浅谈远程用电管理系统的设计和应用

关键词:智能IC；远程预付费；据采集器；CPU；卡式网络预付费电能表
0 引言
       目前北京、天津、山西等地大力发展起了智能IC现状分析卡预付费电力管理系统,实现了先交费,后用电的管理模式,降低了电力企业用电风险，但实施预付费方式后,由于抄收电表数据依赖于购电卡，用户用电数据滞后于发生时间，从而无法有效地进行用电管理及监控，如：电费核算周期内的线损计算、电量及时统计等问题，为此许多地方不得以还继续按期进行人工抄表。
      为了更好的解决这些问题，本文提出了新的解决思路——远程预付费用电管理系统。
      本系统有机的将IC卡预付费系统和远程集中抄表系统结合起来,运用成熟的底层通信技术、智能(CPU)IC卡技术、国际通行的3DES加密技术、数据库管理技术、有线/无线网络通信技术、电力营销技术、电量计量技术、银电联网信息化技术等,综合上述两种应用系统的优势,在实现预付费电力管理的同时,使系统仍然具备远距离集中抄表,实时监控的功能。为供电企业全面实现自动化管理,高效运营,规避电费风险，提供了更加可靠的技术支持。
1 现状分析
       智能IC卡预付费电力管理系统实现了先交费,后用电的管理模式,解决了电费收缴难的问题,但它依然存在诸多问题:
       1)用电数据的采集不够及时。由于抄收电表数据依赖于购电卡,用户用电数据滞后与发生时间,难以实现电费核算周期内的线损计算、电量统计。
       2)无法进行实时监控和管理,出现问题不能及时处理和发现,一旦发生用电计量差错,容易造成供电方和用电方的电费结算纠纷。
       3)电能表卡口一旦发生故障,用户就无法正常充值用电,从而容易给用户造成停电带来损失和降低供电企业服务质量。
       低压集中抄表系统只实现了远程实时电量抄收和统计,有效缓解了抄收用电数据工作量大的问题,但它并不能完全满足局方的需求：1)只采用低压集中抄表系统的台区仍然需要抄表员给用户送电费单,并进行人工催费,仍有相当的工作量需要人工来完成。2)客户先用电、后付费的营销模式并未得到改变,电费回收难仍是该模式下存在的问题。3)不能提供多样化、人性化,自动化的服务,工作效率较低。
2 远程预付费用电管理系统工作原理
2.1 远程预付费用电管理系统基本结构图，如图1所示：

图1 远程预付费用电管理系统基本框架图
        远程预付费用电管理系统主要由主站管理软件、采集器、CPU 卡式网络预付费电能表及通信信道组成。系统采用分布式体系结构：主站管理软件与采集器之间通过GPRS/CDMA /230M 无线电/ 光纤/ 固定电话Modem等通信方式连接。 采集器与网络预付费电能表之间通过低压电力线载波、RS-485接口、射频无线等通信方式连接。下面分别介绍系统各部分的组成和主要功能。
2.2 主站管理软件
       系统主站管理软件采用表现层、业务逻辑层、数据服务层的多层分布式应用体系结构,提高系统可伸展性、可重用性、安全性和可维护性。其中业务逻辑层可以采用 OMG 的 CORBA 业界成熟的中间件技术来实现，能够较好的支持不同平台之间通信，方便实现与银行等外部系统之间的接口。其结构图如图2所示。

图2 系统主站管理软件结构图
        主站软件主要包括自动抄表子系统、营业厅售电终端子系统、客户自助售电终端子系统、客户WEB自助售电子系统、密钥管理子系统、发卡子系统、告警消息管理子系统、数据综合查询与分析子系统和接口管理子系统; 由这些子系统完成自动抄表、远程监控、远程和本地售电、远程充值和审核、手机短消息告警、系统安全管理、数据综合分析、多系统数据共享等功能。
2.3 采集器
       采集器实现远程预付费用电管理系统主站与本地CPU 卡式网络预付费电能表之间数据交换的透明转发。采集器双向通信信道,向上采用GPRS、CDMA、230M 无线电、光纤、固定电话Modem 等通信方式；向下采用RS-485、电力线载波和射频无线等通信方式。其基本功能框图如图3所示：

图3 采集器基本功能框图
采集器主要包括以下几个模块：
       1) CPU核心管理模块：主要完成各模块组织协调工作。
       2) 数据管理模块：主要维护采集器的运行参数、告警和上下透明数据通信的管理工作。
       3) 液晶显示模块：为现场维护人员提供人机交互界面，主要显示运行参数、数据和告警等信息。
       4) 网络注册模块：主要完成三方面的工作：a.当采集器安装结束后，根据参数设置完成自身在系统的注册；b.接收已安装CPU卡式网络预付费电能表的注册信息，并记录保存；c.定期定时对网络中的CPU卡式网络预付费电能表进行巡检和注册信息维护，并保存优化的通信路径。
      5) 上层通信信道：采集器的上行通信方式可有多种方式选择，GPRS 或CDMA 或230M 无线电或光纤或固定电话Modem；对于所有的通信方式都由独立的CPU 进行控制，模块化结构，更换非常方便；甚至对于采集器主CPU无需知道当前上行通信方式为那种便可按串口模式正常通信。
      6) 下层通信信道：采集器提供3种独立的通信信道，RS-485、电力线载波和射频无线；主要考虑到现场环境非常复杂，通过多信道相互备用来提高通信的可靠性。
      7) 数据定时采集和上报模块：采集器通过事先设置好的参数对网内电能表进行数据采集，再按指定时间进行集中上报，从而达到数据及时和可靠性优化；当然用户也可根据需要随时进行数据主动召测。
      8) 电源管理模块：为采集器提供可靠的电源保障。
2.4 CPU卡式网络预付费电能表
      CPU 卡式网络预付费电能表具有本地 CPU 卡充值、远程充值、电能量计量、电费计算与管理、继电器供断电控制、远程通信、系统维护、事件监测与主动上报等功能。其基本功能框图如图4所示：

图4   CPU卡式网络预付费电能表基本功能框图
CPU 卡式网络预付费电能表主要包括以下几个模块：
       1) CPU核心管理模块：主要完成各模块组织协调工作。
       2) 数据管理模块：主要维护电能表的运行参数、计量数据、电费计算数据、告警数据等管理工作。
       3) 液晶显示模块：为现场维护人员提供人机交互界面，主要显示运行参数、数据和告警等信息。
       4) 网络注册模块：主要完成两方面的工作：(1)当电能表安装结束后，根据参数设置完成自身在系统的注册；(2)定期定时优化和修正到达采集器的网络路径。
       5) 上层通信信道：电能表网络化，是电能表的发展方向；该表设计了三种通信接口（可接入电力线载波模块、RS-485 通信模块、射频无线模块）；三个信道物理完全独立，可分别与其他表自动互通、互连,并从软件上实现了电能表网络自诊断功能；这些网络化设计使本是孤立的电能表单元，构筑远程网络，构筑台区网络，为远程通信提供了可靠的末端平台。
       6) 电能计量模块：具有独立而完整的电能量计量功能，如果关闭其预付费和网络功能,该表就是一块能正常运行的电能表；这样独立的设计就使得它的核心工作—电能计量，不会受到其它功能的影响。另外该部分还实现了多时段电能计量、阶梯电能计量和主副时段表自动切换的功能，为多费率电费计算提供了依据。
       7) 电费计算模块：具有完整的单费率、多费率和阶梯电价体系，并且考虑了电价的变化应对方案—主副电价, 可以按设定的时间进行自动切换；有了这个条件之后就可以依据电能计量模块的数据进行实时电费计算，产生的电费数据又为继电器控制模块提供了动作的依据。
       8) 继电器控制模块：继电器控制模块主要依据电费计算模块提供的剩余电费数据，向用户执行停止供电和继续供电。
       9) 安全管理模块：主要包含两方面的工作：(1)当对电能表进行充值行为的时候，安全模块启用事先设定的安全算法机制, 确保充值数据的安全传输和安全使用, 主要指防数据流扑捉、数据流重发和越权攻击；(2)进行数据多角度安全审计, 主要指购电、售电一致性审计(每一笔购电记录通过远程通信与售电系统的每一笔售电记录进行审计，确保是受控系统内购电)；计费一致性审计(电能表的计费数据通过远程通信与售电系统的计费数据进行审计，确保电能表运行的价格体系一致性与计费的准确性)；剩余电费、总购电费、总用电费的平衡审计。
      10) 远程和本地充值模块：电能表保留了2种充值方式，本地通过购电卡进行充值,远程通过建立的通信信道进行充值；两种方式互不冲突又互为补充, 特别是远程信道非正常断开时,就可以通过本地充值确保用户正常用电。
      11) 电源管理模块：为电能表提供可靠的电源保障。
3 远程预付费用电管理系统主要特点
3.1 即装即用
        设备的安装、调试、尤其日常维护直接影响系统的实用性与生命力。远程预付费用电管理系统按免维护理念设计，采集器、CPU卡式网络预付费电能表等设备即装即用，安装后设备自动在主站系统中注册、自动组网、数据主动上报。
3.2 灵活的系统结构
        针对不同的性质用户，结合现场条件,不拘于某一种通信方式，可构建不同方案, 选择RS485 线、电力线载波、射频无线、现场总线、GPRS、局域网络通信方式等, 构筑优化的网络结构。
3.3 灵活的缴费与充值模式
        支持银行柜台购电充值、网上转帐购电充值、网上WEB客户端购电充值、定额购电充值卡、售电营业柜台购电充值等多种售电方式，购电数据可选择远程或本地写入表中。多种购电方式和相互备用的两种购电数据写入方式,既为群众提供多样化、人性化的服务，亦降低了供电营业部门的工作压力。
3.4 支持单一费率、多费率、阶梯电价等计费方式
        CPU卡式网络预付费电能表支持单一费率、4 费率、4阶梯电价计费，此外还支持主副阶梯、主副费率运行模式。当到达预先设定切换时间时,电表会自动切换执行新的费率和电价,有效的解决了电价或费率变动时带给供电企业或客户的损失。
3.5 数据安全性达到金融领域加密等级
       系统采用金融通用3DES 加密算法, 通过关键数据加密传输、需通信协商制且带 MAC 防非法捕捉重播, 定期更换密钥体系等方式,有效保证了数据的安全性。
3.6 方便快捷的手机短消息提醒
       系统根据CPU卡式网络预付费电能表的余额不足告警、余额为0继电器跳闸断电告警、充值成功告警等信息向相应的客户及时进行手机短消息提醒,实现了对客户的人性化服务; 同时也会根据CPU卡式网络预付费电能表的继电器故障告警、异常用电告警等信息向相应的电力管理人员及时进行手机短消息提醒,促进了供电企业的有效管理。
3.7 开放性接口, 支持与外部系统的数据交换和共享
       系统要求具备开放性接口，支持与外部系统的数据交换和共享，实现与电力营销系统接口、银行业务系统接口的有机结合，提高了业务处理的工作效率和服务质量。
4 安科瑞AcrelCloud-3200预付费水电云平台
4.1系统方案
       系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。

4.2 系统功能
       AcrelCloud-3200预付费水电云平台由云平台-网关-预付费电能表组成，通过通信网络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信报警等功能。
       本系统适用于一些大集团和大物业，往往需要将多个物业环境、分散于各地的物业集中式收费和管理，面临着数据公网传输，财务操作分散，在线支付，总部财务扎口等复杂的需求。



        远程集中抄表：抄表信息通过网关实时上传到云平台，快速便捷，免去人工抄表 。

        水表预付费:可是查看某区域水表的实时状态信息，并可以进行单表或批量设置水价控阀等操作。

        远程售电:财务集中管理，电量实时下发，并比对充值次数防止作弊，方便快捷。

 



        能耗分析:用户和管理员都可查询预付费表或管控表每天的用能状况；可提供能耗分析+财务轨迹一体式综合管理报表，包含用户表的能耗、财务数据、能耗和财务的期初期末值等数据。

        在线支付:商户可以通过小程序或者微信公众号实现在线自助充值水电费，也可以实时关注商铺用水用电情况。

        短信提醒:金额不足或金额欠费提醒、电表充值到账提醒，都可及时短信通知商户。

        远程控制:可对任意一块电表执行远程拉闸或保电等一系列远程控制操作，方便管理。
4.3 产品选型
 

产品名称	功能	精度	应用场合
DDSY1352	有功电能计量无功电能计量,基本电参量测量U、1、P、Q、S、PF、F,跳闸警报,复费率及大需量,预付费控制,时间控制,负载控制,强制控制	1.0级	用于商业广场、农贸市场等单一商铺收费计量，导轨式安装
DTSY1352	有功电能计量,无功电能计量,A、B、C分相正向有功电能,基本电参量测量U、、P、Q、S、PF、F,跳闸警报,复费率,脉冲输岀及需量,预付费控制,时间控制,负载控制,强制控制	0.5S级	用于商业广场、农贸市场等单一商铺收费计量，多用户同时接入，减少施工成本，壁挂式安装
ADF300L系列 多户用计量箱	支持多回路计量(12路、24路、36路),具有预付费、时控、负控等功	1.0级	用于商业广场、农贸市场等单一商铺收费计量，多用户同时接入，减少施工成本，导轨式安装
ADF300L-4S 多回路互感器接入	支持4路互感器接入,具有预付费、时控、负控等功能	1.0级	用于商业广场、农贸市场等单一商铺收费计量，多用户同时接入，减少施工成本，导轨式安装

5 结束语
      利用远程预付费用电管理系统，可以实现计算机远程集中抄表、实时监控、远程和本地充值，再结合银电联网实时缴费系统、用电营销管理系统和95598短信息平台，供电企业即可完成整个抄收，收费和核实工作，实现高度信息化和自动化，将大大提高用电营销管理效率和水平。
【参考文献】
[1]黄尊志.抄表系统不同方案的技术分析.电工仪表与公用表计行业信息.2005(5)
[2]赵晓群.远程用电管理系统的设计和应用.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册 2019.11版
 
作者简介：王蒙蒙，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事宿舍智能用电管理解决方案的研究与应用。