单相预付费分时电能表的设计与应用

单相预付费分时电能表的与应用 搞要：本文提出单相预付费分时电能表的可行性，并分析了其应用前 景.同时，本文还给出一种单相预付费分时电能表的实现，并对实 际使用中可能出现的问题进行了深入的探讨，对存贮介质及加密 的优缺点进行了比较. 关键词：电能表，复费率，预付费，加密 一、引言 分时表和预付费电能表由于各自的优点，现在已经广泛地被用户接 受. 预付费电能表采用先购电再用电，到零断电的模式，解决了以往收电 费难的问题.并且，由于电能表带有断电装置，可以实现一些辅助功能， 如负荷控制、过流保护等等.并且使用预付费电能表后，可以方便地实 现增容. 现有的预付费电表一般采用存贮媒介来传递信息，用户将购电信息输 入电表的同时可以将电表内的用电信息读入存贮媒介传回售电部门， 供电部门可以对传回的用电信息及时进出口行分析和统计. 分时电能表优点在于实施了峰谷电价，对于消费者而言能够享受到电 价优惠政策，得到实实在在的实惠.对于供电部门来说，分时表能够起 到一定的削峰填谷的作用，起到优化电网的效果，对于目前电力紧张 的现状而言，其意义不言而喻.而且一定程度上，实施峰谷电价以后， 鼓励谷段用电，增加了谷段的用电量，也增加了电力部门的营业收入. 另外，分时表一般均有带有 RS485接口或红外通讯接口，便于组网， 第 1 页 共 8 页 适合集中抄表. 目前，预付费电能表在北方一些地区使用较为广泛，而分时表在华东 地区及一些南方地区使用得较多.特别是上海市、江苏省等地区已经大 规模使用，在去年电力紧张的时刻已经发挥了一定的作用. 二、预付费分时表的可行性 分时表和预付费电能表均是适应市场需求的产品，并且在相应的时 期起到了其应有作用. 当前，市场有对预付费分时表的需求.目前，全国上下普遍存在电力紧 张的局面，尤其在经济发达的沿海地区和大中城市情况更是严重，特 别是在去年的用电高峰期，电力部门不得不频繁拉闸限电.现在的一般 做法是要求企业避峰，保证居民用电.对企业均实行分时计费的方式， 并且强制要求企业加装负荷控制设备，控制其高峰负荷，保证电网安 全.但对于居民用电目前还无法控制到户，但另一方面，居民用电量正 逐年增加成上升之势.如果采用预付费分时电表则可以解决上述问题. 预付费分时电表一方面利用分时电价鼓励用户让峰，另一方面可以给 电表设定负荷上限值，强制限定其用电高峰时的负荷，达到控制电网 负荷的目的，保证整个电网的良好运行. 对于已经使用预付费电表的地区，现在要推广使用分时计价方案， 只有选择预付费分时电能表.预付费分时电表在继承了以往预付费电表 的使用方式和优点的基础上，又增加了分时计费的功能，将预付费和 分时计费合二为一.用户从自身的利益出发还是愿意接受的.从以往推 广分时电表的经验来看，主动要求实施分时计费的用户非常多. 第 2 页 共 8 页 此外，从技术角度出发，预付费分时计费功能并不难实现.目前，分 时电能表和预付费电能表均有比较成熟的技术方案.将两者进行有选择 性的整合，就可实现预付费分时电能表的方案.一些两者共有的部分可 原样保留下来，如 CPU、计量部分、存贮器等；另外一些部分需要加 以改进，如显示器部分，电源部分等等；还有一部分各自均需保留， 如 IC卡的读写卡座、继电器控制、时钟部分以及温度补偿部分等等. 从硬件成本上考虑，预付费分时电能表要比单纯的预付费加分时表的 成本低得多，因为有许多共用部分.在软件处理上，预付费分时表会复 杂一些.需要实现两种电能表的功能，并且增加了数据量，对于数据的 存贮和保护难度相应增加.但是，只要经过仔细的编排，就完全可以实 现预付费分时电能表的功能. 从上面的分析可以看出.预付费分时电能表正是时下供电部分的需 求，而且用户又能够主观接受，并且在技术上也是可以实现，因此， 研制和推广这种电能表完全是可行的，并且必将受到各方的青睐. 三、预付费分时表的设计 设计预付费分时电能表时，既要考虑到分时表的特点，又要考虑到 预付费表的特点.在设计过程中不仅要注重整机功能的可靠实现，更要 将电磁兼容性能设计放在首位. 这里给出一种预付费分时电能表的方案，并给出关键元器件的选择. 其主要由计量单元部分、显示部分、通讯部分、主处理单元部分和接 口部分以及电源部分等单元组成.组成框图见附图 1. 计量单元采用传统的专用计量芯片 ADE7755，采用独立的电源供电.A 第 3 页 共 8 页 DE7755是美国 AD公司比较成熟的单相计量专用芯片.目前已在单相 电子表内广泛应用，而且不错.由 ADE775向 CPU提供电量脉冲信 号和电流方向信号. 显示单元采用 LED专用屏显示.一方面考虑到目前使用预付费电能 表的用户集中在北方地区，冬天气温较低，如采用 LCD显示屏，工作 温度范围较难达到要求；另一方面，LED显示不需要特别的驱动电路， 成本上占有一定优势.而且，一般单相电能表的安装使环境亮度较暗， LCD屏在没有背光的情况下，亮度不够，而 LED屏则没有这些问题. 如在 LCD屏加装背光，则成本受限制. 通讯部分主要包括RS485和红外两个部分.RS485部分采用隔离电源 独立供电.485芯片采用美国 TI公司的 3082芯片.红外通讯部分采用美 国德律风根的红外收发管组件. 主处理单元是电表的核心，所有的工作都是由它来完成的.本方案中， 第 4 页 共 8 页 CPU采用美国Motorla公司的最新MC68HC908系列单片机作为主处 理芯片.它功能强大、指令灵活，最重要的是它的电磁兼容性优越，令 整机的性能大大提高.时钟芯片采用日本 EPSON公司的 R8025，此款 芯片带有温度补偿很难达到要求.最近，浙江省电力工业局于 2004年 0 2月 25日印发了一份《关于公布居民分时电能表钟温度特性抽测结果 的通知》，《通知》中明确指出 11种采用温度补偿的电表通过测试， 而 3种未采用温度补偿的电表全部超出要求范围，并建议居民分时电 表加装温度补偿电路.存贮电路采用铁电存贮器，此种 EEPROM存取 速度快，功耗低，适用于大数据量的存取场合.而且可缩短数据由电卡 到存贮器的读写时间，一定程序上起到防止插拔卡过快的作用. 接口部分主要包括 IC卡接口、计量脉冲输出接口、秒信号输出接口、 RS485通讯接口等.接口部分一般均可直接接触，最容易受到攻击，因 此应当重点加保护路，并与处理单元隔离. 电源部分采用线性电源，分三组输出并互相隔离，分别供给计量单元、 主处理单元和 RS485通讯单元使用.电源输入回路除了加一般的磁珠、 电容等保护措施外，串接热敏电阻以保证高压时电表达式不被损坏. 电表的工作原理是这样的：计量芯片 ADE7755根据电压、电流输入 信号生产电能量脉冲信号和电流方向信号送给 CPU进行处理.CPU对 电量脉冲进行累计，计算出冲电量并存贮，同时根据当前费率对剩余 购电进行减法处理，并判断是否告警或断电.CPU不断读时钟，并决定 当前运行的费率；同时，定期读取温度传感器的当前温度参数，并依 据当前温度对实时时钟的温度补偿系数进行调整.另外，CPU还监测 R 第 5 页 共 8 页 S485和红外通讯信号，接收或响应命令，进行串行通讯.另外电表还监 测继电器状态和电池电压、功率等参数，对非正常状态告警和记录. 预付费分时表的主要具有以下一些功能： ●累计总电量的及分时电量，反向电量及过零电量 ●按照预定费率对购电量进行减法处理 ●最多可设定 3个费率 10时段，时段可跨越 00：00 ●可通过 IC卡接口或串行通讯接口修改费率时段等电表参数 ●对于不同费率可设定不同功率上限值，超负荷自动断闸，在设定时 间后自动合闸或插卡合闸 ●可设定超负荷次数限定，超负荷超过设定次数将不允许用电，提请 用电增容 ●记录最大负荷及其发生时刻 ●可设定两级告警门限，告警间隔可设置 ●允许用户设定或取消预装电量和最大赊欠电量 ●可以设定用户的最大购电量，防止用户囤积电量 ●有超负荷记录、继电器异常记录、异常插卡记录以及反向用电等事 件的发生次数和发生时间 ●有电池电压、继电器状态、EEPROM检查、时钟等自检信息 ●可设置允许或禁止通过 RS485对电表进行合闸、断闸处理 ●可设置允许或禁止通过 RS485下发购电数据 四、预付费分时表的一些使作问题 预付费分时表在使用中有一些问题值得探讨，如果有些问题处理不 第 6 页 共 8 页 好会给使造成不方便或留下隐患. 首先是数据安全问题.包括加密，即如何防止被解密，防止非法人侵 和合法入侵，还包括售电软件的数据库安全等等.国家标准 GB/T18460. 2-2001《IC卡预付费倍电系统第 2部分：IC卡及其管理》中对数据安 全及密钥管理、密钥验证有明确规定.这里要提到是 IC卡加密问题，因 为卡在用户手中，失密的可能性相对大一些.现在常用的 IC卡有普遍存 贮卡、逻辑加密卡和 CPU智能卡等.普能存贮卡上的数据读写不受限 制，加密主要靠加密算法进行保护，一旦算法被解，数据就会被解密. 逻辑加密卡一般均有自锁功能，一定次数的非法访问后卡将会禁止修 改或读出数据，安全性相对较高，但容易因误操作产生报废卡片.CPU 智能卡的安全性最高，必须有极严格的密码验证过程才能访问数据， 但其价格也相对高一些.综合比较而言，采用加密逻辑卡比较适合预付 费分时表，靠逻 辑密码进行第一层保护，再用加密算法对数据进行加 密处理. 购电信息传递过程中，有一个很实际的问题就是下传购电量还是下 传购电金额.以往预付费电表两者均可行，其中使作电量传递信息的很 多，但在预付费分时表中购电量不太实用.因为预付费分时表有多种费 率，每种费率均要有购电量，增加了数据量，而且各种费率的购电量 如何分配也是问题，有可能出现用户尚有购电量但由于费率不一致不 能用电的情况，而且如遇电价调整，以前的所购电量不能相应调整.如 采用传递购电金额加电价单价的办法，则不存在这些问题. IC卡在使用中很容易受到静电和潮湿腐蚀等侵害，并要考虑到意外 第 7 页 共 8 页 折断的情况.现在有的地方采用异型卡加保护套的方法，不仅可以保护 IC卡，还能防止插错方向等情况，值得提倡. 五、结束语 预付费分时电能表作为一个新产品目前还滑得到广泛应用，但因其 自身的优势，必将会赢得市场. 目前一些有远见的公司已开始了预付费分时表的研发和生产，并开始 小规模的应用.相信在不久的将来，当预付费分时表大量应用时，这些 公司也将成为业界领跑者并从中获益. 第 8 页 共 8 页