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淺談預付費多用戶電能管理系統的設計與應用

更新時間：2023-10-23

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吳柯霓

（安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801）

【摘要】：該設計解決了IC卡預付費電能表存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門的管理微機通過RS485網絡對電能表進行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。

【關鍵詞】：IC卡預付費電能表；RS485網絡：射頻卡

0引言

IC卡預付費電能表采用先購電后用電的管理模式，在一定程度上解決了電力部門收取電費難的問題。然而IC卡預付費電能表存在很大的問題，首先是由于電力部門缺乏對IC卡電能表用戶的監管，當IC卡被破密后，很難發現和查處，導至國家損失大量的電費；其次IC卡易被污染和損壞等。

本設計的主要目的就是為了解決IC卡預付費電能表的存在的問題，同時繼承了先購電后用電的管理模式。電力部門的管理微機通過RS485網絡對電能表進行管理，以防止用戶竊電；選用射頻卡作為用戶卡以解決IC卡易被污染和損壞的問題。

1電能表管理系統

為了降低成本，管理微機既作為電能表用電管理上位機，同時還和發卡機一起完成發卡任務。電能表管理系統如圖1所示。

圖1電能表管理系統圖

管理微機與發卡機通過COM1來實現通信，采用RS232C通信接口標準。管理微機與電能表通過COM2來實現通信，采用RS485通信接口標準。

發卡機具備射頻卡讀寫功能。其主要作用是讀寫射頻卡，與管理微機一起實現用戶的開戶、交費、注銷、電量查詢等功能。

2基于射頻識別技術的電能表其主要的工作原理

用戶用電前需要先到電力管理部門購買射頻卡和預交電費，由管理部門把用戶的信息及購電量錄入管理微機并由發卡機寫入射頻卡。
當用戶持有效射頻卡掠過電能表時，電能表內的讀寫模塊首先對射頻卡進行驗證，通過驗證后讀取射頻卡的信息，當卡內電費充足時為用戶供電，同時把用戶信息寫入EEPROM，且電能表開始計量用電量。
電能表采用遞加計量的方式，用電量存儲在EEPROM中，且用電量每增1度存儲器存儲一次。電能計量精度為0.01度。
管理微機采用RS485串行通信接口標準定時向網絡上的各個電表采集用電數據，用電數據經管理微機處理后列出兩個名單(電量小于10度的黃名單與電量為0的黑名單)向網絡中的電能表廣播。電能表在確認用戶卡上了黃名單后聲音與指示燈報警，提醒用戶及時充值，但電能表繼續為用戶供電；電能表在確認用戶卡上了黑名單后，聲音與指示燈報警，且停止為該用戶供電，退出該用戶卡，電能表處于待機狀態。
用戶想終止用電，只需將射頻卡再次靠近電能表，電能表再次讀取射頻卡內的信息，把卡內電量減去本次用電量，且把運算結果回寫射頻卡內。同時電能表斷開繼電器，停止為該用戶供電。
電能表在為某用戶供電過程中，其它射頻卡則不能刷卡用電，只有在電能表待機時才能接受另一用戶卡的刷卡。由于有效讀卡距離僅為lOOmm左右，因此當有卡路過某電能表時，卡與電能表距離較遠不會觸發電能表。
一張卡可以在不同的電能表中使用，且可以在多個電能表上同時使用。
在用電過程中如出現斷電，通過備用電池將用戶本次用電量存入EEPROM中。來電后，電能表繼續為該用戶供電。如用戶不想下次來電后繼續供電，只需將射頻卡再次靠近電能表，取消供電，來電后電能表將處于待機狀態。

3電能表系統硬件構成

電能表硬件結構如圖2所示，整個系統由七大部分組成：射頻卡讀寫模塊、電能計量模塊、存儲器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報警等。系統采用模塊化設計思想，以MCU為核心，將其他模塊有機的整合在一起，形成一個統一的系統。以下各節是系統各部分的具體設計方案。

圖2系統結構方框圖

4軟件模塊的構成

4.1軟件模塊的劃分

軟件采用模塊化設計，共劃分為五大模塊(如圖3)，分別為與管理微機的通訊模塊、電能計量模塊、聲光報警模塊、射頻卡讀寫模塊以及黑黃名單的驗證模塊。為了實現每個大模塊的功能，又把每個大模塊劃分為若干個相應的功能子程序或小模塊。主程序的作用是系統的初始化、中斷管理和監視以及各功能模塊的調用等。

圖3軟件模塊結構圖

4.2主程序設計

設定MCU內部RAM的78H作為黑、黃名單標志單元，當78H數據為#FFH時，指示用戶卡已上黑名單；當78H數據為#FEH時，指示用戶卡已上黃名單；為其它數據則表明用戶卡未上黑(黃)名單。在進行黑、黃名單驗證時，程序根據驗證結果對RAM的78H寫入對應的值，以供主程序判斷。RAM的79H作為在有無刷卡標志單元，如電表當前已有用戶卡在消費，79H的內容為#FFH；當無用戶卡在消費(電表處于待機狀態)時，79H的內容為#00H；當正在消費的用戶卡第二次刷卡后，79H的內容為#FEH，此時主程序檢測到這一狀態后，斷開用戶供電，計算本次用電后用戶的電費余額，且將余額回寫射頻卡。

主程序流程圖如圖4，系統上電時進行系統初始化，開放外部中斷0及串行口中斷，然后等待中斷。當無刷卡中斷時，則不斷循環檢測卡片標志單元79H。當刷卡時，射頻接口模塊通過INT0請求中斷，MCU響應中斷請求，調用讀卡子程序，此時分為兩種情況：1、如電能表處于待機狀態，則接收刷卡，讀出卡內信息，同時，置RAM中79H的值為#FFH，然后返回主程序。主程序調用黑黃名單驗證子程序，如用戶卡已上電量不足的黑名單則報警同時返回主程序；當用戶卡上電量小于10度的黃名單時報警但繼續為該用戶供電，直到電費全部用完后停止供電；當用戶卡不上黑黃名單時，則正常為該用戶供電，同時調用電能計量程序。2、如電能表處于非待機狀態，說明電能表正在為一用戶卡供電，此時首先判斷本次的刷卡卡號與正在用電的用戶卡號是否相同，如相同則為該用戶的二次刷卡，射頻接口程序把RAM的79H置#00H，然后返回主程序。主程序在檢測出79H的數據為#00H后，判斷為是用戶取消供電，主程序調用電量核算程序，把該用戶的卡內余額電量減去本次的用電量得到新的電量余額，然后調用寫卡子程序把新的電量余額回寫卡內；如本次刷卡卡號與正在用電的用戶卡號不同，則本次刷卡無效。

電能表在執行電能計量程序的過程中，也能響應中斷程序。在每次執行了黑黃名單接收程序后，進行一次黑黃名單驗證，根據驗證結果對RAM的78H寫入對應的值，然后返回電能計量程序。計量程序檢測78H的值，如為#FFH表明用戶卡已上新的黑名單，調用報警程序，然后切斷用戶供電，返回主程序。

圖4主程序流程圖

4.3電能計量程序設計

電能計量子程序流程圖如圖5所示。電能計量采用遞加的方式，單片機的P3.4(TO)端輸入用電計量脈沖，計滿3200個脈沖為一度電，用電量加1，數碼顯示加1。用電量存儲在EEPROM中，每增1度電則電量重新存儲一次，管理微機定時從各個電表的EEPROM中采集用電數據。

4.4射頻接口程序

MFRC500能執行有限的一些指令，并將這些指令傳輸到MIFARE1用戶卡片上，單片機對MFRC500的某一指令操作不是簡單的一條指令所能完成的，需要有一個程序序列來完成，其中有對MFRC500硬件內核寄存器的設置以及判斷。在進行讀寫數據或增、減值操作之前還需要經過復位應答、防碰撞、選卡及認證過程。操作流程圖如圖6所示。本設計采用基于KeilC的C語言進行編程，調用Philips公司提供的基本庫函數來實現各種功能。

圖5電能計量程序圖圖6操作流程

4.5軟件調試及仿真

本設計采用KeiluVision2調試單片機軟件，管理微機的管理數據庫采用SQLserver2000編寫。通過幾次軟件修改與電路調試現已實驗成功，電度表能達到設計所預期的功能，包括多張用戶射頻卡的讀寫，與主機的通訊，電能計量、顯示、存儲等。

5預付費遠程電能管理系統結構

預付費遠程電能管理系統使用安科瑞智能管理軟件，通過用戶安裝的通訊設備與智能電能表進行通訊，實現對多用戶智能電能表的抄表、控制、管理。其組成結構如圖2所示：

圖7預付費遠程電能管理系統結構圖

5.1管理層

管理層是系統的*上層部分，通過對現場所采集的各項數據進行分析、計算和處理，將*終得到的結論以圖形、聲音等方式展示出來，使管理人員隨時掌握現場的運行情況。主要包括系統軟件和配套的硬件設施，如服務器、射頻讀卡器。

5.2通訊層

通訊管理層是系統間數據傳輸的橋梁，主要作用是集中處理485總線上的所有儀表信息，完成遠程抄表和數據上傳的功能，以及處理服務器端的各類遙控執行指令。主要設備有通訊適配器、網絡適配器、物聯網模塊。

5.3設備層

設備層是數據測量的基礎，是構建系統的必要元素，主要包括系統網絡中用于測量用電信息的各類之智能電表。

6預付費遠程電能管理系統技術特點

智能網絡電表采用國際超大規模集成電路及SMT工藝制造，集成化程度高，體積小，功耗低、精度高；

系統網絡通訊使用防雷電路，內部強電與弱電采用鍍鋅屏蔽板進行隔離，對通訊電路與其他電路分離處理，使之具備更強的抗干擾能力；

智能網路電表內部采用多CPU結構，一個主管計量，一個主管通訊、顯示和指示，一個負責檢測狀態，各CPU相互獨立工作，互不影響；

過載保護(限流)功能：當用戶使用的負載超過規定負載時，系統將啟動過載保護，自動切斷該用戶電源供電；

控制功能：系統可以對用戶進行遠程通斷電控制；斷電自動回復功能：在規定的斷電次數內，用戶觸發過載保護后，待負載降至允許范圍內系統將自動恢復供電；系統可依據實際需求對單三相戶數進行設置，但不能超過電表已配置回路數；

數據安全：系統網絡使用加密算法對各項數據進行加密處理，保證信息安全。

7預付費遠程電能管理系統功能特點

本系統采用DD/TSY1352型智能電表，具備體積小、精度高、管理功能強大等特點，可以實現對用戶用電的精確管理，包括預付費、惡性負載識別、定時斷送電、電價調整、用戶用電狀態監控、在線控制、透支用電、數據統計查詢分析等智能管理功能，可以對項目的能耗情況及實時能耗量進行有效的監控及管理。

產品遠傳遠控，節省人力，實現強大管理功能，可通過多種方式方便組網，如RS485專線、電話網絡、以太網、光纖、無線、GPRS等；組網后，管理方只需要一個人，就可以通過電腦對所有用戶的用電情況進行監測及管理，避免了大量工作人員現場抄表或插卡售電，節省的大量的人力及精力，特別適合用戶數量眾多的大型商業、寫字樓的用電管理；

系統具備分級授權的功能，各軟件操作人員由自己的賬號及權限，各司其責，提高工作效率，系統會自動記錄每個操作員登陸后進行的操作，防止工作人員**;

系統采用無卡式售電，用戶買的電，直接充值到用戶電表上，不需要在買電后再跑回去插卡，使用方便；將電純粹作為一種商品對待，可買可退，可批量售電，可預置，可清零，可打印單據；

系統具備智能用電管理功能，可以在線控制每個房間或整棟建筑的通電斷電，方便處理突發事件或進行設備檢修；可以限制每個用戶使用的*大負荷，保障主電網供電穩定；

系統具備惡性負載識別功能。系統將熱得快、電茶壺、電吹風等容易引起火災等安全隱患的用電設備定義為惡性負載，可以自動識別此類惡性負載，并選擇禁止使用或允許使用。系統通過多種參數對負載類型進行識別，識別精確度高，且可以識別市面上流通的智能插座等改變惡性負載設備電氣特性的產品，杜絕用戶通過智能插座使用惡性負載。

系統具備定時功能，每天都可以設置八個時間段，到時間段自動執行通電或斷電操作，方便了商戶的用電管理，避免了工作人員挨個拉閘的繁瑣操作。

系統具備同一房間多個回路計量、分路管理功能。照明、插座、空調等可以各設一個回路，每個回路可以執行獨立的通斷電狀態及管理設置，統一計費。

系統可以實時查詢用戶的用電狀態、斷電記錄等，包括用戶當前工作狀態及功率、功率因數等，*近10次斷電時間及原因；便于管理方實時掌握用戶用電情況，同時用戶對用電有疑義時可以方便地調出記錄；

系統具備低電量報警功能，當用戶電量低于預警值時，電表顯示窗上會不停閃爍，并可以選擇是否斷電一分鐘進行報警；同時操作員可以通過軟件打印處報表張貼出來，提醒用戶買電；若項目配備了短信或語音模塊、液晶可視查詢終端、LED大屏幕等輔助設備，還可以通過這些輔助設備進行自動報警，如給客戶發低電量提醒短信等；

系統具備統計查詢功能，系統的所有管理操作以及用戶的所有用電信息都可以進行統計分析，系統自動計算并生成報表，例如售電記錄、用戶用電量記錄等，為管理方提供直觀而詳盡管理依據，可以隨時看到電費收支情況，及時調整用電策略；

系統具備水電氣暖多能耗管理功能，通過一套系統及相應基表，就可以對整個項目的用電、用水等能耗進行綜合管理；系統具備卡片式管理功能，每個用戶一張感應卡（可兼容

其他廠家一卡通），通過卡片隨時查詢自己的用電信息，在通訊網絡出現故障時也可以通過卡片實現買電、恢復供電等應急功能。

產品采用標準的接口以及通訊協議，可以通過RS485接口、交互式數據庫或TCP/IP接口等，與一卡通、消防、門禁、樓宇自控、財務等其他系統進行數據的共享，實現集團綜合管理，更好地體現管理的智能化、一體化；集團各部門可以通過互聯網絡聯合管理集團用電，只要有互聯網信號的地方，就可以通過相應權限的賬號進入能耗管理系統進行管理。

8安科瑞Acrelcloud-3200預付費水電云平臺應用方案

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。

8.1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。

8.2系統結構

8.3系統功能

8.3.1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。

8.3.2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。

8.3.3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。

8.3.4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。

8.3.5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況。

8.3.6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。

8.3.7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。

8.3.8公共區域用電分攤

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。

8.3.9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。

8.3.10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。

8.4系統硬件配置

應用場合	型號	圖片	功能
預付費水電云平臺	AcrelCloud-3200		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。
通訊管理機	Anet-1E2S1-4G		1、電力抄表，數據轉發，邊緣計算，斷點續傳，命令透傳 2、通訊方式:下行2路RS485通訊上行網口/4G
	Anet-2E4SM		1.電力抄表，數據轉發，命令透傳斷點續傳，邊緣計算， Anet-2E4SM 2.通訊方式:下行4路RS485通訊，上行2路以太網通訊
	Anet-2E8S1		1.電力抄表，數據轉發，命令透傳，斷點續傳，邊緣計算 Anet-2E4SM 2.通訊方式:下行4路RS485通訊，上行2路以太網通訊
	AWT100-4G		1路下行485，上行可選配4G、WIFI、網口
	AF-GSM500-4G		1.內置嵌入式系統，數據采集支持2或6路RS485總線接入 2.支持LORA無線通訊 3.數據上傳支持MODBUSTCP/MQTT/HJ212等多種協議 4.可選擇RJ45或4G上傳方式 5.具備協議轉換、斷點續傳、斷電報警等功能 6.內嵌8GSD卡，用于數據存儲和事件記錄
物聯網電表	DDSY1352-NK 單相預付費電表		1.支持全電力參數測量(U、I、P、Q、S、PF、F) DDSY1352-NK2.支持雙向有功、無功、復費率電能計量單相預付費電表3.支持*大需量及發生時間統計;4支持兩路開關量輸出5.內置100A大容量磁保持繼電器，可實現內部分合閘 6.ModbusRTU規約/DL/T645-07規約可自適應 7.充值方式:支持刷卡充值和遠程充值;8.支持預付費功能;9.支持時控功能; 10.支持惡性負載識別功能 11.支持強控功能: 12.通訊方式:RS485/4G/NB
	DDSY1352-NK 三相預付費電表
	DDSY1352-nDM		1.預付費管理控制 2.支持支路時間管理控制 3.支持支路負載管理控制 4.遠程充值 5.支持支路強控 6.夜間小功率控制 7.支持空調模式 8.支持白名單設置 9.支持全電力參數測量（U、I、P、Q、S、PF、F）； 10.支持總電能計量，支路電能計量 11.跳閘記錄查詢 12.通訊方式：RS485/4G
	ADF300L 多用戶計量箱		1.支持全電力參數測量(U、I、P、Q、S、PF、F)2.支持雙向有功、無功、復費率電能計量物聯網電表 3.支持*大需量及發生時間統計; 4支持兩路開關量輸出 5內置100A大容量磁保持繼電器，可實現內部分合閘 6.ModbusRTU規約/DL/T645-07規約可自適應 7.充值方式:支持刷卡充值和遠程充值; 8支持預付費功能 9.支持時控功能; 10.支持惡性負載識別功能 11.支持強控功能; 12.通訊方式:RS485/4G
	ADF400L 多用戶計量箱		1.支持全電力參數測量(U、I、P、Q、S、PF、F) 2.支持雙向有功、無功、復費率電能計量物聯網電表 3.支持*大需量及發生時間統計; 4支持兩路開關量輸出 5內置100A大容量磁保持繼電器，可實現內部分合閘 6.ModbusRTU規約/DL/T645-07規約可自適應 7.充值方式:支持刷卡充值和遠程充值; 8.支持預付費功能 9.支持時控功能; 10.支持惡性負載識別功能 11.支持強控功能; 12.通訊方式:RS485/4G
物聯網水表	LXSY-O-M/NB		1.預付費功能 2.閥門自動維護功能 3.防水設計 4.防強磁干擾功能 5.低功耗設計 6.通訊方式:MBUS/NB