摘要:介紹一種由射頻卡預付費和RS485總線組成的集中控制式預付費抄表系統(tǒng),系統(tǒng)能準確及時地釆集處理電能計量數(shù)據(jù)并實現(xiàn)預付費功能。該系統(tǒng)簡化用戶電能表設計，使智能集中控制器具有多功能化，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化。詳細給出了系統(tǒng)各組成部分的結(jié)構(gòu)、原理。
關(guān)鍵詞:射頻卡;預付費;集抄集控
一、前言
為實現(xiàn)預付費集抄集控系統(tǒng)的功能，通常電能表須帶卡處理模塊和RS485通訊模塊、時鐘模塊和電池，成本較高。
為實現(xiàn)硬件資源的優(yōu)化配置，釆用簡化電能表結(jié)構(gòu)但同時擴展智能集中控制器功能的系統(tǒng)設計思路, 獲得了較好的成效。通過將RS485信道和射頻卡技術(shù)相結(jié)合，避免了低壓電力線載波通訊所面臨的配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)不可預見及不可控等難題,保證了預付費數(shù)據(jù)的安全。
二、結(jié)構(gòu)和功能
本系統(tǒng)釆用三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
圖1 集中控制式預付費抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1用戶電能表
底層由數(shù)量眾多的用戶電能表組成，它完成用戶電量信息的記錄和通斷電動作的執(zhí)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(tǒng)的核心。它主要完成電量抄讀、預付費數(shù)據(jù)處理和用戶用電信息査詢等功能。
（1）電量抄讀功能:一個智能集中控制器可同時與多達128個用戶電能表通訊，循環(huán)釆集用戶的用電信息。
（2）預付費數(shù)據(jù)處理:用戶在控制中心用卡購電后，在智能集中控制器處刷卡（用戶也可在控制中心直接購電,控制中心通過RS485總線把電量下發(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(shù)據(jù)保存在存儲器內(nèi)。如用戶剩余電量為零或允許透支量用完時，智能集中控制器發(fā)出分閘斷電命令;直到用戶重新購電才可供電。
（3）用戶用電信息査詢:用戶只需在智能集中控制器的鍵盤處輸入對應的戶號即可査詢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(tǒng)一斷送電時間,智能集中控制器對用戶電能表實現(xiàn)定時斷送電控制。
2.3主控中心
上層是主控中心，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的控制和管理，可定時或?qū)崟r抄收系統(tǒng)中每個電表的用電數(shù)據(jù),并實現(xiàn)預付費功能。
2.4通訊方案
集中控制式預付費抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)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總線方式,RS-485總線具有抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點,只需要用兩根線便可方便的構(gòu)成一主多從的雙向通訊網(wǎng)絡。
頂層控制管理中心與智能集中控制器之間的數(shù)據(jù)交換釆用射頻卡和RS485總線兩種數(shù)據(jù)交換方式。
三、工作原理
圖1給出了本系統(tǒng)各組成部分及數(shù)據(jù)交換方式，以下詳述各部分工作原理。
3.1用戶電能表的設計
電能表在一般帶485接口電能表的基礎(chǔ)上內(nèi)置了磁保持繼電器，可切斷和接通用戶的用電負荷，并且和智能集中控制器一起實現(xiàn)預付費控制功能,電能表其它部分和常規(guī)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/實時時鐘模塊、顯示模塊和電源模塊等。
處理器是整個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)器可同時在單片機和RS485總線之間加入光耦對信號進行隔離。RS485接口分上行和下行兩個獨立的接口，分別用于與主控中心和用戶電能表通訊。
紅外通訊電路中的接收管具有抗外界光干擾強的特點,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(shù)據(jù)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卡設備專用芯片，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題。
存儲、實時時鐘模塊中的芯片內(nèi)置64K位的鐵電存儲器、實時時鐘、低電壓復位、看門狗等功能模塊。實時時鐘模塊給智能集中控制器提供時鐘基準,為多費率應用提供了硬件基礎(chǔ)。
電源模塊是系統(tǒng)各部分能量的來源,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、射頻卡讀寫卡器、RS232-485 轉(zhuǎn)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(tǒng)計、定時數(shù)據(jù)自動備份等功能模塊組成。
四、數(shù)據(jù)安全性
由于系統(tǒng)需要對計量和預付費數(shù)據(jù)進行處理，系統(tǒng)須具有很高的安全性;本系統(tǒng)采用以下安全措施。
4.1多級權(quán)限管理
賦予不同操作員完成用戶卡、管理卡、系統(tǒng)參數(shù)設定、電價修改的操作權(quán)限,確保系統(tǒng)的可靠運行。
4.2數(shù)據(jù)加密
RS485總線上的購電量等敏感數(shù)據(jù)采用加密方式傳輸,保證數(shù)據(jù)在RS485總線上不被破解;射頻卡內(nèi)部帶有加密單元，同時對射頻卡內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行軟件加密確保卡內(nèi)數(shù)據(jù)的安全。
4.3數(shù)據(jù)自動備分
所有的數(shù)據(jù)均定期進行自動備份,在計算機故障使部分或全部數(shù)據(jù)丟失后，可及時恢復所有數(shù)據(jù)，避免造成較大的損失。
五、安科瑞預付費管理系統(tǒng)及現(xiàn)場硬件選型
5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5.2 系統(tǒng)功能
1.房間監(jiān)控
清晰簡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，費用狀態(tài)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(nèi)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(tǒng)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(fā)到電表。電表會根據(jù)電度走字實時扣除電費同時系統(tǒng)也支持早臺計費，金額下發(fā)到系統(tǒng)賬戶，到賬快速穩(wěn)定。
4.財務管理
訂單總覽，包含系統(tǒng)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，時間跨度等不同維度統(tǒng)計水電費收入情況，收入組成。
5.報表
系統(tǒng)還提供了多個報表以供查詢。用電綜合報表，幫助財務統(tǒng)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況。
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(tǒng)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(zhí)行，也可以定時執(zhí)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(yè)費，房租，服務費等，系統(tǒng)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.負載控制
系統(tǒng)具備惡性負載識別功能，自動識別學院規(guī)定禁止使用的各類違章電器（如熱得快、電吹風、電熱毯、暖手煲等）功能，并及時自動斷電。
9.基礎(chǔ)電量
可根據(jù)管理要求，對各宿舍，不同區(qū)域獨立設置基礎(chǔ)電量，提供給學生一定的免費電量。
10.負控復位
超負荷斷電或使用禁用發(fā)熱電器自動斷電后可自動恢復供電，自動供電時間可設。管理者可設定自動供電的次數(shù)，超過設定次數(shù)后系統(tǒng)不能再自動供電，需找管理者查明斷電原因后，由供電管理人員恢復供電。
11.時間控制
可根據(jù)學校實際要求，進行生效日期設置、節(jié)假日設置、通斷設置和備注，并對已經(jīng)設置的進行篩選查看。
12.白名單管理
該功能用于維護電器白名單的信息，系統(tǒng)支持學習功能，自帶不低于30類學校常用電器使用特征的數(shù)據(jù)庫。不在特征數(shù)據(jù)庫的電器可以通過現(xiàn)場學習進入數(shù)據(jù)庫，從而區(qū)分惡性負載及白名單負載。
13.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。
5.3 設備選型
六、結(jié)束語
集中控制式預付費抄表系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程抄表和預付費功能的有機結(jié)合,在系統(tǒng)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(qū)、學校、醫(yī)院、企業(yè)等用戶相對集中場合，具有很大的實用價值。
參考文獻
[1]馬利人，王偉， —種集中控制式預付費抄表系統(tǒng)的研制
[2]李志明，自動抄表技術(shù)的研究[D],浙江大學，2005
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2019.11版
[4]安科瑞用戶測電能計量與預付費管理解決方案手冊 2020.02版
作者簡介：
彭峰，男，本科，現(xiàn)就職于江蘇安科瑞電器制造有限公司,主要研究方向為預付費電能管理系統(tǒng)，智慧用電等研發(fā)與應用。
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