浅谈单相智能电量多用户远程预付费控系统优化的设计及应用

摘要：由于现有系统仅对电表数据进行读取操作，存在成本较高和耗时较长的问题，为此对单相智能多用户远程预付费控系统优化设计进行研究。选择电能表子系统作为优化对象，选取78KO527A微控制器作为电能表子系统的控制核心，采用具备SPI接口的ATT7053A芯片作为单相多功能计量芯片，并在220V的高压线路下保障采样值在专用计量芯片信号处理的范围之内，实现电能表的正常运作。在硬件设计的基础上，设计电能表子系统主程序、电能数据计量与处理程序以及用电数据存储程序，实现用电数据的存储、写入与保存等功能，完成对单相智能多用户远程预付费控系统的优化。试验结果表明：运用优化系统后，电费催收成本得到了明显降低，且用时得到了降低，其所用时间的较高值仅为44s，充分说明优化系统的经济效益较高，能够为电力企业的经营、管理与发展提供保障，适合大力推广使用。
关键词：单相智能；多用户；预付费控制；微控制器；电能表子系统；电能计量芯片；数据计量；数据存储；信号采样电路
0 引言
       在电力企业管理信息系统不断应用与普及的背景下，对多用户预付费智能管理的需求也在不断增加，尤其是电力企业目前使用的是远程抄表系统。如何将信息发布与开关控制进行有机的整合，实现多用户购售电信息的共享，正成为亟需解决的问题。
       现今常用的多用户远程预付费控系统主要为基于浏览器／服务器（browser／server，B／S）架构的多用户远程预付费控系统与基于代码式电能表的多用户远程预付费控系统。经市场调查研究发现，现有多用户远程预付费控系统中电能表子系统具有很大的局限性，只能对电表数据进行读取操作，无法对用户远程抄表、预付费进行系统的控制，不能实现完整的电力信息控制，存在经济效益低下的问题。为了解决上述问题，对单相智能多用户远程预付费控系统优化设计进行研究。
1 系统优化设计
       现有多用户远程预付费控系统的缺陷多存在于电能表子系统中。因此，选择电能表子系统作为优化对象。为了增加系统的智能性，设计新的单相智能预付费控电能表子系统，具体优化设计过程如下。
1.1 电能表子系统硬件设计
1.1.1 微控制器选取
       微控制器是电能表子系统的核心控制元件，功能为读取计量芯片电能数据、数据处理、计算脉冲计数、读取时间、电能数据显示与报警、通信以及远程传输等。微控制器性能的高低直接决定电能表功能的实现效果。为此，选取一款高性能的微控制器，对电能表子系统功能的实现具有至关重要的作用。
       选取微控制器时需要考虑下述几个方面：一是功耗低；二是具备串行通信接口；三是具有较大的存储空间；四是具备多个输入与输出接口；五是计数器功能强大；六是性价比高。结合上述，选取日本公司生产的78KO系列8位微控制器。78KO系列微控制器具备性价比高、功耗低、精度高等优势，广泛应用于汽车、电子、工业控制等领域。此次研究中，选取78K0527A微控制器作为电能表子系统的控制核心。78K0527A微控制器包含4组8位通用寄存器、1KB的随机存取存储器（random access memory，RAM）、128 KB的只读存储器（read-only memory，ROM）、看门狗定时器、时钟输出控制器、单电源Flash存储器、低电压检测器、定时器等元件，具备按键中断功能。微控制器功能引脚与外围电路如图1所示。

1.1.2 电能计量芯片选取
       在单相电能表中，广泛使用的是高精度的专用计量芯片。依据多用户远程预付费控系统需求，采用ATT7053A计量芯片7。ATT7053A实质上是一个具备串行外设接口（serial peripheral interface， SPI）的单相多功能计量芯片，工作电压范围为3.0～3.6 V，晶振频率为5.53 MHz。电能计量芯片结构如图2所示。

图2 电能计量芯片结构图
       ATT7053A电能计量芯片引脚功能表1所示。
表1 ATT7053A 电能计量芯片引脚功能表

1.1.3 信号采样电路设计
       电能表供电线路为220V的高压线路，专用计量芯片处理的信号为一定范围内的电压与电流信号。为此，需要采样高精度的电压、电流信号，保障采样值在专用计量芯片信号处理的范围之内，确保电能表的正常运作。另外，需要完成专用计量芯片与电能表高压电力线路之间的电气隔离，以保障电能表的安全。
在实际应用中，常采用电压与电流互感器模拟并采集电压与电流信号。其中，电压互感器是一个带有铁芯的变压器，由一次线圈、二次线圈、铁芯以及绝缘体构成。根据变压器原理可知，通过改变一次或者二次绕组的匝数，能够产生不同的电压比，即可构成不同比例的电压互感器。电压互感器的功能是将较高的电压值依据特定比例转换为较低的电压值。电流互感器依据电磁原理构成，由绕组与闭合铁芯组成。相比之下，二次绕组匝数较多。当电流互感器工作时，绕组通过串接方式与测量仪表电路连接。电流互感器工作状态接近于短路，原因是二次回路在工作状态下始终闭合，在测量交变电流时，电流互感器功能为电气隔离与变流。
       电压信号采样时，利用电压互感器分压的方式实现。电压信号采样后，采用电能专用计量芯片进行相关处理。电压信号采样电路如图3所示。

图3 电压信号采样电路图
       利用电流互感器实现电流信号采样，将采集的电流信号通过两路差分输入信号端传输至电能专用计量芯片进行处理。
       上述过程完成了电能表子系统的硬件设计。为实现多用户远程预付费的有效控制，需要设计电能表子系统软件。
1.2 电能表子系统软件设计
       在系统硬件设计的基础上，进行单相智能预付费控电能表子系统软件设计，主要包括主程序、电能数据计量与处理程序以及用电数据存储程序设计，具体设计过程如下。
1.2.1 子系统主程序设计
       电能表子系统主程序设计步骤如下所示。
       ①电能表子系统初始化。
       ②脉冲信号采集 10
       ③在时钟模块读取当前时刻，包括尖时刻、峰时刻、平时刻以及谷时刻。
       ④将上述采集的尖时刻、峰时刻、平时刻以及谷时刻电量进行累加。
       ⑤用户用电数据存储。
       ⑥显示用户用电数据。
       ⑦判断子系统是否收到通信命令，若收到通信命令，转至步骤⑧；若未收到通信命令，转至步骤②。
       ⑧执行通信模块，输出电能表处理结果。
       图4为电能表子系统主程序设计流程。

图4 电能表子系统主程序设计流程图
       上述过程完成了电能表子系统主程序的设计，为作电能数据计量与处理程序、数据存储程序的设计作准备。
1.2.2 电能数据计量与处理程序设计
       电能数据计量与处理是多用户远程预付费控系统的关键环节，功能为实时读取时钟读数2，实现用户电能的分时计量。以此为基础，实现存储用户电能表用电数据信息、判断剩余金额、电能报警以及预付费控制等功能。电能数据计量与处理程序中包括通信中断模块。该模块依据用户的剩余金额对用户供电情况进行控制。当剩余金额大于零时，保障用户的供电；若剩余金额较少时，提醒用户缴费；若剩余金额小于零时，继电器断开，切断该用户的供电。当用户续交费用后，系统通过远程售电子系统，利用RS-486通信，下发允许合闸命令，恢复用户的供电。电能数据计量与处理程序如图5所示

图5 电能数据计量与处理程序图
1.2.3 用电数据存储程序设计
       在单相智能预付费控电能表子系统中，用户用电数据的存储是通过 EEPROM实现的。 EEPROM能够保障在多种因素影响下，若发生掉电现象，存储的用电数据不会消失，并可以长时间保存。用电数据存储使用的是AT24C256芯片，存储器接收微控制器的数据读写命令，从而完成用电数据的存储写入。
       用电数据存储程序步骤如下：
       ①启动PC时序：
       ②下发读写地址：
       ③微控制器接收到存储器发出的确认信号：
       ④下发存储单元地址：
       ⑤微控制器接收到存储器发出的确认信号，停止信号时序。
       通过上述硬件与软件的设计，完成了单相智能预付费控电能表子系统的设计，实现了单相智能多用户远程预付费控系统的优化，为电力企业提供更加有效的系统支撑。
2 仿真试验分
        为了验证优化系统的有效性与经济效益，设计仿真对比试验。试验中的对比系统为基于B／S架构的多用户远程预付费控系统（系统1）和基于代码式电能表的多用户远程预付费控系统与优化系统（系统2）。经济效益主要由电费催收成本决定。常规情况下，电费催收成本越小，表明系统的经济效益越好。试验硬件参数如表2所示。
表2 试验硬件参数

2.1 试验准备
       为了保障仿真对比试验的顺利进行，首要的任务就是设置试验流程。试验流程如图6所示。

图6 试验流程图
       依据图6所示的试验流程进行仿真对比试验。
2.2 电费回收所用时间对比
       单相智能多用户远程预付费控系统可以很大地提升电力企业的工作效率，为相关单位提供一种全新的抄、催、收模式。试验以某一台区为对象，对比不同系统电费回收所用时间，电费回收所用时间计算公式为：
T=T1+T2+T3
       式中：T为电费回收所用总时间；T1为抄表所用时间；T2为核算所用时间；T3为收费所用时间。
单相智能多用户远程预付费用控制系统在运行过程中会受到静电和快速瞬变脉冲群等干扰因素的影响。为了全面验证优化系统的性能，以上述两种干扰因素作为前提条件，进行对比验证。
       ①静电干扰。在设计智能电能表系统的过程中，由于使用了大量的电子元器件，因此在很大程度上受到静电的干扰。除此之外，智能电能表在使用的过程中，会通过手工接触产生静电。静电干扰下电费回收所用时间对比如图7所示。

图7 静电干扰下电费回收所用时间对比图
       由图7可知，在不同静电数值下，优化系统的电费回收时间均低于系统1和系统2，说明该系统能够抵御静电干扰，有效降低电费回收所用时间。这是由于该系统在优化过程中，选取了220V的高压线路，其能够保障采样值在专用计量芯片信号处理的范围之内，进而保障电能表的正常运作。
       ②快速瞬变脉冲群。在遇到恶劣天气时，电能表所处的供电线路极易产生瞬间的尖峰电压。除此之外，电网中的各种电力设备受各种因素影响会发生突发故障。针对上述故障进行电网系统维修时，同样会产生瞬时尖峰电压。在此条件下，对比不同系统的电费回收所用时间。瞬变脉冲干扰下电费回收所用时间对比结果如图8所示。

图8 瞬变脉冲干扰下电费回收所用时间对比图
       由图8可知，与静电干扰相比，不同系统的瞬变脉冲干扰下电费回收所用时间均有所降低，但是优化系统的优势仍然十分明显，其所用时间较高值仅为44s。通过不同条件下的电费回收所用时间对比结果可知，优化系统的应用效果更佳。
2.3 电费催收成本对比分析
       为进一步验证该系统的实际应用效果，以电费催收成本作为对比指标，电费催收成本对比情况如表3所示。
表3 电费催收成本对比情况表

注：表中数据单位为元
       如表3所示，5次试验中，优化系统的电费催收成本均小于现有系统1和系统2，优化系统的电费催收成本较小值为98.9元，而系统1的电费催收成本较小值为118.9元，系统1的电费催收成本较小值为148.9元。这说明优化系统的经济效益价值较高，充分验证了该系统的应用价值。
       将上述试验结果与现有代表系统相比较，优化系统的电费催收成本与电费回收所用时间较低。这充分说明优化单相智能多用户远程预付费控系统经济效益较高，可以为电力企业带来更高的利润，也可以为用户提供更加优质的服务。
3 安科瑞Acrelcloud-3200预付费水电云平台
3.1概述
       AcrelCloud-3200预付费水电云平台是安科瑞公司研制的与DDSY-1352单相电子式预付费电能表及DTSY-1352三相电子式预付费电能表配套的售电管理系统。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。主要完成电能表/水表参数设置，商户售电/售水管理及能耗管理工作，操作简便，实现物业公司远程实时操作实时监控，具有良好的人机界面，能够有效的统计和管理数据。安装方便，是用电管理部门、商业广场和物业小区，提高用电用水管理水平，解决收费难问题的理想产品。
3.2应用场所
       本平台适用于公寓出租户、商业广场 、公寓酒店 、物业小区、写字楼、物流仓储、高校、连锁超市、智慧园区、农贸市场等场所。
3.3系统结构

3.4系统功能
3.4.1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。

3.4.2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。

3.4.3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。

3.4.4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。


3.4.5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。


3.4.6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。

3.4.7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。

3.4.8公共区域用电分摊
       指定某块表为主表，然后分配关联子表，系统每个月自动将主表的用电按比例换算成电费从子表中扣除，这样可以剩余人工统计的麻烦。公摊方式多样，可以根据比例公摊，按房间面积公摊，按用量公排，收费方式有直接扣费或者生成维费账单。

3.4.9后付费模式
       按日期生成后付费用户周期用电费用，对数据进行确认后生成缴费账单方便追踪客户缴费情况可导出缴费账单以及欠费账单通知客户。

3.4.10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。

3.5系统硬件配置



4结论
       针对现有系统仅对电表数据进行读取操作时存在的成本较高和耗时较长的问题，提出单相智能多用户远程预付费控系统优化设计方法。微控制器实现读取计量芯片电能数据、数据处理、计算脉冲计数等功能。通过220V的高压线路保障采样值在专用计量芯片信号处理的范围之内，实现电能表的正常运作。在此基础上，通过系统软件设计，实现用电数据的存储、写入与保存等功能。试验结果表明，该系统能够有效抑制干扰因素的影响、降低电费回收所用时间和电费催收成本、提升单相智能多用户远程预付费控系统应用性能，具有较高的应用价值与实用价值。
参考文献
[1]刘必勇.基于智能电网的配电自动化探讨.信息记录材料，2018,19(1):20-21.
[2]罗孝羚，蒋阳升，吴奇，等.基于IC卡识别通勤客流的公交线路多模式调度．工业工程，2018,21（5）：85-90．
[3]李涵，陶鹏，李翀，等.智能电能表时钟电池欠压分析及关键计量指标影响．河北电力技术，2018,37（2）：26-29．
[4]马润.电气工程及其自动化低压电器中继电器的应用D］.南方农机，2018,49（1）：97-99．
[5]赵宏，刘大虎.海阳核电站反应堆功率控制系统的信号分析和试验．核安全，2018,17（5）：19-24．
[6]张晓剑，王利强，周丽，等．8254定时器的计数系统改进研究．电子设计工程，2020,28（1）：129-133．
[7]王鹏．基于ADE7758的电力监测仪设计及研究．自动化仪表，2019,40（8）：70-73．
[8]唐超，柴继文，王海，等.基于L-M算法的电压互感器状态监测］．数学的实践与认识，2018,48（7）：206-213．
[9]杨剑雄．电流互感器对电能计量的影响．通讯世界，2018,334(3):239-240.
[10]胡永建，黄衍福，李显义．钻井液脉冲信号自动去噪与识别算法．石油勘探与开发，2019,46（2）：188-194．
[11]夏慧钧．预付费电能表移动终端维护系统的设计．电脑编程技巧与维护，2018,39（4）：80-82．
[12]刘馨然，尚莹，康丽雁，等．电力营销中远程实时费控的实际应用研究．东北电力技术，2019,40（4）：25-27．
[13]张江安，杨洪柏．高竞争力的电能计量芯片相位偏差校正方法D］．电子器件，2019,42（3）：604-607．
[14]宋洪儒，王宜怀，杨凡．ARM Cortex-MO＋内核KL．25微控制器TSI构件设计方法研究．赤峰学院学报（自然科学版），2018,34(3):35-38.
[15]黄成．单相智能费控光纤网络电能表的设计与应用．电测与仪表，2019,56（9）：148-152．
[16]罗世刚.单相智能多用户远程预付费控系统优化设计
[17]安科瑞电气企业微电网设计与应用手册2020.06版