簡析三相電能預付費控制系統的設計與產品選型

摘要：介紹了一種電能預付費系統，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據用于比較，在盡量少改動原有接線的情況下安裝預付費控制系統。采用安全性和穩定性高的RFID卡，數據存儲空間大，實現不開箱操作．控制器終端數據存儲采用數據冗余技術，有效降低數據丟失和出錯可能性。后臺管理系統嵌入有電能質量管理程序，分析從電表讀出的相關參數數據，提高供電質量；增設用戶信用度管理，實現信用管理。后臺管理系統和控制器終端相結合，實現丟卡不丟電，充分保障用戶權益。系統可升級，可以增設用戶賬號，做到一卡多戶或者一表多卡。引進開箱記錄的防竊電思想，可以實現開箱管理，防止竊電。

關鍵詞：遠程預付費系統，預付費云平臺，電能質量管理，在線支付，通訊管理

引言

在電能用戶群中，很多小型企業為三相動力用戶，他們用電量比較大，電費額高。由于某些用戶信用度較差、經營風險較大、經濟效益差，及時足額回收其電費是供電企業經營中的重點與難點。目前很多供電企業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^[1-2]。預付費控制系統包括后臺管理系統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、數據存儲模塊、開關信號輸出等部分構成?，F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計。

目前，預付費控制系統種類繁多，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。由于電表系統和預付費系統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有電表投入到使用中，完全重新安裝新系統成本較高。所以筆者研究一種分體式的預付費控制系統，電能量從原有電表中讀出。該系統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

整個系統由后臺售電管理系統、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據充值，同時后臺管理系統記錄相關的信息。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?？刂破鹘K端記錄相關信息，并一直從電表讀取數據對比電量，到相應的電量發出警報或斷開電路。

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，讀取電表數據并比對的功能，還有實現接觸器的通斷控制?？梢栽谠邢到y上稍作改動而實現預付費功能。配電柜里的一次接線如圖1所示。

這樣的系統可用于三相三線系統和三相四線系統中。進線經過刀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據的射頻卡到控制器的讀卡器附近可以將電量數據輸入到控制器內，與此同時，射頻卡上的電量數據將被清零?？刂破鲀炔拷涍^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

目前已經應用的后臺管理系統以及讀卡器都已較多，但是很多管理系統只是簡單地記錄相關的數據和對讀卡器操作。本后臺管理系統是綜合信息記錄、讀卡器操作、數據反饋分析、電能質量管理于一體的智能化系統。后臺管理系統采用的是VisualBASIC和ACCESS數據庫編寫。數據查詢結果輸出到功能*強大的表格處理軟件Excel中方便編輯和打印。

數據分析的功能是后臺管理系統和控制器終端以及電卡相結合而實現的。在控制器終端嵌入有讀取電表各種數據的程序，可以將A、B、c各相的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素等數據讀取，在刷卡充電時將數據寫入電卡。當電卡拿到后臺管理系統充電時，數據讀出保存到硬盤此功能可以實現電能質量管理和線損管理，提高供電可靠性和供電質量。

三、預付費控制器終端

預付費控制器終端是應用于現場的控制器件?？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，留出電源和數據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議完善、支持芯片較多和占用I/O線少等諸多優點的IC協議。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標志位，該引腳輸出低電平，可用于觸發單片機中斷并點亮指示發光二極管．SDA為I²C總線的數據線，SCL為串行時鐘線，用于同步收發機。I²C協議的具體通信過程請參考文獻[9]。

2數據存儲

由于單片機的內存在掉電后丟失所有數據，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協議，數據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]。

數據保護措施：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數據冗余保護法。將數據分成1個正本和2個副本(或者4個副本，總本數為奇數即可)，每次存儲，在讀取數據時采用軟件自動修補功能，即采用“少數服從多數”的原則，將異常的數據修補完整，讀出正確的數據。此方法大大提高了數據存儲的可靠性，將數據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，其協議采用DL/T645電表通信規約。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口選擇接收或發送即可。這里重點說一下DL/T645電表通信規約。該規約的字節格式為：每字節含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是字節的*低有效位，D7是字節的*高有效位。先傳低位，后傳高位。初始速率采用1200bpd。如圖4所示。

讀取電表數據還有固定的幀格式，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。

控制器終端系統處于一直讀取電表數據和比較的循環中，如果有電卡進入射頻區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，比較相關數據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。

電卡進入射頻區則觸發中斷處理程序，先檢查卡種。如果是設置卡讀出卡內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據并寫入電卡中，可用于后臺管理系統分析；如是用戶卡則讀出充電量并清除卡內電量。

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，每個扇區為4塊，每塊16個字節，以塊為存取單位，每個扇區有獨立的一組密碼及訪問控制，每張卡有4字節序列號，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、性能穩定、內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。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，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/水表參數設置，商戶售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡便，實現物業公司遠程實時操作實時監控，具有良好的人機界面，能夠有效的統計和管理數據。安裝方便，是用電管理部門、商業廣場和物業小區，提高用電用水管理水平，解決收費難問題的理想產品。

2應用場所

本平臺適用于公寓出租戶、商業廣場、公寓酒店、物業小區、寫字樓、物流倉儲、高校、連鎖超市、智慧園區、農貿市場等場所。

3系統結構

4系統功能

（1）房間監控

清晰簡潔的展示所有房間狀態信息，所屬樓棟樓層，在線失連情況，費用狀態等，進入房間詳情可對房間當前實時信息進行查看，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行各種遠程控制操作，比如開戶、電價設置，售電、退電、報警金額設置、分合閘操作等等。

（2）電戶開表

系統針對商鋪開戶不僅支持一戶一表，也支持一戶掛多表的需要;支持自定義電價方案，單一電價、尖峰平谷電價、階梯電價等:支持預先設置開戶信息后期一鍵開戶;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、語音外呼、公眾號推送等。

（3）充電繳費

可以對已開戶的電表進行遠程充值，電費實時下發到電表。電表會根據電度走字實時扣除電費同時系統也支持早臺計費，金額下發到系統賬戶，到賬快速穩定。

（4）財務管理

訂單總覽，包含系統里所有水電充值退費記錄，以及物業費扣費流水記錄。收入概況，可以從日，月，年，時間跨度等不同維度統計水電費收入情況，收入組成。

（5）報表

系統還提供了多個報表以供查詢。用電綜合報表，幫助財務統計每個月商鋪總用電量，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，年三個不同維度查詢電表每個階段的用能情。

（6）批量操作

為了方便用戶對大量儀表進行管理和設置，可以在系統中新建批量操作任務，比如設置電價、電表控制、儀表設置、充值等，批量任務可以立即執行，也可以定時執行。

（7）自定義收費方案

為了靈活應對用戶多種多樣的收費方案，比如物業費，房租，服務費等，系統支持用戶自定義收費項目。收費方式可設置直接從賬戶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）公共區域用電分攤

指定某塊表為主表，然后分配關聯子表，系統每個月自動將主表的用電按比例換算成電費從子表中扣除，這樣可以剩余人工統計的麻煩。公攤方式多樣，可以根據比例公攤，按房間面積公攤，按用量公排，收費方式有直接扣費或者生成維費賬單。

（9）后付費模式

按日期生成后付費用戶周期用電費用，對數據進行確認后生成繳費賬單方便追蹤客戶繳費情況可導出繳費賬單以及欠費賬單通知客戶。

（10）公眾號在線支付

  用戶可以在微信小程序或者微信公眾號自助查詢電表使用情況以及繳費。

5．系統硬件配置

六、結論

小型工廠和臨時施工用電客戶等三相動力客戶是比較大的用電群體，電費額高，管理復雜。采用預付費管理實現“先付費后用電”可以有效解決電費回收難的問題。數據分析和管理可以把營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量。非接觸式射頻Ic卡具有穩定性高，安全性好，操作方便等優點，可以實現不開箱操作，提升整個系統的可靠性和防竊電性能。數據冗余技術增強了數據存儲的安全性，有效降低數據出錯和丟失的可能性。

預付費控制器和電表分離的方式，大大降低了預付費系統的安裝成本，可以繼續使用原來的電表系統，盡量少地改動原有接線。同時也提高了線路的通斷能力，提高控制和供電可靠性。該系統成本低、安裝方便，能較好地適用于三相小動力用戶。

參考文獻：

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

[2]楊莉．淺析預付費電能表的應用[J]．云南電力技術，2006，34(6)：69—7O．

[3]易霞，藤召勝，張向程，等．Mifare1射頻卡在預付費電能表中的應用[J]．自動化儀表，2007，28(6)：10-13．

[4]李林，趙錦春．預付費電能表在使用中的問題及改進[J]．應用研究與管理，2005，12(12)：432—433．

[5]王秋光，馬懷儉．紅外式電費預付費系統[J]．哈爾濱理工大學學報，2002，7(5)：66—69．

[6]顏春蘭，周敬泉，袁鵬．基于VB的預付費售電管理系統[J]．電氣時代，2002，11(4)：100—101．

[7]王安紅，薛永剛．電能計量管理信息系統的設計與開發[J]．鄭州大學學報：工學版，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]電力工業部．DL/T645-1997．多功能電能表通信規約[S]．北京：電力工業出版社，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.三相電能預付費控制系統研究

[13]安科瑞電氣企業微電網設計與應用手冊2020.06版

安科瑞唐曉娟13774431042