淺談遠程用電管理系統的設計和應用

趙娜
安科瑞電氣股份有限公司 

摘要:針對目智能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,實現低壓集中抄表、智能IC卡預付費管理,并且結合電力營銷暫理系統、銀電聯網實時繳費系統、95598服務平臺功能,形成以預付電費自動化管理為核心的綜合用電自動化管理的新方案。

關鍵詞:智能IC；遠程預付費；據采集器；CPU；卡式網絡預付費電能表

0 引言
       目北京、天津、山西等地大力發展起了智能IC現狀分析卡預付費電力管理系統,實現了先交費,后用電的管理模式,降低了電力企業用電風險，但實施預付費方式后,由于抄收電表數據依賴于購電卡，用戶用電數據滯后于發生時間，從而無法有效地進行用電管理及監控，如：電費核算周期內的線損計算、電量及時統計等問題，為此許多地方不得以還繼續按期進行人工抄表。
      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,運用成熟的底層通信技術、智能(CPU)IC卡技術、通行的3DES加密技術、數據庫管理技術、有線/無線網絡通信技術、電力營銷技術、電量計量技術、銀電聯網信息化技術等,綜合上述兩種應用系統的勢,在實現預付費電力管理的同時,使系統仍然具備遠距離集中抄表,實時監控的功能。為供電企業全面實現自動化管理,高效運營,規避電費風險，提供了加可靠的技術支持。

1 現狀分析
       智能IC卡預付費電力管理系統實現了先交費,后用電的管理模式,解決了電費收繳難的問題,但它依然存在諸多問題:
       1)用電數據的采集不夠及時。由于抄收電表數據依賴于購電卡,用戶用電數據滯后與發生時間,難以實現電費核算周期內的線損計算、電量統計。
       2)無法進行實時監控和管理,出現問題不能及時處理和發現,旦發生用電計量差錯,容易造成供電方和用電方的電費結算糾紛。
       3)電能表卡口旦發生故障,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服務質量。
       低壓集中抄表系統只實現了遠程實時電量抄收和統計,有效緩解了抄收用電數據工作量大的問題,但它并不能*局方的需求：1)只采用低壓集中抄表系統的臺區仍然需要抄表員給用戶送電費單,并進行人工催費,仍有相當的工作量需要人工來完成。2)客戶先用電、后付費的營銷模式并未得到改變,電費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,自動化的服務,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 卡式網絡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GPRS/CDMA /230M 無線電/ 光纖/ 固定電huaModem等通信方式連接。 采集器與網絡預付費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、業務邏輯層、數據服務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。其中業務邏輯層可以采用 OMG 的 CORBA 業界成熟的中間件技術來實現，能夠較好的支持不同平臺之間通信，方便實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抄表子系統、營業廳售電終端子系統、客戶自助售電終端子系統、客戶WEB自助售電子系統、密鑰管理子系統、發卡子系統、告警消息管理子系統、數據綜合查詢與分析子系統和接口管理子系統; 由這些子系統完成自動抄表、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
       采集器實現遠程預付費用電管理系統主站與本地CPU 卡式網絡預付費電能表之間數據交換的透明轉發。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模塊：
       1) CPU核心管理模塊：主要完成各模塊組織協調工作。
       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) 網絡注冊模塊：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卡式網絡預付費電能表的注冊信息，并記錄保存；c.定期定時對網絡中的CPU卡式網絡預付費電能表進行巡檢和注冊信息維護，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立的CPU 進行控制，模塊化結構，換非常方便；甚至對于采集器主CPU無需知道當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、電力線載波和射頻無線；主要考慮到現場環境非常復雜，通過多信道相互備用來提高通信的可靠性。
      7) 數據定時采集和上報模塊：采集器通過事先設置好的參數對網內電能表進行數據采集，再按時間進行集中上報，從而達到數據及時和可靠性化；當然用戶也可根據需要隨時進行數據主動召測。
      8) 電源管理模塊：為采集器提供可靠的電源保障。
2.4 CPU卡式網絡預付費電能表
      CPU 卡式網絡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、事件監測與主動上報等功能。其基本功能框圖如圖4所示：

圖4   CPU卡式網絡預付費電能表基本功能框圖

CPU 卡式網絡預付費電能表主要包括以下幾個模塊：
       1) CPU核心管理模塊：主要完成各模塊組織協調工作。
       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) 網絡注冊模塊：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)定期定時化和修正到達采集器的網絡路徑。
       5) 上層通信信道：電能表網絡化，是電能表的發展方向；該表設計了三種通信接口（可接入電力線載波模塊、RS-485 通信模塊、射頻無線模塊）；三個信道物理*獨立，可分別與其他表自動互通、互連,并從軟件上實現了電能表網絡自診斷功能；這些網絡化設計使本是孤立的電能表單元，構筑遠程網絡，構筑臺區網絡，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，如果關閉其預付費和網絡功能,該表就是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，不會受到其它功能的影響。另外該部分還實現了多時段電能計量、階梯電能計量和主副時段表自動切換的功能，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、多費率和階梯電價體系，并且考慮了電價的變化應對方案—主副電價, 可以按設定的時間進行自動切換；有了這個條件之后就可以依據電能計量模塊的數據進行實時電費計算，產生的電費數據又為繼電器控制模塊提供了動作的依據。
       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)當對電能表進行充值行為的時候，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、數據流重發和越權攻擊；(2)進行數據多角度安全審計, 主要指購電、售電致性審計(每筆購電記錄通過遠程通信與售電系統的每筆售電記錄進行審計，確保是受控系統內購電)；計費致性審計(電能表的計費數據通過遠程通信與售電系統的計費數據進行審計，確保電能表運行的價格體系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，本地通過購電卡進行充值,遠程通過建立的通信信道進行充值；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時,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 遠程預付費用電管理系統主要特點
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卡式網絡預付費電能表等設備即裝即用，安裝后設備自動在主站系統中注冊、自動組網、數據主動上報。
3.2 靈活的系統結構
        針對不同的性質用戶，結合現場條件,不拘于某種通信方式，可構建不同方案, 選擇RS485 線、電力線載波、射頻無線、現場總線、GPRS、局域網絡通信方式等, 構筑化的網絡結構。
3.3 靈活的繳費與充值模式
        支持銀行柜臺購電充值、網上轉帳購電充值、網上WEB客戶端購電充值、定額購電充值卡、售電營業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入表中。多種購電方式和相互備用的兩種購電數據寫入方式,既為群眾提供多樣化、人性化的服務，亦降低了供電營業部門的工作壓力。
3.4 支持單費率、多費率、階梯電價等計費方式
        CPU卡式網絡預付費電能表支持單費率、4 費率、4階梯電價計費，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間時,電表會自動切換執行新的費率和電價,有效的解決了電價或費率變動時帶給供電企業或客戶的損失。
3.5 數據安全性達到金融領域加密等級
       系統采用金融通用3DES 加密算法, 通過關鍵數據加密傳輸、需通信協商制且帶 MAC 防非法捕捉重播, 定期換密鑰體系等方式,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卡式網絡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及時進行手機短消息提醒,實現了對客戶的人性化服務; 同時也會根據CPU卡式網絡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進行手機短消息提醒,促進了供電企業的有效管理。
3.7 開放性接口, 支持與外部系統的數據交換和共享
       系統要求具備開放性接口，支持與外部系統的數據交換和共享，實現與電力營銷系統接口、銀行業務系統接口的有機結合，提高了業務處理的工作效率和服務質量。

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，主要包括端管理網zhan和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實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，剩余水量用完自動關閥。

4.2 系統功能
       AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統到表的充值、查詢、監控、控制及短信報警等功能。
       本系統適用于些大集團和大物業，往往需要將多個物業環境、分散于各地的物業集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。

        遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，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時狀態信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。

        遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，并比對充值次數防止作bi，方便快捷。

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

        在線支付:商戶可以通過小程序或者微hua公眾號實現在線自助充值水電費，也可以實時關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，都可及時短信通知商戶。

        遠程控制:可對任意塊電表執行遠程拉閘或保電等系列遠程控制操作，方便管理。
4.3 產品選型

5 結束語
      利用遠程預付費用電管理系統，可以實現計算機遠程集中抄表、實時監控、遠程和本地充值，再結合銀電聯網實時繳費系統、用電營銷管理系統和95598短信息平臺，供電企業即可完成整個抄收，收費和核實工作，實現高度信息化和自動化，將大大提高用電營銷管理效率和水平。

【參考文獻】
[1]黃尊志.抄表系統不同方案的技術分析.電工儀表與公用表計行業信息.2005(5)
[2]趙曉群.遠程用電管理系統的設計和應用.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊 2019.11版
 
作者簡介：趙娜， 女 現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用。