基于RFID的預付費電能表管理系統的設計

　　預付費電能表采用“客戶先購電，后用電”的電力營銷模式，凸現了電量的商品屬性，能有效地解決目前供電部門普遍存在的“收費難”問題。電力部門對企業和居民生活用電的計量計費是電力市場管理的基本任務，而傳統的先用電后付費方式導致電費拖欠是長期困擾電力部門的難題。預付費電表及其管理系統提供了解決這一問題的技術手段，能有效降低供電管理成本，提升管理水平，確保電能計量準確可靠。                                    

1預付費電能表管理系統的硬件設計   

1.1系統的構成   

　　基于RFID的預付費電能表管理系統屬于由上位機(預付費電能表管理系統)和下位機(基于RFID的單相電能表)構成的主從式結構。管理系統采用微機對上傳的數據進行顯示、分析和管理，電能表采用單片機系統對現場數據進行采集、計量和對用戶負載進行監控，用射頻卡作為二者之間進行信息交換的載體。基于RFID的預付費售電系統主要由三個部分構成：基于RFID的單相電能表、智能讀卡器、預付費電能表管理系統。系統構成如圖1所示。   

1.2系統的工作原理   

　　本系統介紹的電子式預付費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數來計算所消耗的電量。首先在銷售管理系統中建立用戶基本檔案信息，發行管理卡并充值，用戶將已充值的管理卡放在RFID預付費電能表感應區內，電能表讀取卡中數據，解密并判斷數據的有效性。MCU通過射頻芯片讀取卡的金額，將其存儲E2PROM，同時此卡清零。電能表將通過LCD顯示來提醒用戶充值成功。若數據有效則開啟電能表繼電器，允許用戶用電。同時，電能表將會自動把表記的當前工作狀態、運行狀態等數據寫入到用戶卡中。當用戶持卡再次充值時，管理部門能夠記錄用戶表的運行信息，以便監測用戶的使用情況。當用戶剩余電量用盡時，RFID預付費電能表將自動跳開繼電器，切斷電源，直到用戶持卡充值并重新刷卡后才能繼續恢復使用。   

　　射頻卡式預付費電能表管理系統通過信息載體－射頻卡，實現信息的雙向傳遞，電能表用戶與預付費管理系統之間通過射頻卡建立聯系，實現電能使用的預付費管理。預付費電能表通過繼電器的開關動作，以達到管理用戶預付費用電的目的。

   

圖1 基于RFID的預付費電能表管理系統構成圖    

2 預付費電能表管理系統軟件設計   

2.1 軟件系統結構設計   

基于RFID的預付費電能表管理系統，采用了Microsoft Visual Studio.NET開發平臺和 SQL Server數據庫以及串口通信技術，能夠對區域內所有用戶的用電情況進行現代化管理，方便了用戶購電。該預付費系統兼有預付費售電以及電能表運行監測功能包括系統維護、員工信息管理、用電分析、售電業務管理、報表打印、用戶信息管理六項功能。如圖2所示。   

 

圖2 系統功能結構圖   

2.1.1員工信息管理   

　　員工信息管理是指在系統初始化過程中，每一個系統操作員必須填入一些基本信息，如：姓名、性別、出生年月、聯系電話、操作權限等。員工信息管理可以幫助用電管理部門對系統操作員進行更高效的管理，員工信息管理將記錄所有登陸或使用本系統的時間與權限，便于用點管理部門及時掌握所轄小區內員工的工作情況，這樣的設計將能夠有效的保證所有的售電記錄有據可查。   

2.1.2用戶信息管理   

　　在本系統中，每塊電能表對應唯一的射頻卡。當安裝一塊電能表時，先定義客戶相關信息，客戶信息包括客戶姓名、地址、聯系電話以及用電類型等，然后在客戶信息的基礎上定義電能表信息資料，包括電能表型號、類型資產號以及電能表相關參數等；最后確定由哪個區域所管理。首先由售電點的工作人員對客戶信息進行核對，將以上信息填入數據庫，并給每個用戶分配唯一用戶號，并且將電能表號寫入射頻卡。系統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、客戶間的關系，用電監察人員方便快捷確定監測目標。   

2.1.3 用電分析   

　　用電分析功能主要包括以下兩個方面，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慣、充值周期，從而對用戶進行分組管理。基于RFID的預付費電能表具有強大的存儲功能，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 存儲器存儲，掉電后數據也不會丟失。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荷曲線構成，其中事件記錄包括系統事件、故障事件等，負荷曲線包括有功、無功電量、電流、電壓等。電能表監測是在電能表數據獲取之后，對數據進行當前快速的分析。它可以監測到設定的電能表在某一時間中所發生的事件。所謂事件記錄，就是多功能電能表某些參數出現異常時，記錄下發生異常狀況的時間以及當時電能表的狀態，以備分析異常原因和追補電量并且能夠判斷有沒有竊電行為的發生。   

2.1.4系統維護   

　　系統維護包括以下五項具體功能：數據庫恢復、數據庫備份、售電記錄維護、用戶信息維護以及系統密鑰更新。售電點可以將營業記錄、用戶個人信息記錄、電表監測記錄分開保存，以實現系統管理的規范化。為了進一步提高系統的安全性，在系統設計與開發過程中加入了密鑰更新功能，對用戶的充值密鑰進行定期升級與維護。   

2.1.5售電業務管理   

　　售電業務管理主要包括兩個方面，購電統計查詢以及購電交易。購電統計查詢是根據   

　　射頻卡上用戶號對電能表信息、用戶信息、用電監察情況以及用電分析結果進行查詢。如查詢所有異常情況、按電能表進行查詢或按時間進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的信息數據。   

2.1.6報表輸出   

　　電能表監測系統能夠按照用戶的要求定制相應的報表。用戶根據需要將相關的信息數據進行報表輸出，按文件的形式進行存檔。 


2.2  管理系統操作界面 

　　本系統的操作界面分成三種：登陸管理界面、系統初始化主界面和售電操作主界面。在系統的運行時，首先進入登陸管理界面，根據員工所屬的權限級別決定下一步完成的操作。如果員工權限為超級管理員則可進入系統初始化界面，對整個系統進行初始化設置；如果員工的權限為管理員或操作員，則直接進入售電操作主界面，完成系統的售電操作。 

2.2.1 登陸管理界面 

　　登錄框是對系統的安全級別的一個控制，判斷限制了用戶對系統的使用權限。根據系統的權限定義，對使用系統的人員分三級權限管理，超級管理員、管理員、操作員。 

2.2.2 系統初始化主界面 

　　初次使用本系統時，可以由超級管理員通過本界面對系統進行初始化設置。初始化設置主要分為三個方面：員工權限劃分、用戶類型劃分、密鑰管理。員工權限劃分是以營業網點分類管理員工，對員工個人信息、操作權限等設置進行修改操作。用戶類型劃分是將用戶按照所屬的營業點進行分區編號，同時根據用戶選擇系統費率模式不同，從而定義費率單價。此外，為了防值囤電行為的發生，系統還設計了靈活可變的充值有效期設置，在保證用戶利益的同時有效的維護了用電管理部門的經濟利益。密鑰管理是對系統初始密鑰進行設置，方便的控制管理系統密鑰的更新查詢。 

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入系統，則會自動轉入以下界面，根據用戶的不同需求，系統可以完成開戶注冊、售電充值、用戶注銷、購電記錄查詢、電表信息查詢、補辦新卡等操作。 

2.3 管理系統串口通信軟件設計 

　　基于RFID的預付費電能表管理系統兼有預付費售電和電能表管理兩種功能，因此系統的通信模塊也分成了兩大部分，一部分是遵循DLMS/COSEM通信規約的電能表監測通信模塊，主要指管理系統通過紅外光電接口與電能表進行信息交互，另一部分是遵循STS預付費售電管理協議的通信模塊，主要用于售電系統上位機與射頻卡之間的通信。 

2.3.1電能表監測通信軟件設計 

　　RF射頻卡式預付費電能表在安裝時，廠家使用智能終端編號器編輯每臺計量表號。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備進行修改。為了保證表號的唯一性，表號由11個十進制字組成范00000000000~99999999999。數據通信采用的方式為應答方式，即由管理系統上位機對某個計量表終端發送一個指令，該終端就返回一組數據，通信協議是基于DLMS/COSEM的。通信的流程如圖3所示。 

圖3 電能表監測通信程序流程圖          



 圖4 預付費售電通信流程圖 

2.3.2 預付費售電通信軟件設計 

　　預付費售電通信模塊主要包括三個部分，包括計算機、射頻卡讀卡器和射頻卡。依據射頻卡的工作原理，射頻卡內數據的寫入或讀出都是有讀卡器向其發送電磁波，產生電磁能量而完成的。計算機與射頻卡之間的數據交換是以射頻卡讀卡器為中間媒介的，讀卡器將射頻卡內的數據信息讀出，然后通過RS-232接口送入計算機，同時上位機通過讀卡器將數據信息寫入射頻卡。如圖4所示，首先打開計算機串口并配制通信參數，然后根據預先制定的通信規則向讀卡器發送握手命令，并執行讀卡操作，將射頻卡內數據存在緩沖區內，接著判斷數據標志位是否正確，以證明卡內數據來源于電能表，如果標志位正確則進行下一步操作。提取讀回的用戶號并以此判斷該用戶所屬類型，從系統密鑰數據庫中提取密鑰對數據進行解密、分析、歸檔。通過從射頻卡讀回的信息進一步判斷電能表工作是否正常，若電能表工作異常則發出系統提示。若沒有出現異常情況則可以由系統操作員完成各項售電操作。 

4總結 

　　本文作者創新點是設計了一種符合STS國際標準的預付費電能表管理系統，并將DLMS通信協議應用于電能表檢測模塊，本項設計未見國內未見同類報道；其次基于RFID的電能表預付費管理系統是建立在.NET平臺上的集面向對象的程序設計技術、電能計量技術、軟件可靠性設計技術等高新技術為一體的新型電能表管理系統，具有功能全面、硬件結構簡單、用戶修改和擴充軟件方便、操作界面友好、可視性與可讀性強等優點。基于RFID的電能表預付費管理系統還簡化了傳統IC卡式電能表的售電操作，大大提高了系統工作效率。該項目實施一年以來，創造經濟效益200多萬元。 

參考文獻 

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