摘要：由于現(xiàn)有系統(tǒng)僅對電表數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，存在成本較高和耗時(shí)較長的問題，為此對單相智能多用戶遠(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、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)；信號采樣電路

       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)行有機(jī)的整合，實(shí)現(xiàn)多用戶購售電信息的共享，正成為亟需解決的問題。

       現(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，只能對電表數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，無法對用戶遠(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。

       現(xiàn)有多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)的缺陷多存在于電能表子系統(tǒng)中。因此，選擇電能表子系統(tǒng)作為優(yōu)化對象。為了增加系統(tǒng)的智能性，設(shè)計(jì)新的單相智能預(yù)付費(fèi)控電能表子系統(tǒng)，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過程如下。

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)?。微控制器性能的高低直接決定電能表功能的實(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。78KO系列微控制器具備性價(jià)比高、功耗低、精度高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于汽車、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(tǒng)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(jī)存取存儲(chǔ)器（random access memory，RAM）、128 KB的只讀存儲(chǔ)器（read-only memory，ROM）、看門狗定時(shí)器、時(shí)鐘輸出控制器、單電源Flash存儲(chǔ)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(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 信號采樣電路設(shè)計(jì)

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

在實(shí)際應(yīng)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，由一次線圈、二次線圈、鐵芯以及絕緣體構(gòu)成。根據(jù)變壓器原理可知，通過改變一次或者二次繞組的匝數(shù)，能夠產(chǎn)生不同的電壓比，即可構(gòu)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(jù)特定比例轉(zhuǎn)換為較低的電壓值。電流互感器依據(jù)電磁原理構(gòu)成，由繞組與閉合鐵芯組成。相比之下，二次繞組匝數(shù)較多。當(dāng)電流互感器工作時(shí)，繞組通過串接方式與測量儀表電路連接。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(xiàn)。電壓信號采樣后，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(xiàn)電流信號采樣，將采集的電流信號通過兩路差分輸入信號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)的有效控制，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)

       在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單相智能預(yù)付費(fèi)控電能表子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要包括主程序、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)程序設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)過程如下。

1.2.1 子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

       電能表子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)步驟如下所示。

       ①電能表子系統(tǒng)初始化。

       ②脈沖信號采集10

       ③在時(shí)鐘模塊讀取當(dāng)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用戶用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

       ⑥顯示用戶用電數(shù)據(jù)。

       ⑦判斷子系統(tǒng)是否收到通信命令，若收到通信命令，轉(zhuǎn)至步驟⑧；若未收到通信命令，轉(zhuǎn)至步驟②。

       ⑧執(zhí)行通信模塊，輸出電能表處理結(jié)果。

       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。

       用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序步驟如下：

       ①啟動(dòng)PC時(shí)序：

       ②下發(fā)讀寫地址：

       ③微控制器接收到存儲(chǔ)器發(fā)出的確認(rèn)信號：

       ④下發(fā)存儲(chǔ)單元地址：

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

       通過上述硬件與軟件的設(shè)計(jì)，完成了單相智能預(yù)付費(fèi)控電能表子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)的優(yōu)化，為電力企業(yè)提供更加有效的系統(tǒng)支撐。

        為了驗(yàn)證優(yōu)化系統(tǒng)的有效性與經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)仿真對比試驗(yàn)。試驗(yàn)中的對比系統(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)行仿真對比試驗(yàn)。

2.2 電費(fèi)回收所用時(shí)間對比

       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)為對象，對比不同系統(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。為了全面驗(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)間對比如圖7所示。

圖7 靜電干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間對比圖

       由圖7可知，在不同靜電數(shù)值下，優(yōu)化系統(tǒng)的電費(fèi)回收時(shí)間均低于系統(tǒng)1和系統(tǒng)2，說明該系統(tǒng)能夠抵御靜電干擾，有效降低電費(fèi)回收所用時(shí)間。這是由于該系統(tǒng)在優(yōu)化過程中，選取了220V的高壓線路，其能夠保障采樣值在專用計(jì)量芯片信號處理的范圍之內(nèi)，進(jìn)而保障電能表的正常運(yùn)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(shè)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(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)間對比圖

       由圖8可知，與靜電干擾相比，不同系統(tǒng)的瞬變脈沖干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間均有所降低，但是優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)勢仍然十分明顯，其所用時(shí)間較高值僅為44s。通過不同條件下的電費(fèi)回收所用時(shí)間對比結(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)催收成本作為對比指標(biāo)，電費(fèi)催收成本對比情況如表3所示。

表3 電費(fèi)催收成本對比情況表

注：表中數(shù)據(jù)單位為元

       如表3所示，5次試驗(yàn)中，優(yōu)化系統(tǒng)的電費(fèi)催收成本均小于現(xiàn)有系統(tǒng)1和系統(tǒng)2，優(yōu)化系統(tǒng)的電費(fèi)催收成本較小值為98.9元，而系統(tǒng)1的電費(fèi)催收成本較小值為118.9元，系統(tǒng)1的電費(fèi)催收成本較小值為148.9元。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，也可以為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

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，能夠有效的統(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)用場所

       本平臺(tái)適用于公寓出租戶、商業(yè)廣場 、公寓酒店 、物業(yè)小區(qū)、寫字樓、物流倉儲(chǔ)、高校、連鎖超市、智慧園區(qū)、農(nóng)貿(mào)市場等場所。

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、語音外呼、公眾號推送等。

3.4.3充電繳費(fèi)

       可以對已開戶的電表進(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

       為了方便用戶對大量儀表進(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)?/div>