周穎
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：由于現(xiàn)有系統(tǒng)僅對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，存在成本較高和耗時(shí)較長(zhǎng)的問題，為此對(duì)單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。選擇電能表子系統(tǒng)作為優(yōu)化對(duì)象，選取78KO527A微控制器作為電能表子系統(tǒng)的控制核心，采用具備SPI接口的ATT7053A芯片作為單相多功能計(jì)量芯片，并在220V的高壓線路下保障采樣值在專用計(jì)量芯片信號(hào)處理的范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電能表的正常運(yùn)作。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)電能表子系統(tǒng)主程序、電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序以及用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、寫入與保存等功能，完成對(duì)單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)的優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：運(yùn)用優(yōu)化系統(tǒng)后，電費(fèi)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，充分說明優(yōu)化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益較高，能夠?yàn)殡娏ζ髽I(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：單相智能；多用戶；預(yù)付費(fèi)控制；微控制器；電能表子系統(tǒng)；電能計(jì)量芯片；數(shù)據(jù)計(jì)量；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；信號(hào)采樣電路
0 引言
在電力企業(yè)管理信息系統(tǒng)不斷應(yīng)用與普及的背景下，對(duì)多用戶預(yù)付費(fèi)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(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。如何將信息發(fā)布與開關(guān)控制進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)多用戶購(gòu)售電信息的共享，正成為亟需解決 的問題?，F(xiàn)今常用的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)主要為基于瀏覽器／服務(wù)器（browser／server，B／S）架構(gòu)的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)與基于代碼式電能表的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)中電能表子系統(tǒng)具有很大的局限性，只能對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，無(wú)法對(duì)用戶遠(yuǎn)程抄表、預(yù)付費(fèi)進(jìn)行系統(tǒng)的控制，不能實(shí)現(xiàn)完整的電力信息控制，存在經(jīng)濟(jì)效益低下的問題。為了解決上述問題，對(duì)單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。
1 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
1.1 電能表子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1.1 微控制器選取
微控制器是電能表子系統(tǒng)的核心控制元件，功能為讀取計(jì)量芯片電能數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算脈沖計(jì)數(shù)、讀取時(shí)間、電能數(shù)據(jù)顯示與報(bào)警、通信以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)取Ｎ⒖刂破餍阅艿母叩椭苯記Q定電能表功能的實(shí)現(xiàn)效果。為此，選取一款高性能的微控制器，對(duì)電能表子系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)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(chǔ)空間；四是具備多個(gè)輸入與輸出接口；五是計(jì)數(shù)器功能強(qiáng)大；六是性價(jià)比高。結(jié)合上述，選取日本公司生產(chǎn)的78KO系列8位微控制器。微控制器功能引腳與外圍電路如圖1所示。
1.1.2 電能計(jì)量芯片選取
在單相電能表中，廣泛使用的是高精度的專用計(jì)量芯片。依據(jù)多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)需求，采用ATT7053A計(jì)量芯片7。ATT7053A實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具備串行外設(shè)接口（serial peripheral interface， SPI）的單相多功能計(jì)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(jì)量芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 電能計(jì)量芯片結(jié)構(gòu)圖
ATT7053A電能計(jì)量芯片引腳功能表1所示。
表1 ATT7053A 電能計(jì)量芯片引腳功能表
1.1.3 信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)
電壓信號(hào)采樣時(shí)，利用電壓互感器分壓的方式實(shí)現(xiàn)。電壓信號(hào)采樣后，采用電能專用計(jì)量芯片進(jìn)行相關(guān)處理。電壓信號(hào)采樣電路如圖3所示。
圖3 電壓信號(hào)采樣電路圖
利用電流互感器實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)采樣，將采集的電流信號(hào)通過兩路差分輸入信號(hào)端傳輸至電能專用計(jì)量芯片進(jìn)行處理。
上述過程完成了電能表子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)的控制，需要設(shè)計(jì)電能表子系統(tǒng)軟件。
1.2 電能表子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
1.2.1 子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)
圖4為電能表子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程。
圖4 電能表子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖
上述過程完成了電能表子系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)，為作電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序的設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備。
1.2.2 電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序設(shè)計(jì)
電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理是多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，功能為實(shí)時(shí)讀取時(shí)鐘讀數(shù)2，實(shí)現(xiàn)用戶電能的分時(shí)計(jì)量。以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)用戶電能表用電數(shù)據(jù)信息、判斷剩余金額、電能報(bào)警以及預(yù)付費(fèi)控制等功能。電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序中包括通信中斷模塊。該模塊依據(jù)用戶的剩余金額對(duì)用戶供電情況進(jìn)行控制。當(dāng)剩余金額大于零時(shí)，保障用戶的供電；若剩余金額較少時(shí)，提醒用戶繳費(fèi)；若剩余金額小于零時(shí)，繼電器斷開，切斷該用戶的供電。當(dāng)用戶續(xù)交費(fèi)用后，系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程售電子系統(tǒng)，利用RS-486通信，下發(fā)允許合閘命令，恢復(fù)用戶的供電。電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序如圖5所示
圖5 電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序圖
1.2.3 用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)
在單相智能預(yù)付費(fèi)控電能表子系統(tǒng)中，用戶用電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是通過 EEPROM實(shí)現(xiàn)的。 EEPROM能夠保障在多種因素影響下，若發(fā)生掉電現(xiàn)象，存儲(chǔ)的用電數(shù)據(jù)不會(huì)消失，并可以長(zhǎng)時(shí)間保存。用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用的是AT24C256芯片，存儲(chǔ)器接收微控制器的數(shù)據(jù)讀寫命令，從而完成用電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)寫入。
2 仿真試驗(yàn)分
為了驗(yàn)證優(yōu)化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)仿真對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中的對(duì)比系統(tǒng)為基于B／S架構(gòu)的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)（系統(tǒng)1）和基于代碼式電能表的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)（系統(tǒng)2）。經(jīng)濟(jì)效益主要由電費(fèi)催收成本決定。常規(guī)情況下，電費(fèi)催收成本越小，表明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益越好。試驗(yàn)硬件參數(shù)如表2所示。
表2 試驗(yàn)硬件參數(shù)
2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備
為了保障仿真對(duì)比試驗(yàn)的順利進(jìn)行，首要的任務(wù)就是設(shè)置試驗(yàn)流程。試驗(yàn)流程如圖6所示。
圖6 試驗(yàn)流程圖
依據(jù)圖6所示的試驗(yàn)流程進(jìn)行仿真對(duì)比試驗(yàn)。
2.2 電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比
單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)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(yàn)以某一臺(tái)區(qū)為對(duì)象，對(duì)比不同系統(tǒng)電費(fèi)回收所用時(shí)間，電費(fèi)回收所用時(shí)間計(jì)算公式為：
T=T1+T2+T3
式中：T為電費(fèi)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(fèi)所用時(shí)間。
單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)受到靜電和快速瞬變脈沖群等干擾因素的影響。為了驗(yàn)證優(yōu)化系統(tǒng)的性能，以上述兩種干擾因素作為前提條件，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。
①靜電干擾。在設(shè)計(jì)智能電能表系統(tǒng)的過程中，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程中，會(huì)通過手工接觸產(chǎn)生靜電。靜電干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比如圖7所示。
圖7 靜電干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比圖
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路很容易產(chǎn)生瞬間的尖峰電壓。除此之外，電網(wǎng)中的各種電力設(shè)備受各種因素影響會(huì)發(fā)生突發(fā)故障。針對(duì)上述故障進(jìn)行電網(wǎng)系統(tǒng)維修時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)尖峰電壓。在此條件下，對(duì)比不同系統(tǒng)的電費(fèi)回收所用時(shí)間。瞬變脈沖干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比結(jié)果如圖8所示。
圖8 瞬變脈沖干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比圖
通過不同條件下的電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比結(jié)果可知，優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用效果更佳。
2.3 電費(fèi)催收成本對(duì)比分析
為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，以電費(fèi)催收成本作為對(duì)比指標(biāo)，電費(fèi)催收成本對(duì)比情況如表3所示。
表3 電費(fèi)催收成本對(duì)比情況表
注：表中數(shù)據(jù)單位為元
如表3所示，這說明優(yōu)化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值較高，充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。
將上述試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有代表系統(tǒng)相比較，優(yōu)化系統(tǒng)的電費(fèi)催收成本與電費(fèi)回收所用時(shí)間較低。這充分說明優(yōu)化單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益較高，可以為電力企業(yè)帶來更高的利潤(rùn)，也可以為用戶提供更加的服務(wù)。
3 安科瑞Acrelcloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)
3.1概述
AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)是安科瑞公司研制的與DDSY-1352單相電子式預(yù)付費(fèi)電能表及DTSY-1352三相電子式預(yù)付費(fèi)電能表配套的售電管理系統(tǒng)。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)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(shù)設(shè)置，商戶售電/售水管理及能耗管理工作，操作簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)物業(yè)公司遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操作實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有良好的人機(jī)界面，能夠統(tǒng)計(jì)和管理數(shù)據(jù)。安裝方便，是用電管理部門、商業(yè)廣場(chǎng)和物業(yè)小區(qū)，提高用電用水管理水平，解決收費(fèi)難問題的理想產(chǎn)品。
3.2應(yīng)用場(chǎng)所
本平臺(tái)適用于公寓出租戶、商業(yè)廣場(chǎng) 、公寓酒店 、物業(yè)小區(qū)、寫字樓、物流倉(cāng)儲(chǔ)、高校、連鎖超市、智慧園區(qū)、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)等場(chǎng)所。
3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.4系統(tǒng)功能
3.4.1房間監(jiān)控
清晰簡(jiǎn)潔的展示所有房間狀態(tài)信息，所屬樓棟樓層，在線失連情況，費(fèi)用狀態(tài)等，進(jìn)入房間詳情可對(duì)房間當(dāng)前實(shí)時(shí)信息進(jìn)行查看，并可了解當(dāng)天用電量和使用金額情況，可對(duì)房間內(nèi)的電表進(jìn)行各種遠(yuǎn)程控制操作，比如開戶、電價(jià)設(shè)置，售電、退電、報(bào)警金額設(shè)置、分合閘操作等等。
3.4.2電戶開表
系統(tǒng)針對(duì)商鋪開戶不僅支持一戶一表，也支持一戶掛多表的需要;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(yù)先設(shè)置開戶信息后期一鍵開戶;支持設(shè)置電表合額告警默認(rèn)三級(jí)告警，告警金額和次也可以自定義，推送方式支持手機(jī)短信，APP推送，郵件、語(yǔ)音外呼、公眾號(hào)推送等。
3.4.3充電繳費(fèi)
可以對(duì)已開戶的電表進(jìn)行遠(yuǎn)程充值，電費(fèi)實(shí)時(shí)下發(fā)到電表。電表會(huì)根據(jù)電度走字實(shí)時(shí)扣除電費(fèi)同時(shí)系統(tǒng)也支持早臺(tái)計(jì)費(fèi)，金額下發(fā)到系統(tǒng)賬戶，到賬快速穩(wěn)定。
3.4.4財(cái)務(wù)管理
訂單總覽，包含系統(tǒng)里所有水電充值退費(fèi)記錄，以及物業(yè)費(fèi)扣費(fèi)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(tǒng)計(jì)水電費(fèi)收入情況，收入組成。
3.4.5報(bào)表
系統(tǒng)還提供了多個(gè)報(bào)表以供查詢。用電綜合報(bào)表，幫助財(cái)務(wù)統(tǒng)計(jì)每個(gè)月商鋪總用電量，尖峰平谷用電量以及電費(fèi)，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(bào)表，按日，月，年三個(gè)不同維度查詢電表每個(gè)階段的用能情況。
3.4.6批量操作
為了方便用戶對(duì)大量?jī)x表進(jìn)行管理和設(shè)置，可以在系統(tǒng)中新建批量操作任務(wù)，比如設(shè)置電價(jià)、電表控制、儀表設(shè)置、充值等，批量任務(wù)可以立即執(zhí)行，也可以定時(shí)執(zhí)行。
3.4.7自定義收費(fèi)方案
為了靈活應(yīng)對(duì)用戶多種多樣的收費(fèi)方案，比如物業(yè)費(fèi)，房租，服務(wù)費(fèi)等，系統(tǒng)支持用戶自定義收費(fèi)項(xiàng)目。收費(fèi)方式可設(shè)置直接從賬戶扣除或者生成催繳賬單，可設(shè)置周期性收費(fèi)或者一次性收費(fèi)，可以按固定金額收費(fèi)或者按房間面積換算等等。
3.4.8公共區(qū)域用電分?jǐn)?/span>
特定某塊表為主表，然后分配關(guān)聯(lián)子表，系統(tǒng)每個(gè)月自動(dòng)將主表的用電按比例換算成電費(fèi)從子表中扣除，這樣可以剩余人工統(tǒng)計(jì)的麻煩。公攤方式多樣，可以根據(jù)比例公攤，按房間面積公攤，按用量公排，收費(fèi)方式有直接扣費(fèi)或者生成維費(fèi)賬單。
3.4.9后付費(fèi)模式
按日期生成后付費(fèi)用戶周期用電費(fèi)用，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)后生成繳費(fèi)賬單方便追蹤客戶繳費(fèi)情況可導(dǎo)出繳費(fèi)賬單以及欠費(fèi)賬單通知客戶。
3.4.10公眾號(hào)在線支付
用戶可以在微信小程序或者微信公眾號(hào)自助查詢電表使用情況以及繳費(fèi)。
3.5系統(tǒng)硬件配置
4結(jié)論
針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)僅對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作時(shí)存在的成本較高和耗時(shí)較長(zhǎng)的問題，提出單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。微控制器實(shí)現(xiàn)讀取計(jì)量芯片電能數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算脈沖計(jì)數(shù)等功能。通過220V的高壓線路保障采樣值在專用計(jì)量芯片信號(hào)處理的范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電能表的正常運(yùn)作。在此基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、寫入與保存等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠干擾因素的影響、降低電費(fèi)回收所用時(shí)間和電費(fèi)催收成本、提升單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)應(yīng)用性能，具有較高的應(yīng)用價(jià)值與實(shí)用價(jià)值。
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作者介紹：
周穎，女，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電
上海嘉定區(qū)育綠路253號(hào)
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