預付費電能表采用“客戶先購電，后用電”的電力營銷模式，凸現(xiàn)了電量的商品屬性，能有效地解決目前供電部門普遍存在的“收費難”問題。電力部門對企業(yè)和居民生活用電的計量計費是電力市場管理的基本任務(wù)，而傳統(tǒng)的先用電后付費方式導致電費拖欠是長期困擾電力部門的難題。預付費電表及其管理系統(tǒng)提供了解決這一問題的技術(shù)手段，能有效降低供電管理成本，提升管理水平，確保電能計量準確可靠。                                    

1預付費電能表管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計   

1.1系統(tǒng)的構(gòu)成   

　　基于RFID的預付費電能表管理系統(tǒng)屬于由上位機(預付費電能表管理系統(tǒng))和下位機(基于RFID的單相電能表)構(gòu)成的主從式結(jié)構(gòu)。管理系統(tǒng)采用微機對上傳的數(shù)據(jù)進行顯示、分析和管理，電能表采用單片機系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集、計量和對用戶負載進行監(jiān)控，用射頻卡作為二者之間進行信息交換的載體?；赗FID的預付費售電系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成：基于RFID的單相電能表、智能讀卡器、預付費電能表管理系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。   

1.2系統(tǒng)的工作原理   

　　本系統(tǒng)介紹的電子式預付費電能表是通過電能測量集成電路對電壓電流的取樣信號進行處理，并輸出與有功功率成正比的頻率信號；微處理器通過對脈沖計數(shù)來計算所消耗的電量。首先在銷售管理系統(tǒng)中建立用戶基本檔案信息，發(fā)行管理卡并充值，用戶將已充值的管理卡放在RFID預付費電能表感應區(qū)內(nèi)，電能表讀取卡中數(shù)據(jù)，解密并判斷數(shù)據(jù)的有效性。MCU通過射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲E2PROM，同時此卡清零。電能表將通過LCD顯示來提醒用戶充值成功。若數(shù)據(jù)有效則開啟電能表繼電器，允許用戶用電。同時，電能表將會自動把表記的當前工作狀態(tài)、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)寫入到用戶卡中。當用戶持卡再次充值時，管理部門能夠記錄用戶表的運行信息，以便監(jiān)測用戶的使用情況。當用戶剩余電量用盡時，RFID預付費電能表將自動跳開繼電器，切斷電源，直到用戶持卡充值并重新刷卡后才能繼續(xù)恢復使用。   

　　射頻卡式預付費電能表管理系統(tǒng)通過信息載體－射頻卡，實現(xiàn)信息的雙向傳遞，電能表用戶與預付費管理系統(tǒng)之間通過射頻卡建立聯(lián)系，實現(xiàn)電能使用的預付費管理。預付費電能表通過繼電器的開關(guān)動作，以達到管理用戶預付費用電的目的。

   

圖1 基于RFID的預付費電能表管理系統(tǒng)構(gòu)成圖    

2 預付費電能表管理系統(tǒng)軟件設(shè)計   

2.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計   

基于RFID的預付費電能表管理系統(tǒng)，采用了Microsoft Visual Studio.NET開發(fā)平臺和 SQL Server數(shù)據(jù)庫以及串口通信技術(shù)，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)所有用戶的用電情況進行現(xiàn)代化管理，方便了用戶購電。該預付費系統(tǒng)兼有預付費售電以及電能表運行監(jiān)測功能包括系統(tǒng)維護、員工信息管理、用電分析、售電業(yè)務(wù)管理、報表打印、用戶信息管理六項功能。如圖2所示。   

 

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖   

2.1.1員工信息管理   

　　員工信息管理是指在系統(tǒng)初始化過程中，每一個系統(tǒng)操作員必須填入一些基本信息，如：姓名、性別、出生年月、聯(lián)系電話、操作權(quán)限等。員工信息管理可以幫助用電管理部門對系統(tǒng)操作員進行更高效的管理，員工信息管理將記錄所有登陸或使用本系統(tǒng)的時間與權(quán)限，便于用點管理部門及時掌握所轄小區(qū)內(nèi)員工的工作情況，這樣的設(shè)計將能夠有效的保證所有的售電記錄有據(jù)可查。   

2.1.2用戶信息管理   

　　在本系統(tǒng)中，每塊電能表對應唯一的射頻卡。當安裝一塊電能表時，先定義客戶相關(guān)信息，客戶信息包括客戶姓名、地址、聯(lián)系電話以及用電類型等，然后在客戶信息的基礎(chǔ)上定義電能表信息資料，包括電能表型號、類型資產(chǎn)號以及電能表相關(guān)參數(shù)等；最后確定由哪個區(qū)域所管理。首先由售電點的工作人員對客戶信息進行核對，將以上信息填入數(shù)據(jù)庫，并給每個用戶分配唯一用戶號，并且將電能表號寫入射頻卡。系統(tǒng)信息管理的主要目的是通過對客戶和電能表信息定義，確定電能表、客戶間的關(guān)系，用電監(jiān)察人員方便快捷確定監(jiān)測目標。   

2.1.3 用電分析   

　　用電分析功能主要包括以下兩個方面，售電歷史記錄分析以及電能表安全記錄分析。用電管理部門通過對所轄用戶售電歷史記錄的分析，可以了解用戶的用電習慣、充值周期，從而對用戶進行分組管理。基于RFID的預付費電能表具有強大的存儲功能，除記錄電量外還可以用來記錄電能表的工作狀況，且這些記錄采用E2ROM 存儲器存儲，掉電后數(shù)據(jù)也不會丟失。這些記錄被稱為安全記錄。電能表的安全記錄由事件記錄和負荷曲線構(gòu)成，其中事件記錄包括系統(tǒng)事件、故障事件等，負荷曲線包括有功、無功電量、電流、電壓等。電能表監(jiān)測是在電能表數(shù)據(jù)獲取之后，對數(shù)據(jù)進行當前快速的分析。它可以監(jiān)測到設(shè)定的電能表在某一時間中所發(fā)生的事件。所謂事件記錄，就是多功能電能表某些參數(shù)出現(xiàn)異常時，記錄下發(fā)生異常狀況的時間以及當時電能表的狀態(tài)，以備分析異常原因和追補電量并且能夠判斷有沒有竊電行為的發(fā)生。   

2.1.4系統(tǒng)維護   

　　系統(tǒng)維護包括以下五項具體功能：數(shù)據(jù)庫恢復、數(shù)據(jù)庫備份、售電記錄維護、用戶信息維護以及系統(tǒng)密鑰更新。售電點可以將營業(yè)記錄、用戶個人信息記錄、電表監(jiān)測記錄分開保存，以實現(xiàn)系統(tǒng)管理的規(guī)范化。為了進一步提高系統(tǒng)的安全性，在系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)過程中加入了密鑰更新功能，對用戶的充值密鑰進行定期升級與維護。   

2.1.5售電業(yè)務(wù)管理   

　　售電業(yè)務(wù)管理主要包括兩個方面，購電統(tǒng)計查詢以及購電交易。購電統(tǒng)計查詢是根據(jù)   

　　射頻卡上用戶號對電能表信息、用戶信息、用電監(jiān)察情況以及用電分析結(jié)果進行查詢。如查詢所有異常情況、按電能表進行查詢或按時間進行查詢以及按異常情況查詢等。這樣，使用戶能方便快捷得到相應的信息數(shù)據(jù)。   

2.1.6報表輸出   

　　電能表監(jiān)測系統(tǒng)能夠按照用戶的要求定制相應的報表。用戶根據(jù)需要將相關(guān)的信息數(shù)據(jù)進行報表輸出，按文件的形式進行存檔。 


2.2  管理系統(tǒng)操作界面 

　　本系統(tǒng)的操作界面分成三種：登陸管理界面、系統(tǒng)初始化主界面和售電操作主界面。在系統(tǒng)的運行時，首先進入登陸管理界面，根據(jù)員工所屬的權(quán)限級別決定下一步完成的操作。如果員工權(quán)限為超級管理員則可進入系統(tǒng)初始化界面，對整個系統(tǒng)進行初始化設(shè)置；如果員工的權(quán)限為管理員或操作員，則直接進入售電操作主界面，完成系統(tǒng)的售電操作。 

2.2.1 登陸管理界面 

　　登錄框是對系統(tǒng)的安全級別的一個控制，判斷限制了用戶對系統(tǒng)的使用權(quán)限。根據(jù)系統(tǒng)的權(quán)限定義，對使用系統(tǒng)的人員分三級權(quán)限管理，超級管理員、管理員、操作員。 

2.2.2 系統(tǒng)初始化主界面 

　　初次使用本系統(tǒng)時，可以由超級管理員通過本界面對系統(tǒng)進行初始化設(shè)置。初始化設(shè)置主要分為三個方面：員工權(quán)限劃分、用戶類型劃分、密鑰管理。員工權(quán)限劃分是以營業(yè)網(wǎng)點分類管理員工，對員工個人信息、操作權(quán)限等設(shè)置進行修改操作。用戶類型劃分是將用戶按照所屬的營業(yè)點進行分區(qū)編號，同時根據(jù)用戶選擇系統(tǒng)費率模式不同，從而定義費率單價。此外，為了防值囤電行為的發(fā)生，系統(tǒng)還設(shè)計了靈活可變的充值有效期設(shè)置，在保證用戶利益的同時有效的維護了用電管理部門的經(jīng)濟利益。密鑰管理是對系統(tǒng)初始密鑰進行設(shè)置，方便的控制管理系統(tǒng)密鑰的更新查詢。 

2.2.3售電操作主界面 
　
　　如果員工以管理員或操作員的身份進入系統(tǒng)，則會自動轉(zhuǎn)入以下界面，根據(jù)用戶的不同需求，系統(tǒng)可以完成開戶注冊、售電充值、用戶注銷、購電記錄查詢、電表信息查詢、補辦新卡等操作。 

2.3 管理系統(tǒng)串口通信軟件設(shè)計 

　　基于RFID的預付費電能表管理系統(tǒng)兼有預付費售電和電能表管理兩種功能，因此系統(tǒng)的通信模塊也分成了兩大部分，一部分是遵循DLMS/COSEM通信規(guī)約的電能表監(jiān)測通信模塊，主要指管理系統(tǒng)通過紅外光電接口與電能表進行信息交互，另一部分是遵循STS預付費售電管理協(xié)議的通信模塊，主要用于售電系統(tǒng)上位機與射頻卡之間的通信。 

2.3.1電能表監(jiān)測通信軟件設(shè)計 

　　RF射頻卡式預付費電能表在安裝時，廠家使用智能終端編號器編輯每臺計量表號。表號（即表地址識別號）是每塊表唯一的識別號，只能由用電管理部門用專用設(shè)備進行修改。為了保證表號的唯一性，表號由11個十進制字組成范00000000000~99999999999。數(shù)據(jù)通信采用的方式為應答方式，即由管理系統(tǒng)上位機對某個計量表終端發(fā)送一個指令，該終端就返回一組數(shù)據(jù)，通信協(xié)議是基于DLMS/COSEM的。通信的流程如圖3所示。 

圖3 電能表監(jiān)測通信程序流程圖          



 圖4 預付費售電通信流程圖 

2.3.2 預付費售電通信軟件設(shè)計 

　　預付費售電通信模塊主要包括三個部分，包括計算機、射頻卡讀卡器和射頻卡。依據(jù)射頻卡的工作原理，射頻卡內(nèi)數(shù)據(jù)的寫入或讀出都是有讀卡器向其發(fā)送電磁波，產(chǎn)生電磁能量而完成的。計算機與射頻卡之間的數(shù)據(jù)交換是以射頻卡讀卡器為中間媒介的，讀卡器將射頻卡內(nèi)的數(shù)據(jù)信息讀出，然后通過RS-232接口送入計算機，同時上位機通過讀卡器將數(shù)據(jù)信息寫入射頻卡。如圖4所示，首先打開計算機串口并配制通信參數(shù)，然后根據(jù)預先制定的通信規(guī)則向讀卡器發(fā)送握手命令，并執(zhí)行讀卡操作，將射頻卡內(nèi)數(shù)據(jù)存在緩沖區(qū)內(nèi)，接著判斷數(shù)據(jù)標志位是否正確，以證明卡內(nèi)數(shù)據(jù)來源于電能表，如果標志位正確則進行下一步操作。提取讀回的用戶號并以此判斷該用戶所屬類型，從系統(tǒng)密鑰數(shù)據(jù)庫中提取密鑰對數(shù)據(jù)進行解密、分析、歸檔。通過從射頻卡讀回的信息進一步判斷電能表工作是否正常，若電能表工作異常則發(fā)出系統(tǒng)提示。若沒有出現(xiàn)異常情況則可以由系統(tǒng)操作員完成各項售電操作。 

4總結(jié) 

　　本文作者創(chuàng)新點是設(shè)計了一種符合STS國際標準的預付費電能表管理系統(tǒng)，并將DLMS通信協(xié)議應用于電能表檢測模塊，本項設(shè)計未見國內(nèi)未見同類報道；其次基于RFID的電能表預付費管理系統(tǒng)是建立在.NET平臺上的集面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù)、電能計量技術(shù)、軟件可靠性設(shè)計技術(shù)等高新技術(shù)為一體的新型電能表管理系統(tǒng)，具有功能全面、硬件結(jié)構(gòu)簡單、用戶修改和擴充軟件方便、操作界面友好、可視性與可讀性強等優(yōu)點?；赗FID的電能表預付費管理系統(tǒng)還簡化了傳統(tǒng)IC卡式電能表的售電操作，大大提高了系統(tǒng)工作效率。該項目實施一年以來，創(chuàng)造經(jīng)濟效益200多萬元。 

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