淺談遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

趙娜
安科瑞電氣股份有限公司 

摘要:針對目智能IC卡預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)出現(xiàn)的用電管理難及監(jiān)控難的問題,該文介紹了遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,提出利用成熟的底層通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)低壓集中抄表、智能IC卡預(yù)付費(fèi)管理,并且結(jié)合電力營銷暫理系統(tǒng)、銀電聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)繳費(fèi)系統(tǒng)、95598服務(wù)平臺(tái)功能,形成以預(yù)付電費(fèi)自動(dòng)化管理為核心的綜合用電自動(dòng)化管理的新方案。

關(guān)鍵詞:智能IC；遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)；據(jù)采集器；CPU；卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表

0 引言
       目北京、天津、山西等地大力發(fā)展起了智能IC現(xiàn)狀分析卡預(yù)付費(fèi)電力管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了先交費(fèi),后用電的管理模式,降低了電力企業(yè)用電風(fēng)險(xiǎn)，但實(shí)施預(yù)付費(fèi)方式后,由于抄收電表數(shù)據(jù)依賴于購電卡，用戶用電數(shù)據(jù)滯后于發(fā)生時(shí)間，從而無法有效地進(jìn)行用電管理及監(jiān)控，如：電費(fèi)核算周期內(nèi)的線損計(jì)算、電量及時(shí)統(tǒng)計(jì)等問題，為此許多地方不得以還繼續(xù)按期進(jìn)行人工抄表。
      為了好的解決這些問題，本文提出了新的解決思路——遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用電管理系統(tǒng)。
      本系統(tǒng)有機(jī)的將IC卡預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)結(jié)合起來,運(yùn)用成熟的底層通信技術(shù)、智能(CPU)IC卡技術(shù)、通行的3DES加密技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、有線/無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電力營銷技術(shù)、電量計(jì)量技術(shù)、銀電聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)等,綜合上述兩種應(yīng)用系統(tǒng)的勢,在實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)電力管理的同時(shí),使系統(tǒng)仍然具備遠(yuǎn)距離集中抄表,實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。為供電企業(yè)全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理,高效運(yùn)營,規(guī)避電費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)，提供了加可靠的技術(shù)支持。

1 現(xiàn)狀分析
       智能IC卡預(yù)付費(fèi)電力管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了先交費(fèi),后用電的管理模式,解決了電費(fèi)收繳難的問題,但它依然存在諸多問題:
       1)用電數(shù)據(jù)的采集不夠及時(shí)。由于抄收電表數(shù)據(jù)依賴于購電卡,用戶用電數(shù)據(jù)滯后與發(fā)生時(shí)間,難以實(shí)現(xiàn)電費(fèi)核算周期內(nèi)的線損計(jì)算、電量統(tǒng)計(jì)。
       2)無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理,出現(xiàn)問題不能及時(shí)處理和發(fā)現(xiàn),旦發(fā)生用電計(jì)量差錯(cuò),容易造成供電方和用電方的電費(fèi)結(jié)算糾紛。
       3)電能表卡口旦發(fā)生故障,用戶就無法正常充值用電,從而容易給用戶造成停電帶來損失和降低供電企業(yè)服務(wù)質(zhì)量。
       低壓集中抄表系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)電量抄收和統(tǒng)計(jì),有效緩解了抄收用電數(shù)據(jù)工作量大的問題,但它并不能*局方的需求：1)只采用低壓集中抄表系統(tǒng)的臺(tái)區(qū)仍然需要抄表員給用戶送電費(fèi)單,并進(jìn)行人工催費(fèi),仍有相當(dāng)?shù)墓ぷ髁啃枰斯硗瓿伞?)客戶先用電、后付費(fèi)的營銷模式并未得到改變,電費(fèi)回收難仍是該模式下存在的問題。3)不能提供多樣化、人性化,自動(dòng)化的服務(wù),工作效率較低。

2 遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用電管理系統(tǒng)工作原理
2.1 遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用電管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示：

圖1 遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用電管理系統(tǒng)基本框架圖

        遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用電管理系統(tǒng)主要由主站管理軟件、采集器、CPU 卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表及通信信道組成。系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)：主站管理軟件與采集器之間通過GPRS/CDMA /230M 無線電/ 光纖/ 固定電huaModem等通信方式連接。 采集器與網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表之間通過低壓電力線載波、RS-485接口、射頻無線等通信方式連接。下面分別介紹系統(tǒng)各部分的組成和主要功能。
2.2 主站管理軟件
       系統(tǒng)主站管理軟件采用表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)服務(wù)層的多層分布式應(yīng)用體系結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)可伸展性、可重用性、安全性和可維護(hù)性。其中業(yè)務(wù)邏輯層可以采用 OMG 的 CORBA 業(yè)界成熟的中間件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，能夠較好的支持不同平臺(tái)之間通信，方便實(shí)現(xiàn)與銀行等外部系統(tǒng)之間的接口。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主站管理軟件結(jié)構(gòu)圖

        主站軟件主要包括自動(dòng)抄表子系統(tǒng)、營業(yè)廳售電終端子系統(tǒng)、客戶自助售電終端子系統(tǒng)、客戶WEB自助售電子系統(tǒng)、密鑰管理子系統(tǒng)、發(fā)卡子系統(tǒng)、告警消息管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)綜合查詢與分析子系統(tǒng)和接口管理子系統(tǒng); 由這些子系統(tǒng)完成自動(dòng)抄表、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程和本地售電、遠(yuǎn)程充值和審核、手機(jī)短消息告警、系統(tǒng)安全管理、數(shù)據(jù)綜合分析、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享等功能。
2.3 采集器
       采集器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用電管理系統(tǒng)主站與本地CPU 卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表之間數(shù)據(jù)交換的透明轉(zhuǎn)發(fā)。采集器雙向通信信道,向上采用GPRS、CDMA、230M 無線電、光纖、固定電huaModem 等通信方式；向下采用RS-485、電力線載波和射頻無線等通信方式。其基本功能框圖如圖3所示：

圖3 采集器基本功能框圖

采集器主要包括以下幾個(gè)模塊：
       1) CPU核心管理模塊：主要完成各模塊組織協(xié)調(diào)工作。
       2) 數(shù)據(jù)管理模塊：主要維護(hù)采集器的運(yùn)行參數(shù)、告警和上下透明數(shù)據(jù)通信的管理工作。
       3) 液晶顯示模塊：為現(xiàn)場維護(hù)人員提供人機(jī)交互界面，主要顯示運(yùn)行參數(shù)、數(shù)據(jù)和告警等信息。
       4) 網(wǎng)絡(luò)注冊模塊：主要完成三方面的工作：a.當(dāng)采集器安裝結(jié)束后，根據(jù)參數(shù)設(shè)置完成自身在系統(tǒng)的注冊；b.接收已安裝CPU卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表的注冊信息，并記錄保存；c.定期定時(shí)對網(wǎng)絡(luò)中的CPU卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表進(jìn)行巡檢和注冊信息維護(hù)，并保存化的通信路徑。
      5) 上層通信信道：采集器的上行通信方式可有多種方式選擇，GPRS 或CDMA 或230M 無線電或光纖或固定電huaModem；對于所有的通信方式都由獨(dú)立的CPU 進(jìn)行控制，模塊化結(jié)構(gòu)，換非常方便；甚至對于采集器主CPU無需知道當(dāng)上行通信方式為那種便可按串口模式正常通信。
      6) 下層通信信道：采集器提供3種獨(dú)立的通信信道，RS-485、電力線載波和射頻無線；主要考慮到現(xiàn)場環(huán)境非常復(fù)雜，通過多信道相互備用來提高通信的可靠性。
      7) 數(shù)據(jù)定時(shí)采集和上報(bào)模塊：采集器通過事先設(shè)置好的參數(shù)對網(wǎng)內(nèi)電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再按時(shí)間進(jìn)行集中上報(bào)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)及時(shí)和可靠性化；當(dāng)然用戶也可根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)主動(dòng)召測。
      8) 電源管理模塊：為采集器提供可靠的電源保障。
2.4 CPU卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表
      CPU 卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表具有本地 CPU 卡充值、遠(yuǎn)程充值、電能量計(jì)量、電費(fèi)計(jì)算與管理、繼電器供斷電控制、遠(yuǎn)程通信、系統(tǒng)維護(hù)、事件監(jiān)測與主動(dòng)上報(bào)等功能。其基本功能框圖如圖4所示：

圖4   CPU卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表基本功能框圖

CPU 卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表主要包括以下幾個(gè)模塊：
       1) CPU核心管理模塊：主要完成各模塊組織協(xié)調(diào)工作。
       2) 數(shù)據(jù)管理模塊：主要維護(hù)電能表的運(yùn)行參數(shù)、計(jì)量數(shù)據(jù)、電費(fèi)計(jì)算數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)等管理工作。
       3) 液晶顯示模塊：為現(xiàn)場維護(hù)人員提供人機(jī)交互界面，主要顯示運(yùn)行參數(shù)、數(shù)據(jù)和告警等信息。
       4) 網(wǎng)絡(luò)注冊模塊：主要完成兩方面的工作：(1)當(dāng)電能表安裝結(jié)束后，根據(jù)參數(shù)設(shè)置完成自身在系統(tǒng)的注冊；(2)定期定時(shí)化和修正到達(dá)采集器的網(wǎng)絡(luò)路徑。
       5) 上層通信信道：電能表網(wǎng)絡(luò)化，是電能表的發(fā)展方向；該表設(shè)計(jì)了三種通信接口（可接入電力線載波模塊、RS-485 通信模塊、射頻無線模塊）；三個(gè)信道物理*獨(dú)立，可分別與其他表自動(dòng)互通、互連,并從軟件上實(shí)現(xiàn)了電能表網(wǎng)絡(luò)自診斷功能；這些網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)使本是孤立的電能表單元，構(gòu)筑遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)，為遠(yuǎn)程通信提供了可靠的末端平臺(tái)。
       6) 電能計(jì)量模塊：具有獨(dú)立而完整的電能量計(jì)量功能，如果關(guān)閉其預(yù)付費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)功能,該表就是塊能正常運(yùn)行的電能表；這樣獨(dú)立的設(shè)計(jì)就使得它的核心工作—電能計(jì)量，不會(huì)受到其它功能的影響。另外該部分還實(shí)現(xiàn)了多時(shí)段電能計(jì)量、階梯電能計(jì)量和主副時(shí)段表自動(dòng)切換的功能，為多費(fèi)率電費(fèi)計(jì)算提供了依據(jù)。
       7) 電費(fèi)計(jì)算模塊：具有完整的單費(fèi)率、多費(fèi)率和階梯電價(jià)體系，并且考慮了電價(jià)的變化應(yīng)對方案—主副電價(jià), 可以按設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)切換；有了這個(gè)條件之后就可以依據(jù)電能計(jì)量模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)電費(fèi)計(jì)算，產(chǎn)生的電費(fèi)數(shù)據(jù)又為繼電器控制模塊提供了動(dòng)作的依據(jù)。
       8) 繼電器控制模塊：繼電器控制模塊主要依據(jù)電費(fèi)計(jì)算模塊提供的剩余電費(fèi)數(shù)據(jù)，向用戶執(zhí)行停止供電和繼續(xù)供電。
       9) 安全管理模塊：主要包含兩方面的工作：(1)當(dāng)對電能表進(jìn)行充值行為的時(shí)候，安全模塊啟用事先設(shè)定的安全算法機(jī)制, 確保充值數(shù)據(jù)的安全傳輸和安全使用, 主要指防數(shù)據(jù)流撲捉、數(shù)據(jù)流重發(fā)和越權(quán)攻擊；(2)進(jìn)行數(shù)據(jù)多角度安全審計(jì), 主要指購電、售電致性審計(jì)(每筆購電記錄通過遠(yuǎn)程通信與售電系統(tǒng)的每筆售電記錄進(jìn)行審計(jì)，確保是受控系統(tǒng)內(nèi)購電)；計(jì)費(fèi)致性審計(jì)(電能表的計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程通信與售電系統(tǒng)的計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行審計(jì)，確保電能表運(yùn)行的價(jià)格體系致性與計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性)；剩余電費(fèi)、總購電費(fèi)、總用電費(fèi)的平衡審計(jì)。
      10) 遠(yuǎn)程和本地充值模塊：電能表保留了2種充值方式，本地通過購電卡進(jìn)行充值,遠(yuǎn)程通過建立的通信信道進(jìn)行充值；兩種方式互不沖突又互為補(bǔ)充, 特別是遠(yuǎn)程信道非正常斷開時(shí),就可以通過本地充值確保用戶正常用電。
      11) 電源管理模塊：為電能表提供可靠的電源保障。

3 遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用電管理系統(tǒng)主要特點(diǎn)
3.1 即裝即用
        設(shè)備的安裝、調(diào)試、尤其日常維護(hù)直接影響系統(tǒng)的實(shí)用性與生命力。遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用電管理系統(tǒng)按免維護(hù)理念設(shè)計(jì)，采集器、CPU卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表等設(shè)備即裝即用，安裝后設(shè)備自動(dòng)在主站系統(tǒng)中注冊、自動(dòng)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)主動(dòng)上報(bào)。
3.2 靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
        針對不同的性質(zhì)用戶，結(jié)合現(xiàn)場條件,不拘于某種通信方式，可構(gòu)建不同方案, 選擇RS485 線、電力線載波、射頻無線、現(xiàn)場總線、GPRS、局域網(wǎng)絡(luò)通信方式等, 構(gòu)筑化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
3.3 靈活的繳費(fèi)與充值模式
        支持銀行柜臺(tái)購電充值、網(wǎng)上轉(zhuǎn)帳購電充值、網(wǎng)上WEB客戶端購電充值、定額購電充值卡、售電營業(yè)柜臺(tái)購電充值等多種售電方式，購電數(shù)據(jù)可選擇遠(yuǎn)程或本地寫入表中。多種購電方式和相互備用的兩種購電數(shù)據(jù)寫入方式,既為群眾提供多樣化、人性化的服務(wù)，亦降低了供電營業(yè)部門的工作壓力。
3.4 支持單費(fèi)率、多費(fèi)率、階梯電價(jià)等計(jì)費(fèi)方式
        CPU卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表支持單費(fèi)率、4 費(fèi)率、4階梯電價(jià)計(jì)費(fèi)，此外還支持主副階梯、主副費(fèi)率運(yùn)行模式。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)先設(shè)定切換時(shí)間時(shí),電表會(huì)自動(dòng)切換執(zhí)行新的費(fèi)率和電價(jià),有效的解決了電價(jià)或費(fèi)率變動(dòng)時(shí)帶給供電企業(yè)或客戶的損失。
3.5 數(shù)據(jù)安全性達(dá)到金融領(lǐng)域加密等級
       系統(tǒng)采用金融通用3DES 加密算法, 通過關(guān)鍵數(shù)據(jù)加密傳輸、需通信協(xié)商制且?guī)?MAC 防非法捕捉重播, 定期換密鑰體系等方式,有效保證了數(shù)據(jù)的安全性。
3.6 方便快捷的手機(jī)短消息提醒
       系統(tǒng)根據(jù)CPU卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表的余額不足告警、余額為0繼電器跳閘斷電告警、充值成功告警等信息向相應(yīng)的客戶及時(shí)進(jìn)行手機(jī)短消息提醒,實(shí)現(xiàn)了對客戶的人性化服務(wù); 同時(shí)也會(huì)根據(jù)CPU卡式網(wǎng)絡(luò)預(yù)付費(fèi)電能表的繼電器故障告警、異常用電告警等信息向相應(yīng)的電力管理人員及時(shí)進(jìn)行手機(jī)短消息提醒,促進(jìn)了供電企業(yè)的有效管理。
3.7 開放性接口, 支持與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和共享
       系統(tǒng)要求具備開放性接口，支持與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和共享，實(shí)現(xiàn)與電力營銷系統(tǒng)接口、銀行業(yè)務(wù)系統(tǒng)接口的有機(jī)結(jié)合，提高了業(yè)務(wù)處理的工作效率和服務(wù)質(zhì)量。

4 安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)
4.1系統(tǒng)方案
       系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括端管理網(wǎng)zhan和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

4.2 系統(tǒng)功能
       AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。
       本系統(tǒng)適用于些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

        遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表 。

        水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。

        遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對充值次數(shù)防止作bi，方便快捷。

        能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

        在線支付:商戶可以通過小程序或者微hua公眾號實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。

        短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶。

        遠(yuǎn)程控制:可對任意塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。
4.3 產(chǎn)品選型

5 結(jié)束語
      利用遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用電管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程集中抄表、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程和本地充值，再結(jié)合銀電聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)繳費(fèi)系統(tǒng)、用電營銷管理系統(tǒng)和95598短信息平臺(tái)，供電企業(yè)即可完成整個(gè)抄收，收費(fèi)和核實(shí)工作，實(shí)現(xiàn)高度信息化和自動(dòng)化，將大大提高用電營銷管理效率和水平。

【參考文獻(xiàn)】
[1]黃尊志.抄表系統(tǒng)不同方案的技術(shù)分析.電工儀表與公用表計(jì)行業(yè)信息.2005(5)
[2]趙曉群.遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊 2019.11版
 
作者簡介：趙娜， 女 現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍智能用電管理解決方案的研究與應(yīng)用。