单相智能多用户远程预付费控系统优化设计

罗世刚

(国网甘肃省电力公司，甘肃 兰州 730030)

0 引言

在电力企业管理信息系统不断应用与普及的背景下，对多用户预付费智能管理的需求也在不断增加，尤其是电力企业目前使用的是远程抄表系统。如何将信息发布与开关控制进行有机的整合，实现多用户购售电信息的共享，正成为亟需解决的问题[1-2]。

现今常用的多用户远程预付费控系统主要为基于浏览器/服务器(browser/server，B/S)架构的多用户远程预付费控系统与基于代码式电能表的多用户远程预付费控系统。经市场调查研究发现，现有多用户远程预付费控系统中电能表子系统[3]具有极大的局限性，只能对电表数据进行读取操作，无法对用户远程抄表、预付费进行系统的控制，不能实现完整的电力信息控制，存在经济效益低下的问题。为了解决上述问题，对单相智能多用户远程预付费控系统优化设计进行研究。

1 系统优化设计

现有多用户远程预付费控系统的缺陷多存在于电能表子系统中。因此，选择电能表子系统作为优化对象。为了增加系统的智能性，设计新的单相智能预付费控电能表子系统，具体优化设计过程如下。

1.1 电能表子系统硬件设计

1.1.1 微控制器选取

微控制器[4]是电能表子系统的核心控制元件，功能为读取计量芯片电能数据、数据处理、计算脉冲计数、读取时间、电能数据显示与报警、通信以及远程传输等。微控制器性能的高低直接决定电能表功能的实现效果。为此，选取一款高性能的微控制器，对电能表子系统功能的实现具有至关重要的作用。

选取微控制器时需要考虑下述几个方面：一是功耗低[5]；二是具备串行通信接口；三是具有较大的存储空间；四是具备多个输入与输出接口；五是计数器功能强大；六是性价比高。结合上述，选取日本公司生产的78KO系列8位微控制器。78KO系列微控制器具备性价比高、功耗低、精度高等优势，广泛应用于汽车、电子、工业控制等领域。此次研究中，选取78KO527A微控制器作为电能表子系统的控制核心。78KO527A微控制器包含4组8位通用寄存器、1 KB的随机存取存储器(random access memory，RAM)、128 KB的只读存储器(read-only memory，ROM)、看门狗定时器、时钟输出控制器、单电源Flash存储器、低电压检测器、定时器等元件，具备按键中断功能[6]。微控制器功能引脚与外围电路如图1所示。

图1 微控制器功能引脚与外围电路图

1.1.2 电能计量芯片选取

在单相电能表中，广泛使用的是高精度的专用计量芯片。依据多用户远程预付费控系统需求，采用ATT7053A计量芯片[7]。ATT7053A实质上是一个具备串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)的单相多功能计量芯片，工作电压范围为3.0～3.6 V，晶振频率为5.53 MHz。电能计量芯片结构如图2所示。

图2 电能计量芯片结构图

ATT7053A电能计量芯片引脚功能表1所示。

表1 ATT7053A电能计量芯片引脚功能表

1.1.3 信号采样电路设计

电能表供电线路为220 V的高压线路，专用计量芯片处理的信号为一定范围内的电压与电流信号。为此，需要采样高精度的电压、电流信号，保障采样值在专用计量芯片信号处理的范围之内，确保电能表的正常运作。另外，需要完成专用计量芯片与电能表高压电力线路之间的电气隔离，以保障电能表的安全。

在实际应用中，常采用电压与电流互感器模拟并采集电压与电流信号。其中，电压互感器[8]是一个带有铁芯的变压器，由一次线圈、二次线圈、铁芯以及绝缘体构成。根据变压器原理可知，通过改变一次或者二次绕组的匝数，能够产生不同的电压比，即可构成不同比例的电压互感器。电压互感器的功能是将较高的电压值依据特定比例转换为较低的电压值。电流互感器[9]依据电磁原理构成，由绕组与闭合铁芯组成。相比之下，二次绕组匝数较多。当电流互感器工作时，绕组通过串接方式与测量仪表电路连接。电流互感器工作状态接近于短路，原因是二次回路在工作状态下始终闭合，在测量交变电流时，电流互感器功能为电气隔离与变流。

电压信号采样时，利用电压互感器分压的方式实现。电压信号采样后，采用电能专用计量芯片进行相关处理。电压信号采样电路如图3所示。

图3 电压信号采样电路图

利用电流互感器实现电流信号采样，将采集的电流信号通过两路差分输入信号端传输至电能专用计量芯片进行处理。

上述过程完成了电能表子系统的硬件设计。为实现多用户远程预付费的有效控制，需要设计电能表子系统软件。

1.2 电能表子系统软件设计

在系统硬件设计的基础上，进行单相智能预付费控电能表子系统软件设计，主要包括主程序、电能数据计量与处理程序以及用电数据存储程序设计，具体设计过程如下。

1.2.1 子系统主程序设计

电能表子系统主程序设计步骤如下所示。

①电能表子系统初始化。

②脉冲信号采集[10]。

③在时钟模块读取当前时刻，包括尖时刻、峰时刻、平时刻以及谷时刻。

④将上述采集的尖时刻、峰时刻、平时刻以及谷时刻电量进行累加。

⑤用户用电数据存储。

⑥显示用户用电数据。

⑦判断子系统是否收到通信命令，若收到通信命令，转至步骤⑧；若未收到通信命令，转至步骤②。

⑧执行通信模块，输出电能表处理结果。

图4为电能表子系统主程序设计流程。

图4 电能表子系统主程序设计流程图

上述过程完成了电能表子系统主程序的设计，为作电能数据计量与处理程序、数据存储程序的设计作准备[11]。

1.2.2 电能数据计量与处理程序设计

电能数据计量与处理是多用户远程预付费控系统的关键环节，功能为实时读取时钟读数[12]，实现用户电能的分时计量。以此为基础，实现存储用户电能表用电数据信息、判断剩余金额、电能报警以及预付费控制等功能。电能数据计量与处理程序中包括通信中断模块。该模块依据用户的剩余金额对用户供电情况进行控制。当剩余金额大于零时，保障用户的供电；若剩余金额较少时，提醒用户缴费；若剩余金额小于零时，继电器断开，切断该用户的供电[13]。当用户续交费用后，系统通过远程售电子系统，利用RS-486通信，下发允许合闸命令，恢复用户的供电。电能数据计量与处理程序如图5所示。

图5 电能数据计量与处理程序图

1.2.3 用电数据存储程序设计

在单相智能预付费控电能表子系统中，用户用电数据的存储是通过EEPROM[14-15]实现的。EEPROM能够保障在多种因素影响下，若发生掉电现象，存储的用电数据不会消失，并可以长时间保存。用电数据存储使用的是AT24C256芯片，存储器接收微控制器的数据读写命令，从而完成用电数据的存储写入。

用电数据存储程序步骤如下：

①启动I2C时序；

②下发读写地址；

③微控制器接收到存储器发出的确认信号；

④下发存储单元地址；

⑤微控制器接收到存储器发出的确认信号，停止信号时序。

通过上述硬件与软件的设计，完成了单相智能预付费控电能表子系统的设计，实现了单相智能多用户远程预付费控系统的优化，为电力企业提供更加有效的系统支撑。

2 仿真试验分析

为了验证优化系统的有效性与经济效益，设计仿真对比试验。试验中的对比系统为基于B/S架构的多用户远程预付费控系统(系统1)和基于代码式电能表的多用户远程预付费控系统与优化系统(系统2)。经济效益主要由电费催收成本决定。常规情况下，电费催收成本越小，表明系统的经济效益越好。试验硬件参数如表2所示。

表2 试验硬件参数

2.1 试验准备

为了保障仿真对比试验的顺利进行，首要的任务就是设置试验流程。试验流程如图6所示。

图6 试验流程图

依据图6所示的试验流程进行仿真对比试验。

2.2 电费回收所用时间对比

单相智能多用户远程预付费控系统可以极大地提升电力企业的工作效率，为相关单位提供一种全新的抄、催、收模式。试验以某一台区为对象，对比不同系统电费回收所用时间，电费回收所用时间计算公式为：

T=Tc+Th+Ts

(1)

式中：T为电费回收所用总时间；Tc为抄表所用时间；Th为核算所用时间；Ts为收费所用时间。

单相智能多用户远程预付费用控制系统在运行过程中会受到静电和快速瞬变脉冲群等干扰因素的影响。为了全面验证优化系统的性能，以上述两种干扰因素作为前提条件，进行对比验证。

①静电干扰。在设计智能电能表系统的过程中，由于使用了大量的电子元器件，因此在很大程度上受到静电的干扰。除此之外，智能电能表在使用的过程中，会通过手工接触产生静电。静电干扰下电费回收所用时间对比如图7所示。

图7 静电干扰下电费回收所用时间对比图

由图7可知，在不同静电数值下，优化系统的电费回收时间均低于系统1和系统2，说明该系统能够抵御静电干扰，有效降低电费回收所用时间。这是由于该系统在优化过程中，选取了220 V的高压线路，其能够保障采样值在专用计量芯片信号处理的范围之内，进而保障电能表的正常运作。

②快速瞬变脉冲群。在遇到恶劣天气时，电能表所处的供电线路极易产生瞬间的尖峰电压。除此之外，电网中的各种电力设备受各种因素影响会发生突发故障。针对上述故障进行电网系统维修时，同样会产生瞬时尖峰电压。在此条件下，对比不同系统的电费回收所用时间。瞬变脉冲干扰下电费回收所用时间对比结果如图8所示。

图8 瞬变脉冲干扰下电费回收所用时间对比图

由图8可知，与静电干扰相比，不同系统的瞬变脉冲干扰下电费回收所用时间均有所降低，但是优化系统的优势仍然十分明显，其所用时间最高值仅为44 s。通过不同条件下的电费回收所用时间对比结果可知，优化系统的应用效果更佳。

2.3 电费催收成本对比分析

为进一步验证该系统的实际应用效果，以电费催收成本作为对比指标，电费催收成本对比情况如表3所示。

表3 电费催收成本对比情况表

如表3所示，5次试验中，优化系统的电费催收成本均小于现有系统1和系统2，优化系统的电费催收成本最小值为98.9元，而系统1的电费催收成本最小值为118.9元，系统1的电费催收成本最小值为148.9元。这说明优化系统的经济效益价值最高，充分验证了该系统的应用价值。

将上述试验结果与现有代表系统相比较，优化系统的电费催收成本与电费回收所用时间较低。这充分说明优化单相智能多用户远程预付费控系统经济效益较高，可以为电力企业带来更高的利润，也可以为用户提供更加优质的服务。

3 结论

针对现有系统仅对电表数据进行读取操作时存在的成本较高和耗时较长的问题，提出单相智能多用户远程预付费控系统优化设计方法。微控制器实现读取计量芯片电能数据、数据处理、计算脉冲计数等功能。通过220 V的高压线路保障采样值在专用计量芯片信号处理的范围之内，实现电能表的正常运作。在此基础上，通过系统软件设计，实现用电数据的存储、写入与保存等功能。试验结果表明，该系统能够有效抑制干扰因素的影响、降低电费回收所用时间和电费催收成本、提升单相智能多用户远程预付费控系统应用性能，具有较高的应用价值与实用价值。