(fèi)售電通信模塊主要包括三個(gè)部分, 包括計(jì)算機(jī)、射頻卡讀卡器和射頻卡。依據(jù)射頻卡的工作原理, 射頻卡內(nèi)數(shù)據(jù)的寫入或讀出都是有讀卡器向其發(fā)送電磁波, 產(chǎn)生電磁能量而完成的。計(jì)算機(jī)與射頻卡之間的數(shù)據(jù)交換是以射頻卡讀卡器為中間媒介的, 讀卡器將射頻卡內(nèi)的數(shù)據(jù)信息讀出,然后通過RS- 232 接口送入計(jì)算機(jī), 同時(shí)上位機(jī)通過讀卡器將數(shù)據(jù)信息寫入射頻卡。如圖 4 所示, 首先打開計(jì)算機(jī)串口并配制通信參數(shù),然后根據(jù)預(yù)先制定的通信規(guī)則向讀卡器發(fā)送握手命令, 并執(zhí)行讀卡操作, 將射頻卡內(nèi)數(shù)據(jù)存在緩沖區(qū)內(nèi), 接著判斷數(shù)據(jù)標(biāo)志位是否正確, 以證明卡內(nèi)數(shù)據(jù)來源于電能表, 如果標(biāo)志位正確則進(jìn)行下一步操作。提取讀回的用戶號(hào)并以此判斷該用戶所屬類型, 從系統(tǒng)密鑰數(shù)據(jù)庫中提取密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密、分析、歸檔。通過從射頻卡讀回的信息進(jìn)一步判斷電能表工作是否正常, 若電能表工作異常則發(fā)出系統(tǒng)提示。若沒有出現(xiàn)異常情況則可以由系統(tǒng)操作員完成各項(xiàng)售電操作。
3 安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)
3.1 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括**管理網(wǎng)站和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。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。
3.2 系統(tǒng)功能
AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。
本系統(tǒng)適用于一些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。


遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表 。


水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。


遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對(duì)充值次數(shù)防止作弊，方便快捷。


能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。


在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。


短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶。


遠(yuǎn)程控制:可對(duì)任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。
3.3 產(chǎn)品選型
4結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了一種符合STS**標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng), 并將 DLMS 通信協(xié)議應(yīng)用于電能表檢測(cè)模塊, 本項(xiàng)設(shè)計(jì)未見國(guó)內(nèi)未見同類報(bào)道; 其次基于 RFID 的電能表預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)是建立在 .NET平臺(tái)上的集面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)、電能計(jì)量技術(shù)、軟件可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)等**為一體的新型電能表管理系統(tǒng), 具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用戶修改和擴(kuò)充軟件方便、操作界面友好、可視性與可讀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；?RFID 的電能表預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)還簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)IC卡式電能表的售電操作, 大大提高了系統(tǒng)工作效率。該項(xiàng)目實(shí)施一年以來, 創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益200多萬元。
【參考文獻(xiàn)】
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版

安科瑞電氣股份有限公司專注于多用戶計(jì)量表,多回路電能表等

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  摘 要：隨著社會(huì)的*變革及發(fā)展，智能化技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍。像電動(dòng)汽車、3D 打印、機(jī)械臂等大量高科技產(chǎn)物已在我們生活圈里逐步常態(tài)化。電能替代了大量的石油、人工以及少量資源成為了環(huán)保的新能源，但是電氣的安全隱患同樣也不可忽視。2019 年，一 起“上海特斯拉汽車自燃”事件，讓全國(guó)人民把目光鎖定在“電動(dòng)汽車”“高品牌”“安全性”等關(guān)鍵詞上。據(jù)了解，僅 2018 年中國(guó)國(guó)內(nèi)已發(fā)生新能源汽車起火事件