預(yù)付費(fèi)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(fèi)難”問題。電力部門對企業(yè)和居民生活用電的計(jì)量計(jì)費(fèi)是電力市場管理的基本任務(wù)，而傳統(tǒng)的先用電后付費(fèi)方式導(dǎo)致電費(fèi)拖欠是長期困擾電力部門的難題。預(yù)付費(fèi)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(jì)量準(zhǔn)確可靠。                                    

1預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)   

1.1系統(tǒng)的構(gòu)成   

　　基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)屬于由上位機(jī)(預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng))和下位機(jī)(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(jī)對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和管理，電能表采用單片機(jī)系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)量和對用戶負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控，用射頻卡作為二者之間進(jìn)行信息交換的載體?；赗FID的預(yù)付費(fèi)售電系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成：基于RFID的單相電能表、智能讀卡器、預(yù)付費(fèi)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(yù)付費(fèi)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(jìn)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(jì)數(shù)來計(jì)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(yù)付費(fèi)電能表感應(yīng)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(chǔ)E2PROM，同時(shí)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(shí)，電能表將會(huì)自動(dòng)把表記的當(dāng)前工作狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)寫入到用戶卡中。當(dāng)用戶持卡再次充值時(shí)，管理部門能夠記錄用戶表的運(yùn)行信息，以便監(jiān)測用戶的使用情況。當(dāng)用戶剩余電量用盡時(shí)，RFID預(yù)付費(fèi)電能表將自動(dòng)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(fù)使用。   

　　射頻卡式預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)通過信息載體－射頻卡，實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳遞，電能表用戶與預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)之間通過射頻卡建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)電能使用的預(yù)付費(fèi)管理。預(yù)付費(fèi)電能表通過繼電器的開關(guān)動(dòng)作，以達(dá)到管理用戶預(yù)付費(fèi)用電的目的。

   

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

2 預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)   

2.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)   

基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)，采用了Microsoft Visual Studio.NET開發(fā)平臺(tái)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(jìn)行現(xiàn)代化管理，方便了用戶購電。該預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)兼有預(yù)付費(fèi)售電以及電能表運(yùn)行監(jiān)測功能包括系統(tǒng)維護(hù)、員工信息管理、用電分析、售電業(yè)務(wù)管理、報(bào)表打印、用戶信息管理六項(xiàng)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(gè)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(jìn)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(shí)間與權(quán)限，便于用點(diǎn)管理部門及時(shí)掌握所轄小區(qū)內(nèi)員工的工作情況，這樣的設(shè)計(jì)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(yīng)唯一的射頻卡。當(dāng)安裝一塊電能表時(shí)，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(gè)區(qū)域所管理。首先由售電點(diǎn)的工作人員對客戶信息進(jìn)行核對，將以上信息填入數(shù)據(jù)庫，并給每個(gè)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(biāo)。   

2.1.3 用電分析   

　　用電分析功能主要包括以下兩個(gè)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(xí)慣、充值周期，從而對用戶進(jìn)行分組管理?；赗FID的預(yù)付費(fèi)電能表具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)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(chǔ)器存儲(chǔ)，掉電后數(shù)據(jù)也不會(huì)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(fù)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(fù)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(jìn)行當(dāng)前快速的分析。它可以監(jiān)測到設(shè)定的電能表在某一時(shí)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(shí)，記錄下發(fā)生異常狀況的時(shí)間以及當(dāng)時(shí)電能表的狀態(tài)，以備分析異常原因和追補(bǔ)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(hù)   

　　系統(tǒng)維護(hù)包括以下五項(xiàng)具體功能：數(shù)據(jù)庫恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫備份、售電記錄維護(hù)、用戶信息維護(hù)以及系統(tǒng)密鑰更新。售電點(diǎn)可以將營業(yè)記錄、用戶個(gè)人信息記錄、電表監(jiān)測記錄分開保存，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理的規(guī)范化。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行定期升級與維護(hù)。   

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(gè)方面，購電統(tǒng)計(jì)查詢以及購電交易。購電統(tǒng)計(jì)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(jìn)行查詢。如查詢所有異常情況、按電能表進(jìn)行查詢或按時(shí)間進(jìn)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(yīng)的信息數(shù)據(jù)。   

2.1.6報(bào)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(yīng)的報(bào)表。用戶根據(jù)需要將相關(guān)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表輸出，按文件的形式進(jìn)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(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)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(jìn)入系統(tǒng)初始化界面，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(gè)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(shí)，可以由超級管理員通過本界面對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化設(shè)置主要分為三個(gè)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(diǎn)分類管理員工，對員工個(gè)人信息、操作權(quán)限等設(shè)置進(jìn)行修改操作。用戶類型劃分是將用戶按照所屬的營業(yè)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)編號，同時(shí)根據(jù)用戶選擇系統(tǒng)費(fèi)率模式不同，從而定義費(fèi)率單價(jià)。此外，為了防值囤電行為的發(fā)生，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了靈活可變的充值有效期設(shè)置，在保證用戶利益的同時(shí)有效的維護(hù)了用電管理部門的經(jīng)濟(jì)利益。密鑰管理是對系統(tǒng)初始密鑰進(jìn)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(jìn)入系統(tǒng)，則會(huì)自動(dòng)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(bǔ)辦新卡等操作。 

2.3 管理系統(tǒng)串口通信軟件設(shè)計(jì) 

　　基于RFID的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)兼有預(yù)付費(fèi)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(jìn)行信息交互，另一部分是遵循STS預(yù)付費(fèi)售電管理協(xié)議的通信模塊，主要用于售電系統(tǒng)上位機(jī)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(jì) 

　　RF射頻卡式預(yù)付費(fèi)電能表在安裝時(shí)，廠家使用智能終端編號器編輯每臺(tái)計(jì)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(jìn)行修改。為了保證表號的唯一性，表號由11個(gè)十進(jìn)制字組成范00000000000~99999999999。數(shù)據(jù)通信采用的方式為應(yīng)答方式，即由管理系統(tǒng)上位機(jī)對某個(gè)計(jì)量表終端發(fā)送一個(gè)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(yù)付費(fèi)售電通信流程圖 

2.3.2 預(yù)付費(fèi)售電通信軟件設(shè)計(jì) 

　　預(yù)付費(fèi)售電通信模塊主要包括三個(gè)部分，包括計(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，同時(shí)上位機(jī)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(jì)算機(jī)串口并配制通信參數(shù)，然后根據(jù)預(yù)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(biāo)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(biāo)志位正確則進(jìn)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(jìn)行解密、分析、歸檔。通過從射頻卡讀回的信息進(jìn)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(xiàng)售電操作。 

4總結(jié) 

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了一種符合STS國際標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)付費(fèi)電能表管理系統(tǒng)，并將DLMS通信協(xié)議應(yīng)用于電能表檢測模塊，本項(xiàng)設(shè)計(jì)未見國內(nèi)未見同類報(bào)道；其次基于RFID的電能表預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)是建立在.NET平臺(tái)上的集面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)、電能計(jì)量技術(shù)、軟件可靠性設(shè)計(jì)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(kuò)充軟件方便、操作界面友好、可視性與可讀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。基于RFID的電能表預(yù)付費(fèi)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(xiàng)目實(shí)施一年以來，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益200多萬元。 

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