單相智能多用戶遠程預付費控系統優化設計

羅世剛

(國網甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

在電力企業管理信息系統不斷應用與普及的背景下，對多用戶預付費智能管理的需求也在不斷增加，尤其是電力企業目前使用的是遠程抄表系統。如何將信息發布與開關控制進行有機的整合，實現多用戶購售電信息的共享，正成為亟需解決的問題[1-2]。

現今常用的多用戶遠程預付費控系統主要為基于瀏覽器/服務器(browser/server，B/S)架構的多用戶遠程預付費控系統與基于代碼式電能表的多用戶遠程預付費控系統。經市場調查研究發現，現有多用戶遠程預付費控系統中電能表子系統[3]具有極大的局限性，只能對電表數據進行讀取操作，無法對用戶遠程抄表、預付費進行系統的控制，不能實現完整的電力信息控制，存在經濟效益低下的問題。為了解決上述問題，對單相智能多用戶遠程預付費控系統優化設計進行研究。

1 系統優化設計

現有多用戶遠程預付費控系統的缺陷多存在于電能表子系統中。因此，選擇電能表子系統作為優化對象。為了增加系統的智能性，設計新的單相智能預付費控電能表子系統，具體優化設計過程如下。

1.1 電能表子系統硬件設計

1.1.1 微控制器選取

微控制器[4]是電能表子系統的核心控制元件，功能為讀取計量芯片電能數據、數據處理、計算脈沖計數、讀取時間、電能數據顯示與報警、通信以及遠程傳輸等。微控制器性能的高低直接決定電能表功能的實現效果。為此，選取一款高性能的微控制器，對電能表子系統功能的實現具有至關重要的作用。

選取微控制器時需要考慮下述幾個方面：一是功耗低[5]；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；五是計數器功能強大；六是性價比高。結合上述，選取日本公司生產的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、精度高等優勢，廣泛應用于汽車、電子、工業控制等領域。此次研究中，選取78KO527A微控制器作為電能表子系統的控制核心。78KO527A微控制器包含4組8位通用寄存器、1 KB的隨機存取存儲器(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[6]。微控制器功能引腳與外圍電路如圖1所示。

圖1 微控制器功能引腳與外圍電路圖

1.1.2 電能計量芯片選取

在單相電能表中，廣泛使用的是高精度的專用計量芯片。依據多用戶遠程預付費控系統需求，采用ATT7053A計量芯片[7]。ATT7053A實質上是一個具備串行外設接口(serial peripheral interface，SPI)的單相多功能計量芯片，工作電壓范圍為3.0～3.6 V，晶振頻率為5.53 MHz。電能計量芯片結構如圖2所示。

圖2 電能計量芯片結構圖

ATT7053A電能計量芯片引腳功能表1所示。

表1 ATT7053A電能計量芯片引腳功能表

1.1.3 信號采樣電路設計

電能表供電線路為220 V的高壓線路，專用計量芯片處理的信號為一定范圍內的電壓與電流信號。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量芯片信號處理的范圍之內，確保電能表的正常運作。另外，需要完成專用計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。

在實際應用中，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[8]是一個帶有鐵芯的變壓器，由一次線圈、二次線圈、鐵芯以及絕緣體構成。根據變壓器原理可知，通過改變一次或者二次繞組的匝數，能夠產生不同的電壓比，即可構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特定比例轉換為較低的電壓值。電流互感器[9]依據電磁原理構成，由繞組與閉合鐵芯組成。相比之下，二次繞組匝數較多。當電流互感器工作時，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接近于短路，原因是二次回路在工作狀態下始終閉合，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現。電壓信號采樣后，采用電能專用計量芯片進行相關處理。電壓信號采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓信號采樣電路圖

利用電流互感器實現電流信號采樣，將采集的電流信號通過兩路差分輸入信號端傳輸至電能專用計量芯片進行處理。

上述過程完成了電能表子系統的硬件設計。為實現多用戶遠程預付費的有效控制，需要設計電能表子系統軟件。

1.2 電能表子系統軟件設計

在系統硬件設計的基礎上，進行單相智能預付費控電能表子系統軟件設計，主要包括主程序、電能數據計量與處理程序以及用電數據存儲程序設計，具體設計過程如下。

1.2.1 子系統主程序設計

電能表子系統主程序設計步驟如下所示。

①電能表子系統初始化。

②脈沖信號采集[10]。

③在時鐘模塊讀取當前時刻，包括尖時刻、峰時刻、平時刻以及谷時刻。

④將上述采集的尖時刻、峰時刻、平時刻以及谷時刻電量進行累加。

⑤用戶用電數據存儲。

⑥顯示用戶用電數據。

⑦判斷子系統是否收到通信命令，若收到通信命令，轉至步驟⑧；若未收到通信命令，轉至步驟②。

⑧執行通信模塊，輸出電能表處理結果。

圖4為電能表子系統主程序設計流程。

圖4 電能表子系統主程序設計流程圖

上述過程完成了電能表子系統主程序的設計，為作電能數據計量與處理程序、數據存儲程序的設計作準備[11]。

1.2.2 電能數據計量與處理程序設計

電能數據計量與處理是多用戶遠程預付費控系統的關鍵環節，功能為實時讀取時鐘讀數[12]，實現用戶電能的分時計量。以此為基礎，實現存儲用戶電能表用電數據信息、判斷剩余金額、電能報警以及預付費控制等功能。電能數據計量與處理程序中包括通信中斷模塊。該模塊依據用戶的剩余金額對用戶供電情況進行控制。當剩余金額大于零時，保障用戶的供電；若剩余金額較少時，提醒用戶繳費；若剩余金額小于零時，繼電器斷開，切斷該用戶的供電[13]。當用戶續交費用后，系統通過遠程售電子系統，利用RS-486通信，下發允許合閘命令，恢復用戶的供電。電能數據計量與處理程序如圖5所示。

圖5 電能數據計量與處理程序圖

1.2.3 用電數據存儲程序設計

在單相智能預付費控電能表子系統中，用戶用電數據的存儲是通過EEPROM[14-15]實現的。EEPROM能夠保障在多種因素影響下，若發生掉電現象，存儲的用電數據不會消失，并可以長時間保存。用電數據存儲使用的是AT24C256芯片，存儲器接收微控制器的數據讀寫命令，從而完成用電數據的存儲寫入。

用電數據存儲程序步驟如下：

①啟動I2C時序；

②下發讀寫地址；

③微控制器接收到存儲器發出的確認信號；

④下發存儲單元地址；

⑤微控制器接收到存儲器發出的確認信號，停止信號時序。

通過上述硬件與軟件的設計，完成了單相智能預付費控電能表子系統的設計，實現了單相智能多用戶遠程預付費控系統的優化，為電力企業提供更加有效的系統支撐。

2 仿真試驗分析

為了驗證優化系統的有效性與經濟效益，設計仿真對比試驗。試驗中的對比系統為基于B/S架構的多用戶遠程預付費控系統(系統1)和基于代碼式電能表的多用戶遠程預付費控系統與優化系統(系統2)。經濟效益主要由電費催收成本決定。常規情況下，電費催收成本越小，表明系統的經濟效益越好。試驗硬件參數如表2所示。

表2 試驗硬件參數

2.1 試驗準備

為了保障仿真對比試驗的順利進行，首要的任務就是設置試驗流程。試驗流程如圖6所示。

圖6 試驗流程圖

依據圖6所示的試驗流程進行仿真對比試驗。

2.2 電費回收所用時間對比

單相智能多用戶遠程預付費控系統可以極大地提升電力企業的工作效率，為相關單位提供一種全新的抄、催、收模式。試驗以某一臺區為對象，對比不同系統電費回收所用時間，電費回收所用時間計算公式為：

T=Tc+Th+Ts

(1)

式中：T為電費回收所用總時間；Tc為抄表所用時間；Th為核算所用時間；Ts為收費所用時間。

單相智能多用戶遠程預付費用控制系統在運行過程中會受到靜電和快速瞬變脈沖群等干擾因素的影響。為了全面驗證優化系統的性能，以上述兩種干擾因素作為前提條件，進行對比驗證。

①靜電干擾。在設計智能電能表系統的過程中，由于使用了大量的電子元器件，因此在很大程度上受到靜電的干擾。除此之外，智能電能表在使用的過程中，會通過手工接觸產生靜電。靜電干擾下電費回收所用時間對比如圖7所示。

圖7 靜電干擾下電費回收所用時間對比圖

由圖7可知，在不同靜電數值下，優化系統的電費回收時間均低于系統1和系統2，說明該系統能夠抵御靜電干擾，有效降低電費回收所用時間。這是由于該系統在優化過程中，選取了220 V的高壓線路，其能夠保障采樣值在專用計量芯片信號處理的范圍之內，進而保障電能表的正常運作。

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生瞬間的尖峰電壓。除此之外，電網中的各種電力設備受各種因素影響會發生突發故障。針對上述故障進行電網系統維修時，同樣會產生瞬時尖峰電壓。在此條件下，對比不同系統的電費回收所用時間。瞬變脈沖干擾下電費回收所用時間對比結果如圖8所示。

圖8 瞬變脈沖干擾下電費回收所用時間對比圖

由圖8可知，與靜電干擾相比，不同系統的瞬變脈沖干擾下電費回收所用時間均有所降低，但是優化系統的優勢仍然十分明顯，其所用時間最高值僅為44 s。通過不同條件下的電費回收所用時間對比結果可知，優化系統的應用效果更佳。

2.3 電費催收成本對比分析

為進一步驗證該系統的實際應用效果，以電費催收成本作為對比指標，電費催收成本對比情況如表3所示。

表3 電費催收成本對比情況表

如表3所示，5次試驗中，優化系統的電費催收成本均小于現有系統1和系統2，優化系統的電費催收成本最小值為98.9元，而系統1的電費催收成本最小值為118.9元，系統1的電費催收成本最小值為148.9元。這說明優化系統的經濟效益價值最高，充分驗證了該系統的應用價值。

將上述試驗結果與現有代表系統相比較，優化系統的電費催收成本與電費回收所用時間較低。這充分說明優化單相智能多用戶遠程預付費控系統經濟效益較高，可以為電力企業帶來更高的利潤，也可以為用戶提供更加優質的服務。

3 結論

針對現有系統僅對電表數據進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程預付費控系統優化設計方法。微控制器實現讀取計量芯片電能數據、數據處理、計算脈沖計數等功能。通過220 V的高壓線路保障采樣值在專用計量芯片信號處理的范圍之內，實現電能表的正常運作。在此基礎上，通過系統軟件設計，實現用電數據的存儲、寫入與保存等功能。試驗結果表明，該系統能夠有效抑制干擾因素的影響、降低電費回收所用時間和電費催收成本、提升單相智能多用戶遠程預付費控系統應用性能，具有較高的應用價值與實用價值。