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设计与应用
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方案,并对实
际使用中可能出现的问题进行了深入的探讨,对存贮介质及加密方法
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...
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,对存贮介质及加密方法
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,
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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.
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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
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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,而且评价不错.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,
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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
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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、时钟检测等自检信息
●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
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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
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
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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.
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