浅谈集中控制式预付费抄表系统设计与应用

摘要:介绍一种由射频卡预付费和RS485总线组成的集中控制式预付费抄表系统,系统能准确及时地釆集处理电能计量数据并实现预付费功能。该系统简化用户电能表设计，使智能集中控制器具有多功能化，实现系统资源的优化。详细给出了系统各组成部分的结构、原理。

   关键词:射频卡;预付费;集抄集控

一、前言

   为实现预付费集抄集控系统的功能，通常电能表须带卡处理模块和RS485通讯模块、时钟模块和电池，成本较高。

   为实现硬件资源的优化配置，釆用简化电能表结构但同时扩展智能集中控制器功能的系统设计思路, 获得了较好的成效。通过将RS485信道和射频卡技术相结合，避免了低压电力线载波通讯所面临的配电网的拓扑结构不可预见及不可控等难题,保证了预付费数据的安全。

二、结构和功能

   本系统釆用三层网络结构

图1 集中控制式预付费抄表系统结构图

2.1用户电能表

   底层由数量众多的用户电能表组成，它完成用户电量信息的记录和通断电动作的执行。

2.2智能集中控制器

   中间层是智能集中控制器，也是本系统的核心。它主要完成电量抄读、预付费数据处理和用户用电信息査询等功能。

（1）电量抄读功能:一个智能集中控制器可同时与多达128个用户电能表通讯，循环釆集用户的用电信息。

（2）预付费数据处理:用户在控制中心用卡购电后，在智能集中控制器处刷卡（用户也可在控制中心直接购电,控制中心通过RS485总线把电量下发到智能集中控制器）。智能集中控制器完成剩余电量的计算,并将预付费数据保存在存储器内。如用户剩余电量为零或允许透支量用完时，智能集中控制器发出分闸断电命令;直到用户重新购电才可供电。

（3）用户用电信息査询:用户只需在智能集中控制器的键盘处输入对应的户号即可査询自己的用电量及剩余电量等信息。

(4)扩展功能:上层主控中心对智能集中控制器设置统一断送电时间,智能集中控制器对用户电能表实现定时断送电控制。

2.3主控中心

   上层是主控中心，实现系统整体的控制和管理，可定时或实时抄收系统中每个电表的用电数据,并实现预付费功能。

2.4通讯方案

   集中控制式预付费抄表系统数据交换的方案分为底层和顶层两部分。底层电表与智能集中控制器之间的通讯釆用RS485总线方式,RS-485总线具有抗干扰能力强、传输距离远等特点,只需要用两根线便可方便的构成一主多从的双向通讯网络。

   顶层控制管理中心与智能集中控制器之间的数据交换釆用射频卡和RS485总线两种数据交换方式。

三、工作原理

   图1给出了本系统各组成部分及数据交换方式，以下详述各部分工作原理。

3.1用户电能表的设计

   电能表在一般带485接口电能表的基础上内置了磁保持继电器，可切断和接通用户的用电负荷，并且和智能集中控制器一起实现预付费控制功能,电能表其它部分和常规电能表相似。

3.2智能集中控制器的设计

   智能集中控制器包括处理器模块、RS485通讯模块、红外通讯模块、射频卡处理模块、存储/实时时钟模块、显示模块和电源模块等。

   处理器是整个智能集中控制器的核心，具有多种外围功能模块。

图2 智能集中控制器的原理框图

           RS485通讯中的收发器可同时在单片机和RS485总线之间加入光耦对信号进行隔离。RS485接口分上行和下行两个独立的接口，分别用于与主控中心和用户电能表通讯。

   红外通讯电路中的接收管具有抗外界光干扰强的特点,发射管的发射角度大于45度,保证通讯的可靠性，作为其它数据交换方式的补充。

   射频卡处理模块中使用的芯片是基于IS014443标准的非接触式读写卡设备专用芯片，操作距离可达10cm,可有效避免接触式卡的卡口易受攻击的问题。

   存储、实时时钟模块中的芯片内置64K位的铁电存储器、实时时钟、低电压复位、看门狗等功能模块。实时时钟模块给智能集中控制器提供时钟基准,为多费率应用提供了硬件基础。

   电源模块是系统各部分能量的来源,220V市电降压后生产两组独立的电源，一组给RS485供电，一组给其它单元供电。每路电源均自带有滤波电路提高电源电路的抗干扰能力,保证电源供电满足电磁兼容的要求。

图3 智能集中控制器主程序流程图

3.3 主控中心的设计

   主控中心由主机、射频卡读写卡器、RS232-485 转换器和打印机等设备组成。主控中心管理软件主要由预付费管理、用电信息发布、电能表异常告警、报表分析统计、定时数据自动备份等功能模块组成。

四、数据安全性

   由于系统需要对计量和预付费数据进行处理，系统须具有很高的安全性;本系统采用以下安全措施。

4.1多级权限管理

   赋予不同操作员完成用户卡、管理卡、系统参数设定、电价修改的操作权限,确保系统的可靠运行。

4.2数据加密

          RS485总线上的购电量等敏感数据采用加密方式传输,保证数据在RS485总线上不被破解;射频卡内部带有加密单元，同时对射频卡内部的数据进行软件加密确保卡内数据的安全。

4.3数据自动备分

   所有的数据均定期进行自动备份,在计算机故障使部分或全部数据丢失后，可及时恢复所有数据，避免造成较大的损失。

五、安科瑞预付费管理系统及现场硬件选型

5.1 系统结构

5.2 系统功能

1.房间监控

   清晰简洁的展示所有房间状态信息，所属楼栋楼层，在线失连情况，费用状态等，进入房间详情可对房间当前实时信息进行查看，并可了解当天用电量和使用金额情况，可对房间内的电表进行各种远程控制操作，比如开户、电价设置，售电、退电、报警金额设置、分合闸操作等等。

2.电户开表

   系统针对商铺开户不仅支持一户一表，也支持一户挂多表的需要;支持自定义电价方案，单一电价、尖峰平谷电价、阶梯电价等:支持预先设置开户信息后期一键开户;支持设置电表合额告警默认三级告警，告警金额和次也可以自定义，推送方式支持手机短信，APP推送，邮件、语音外呼、公众号推送等。

3.充电缴费

   可以对已开户的电表进行远程充值，电费实时下发到电表。电表会根据电度走字实时扣除电费同时系统也支持早台计费，金额下发到系统账户，到账快速稳定。

4.财务管理

   订单总览，包含系统里所有水电充值退费记录，以及物业费扣费流水记录。收入概况，可以从日，月，年，时间跨度等不同维度统计水电费收入情况，收入组成。

5.报表

   系统还提供了多个报表以供查询。用电综合报表，帮助财务统计每个月商铺总用电量，尖峰平谷用电量以及电费，能耗同比分析，可以比较每个月份与去年同期相比的用能差距。能耗日月年报表，按日，月，年三个不同维度查询电表每个阶段的用能情况。

6.批量操作

   为了方便用户对大量仪表进行管理和设置，可以在系统中新建批量操作任务，比如设置电价、电表控制、仪表设置、充值等，批量任务可以立即执行，也可以定时执行。

7.自定义收费方案

   为了灵活应对用户多种多样的收费方案，比如物业费，房租，服务费等，系统支持用户自定义收费项目。收费方式可设置直接从账户扣除或者生成催缴账单，可设置周期性收费或者一次性收费，可以按固定金额收费或者按房间面积换算等等。

8.负载控制

   系统具备恶性负载识别功能，自动识别学院规定禁止使用的各类违章电器（如热得快、电吹风、电热毯、暖手煲等）功能，并及时自动断电。

9.基础电量

   可根据管理要求，对各宿舍，不同区域独立设置基础电量，提供给学生一定的免费电量。

10.负控复位

   超负荷断电或使用禁用发热电器自动断电后可自动恢复供电，自动供电时间可设。管理者可设定自动供电的次数，超过设定次数后系统不能再自动供电，需找管理者查明断电原因后，由供电管理人员恢复供电。

11.时间控制

   可根据学校实际要求，进行生效日期设置、节假日设置、通断设置和备注，并对已经设置的进行筛选查看。

12.白名单管理

   该功能用于维护电器白名单的信息，系统支持学习功能，自带不低于30类学校常用电器使用特征的数据库。不在特征数据库的电器可以通过现场学习进入数据库，从而区分恶性负载及白名单负载。

13.公众号在线支付

   用户可以在微信小程序或者微信公众号自助查询电表使用情况以及缴费。

5.3 设备选型

六、结束语

   集中控制式预付费抄表系统实现了远程抄表和预付费功能的有机结合,在系统整体性能提升的前提下大大降低了建设成本，适合于智能小区、学校、医院、企业等用户相对集中场合，具有很大的实用价值。

参考文献

[1]马利人，王伟， —种集中控制式预付费抄表系统的研制

[2]李志明，自动抄表技术的研究[D],浙江大学，2005

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2019.11版

[4]安科瑞用户测电能计量与预付费管理解决方案手册 2020.02版