韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

 

摘要：由于現有系統僅對電表數據進(jìn)行讀取操作，存在成本較高和耗時(shí)較長(cháng)的問(wèn)題，為此對單相智能多用戶(hù)遠程預付費控系統優(yōu)化設計進(jìn)行研究。選擇電能表子系統作為優(yōu)化對象，選取78KO527A微控制器作為電能表子系統的控制核心，采用具備SPI接口的ATT7053A芯片作為單相多功能計量芯片，并在220V的高壓線(xiàn)路下保障采樣值在專(zhuān)用計量芯片信號處理的范圍之內，實(shí)現電能表的正常運作。在硬件設計的基礎上，設計電能表子系統主程序、電能數據計量與處理程序以及用電數據存儲程序，實(shí)現用電數據的存儲、寫(xiě)入與保存等功能，完成對單相智能多用戶(hù)遠程預付費控系統的優(yōu)化。試驗結果表明：運用優(yōu)化系統后，電費催收成本得到了明顯降低，且用時(shí)得到了降低，其所用時(shí)間的較高值僅為44s，充分說(shuō)明優(yōu)化系統的經(jīng)濟效益較高，能夠為電力企業(yè)的經(jīng)營(yíng)、管理與發(fā)展提供保障，適合大力推廣使用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嘀悄?；多用?hù)；預付費控制；微控制器；電能表子系統；電能計量芯片；數據計量；數據存儲；信號采樣電路

       在電力企業(yè)管理信息系統不斷應用與普及的背景下，對多用戶(hù)預付費智能管理的需求也在不斷增加，尤其是電力企業(yè)目前使用的是遠程抄表系統。如何將信息發(fā)布與開(kāi)關(guān)控制進(jìn)行有機的整合，實(shí)現多用戶(hù)購售電信息的共享，正成為亟需解決的問(wèn)題。

       現今常用的多用戶(hù)遠程預付費控系統主要為基于瀏覽器／服務(wù)器（browser／server，B／S）架構的多用戶(hù)遠程預付費控系統與基于代碼式電能表的多用戶(hù)遠程預付費控系統。經(jīng)市場(chǎng)調查研究發(fā)現，現有多用戶(hù)遠程預付費控系統中電能表子系統具有很大的局限性，只能對電表數據進(jìn)行讀取操作，無(wú)法對用戶(hù)遠程抄表、預付費進(jìn)行系統的控制，不能實(shí)現完整的電力信息控制，存在經(jīng)濟效益低下的問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，對單相智能多用戶(hù)遠程預付費控系統優(yōu)化設計進(jìn)行研究。

       現有多用戶(hù)遠程預付費控系統的缺陷多存在于電能表子系統中。因此，選擇電能表子系統作為優(yōu)化對象。為了增加系統的智能性，設計新的單相智能預付費控電能表子系統，具體優(yōu)化設計過(guò)程如下。

1.1 電能表子系統硬件設計

1.1.1 微控制器選取

       微控制器是電能表子系統的核心控制元件，功能為讀取計量芯片電能數據、數據處理、計算脈沖計數、讀取時(shí)間、電能數據顯示與報警、通信以及遠程傳輸等。微控制器性能的高低直接決定電能表功能的實(shí)現效果。為此，選取一款高性能的微控制器，對電能表子系統功能的實(shí)現具有至關(guān)重要的作用。

       選取微控制器時(shí)需要考慮下述幾個(gè)方面：一是功耗低；二是具備串行通信接口；三是具有較大的存儲空間；四是具備多個(gè)輸入與輸出接口；五是計數器功能強大；六是性?xún)r(jià)比高。結合上述，選取日本公司生產(chǎn)的78KO系列8位微控制器。78KO系列微控制器具備性?xún)r(jià)比高、功耗低、精度高等優(yōu)勢，廣泛應用于汽車(chē)、電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域。此次研究中，選取78K0527A微控制器作為電能表子系統的控制核心。78K0527A微控制器包含4組8位通用寄存器、1KB的隨機存取存儲器（random access memory，RAM）、128 KB的只讀存儲器（read-only memory，ROM）、看門(mén)狗定時(shí)器、時(shí)鐘輸出控制器、單電源Flash存儲器、低電壓檢測器、定時(shí)器等元件，具備按鍵中斷功能。微控制器功能引腳與外圍電路如圖1所示。

1.1.2 電能計量芯片選取

       在單相電能表中，廣泛使用的是高精度的專(zhuān)用計量芯片。依據多用戶(hù)遠程預付費控系統需求，采用ATT7053A計量芯片7。ATT7053A實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具備串行外設接口（serial peripheral interface， SPI）的單相多功能計量芯片，工作電壓范圍為3.0～3.6 V，晶振頻率為5.53 MHz。電能計量芯片結構如圖2所示。

圖2電能計量芯片結構圖

       ATT7053A電能計量芯片引腳功能表1所示。

表1 ATT7053A 電能計量芯片引腳功能表

1.1.3 信號采樣電路設計

       電能表供電線(xiàn)路為220V的高壓線(xiàn)路，專(zhuān)用計量芯片處理的信號為一定范圍內的電壓與電流信號。為此，需要采樣高精度的電壓、電流信號，保障采樣值在專(zhuān)用計量芯片信號處理的范圍之內，確保電能表的正常運作。另外，需要完成專(zhuān)用計量芯片與電能表高壓電力線(xiàn)路之間的電氣隔離，以保障電能表的安全。

在實(shí)際應用中，常采用電壓與電流互感器模擬并采集電壓與電流信號。其中，電壓互感器是一個(gè)帶有鐵芯的變壓器，由一次線(xiàn)圈、二次線(xiàn)圈、鐵芯以及絕緣體構成。根據變壓器原理可知，通過(guò)改變一次或者二次繞組的匝數，能夠產(chǎn)生不同的電壓比，即可構成不同比例的電壓互感器。電壓互感器的功能是將較高的電壓值依據特定比例轉換為較低的電壓值。電流互感器依據電磁原理構成，由繞組與閉合鐵芯組成。相比之下，二次繞組匝數較多。當電流互感器工作時(shí)，繞組通過(guò)串接方式與測量?jì)x表電路連接。電流互感器工作狀態(tài)接近于短路，原因是二次回路在工作狀態(tài)下始終閉合，在測量交變電流時(shí)，電流互感器功能為電氣隔離與變流。

       電壓信號采樣時(shí)，利用電壓互感器分壓的方式實(shí)現。電壓信號采樣后，采用電能專(zhuān)用計量芯片進(jìn)行相關(guān)處理。電壓信號采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓信號采樣電路圖

       利用電流互感器實(shí)現電流信號采樣，將采集的電流信號通過(guò)兩路差分輸入信號端傳輸至電能專(zhuān)用計量芯片進(jìn)行處理。

       上述過(guò)程完成了電能表子系統的硬件設計。為實(shí)現多用戶(hù)遠程預付費的有效控制，需要設計電能表子系統軟件。

1.2 電能表子系統軟件設計

       在系統硬件設計的基礎上，進(jìn)行單相智能預付費控電能表子系統軟件設計，主要包括主程序、電能數據計量與處理程序以及用電數據存儲程序設計，具體設計過(guò)程如下。

1.2.1 子系統主程序設計

       電能表子系統主程序設計步驟如下所示。

       ①電能表子系統初始化。

       ②脈沖信號采集10

       ③在時(shí)鐘模塊讀取當前時(shí)刻，包括尖時(shí)刻、峰時(shí)刻、平時(shí)刻以及谷時(shí)刻。

       ④將上述采集的尖時(shí)刻、峰時(shí)刻、平時(shí)刻以及谷時(shí)刻電量進(jìn)行累加。

       ⑤用戶(hù)用電數據存儲。

       ⑥顯示用戶(hù)用電數據。

       ⑦判斷子系統是否收到通信命令，若收到通信命令，轉至步驟⑧；若未收到通信命令，轉至步驟②。

       ⑧執行通信模塊，輸出電能表處理結果。

       圖4為電能表子系統主程序設計流程。

圖4 電能表子系統主程序設計流程圖

       上述過(guò)程完成了電能表子系統主程序的設計，為作電能數據計量與處理程序、數據存儲程序的設計作準備。

1.2.2 電能數據計量與處理程序設計

       電能數據計量與處理是多用戶(hù)遠程預付費控系統的關(guān)鍵環(huán)節，功能為實(shí)時(shí)讀取時(shí)鐘讀數2，實(shí)現用戶(hù)電能的分時(shí)計量。以此為基礎，實(shí)現存儲用戶(hù)電能表用電數據信息、判斷剩余金額、電能報警以及預付費控制等功能。電能數據計量與處理程序中包括通信中斷模塊。該模塊依據用戶(hù)的剩余金額對用戶(hù)供電情況進(jìn)行控制。當剩余金額大于零時(shí)，保障用戶(hù)的供電；若剩余金額較少時(shí)，提醒用戶(hù)繳費；若剩余金額小于零時(shí)，繼電器斷開(kāi)，切斷該用戶(hù)的供電。當用戶(hù)續交費用后，系統通過(guò)遠程售電子系統，利用RS-486通信，下發(fā)允許合閘命令，恢復用戶(hù)的供電。電能數據計量與處理程序如圖5所示

圖5 電能數據計量與處理程序圖

1.2.3 用電數據存儲程序設計

       在單相智能預付費控電能表子系統中，用戶(hù)用電數據的存儲是通過(guò) EEPROM實(shí)現的。 EEPROM能夠保障在多種因素影響下，若發(fā)生掉電現象，存儲的用電數據不會(huì )消失，并可以長(cháng)時(shí)間保存。用電數據存儲使用的是AT24C256芯片，存儲器接收微控制器的數據讀寫(xiě)命令，從而完成用電數據的存儲寫(xiě)入。

       用電數據存儲程序步驟如下：

       ①啟動(dòng)PC時(shí)序：

       ②下發(fā)讀寫(xiě)地址：

       ③微控制器接收到存儲器發(fā)出的確認信號：

       ④下發(fā)存儲單元地址：

       ⑤微控制器接收到存儲器發(fā)出的確認信號，停止信號時(shí)序。

       通過(guò)上述硬件與軟件的設計，完成了單相智能預付費控電能表子系統的設計，實(shí)現了單相智能多用戶(hù)遠程預付費控系統的優(yōu)化，為電力企業(yè)提供更加有效的系統支撐。

        為了驗證優(yōu)化系統的有效性與經(jīng)濟效益，設計仿真對比試驗。試驗中的對比系統為基于B／S架構的多用戶(hù)遠程預付費控系統（系統1）和基于代碼式電能表的多用戶(hù)遠程預付費控系統與優(yōu)化系統（系統2）。經(jīng)濟效益主要由電費催收成本決定。常規情況下，電費催收成本越小，表明系統的經(jīng)濟效益越好。試驗硬件參數如表2所示。

表2 試驗硬件參數

2.1試驗準備

       為了保障仿真對比試驗的順利進(jìn)行，首要的任務(wù)就是設置試驗流程。試驗流程如圖6所示。

圖6 試驗流程圖

       依據圖6所示的試驗流程進(jìn)行仿真對比試驗。

2.2 電費回收所用時(shí)間對比

       單相智能多用戶(hù)遠程預付費控系統可以很大地提升電力企業(yè)的工作效率，為相關(guān)單位提供一種全新的抄、催、收模式。試驗以某一臺區為對象，對比不同系統電費回收所用時(shí)間，電費回收所用時(shí)間計算公式為：

T=T1+T2+T3

       式中：T為電費回收所用總時(shí)間；T1為抄表所用時(shí)間；T2為核算所用時(shí)間；T3為收費所用時(shí)間。

單相智能多用戶(hù)遠程預付費用控制系統在運行過(guò)程中會(huì )受到靜電和快速瞬變脈沖群等干擾因素的影響。為了全面驗證優(yōu)化系統的性能，以上述兩種干擾因素作為前提條件，進(jìn)行對比驗證。

       ①靜電干擾。在設計智能電能表系統的過(guò)程中，由于使用了大量的電子元器件，因此在很大程度上受到靜電的干擾。除此之外，智能電能表在使用的過(guò)程中，會(huì )通過(guò)手工接觸產(chǎn)生靜電。靜電干擾下電費回收所用時(shí)間對比如圖7所示。

圖7 靜電干擾下電費回收所用時(shí)間對比圖

       由圖7可知，在不同靜電數值下，優(yōu)化系統的電費回收時(shí)間均低于系統1和系統2，說(shuō)明該系統能夠抵御靜電干擾，有效降低電費回收所用時(shí)間。這是由于該系統在優(yōu)化過(guò)程中，選取了220V的高壓線(xiàn)路，其能夠保障采樣值在專(zhuān)用計量芯片信號處理的范圍之內，進(jìn)而保障電能表的正常運作。

       ②快速瞬變脈沖群。在遇到惡劣天氣時(shí)，電能表所處的供電線(xiàn)路極易產(chǎn)生瞬間的尖峰電壓。除此之外，電網(wǎng)中的各種電力設備受各種因素影響會(huì )發(fā)生突發(fā)故障。針對上述故障進(jìn)行電網(wǎng)系統維修時(shí)，同樣會(huì )產(chǎn)生瞬時(shí)尖峰電壓。在此條件下，對比不同系統的電費回收所用時(shí)間。瞬變脈沖干擾下電費回收所用時(shí)間對比結果如圖8所示。

圖8 瞬變脈沖干擾下電費回收所用時(shí)間對比圖

       由圖8可知，與靜電干擾相比，不同系統的瞬變脈沖干擾下電費回收所用時(shí)間均有所降低，但是優(yōu)化系統的優(yōu)勢仍然十分明顯，其所用時(shí)間較高值僅為44s。通過(guò)不同條件下的電費回收所用時(shí)間對比結果可知，優(yōu)化系統的應用效果更佳。

2.3 電費催收成本對比分析

       為進(jìn)一步驗證該系統的實(shí)際應用效果，以電費催收成本作為對比指標，電費催收成本對比情況如表3所示。

表3 電費催收成本對比情況表

注：表中數據單位為元

       如表3所示，5次試驗中，優(yōu)化系統的電費催收成本均小于現有系統1和系統2，優(yōu)化系統的電費催收成本較小值為98.9元，而系統1的電費催收成本較小值為118.9元，系統1的電費催收成本較小值為148.9元。這說(shuō)明優(yōu)化系統的經(jīng)濟效益價(jià)值較高，充分驗證了該系統的應用價(jià)值。

       將上述試驗結果與現有代表系統相比較，優(yōu)化系統的電費催收成本與電費回收所用時(shí)間較低。這充分說(shuō)明優(yōu)化單相智能多用戶(hù)遠程預付費控系統經(jīng)濟效益較高，可以為電力企業(yè)帶來(lái)更高的利潤，也可以為用戶(hù)提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

3.1概述

       AcrelCloud-3200預付費水電云平臺是安科瑞公司研制的與DDSY-1352單相電子式預付費電能表及DTSY-1352三相電子式預付費電能表配套的售電管理系統。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。主要完成電能表/水表參數設置，商戶(hù)售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡(jiǎn)便，實(shí)現物業(yè)公司遠程實(shí)時(shí)操作實(shí)時(shí)監控，具有良好的人機界面，能夠有效的統計和管理數據。安裝方便，是用電管理部門(mén)、商業(yè)廣場(chǎng)和物業(yè)小區，提高用電用水管理水平，解決收費難問(wèn)題的理想產(chǎn)品。

3.2應用場(chǎng)所

       本平臺適用于公寓出租戶(hù)、商業(yè)廣場(chǎng) 、公寓酒店 、物業(yè)小區、寫(xiě)字樓、物流倉儲、高校、連鎖超市、智慧園區、農貿市場(chǎng)等場(chǎng)所。

3.3系統結構

3.4系統功能

3.4.1房間監控

       清晰簡(jiǎn)潔的展示所有房間狀態(tài)信息，所屬樓棟樓層，在線(xiàn)失連情況，費用狀態(tài)等，進(jìn)入房間詳情可對房間當前實(shí)時(shí)信息進(jìn)行查看，并可了解當天用電量和使用金額情況，可對房間內的電表進(jìn)行各種遠程控制操作，比如開(kāi)戶(hù)、電價(jià)設置，售電、退電、報警金額設置、分合閘操作等等。

3.4.2電戶(hù)開(kāi)表

       系統針對商鋪開(kāi)戶(hù)不僅支持一戶(hù)一表，也支持一戶(hù)掛多表的需要;支持自定義電價(jià)方案，單一電價(jià)、尖峰平谷電價(jià)、階梯電價(jià)等:支持預先設置開(kāi)戶(hù)信息后期一鍵開(kāi)戶(hù);支持設置電表合額告警默認三級告警，告警金額和次也可以自定義，推送方式支持手機短信，APP推送，郵件、語(yǔ)音外呼、公眾號推送等。

3.4.3充電繳費

       可以對已開(kāi)戶(hù)的電表進(jìn)行遠程充值，電費實(shí)時(shí)下發(fā)到電表。電表會(huì )根據電度走字實(shí)時(shí)扣除電費同時(shí)系統也支持早臺計費，金額下發(fā)到系統賬戶(hù)，到賬快速穩定。

3.4.4財務(wù)管理

       訂單總覽，包含系統里所有水電充值退費記錄，以及物業(yè)費扣費流水記錄。收入概況，可以從日，月，年，時(shí)間跨度等不同維度統計水電費收入情況，收入組成。

3.4.5報表

       系統還提供了多個(gè)報表以供查詢(xún)。用電綜合報表，幫助財務(wù)統計每個(gè)月商鋪總用電量，尖峰平谷用電量以及電費，能耗同比分析，可以比較每個(gè)月份與去年同期相比的用能差距。能耗日月年報表，按日，月，年三個(gè)不同維度查詢(xún)電表每個(gè)階段的用能情況。

3.4.6批量操作

       為了方便用戶(hù)對大量?jì)x表進(jìn)行管理和設置，可以在系統中新建批量操作任務(wù)，比如設置電價(jià)、電表控制、儀表設置、充值等，批量任務(wù)可以立即執行，也可以定時(shí)執行。

3.4.7自定義收費方案

       為了靈活應對用戶(hù)多種多樣的收費方案，比如物業(yè)費，房租，服務(wù)費等，系統支持用戶(hù)自定義收費項目。收費方式可設置直接從賬戶(hù)扣除或者生成催繳賬單，可設置周期性收費或者一次性收費，可以按固定金額收費或者按房間面積換算等等。

3.4.8公共區域用電分攤

       某塊表為主表，然后分配關(guān)聯(lián)子表，系統每個(gè)月自動(dòng)將主表的用電按比例換算成電費從子表中扣除，這樣可以剩余人工統計的麻煩。公攤方式多樣，可以根據比例公攤，按房間面積公攤，按用量公排，收費方式有直接扣費或者生成維費賬單。

3.4.9后付費模式

       按日期生成后付費用戶(hù)周期用電費用，對數據進(jìn)行確認后生成繳費賬單方便追蹤客戶(hù)繳費情況可導出繳費賬單以及欠費賬單通知客戶(hù)。

3.4.10公眾號在線(xiàn)支付

       用戶(hù)可以在微信小程序或者微信公眾號自助查詢(xún)電表使用情況以及繳費。

3.5系統硬件配置

       針對現有系統僅對電表數據進(jìn)行讀取操作時(shí)存在的成本較高和耗時(shí)較長(cháng)的問(wèn)題，提出單相智能多用戶(hù)遠程預付費控系統優(yōu)化設計方法。微控制器實(shí)現讀取計量芯片電能數據、數據處理、計算脈沖計數等功能。通過(guò)220V的高壓線(xiàn)路保障采樣值在專(zhuān)用計量芯片信號處理的范圍之內，實(shí)現電能表的正常運作。在此基礎上，通過(guò)系統軟件設計，實(shí)現用電數據的存儲、寫(xiě)入與保存等功能。試驗結果表明，該系統能夠有效抑制干擾因素的影響、降低電費回收所用時(shí)間和電費催收成本、提升單相智能多用戶(hù)遠程預付費控系統應用性能，具有較高的應用價(jià)值與實(shí)用價(jià)值。

[1]劉必勇.基于智能電網(wǎng)的配電自動(dòng)化探討.信息記錄材料，2018,19(1):20-21.

[2]羅孝羚，蔣陽(yáng)升，吳奇，等.基于IC卡識別通勤客流的公交線(xiàn)路多模式調度．工業(yè)工程，2018,21（5）：85-90．

[3]李涵，陶鵬，李翀，等.智能電能表時(shí)鐘電池欠壓分析及關(guān)鍵計量指標影響．河北電力技術(shù)，2018,37（2）：26-29．

[4]馬潤.電氣工程及其自動(dòng)化低壓電器中繼電器的應用D］.南方農機，2018,49（1）：97-99．

[5]趙宏，劉大虎.海陽(yáng)核電站反應堆功率控制系統的信號分析和試驗．核安全，2018,17（5）：19-24．

[6]張曉劍，王利強，周麗，等．8254定時(shí)器的計數系統改進(jìn)研究．電子設計工程，2020,28（1）：129-133．

[7]王鵬．基于A(yíng)DE7758的電力監測儀設計及研究．自動(dòng)化儀表，2019,40（8）：70-73．

[8]唐超，柴繼文，王海，等.基于L-M算法的電壓互感器狀態(tài)監測］．數學(xué)的實(shí)踐與認識，2018,48（7）：206-213．

[9]楊劍雄．電流互感器對電能計量的影響．通訊世界，2018,334(3):239-240.

[10]胡永建，黃衍福，李顯義．鉆井液脈沖信號自動(dòng)去噪與識別算法．石油勘探與開(kāi)發(fā)，2019,46（2）：188-194．

[11]夏慧鈞．預付費電能表移動(dòng)終端維護系統的設計．電腦編程技巧與維護，2018,39（4）：80-82．

[12]劉馨然，尚瑩，康麗雁，等．電力營(yíng)銷(xiāo)中遠程實(shí)時(shí)費控的實(shí)際應用研究．東北電力技術(shù)，2019,40（4）：25-27．

[13]張江安，楊洪柏．高競爭力的電能計量芯片相位偏差校正方法D］．電子器件，2019,42（3）：604-607．

[14]宋洪儒，王宜懷，楊凡．ARM Cortex-MO＋內核KL．25微控制器TSI構件設計方法研究．赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2018,34(3):35-38.

[15]黃成．單相智能費控光纖網(wǎng)絡(luò )電能表的設計與應用．電測與儀表，2019,56（9）：148-152．

[16]羅世剛.單相智能多用戶(hù)遠程預付費控系統優(yōu)化設計

[17]安科瑞電氣企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2020.06版

韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事與預付費系統的研發(fā)與應用