淺談遠程用電管理系統的設計和應用

摘要:針對目前智能IC卡預付費管理系統出現的用電管理難及監控難的問(wèn)題,該文介紹了遠程用電管理系統的設計和應用,提出利用成熟的底層通信技術(shù),實(shí)現低壓集中抄表、智能IC卡預付費管理,并且結合電力營(yíng)銷(xiāo)暫理系統、銀電聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)繳費系統、95598服務(wù)平臺功能,形成以預付電費自動(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；遠程預付費；據采集器；CPU；卡式網(wǎng)絡(luò )預付費電能表

0 引言
      目前北京、天津、山西等地大力發(fā)展起了智能IC現狀分析卡預付費電力管理系統,實(shí)現了先交費,后用電的管理模式,降低了電力企業(yè)用電風(fēng)險，但實(shí)施預付費方式后,由于抄收電表數據依賴(lài)于購電卡，用戶(hù)用電數據滯后于發(fā)生時(shí)間，從而無(wú)法有效地進(jìn)行用電管理及監控，如：電費核算周期內的線(xiàn)損計算、電量及時(shí)統計等問(wèn)題，為此許多地方不得以還繼續按期進(jìn)行人工抄表。
     為了更好的解決這些問(wèn)題，本文提出了新的解決思路——遠程預付費用電管理系統。
     本系統有機的將IC卡預付費系統和遠程集中抄表系統結合起來(lái),運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)、數據庫管理技術(shù)、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、電力營(yíng)銷(xiāo)技術(shù)、電量計量技術(shù)、銀電聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)等,綜合上述兩種應用系統的優(yōu)勢,在實(shí)現預付費電力管理的同時(shí),使系統仍然具備遠距離集中抄表,實(shí)時(shí)監控的功能。為供電企業(yè)全面實(shí)現自動(dòng)化管理,高效運營(yíng),規避電費風(fēng)險，提供了更加可靠的技shu支chi。

1 現狀分析
      智能IC卡預付費電力管理系統實(shí)現了先交費,后用電的管理模式,解決了電費收繳難的問(wèn)題,但它依然存在諸多問(wèn)題:
      1)用電數據的采集不夠及時(shí)。由于抄收電表數據依賴(lài)于購電卡,用戶(hù)用電數據滯后與發(fā)生時(shí)間,難以實(shí)現電費核算周期內的線(xiàn)損計算、電量統計。
      2)無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和管理,出現問(wèn)題不能及時(shí)處理和發(fā)現,一旦發(fā)生用電計量差錯,容易造成供電方和用電方的電費結算糾紛。
      3)電能表卡口一旦發(fā)生故障,用戶(hù)就無(wú)法正常充值用電,從而容易給用戶(hù)造成停電帶來(lái)?yè)p失和降低供電企業(yè)服務(wù)質(zhì)量。
      低壓集中抄表系統只實(shí)現了遠程實(shí)時(shí)電量抄收和統計,有效緩解了抄收用電數據工作量大的問(wèn)題,但它并不能*局方的需求：1)只采用低壓集中抄表系統的臺區仍然需要抄表員給用戶(hù)送電費單,并進(jìn)行人工催費,仍有相當的工作量需要人工來(lái)完成。2)客戶(hù)先用電、后付費的營(yíng)銷(xiāo)模式并未得到改變,電費回收難仍是該模式下存在的問(wèn)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 遠程預付費用電管理系統工作原理
2.1 遠程預付費用電管理系統基本結構圖，如圖1所示：

圖1 遠程預付費用電管理系統基本框架圖

遠程預付費用電管理系統主要由主站管理軟件、采集器、CPU 卡式網(wǎng)絡(luò )預付費電能表及通信信道組成。系統采用分布式體系結構：主站管理軟件與采集器之間通過(guò)GPRS/CDMA /230M 無(wú)線(xiàn)電/ 光纖/ 固定電huaModem等通信方式連接。 采集器與網(wǎng)絡(luò )預付費電能表之間通過(guò)低壓電力線(xiàn)載波、RS-485接口、射頻無(wú)線(xiàn)等通信方式連接。下面分別介紹系統各部分的組成和主要功能。
2.2 主站管理軟件
      系統主站管理軟件采用表現層、業(yè)務(wù)邏輯層、數據服務(wù)層的多層分布式應用體系結構,提高系統可伸展性、可重用性、安全性和可維護性。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(lái)實(shí)現，能夠較好的支持不同平臺之間通信，方便實(shí)現與銀行等外部系統之間的接口。其結構圖如圖2所示。

圖2 系統主站管理軟件結構圖

主站軟件主要包括自動(dòng)抄表子系統、營(yíng)業(yè)廳售電終端子系統、客戶(hù)自助售電終端子系統、客戶(hù)WEB自助售電子系統、密鑰管理子系統、發(fā)卡子系統、告警消息管理子系統、數據綜合查詢(xún)與分析子系統和接口管理子系統; 由這些子系統完成自動(dòng)抄表、遠程監控、遠程和本地售電、遠程充值和審核、手機短消息告警、系統安全管理、數據綜合分析、多系統數據共享等功能。
2.3 采集器
      采集器實(shí)現遠程預付費用電管理系統主站與本地CPU 卡式網(wǎng)絡(luò )預付費電能表之間數據交換的透明轉發(fā)。采集器雙向通信信道,向上采用GPRS、CDMA、230M 無(wú)線(xiàn)電、光纖、固定電huaModem 等通信方式；向下采用RS-485、電力線(xiàn)載波和射頻無(wú)線(xiàn)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)調工作。
      2) 數據管理模塊：主要維護采集器的運行參數、告警和上下透明數據通信的管理工作。
      3) 液晶顯示模塊：為現場(chǎng)維護人員提供人機交互界面，主要顯示運行參數、數據和告警等信息。
      4) 網(wǎng)絡(luò )注冊模塊：主要完成三方面的工作：a.當采集器安裝結束后，根據參數設置完成自身在系統的注冊；b.接收已安裝CPU卡式網(wǎng)絡(luò )預付費電能表的注冊信息，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 )預付費電能表進(jìn)行巡檢和注冊信息維護，并保存優(yōu)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(wú)線(xiàn)電或光纖或固定電huaModem；對于所有的通信方式都由獨立的CPU 進(jìn)行控制，模塊化結構，更換非常方便；甚至對于采集器主CPU無(wú)需知道當前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種獨立的通信信道，RS-485、電力線(xiàn)載波和射頻無(wú)線(xiàn)；主要考慮到現場(chǎng)環(huán)境非常復雜，通過(guò)多信道相互備用來(lái)提高通信的可靠性。
     7) 數據定時(shí)采集和上報模塊：采集器通過(guò)事先設置好的參數對網(wǎng)內電能表進(jìn)行數據采集，再按時(shí)間進(jìn)行集中上報，從而達到數據及時(shí)和可靠性?xún)?yōu)化；當然用戶(hù)也可根據需要隨時(shí)進(jìn)行數據主動(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 )預付費電能表
     CPU 卡式網(wǎng)絡(luò )預付費電能表具有本地 CPU 卡充值、遠程充值、電能量計量、電費計算與管理、繼電器供斷電控制、遠程通信、系統維護、事件監測與主動(dòng)上報等功能。其基本功能框圖如圖4所示：

圖4   CPU卡式網(wǎng)絡(luò )預付費電能表基本功能框圖

CPU 卡式網(wǎng)絡(luò )預付費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)調工作。
      2) 數據管理模塊：主要維護電能表的運行參數、計量數據、電費計算數據、告警數據等管理工作。
      3) 液晶顯示模塊：為現場(chǎng)維護人員提供人機交互界面，主要顯示運行參數、數據和告警等信息。
      4) 網(wǎng)絡(luò )注冊模塊：主要完成兩方面的工作：(1)當電能表安裝結束后，根據參數設置完成自身在系統的注冊；(2)定期定時(shí)優(yōu)化和修正到達采集器的網(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；該表設計了三種通信接口（可接入電力線(xiàn)載波模塊、RS-485 通信模塊、射頻無(wú)線(xiàn)模塊）；三個(gè)信道物理*獨立，可分別與其他表自動(dòng)互通、互連,并從軟件上實(shí)現了電能表網(wǎng)絡(luò )自診斷功能；這些網(wǎng)絡(luò )化設計使本是孤立的電能表單元，構筑遠程網(wǎng)絡(luò )，構筑臺區網(wǎng)絡(luò )，為遠程通信提供了可靠的末端平臺。
      6) 電能計量模塊：具有獨立而完整的電能量計量功能，如果關(guān)閉其預付費和網(wǎng)絡(luò )功能,該表就是一塊能正常運行的電能表；這樣獨立的設計就使得它的核心工作—電能計量，不會(huì )受到其它功能的影響。另外該部分還實(shí)現了多時(shí)段電能計量、階梯電能計量和主副時(shí)段表自動(dòng)切換的功能，為多費率電費計算提供了依據。
      7) 電費計算模塊：具有完整的單費率、多費率和階梯電價(jià)體系，并且考慮了電價(jià)的變化應對方案—主副電價(jià), 可以按設定的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)切換；有了這個(gè)條件之后就可以依據電能計量模塊的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)電費計算，產(chǎn)生的電費數據又為繼電器控制模塊提供了動(dòng)作的依據。
      8) 繼電器控制模塊：繼電器控制模塊主要依據電費計算模塊提供的剩余電費數據，向用戶(hù)執行停止供電和繼續供電。
      9) 安全管理模塊：主要包含兩方面的工作：(1)當對電能表進(jìn)行充值行為的時(shí)候，安全模塊啟用事先設定的安全算法機制, 確保充值數據的安全傳輸和安全使用, 主要指防數據流撲捉、數據流重發(fā)和越權攻擊；(2)進(jìn)行數據多角度安全審計, 主要指購電、售電一致性審計(每一筆購電記錄通過(guò)遠程通信與售電系統的每一筆售電記錄進(jìn)行審計，確保是受控系統內購電)；計費一致性審計(電能表的計費數據通過(guò)遠程通信與售電系統的計費數據進(jìn)行審計，確保電能表運行的價(jià)格體系一致性與計費的準確性)；剩余電費、總購電費、總用電費的平衡審計。
     10) 遠程和本地充值模塊：電能表保留了2種充值方式，本地通過(guò)購電卡進(jìn)行充值,遠程通過(guò)建立的通信信道進(jìn)行充值；兩種方式互不沖突又互為補充, 特別是遠程信道非正常斷開(kāi)時(shí),就可以通過(guò)本地充值確保用戶(hù)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 遠程預付費用電管理系統主要特點(diǎn)
3.1 即裝即用
       設備的安裝、調試、尤其日常維護直接影響系統的實(shí)用性與生命力。遠程預付費用電管理系統按免維護理念設計，采集器、CPU卡式網(wǎng)絡(luò )預付費電能表等設備即裝即用，安裝后設備自動(dòng)在主站系統中注冊、自動(dòng)組網(wǎng)、數據主動(dòng)上報。
3.2 靈活的系統結構
       針對不同的性質(zhì)用戶(hù)，結合現場(chǎng)條件,不拘于某一種通信方式，可構建不同方案, 選擇RS485 線(xiàn)、電力線(xiàn)載波、射頻無(wú)線(xiàn)、現場(chǎng)總線(xiàn)、GPRS、局域網(wǎng)絡(luò )通信方式等, 構筑優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò )結構。
3.3 靈活的繳費與充值模式
       支持銀行柜臺購電充值、網(wǎng)上轉帳購電充值、網(wǎng)上WEB客戶(hù)端購電充值、定額購電充值卡、售電營(yíng)業(yè)柜臺購電充值等多種售電方式，購電數據可選擇遠程或本地寫(xiě)入表中。多種購電方式和相互備用的兩種購電數據寫(xiě)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(yíng)業(yè)部門(mén)的工作壓力。
3.4 支持單一費率、多費率、階梯電價(jià)等計費方式
       CPU卡式網(wǎng)絡(luò )預付費電能表支持單一費率、4 費率、4階梯電價(jià)計費，此外還支持主副階梯、主副費率運行模式。當到達預先設定切換時(shí)間時(shí),電表會(huì )自動(dòng)切換執行新的費率和電價(jià),有效的解決了電價(jià)或費率變動(dòng)時(shí)帶給供電企業(yè)或客戶(hù)的損失。
3.5 數據安全性達到金融領(lǐng)域加密等級
      系統采用金融通用3DES 加密算法, 通過(guò)關(guān)鍵數據加密傳輸、需通信協(xié)商制且帶 MAC 防非法捕捉重播, 定期更換密鑰體系等方式,有效保證了數據的安全性。
3.6 方便快捷的手機短消息提醒
      系統根據CPU卡式網(wǎng)絡(luò )預付費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的客戶(hù)及時(shí)進(jìn)行手機短消息提醒,實(shí)現了對客戶(hù)的人性化服務(wù); 同時(shí)也會(huì )根據CPU卡式網(wǎng)絡(luò )預付費電能表的繼電器故障告警、異常用電告警等信息向相應的電力管理人員及時(shí)進(jìn)行手機短消息提醒,促進(jìn)了供電企業(yè)的有效管理。
3.7 開(kāi)放性接口, 支持與外部系統的數據交換和共享
      系統要求具備開(kāi)放性接口，支持與外部系統的數據交換和共享，實(shí)現與電力營(yíng)銷(xiāo)系統接口、銀行業(yè)務(wù)系統接口的有機結合，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預付費水電云平臺
4.1系統方案
      系統為B/S架構，主要包括前端管理網(wǎng)zhan和后臺集抄服務(wù)，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶(hù)計量箱ADF300L系列，實(shí)現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

4.2 系統功能
      AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預付費電能表組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )完成系統到表的充值、查詢(xún)、監控、控制及短信報警等功能。
      本系統適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著(zhù)數據公網(wǎng)傳輸，財務(wù)操作分散，在線(xiàn)支付，總部財務(wù)扎口等復雜的需求。

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

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

遠程售電:財務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對充值次數，方便快捷。

       能耗分析:用戶(hù)和管理員都可查詢(xún)預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務(wù)軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶(hù)表的能耗、財務(wù)數據、能耗和財務(wù)的期初期末值等數據。

在線(xiàn)支付:商戶(hù)可以通過(guò)小程序或者微xin公眾號實(shí)現在線(xiàn)自助充值水電費，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提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶(hù)。

遠程控制:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。
4.3 產(chǎn)品選型

5 結束語(yǔ)
     利用遠程預付費用電管理系統，可以實(shí)現計算機遠程集中抄表、實(shí)時(shí)監控、遠程和本地充值，再結合銀電聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)繳費系統、用電營(yíng)銷(xiāo)管理系統和95598短信息平臺，供電企業(yè)即可完成整個(gè)抄收，收費和核實(shí)工作，實(shí)現高度信息化和自動(dòng)化，將大大提高用電營(yíng)銷(xiāo)管理效率和水平。

【參考文獻】
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[2]趙曉群.遠程用電管理系統的設計和應用.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊 2019.11版