淺析預(yù)付費用戶電能管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用
發(fā)布時間：2023-06-26 11:00
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摘要：該設(shè)計解決了IC卡預(yù)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(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵詞：IC卡預(yù)付費電能表；RS485網(wǎng)絡(luò)；射頻卡
一、引言
IC卡預(yù)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(yù)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(jiān)管，當(dāng)IC卡被破密后,很難發(fā)現(xiàn)和査處，導(dǎo)至國家損失大量的電費；其次IC卡易被污染和損壞等。
本設(shè)計的主要目的就是為了解決IC卡預(yù)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(wǎng)絡(luò)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。
二、電能表管理系統(tǒng)
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(fā)卡機一起完成發(fā)卡任務(wù)。電能表管理系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 電能表管理系統(tǒng)圖
管理微機與發(fā)卡機通過C0M1來實現(xiàn)通信，采用RS232C通信接口標(biāo)準(zhǔn)。管理微機與電能表通過COM2來實現(xiàn)通信,采用RS485通信接口標(biāo)準(zhǔn)。
發(fā)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(xiàn)用戶的開戶、交費、注銷、電量查詢等功能。
三、基于射頻識別技術(shù)的電能表其主要的工作原理
1.用戶用電前須先到電力管理部門購買射頻卡和預(yù)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(fā)卡機寫入射頻卡。
2.當(dāng)用戶持有效射頻卡掠過電能表時，電能表內(nèi)的讀寫模塊首先對射頻卡進行驗證，逋過驗證后讀取射頻卡的信息，當(dāng)卡內(nèi)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。
3.電能表釆用遞加計量的方式,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。
4.管理微機采用RS485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)定時向網(wǎng)絡(luò)上的各個電表采集用電數(shù)據(jù)，用電數(shù)據(jù)經(jīng)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(wǎng)絡(luò)中的電能表廣播。電能表在確認(rèn)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(xù)為用戶供電；電能表在確認(rèn)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(tài)。
5.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(nèi)的信息，把卡內(nèi)電量減去本次用電量，且把運算結(jié)果回寫射頻卡內(nèi)。同時電能表斷開繼電器，停止為該用戶供電。
6.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100mm左右，因此當(dāng)有卡路過某電能表時，卡與電能表距離較遠(yuǎn)不會觸發(fā)電能表。
7.一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。
8.在用電過程中如出現(xiàn)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(xù)為該用戶供電。如用戶不想下次來電后繼續(xù)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(tài)。
四、電能表系統(tǒng)硬件構(gòu)成
電能表硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)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(tǒng)采用模塊化設(shè)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(tǒng)一的系統(tǒng)。以下各節(jié)是系統(tǒng)各部分的具體設(shè)計方案。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖
五、軟件模塊的構(gòu)成
5.1 軟件模塊的劃分
軟件釆用模塊化設(shè)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(xiàn)每個大模塊的功能，又把每個大模塊劃分為若干個相應(yīng)的功能子程序或小模塊。主程序的作用是系統(tǒng)的初始化、中斷管理和監(jiān)視以及各功能模塊的調(diào)用等。
圖3 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖
5.2 主程序設(shè)計
設(shè)定MCU內(nèi)部RAM的78H作為黑、黃名單標(biāo)志單元，當(dāng)78H數(shù)據(jù)為#FFH時，指示用戶卡已上黑名單；當(dāng)78H數(shù)據(jù)為#FEH時，指示用戶卡已上黃名單；為其它數(shù)據(jù)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(jù)驗 證結(jié)果對RAM的78H寫入對應(yīng)的值，以供主程序判斷。RAM的79H作為在有無刷卡標(biāo)志單元，如電表當(dāng)前已有用戶卡在消費，79H的內(nèi)容為#FFH;當(dāng)無用戶卡在消費（電表處于待機狀態(tài)）時,79H的內(nèi)容為#00H;當(dāng)正在消費的用戶卡第二次刷卡后，79H的內(nèi)容為#FEH,此時主程序檢測到這一狀態(tài)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(tǒng)上電時進行系統(tǒng)初始化，開放外部中斷0及串行口中斷，然后等待中斷。當(dāng)無刷卡中斷時,則不斷循環(huán)檢測卡片標(biāo)志單元79H。
當(dāng)刷卡時，射頻接口模塊通過INTO請求中斷，MCU響應(yīng)中斷請求，調(diào)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(tài)，則接收刷卡，讀出卡內(nèi)信息，同時，置RAM中79H的值為#FFH,然后返回主程序。主程序調(diào)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(dāng)用戶卡上電量小于10度的黃名單時報警但繼續(xù)為該用戶供電，直到電費全部用完后停止供電；當(dāng)用戶卡不上黑黃名單時，則正常為該用戶供電，同時調(diào)用電能計量程序。
2、如電能表處于非待機狀態(tài)，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(shù)據(jù)為#00H后，判斷為是用戶取消供電，主程序調(diào)用電量核算程序，把該用戶的卡內(nèi)余額電量減去本次的用電量得到新的電量余額，然后調(diào)用寫卡子程序把新的電量余額回寫卡內(nèi)；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(zhí)行電能計量程序的過程中，也能響應(yīng)中斷程序。在每次執(zhí)行了黑黃名單接收程序后，進行一次黑黃名簞驗證，根據(jù)驗證結(jié)果對RAM的78H寫入對應(yīng)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(diào)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
5.3 電能計量程序設(shè)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（T0）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(shù)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(shù)據(jù)。
5.4 射頻接口程序
MFRC500能執(zhí)行有限的一些指令,并將這些指令傳輸?shù)?/span>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，須有一個程序序列來完成，其中有對MFRC500硬件內(nèi)核寄存器的設(shè)置以及判斷。在進行讀寫數(shù)據(jù)或增、減值操作之前還須經(jīng)過復(fù)位應(yīng)答、防碰撞、選卡及認(rèn)證過程。操作流程圖如圖6所示。本設(shè)計釆用基于Keil C的C語言進行編程，調(diào)用Philips公司提供的基本庫函數(shù)來實現(xiàn)各種功能。
圖5.電能計量程序
圖6.操作流程
5.5 軟件調(diào)試及仿真
本設(shè)計釆用Keil uVision2調(diào)試單片機軟件，管理微機的管理數(shù)據(jù)庫采用SQL server 2000編寫。通過幾次軟件修改與電路調(diào)試現(xiàn)已實驗成功，電度表能達到設(shè)計所預(yù)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。
六、 安科瑞預(yù)付費管理系統(tǒng)及現(xiàn)場硬件選型
6.1 遠(yuǎn)程預(yù)付費控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)分為五大模塊，分別是操作員登陸模塊、系統(tǒng)配置模塊、租戶（商鋪）管理模塊、售電管理模塊、報表中心模塊，系統(tǒng)大致運行和操作流程如下：
本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出的功能。
（a）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；
（b）系統(tǒng)設(shè)置：對建筑、儀表及默認(rèn)參數(shù)進行配置；
（c）租戶管理：對用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、抄表導(dǎo)出及記錄查詢等操作；
（d）售電管理：對已開戶的表進行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；
（e）報表中心：提供售電財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢。
6.2 應(yīng)用場所
（一）分布式商業(yè)
（二）連鎖門店
（三）物業(yè)管理企業(yè)
（四）分布式企業(yè)
（五）多分支院校
（六）智慧社區(qū)
6.3 平臺結(jié)構(gòu)
遠(yuǎn)程閥控集抄系統(tǒng)整體架構(gòu)
6.4 設(shè)備選型
注：預(yù)付費儀表、電流互感器等應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場回路電流大小等選擇配置，安裝、接線等由甲方負(fù)責(zé)。
6.5、業(yè)務(wù)模式
用戶自建平臺，可建在用戶數(shù)據(jù)中心或監(jiān)控中心等，硬件客戶可以參照我方推薦系統(tǒng)設(shè)備配置參數(shù)采購或者申請阿里云服務(wù)器。
安科瑞指導(dǎo)客戶完成平臺的建設(shè)和運管隊伍的培訓(xùn)，如果客戶沒有技術(shù)力量維護，也可以選擇由安科瑞有償維護。
成本要求嚴(yán)格的，可選擇托管在安科瑞平臺，客戶可管理自己的數(shù)據(jù)，不可獲取其他客戶數(shù)據(jù)。
七、結(jié)束語
本設(shè)計解決了IC卡預(yù)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。本設(shè)計形成產(chǎn)品后市場前景廣闊,對于我國電力市場的規(guī)劃管理將起到積極的作用。
參考文獻
[1]趙光強，田擁軍，預(yù)付費多用戶電能管理系統(tǒng)的設(shè)計
[2]田擁軍，曾健平，基于射頻識別技術(shù)的多用戶電能表的設(shè)計
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版
[4]安科瑞用戶測電能計量與預(yù)付費管理解決方案手冊 2020.02版
