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(chǔ)空間大，實(shí)現(xiàn)不開箱操作．控制器終端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(tái)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(tái)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(jí)，可以增設(shè)用戶賬號(hào)，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：三相動(dòng)力；預(yù)付費(fèi)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(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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(tái)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(chǔ)模塊、開關(guān)信號(hào)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(gòu)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(duì)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(chǎng)合已經(jīng)有電表投入到使用中，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(chǎng)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(tái)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(duì)電卡寫數(shù)據(jù)充值，同時(shí)后臺(tái)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(duì)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(duì)的功能，還有實(shí)現(xiàn)接觸器的通斷控制?？梢栽谠邢到y(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。控制器終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。控制器內(nèi)部經(jīng)過計(jì)算和比對(duì)后，控制繼電器信號(hào)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(tái)管理系統(tǒng)

目前已經(jīng)應(yīng)用的后臺(tái)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(jiǎn)單地記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)和對(duì)讀卡器操作。本后臺(tái)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(tái)管理系統(tǒng)采用的是VisualBASIC和ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)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(tái)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(chǎng)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(qǐng)參考文獻(xiàn)[9]。

2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

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(chǔ)器。筆者采用的是Atmel公司的AT24C256型非易失性EEPROM，其存儲(chǔ)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(qǐng)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(duì)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(chǔ)，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(chǔ)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(jiǎn)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(yǔ)和細(xì)節(jié)請(qǐng)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(hào)、剩余電量、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，電用完則向繼電器發(fā)送斷開信號(hào)，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)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(tái)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(tái)管理系統(tǒng)把原來電卡卡號(hào)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(hào)，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(tái)

1概述

AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)所

本平臺(tái)適用于公寓出租戶、商業(yè)廣場(chǎng)、公寓酒店、物業(yè)小區(qū)、寫字樓、物流倉(cāng)儲(chǔ)、高校、連鎖超市、智慧園區(qū)、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)等場(chǎng)所。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4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、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(yǔ)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。

（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）公共區(qū)域用電分?jǐn)?/p>

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(duì)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(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．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(yíng)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(chǔ)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]高舒，龐劍玲，預(yù)付費(fèi)電能表的使用狀況和前景[J]．河北電力技術(shù)，2006，25(1)：28—29．

[2]楊莉．淺析預(yù)付費(fèi)電能表的應(yīng)用[J]．云南電力技術(shù)，2006，34(6)：69—7O．

[3]易霞，藤召勝，張向程，等．Mifare1射頻卡在預(yù)付費(fèi)電能表中的應(yīng)用[J]．自動(dòng)化儀表，2007，28(6)：10-13．

[4]李林，趙錦春．預(yù)付費(fèi)電能表在使用中的問題及改進(jìn)[J]．應(yīng)用研究與管理，2005，12(12)：432—433．

[5]王秋光，馬懷儉．紅外式電費(fèi)預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)[J]．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，7(5)：66—69．

[6]顏春蘭，周敬泉，袁鵬．基于VB的預(yù)付費(fèi)售電管理系統(tǒng)[J]．電氣時(shí)代，2002，11(4)：100—101．

[7]王安紅，薛永剛．電能計(jì)量管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2003，24(1)：105—1O8．

[8]NXP Semiconductors Corporation．Contactless Reader IC MFRC522 Data Sheet[z]．NXP Corporation.2007．

[9]ATMEL Corporation.AT224CI28/AT24C2562-wire Serial EEPROMS[EB]．ATMEL Corpora- tion.2007.

[1O]電力工業(yè)部．DL/T645-1997．多功能電能表通信規(guī)約[S]．北京：電力工業(yè)出版社，1997．

[11]NXP Semiconductors．Highly Intergrated MF1 IC S50 Data Sheet[EB]．NXP Corpora-tions.2007.

[12]章健，孫嘉，鄭文棋，許珉.三相電能預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)研究

[13]安科瑞電氣企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.06版