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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)，取得過多用戶遠(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。
取得過多用戶遠(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。
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。
選取微控制器時需要考慮下述幾個方面：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；四是具備多個輸入與輸出接口；五是計(jì)數(shù)器功能強(qiáng)大；六是性價比高。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)存取存儲器（random access memory，RAM）、128 KB的只讀存儲器（read-only memory，ROM）、看門狗定時器、時鐘輸出控制器、單電源Flash存儲器、低電壓檢測器、定時器等元件，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。
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。
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，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，電流互感器功能為電氣隔離與變流。
電壓信號采樣時，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。
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)存儲程序設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)過程如下。
電能表子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)步驟如下所示。
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)時讀取時鐘讀數(shù)2，實(shí)現(xiàn)用戶電能的分時計(jì)量。以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)存儲用戶電能表用電數(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，保障用戶的供電；若剩余金額較少時，提醒用戶繳費(fèi)；若剩余金額小于零時，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
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，存儲的用電數(shù)據(jù)不會消失，并可以長時間保存。用電數(shù)據(jù)存儲使用的是AT24C256芯片，存儲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)的存儲寫入。
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。
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，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，同樣會產(chǎn)生瞬時尖峰電壓。在此條件下，對比不同系統(tǒng)的電費(fèi)回收所用時間。瞬變脈沖干擾下電費(fèi)回收所用時間對比結(jié)果如圖8所示。
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，其所用時間較高值僅為44s。通過不同條件下的電費(fèi)回收所用時間對比結(jié)果可知，優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用效果更佳。
如表3所示，5次試驗(yàn)中，優(yōu)化系統(tǒng)的電費(fèi)催收成本均小于取得過系統(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)效益價值較高，充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)的應(yīng)用價值。
將上述試驗(yàn)結(jié)果與取得過代表系統(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)。
AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺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)時操作實(shí)時監(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。
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、電價設(shè)置，售電、退電、報(bào)警金額設(shè)置、分合閘操作等等。
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;支持自定義電價方案，單一電價、尖峰平谷電價、階梯電價等: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。
可以對已開戶的電表進(jìn)行遠(yuǎn)程充值，電費(fèi)實(shí)時下發(fā)到電表。電表會根據(jù)電度走字實(shí)時扣除電費(fèi)同時系統(tǒng)也支持早臺計(jì)費(fèi)，金額下發(fā)到系統(tǒng)賬戶，到賬快速穩(wěn)定。
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，時間跨度等不同維度統(tǒng)計(jì)水電費(fèi)收入情況，收入組成。
系統(tǒng)還提供了多個報(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，年三個不同維度查詢電表每個階段的用能情況。
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、電表控制、儀表設(shè)置、充值等，批量任務(wù)可以立即執(zhí)行，也可以定時執(zhí)行。
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。
某塊表為主表，然后分配關(guān)聯(lián)子表，系統(tǒng)每個月自動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。
按日期生成后付費(fèi)用戶周期用電費(fèi)用，對數(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。
用戶可以在微信小程序或者微信公眾號自助查詢電表使用情況以及繳費(fèi)。
針對取得過系統(tǒng)僅對電表數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作時存在的成本較高和耗時較長的問題，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、寫入與保存等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效抑制干擾因素的影響、降低電費(fèi)回收所用時間和電費(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)用價值與實(shí)用價值。
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