本文主要是介绍预付费多用户电能管理系统的设计与应用，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
【摘要】：该设计解决了IC卡预付费电能表存在的问题，同时继承了先购电后用电的管理模式。电力部门的管理微机通过RS485网络对电能表进行管理，以防止用户窃电；选用射频卡作为用户卡以解决IC卡易被污染和损坏的问题。
【关键词】：IC卡预付费电能表；RS485网络：射频卡
0 引言
IC卡预付费电能表采用先购电后用电的管理模式，在一定程度上解决了电力部门收取电费难的问题。然而IC卡预付费电能表存在很大的问题，首先是由于电力部门缺乏对IC卡电能表用户的监管，当IC卡被破密后，很难发现和查处，导至国家损失大量的电费；其次IC卡易被污染和损坏等。
本设计的主要目的就是为了解决IC卡预付费电能表的存在的问题，同时继承了先购电后用电的管理模式。电力部门的管理微机通过RS485网络对电能表进行管理，以防止用户窃电；选用射频卡作为用户卡以解决IC卡易被污染和损坏的问题。
1 电能表管理系统
为了降低成本，管理微机既作为电能表用电管理上位机，同时还和发卡机一起完成发卡任务。电能表管理系统如图1所示。
图1电能表管理系统图
管理微机与发卡机通过COM1来实现通信，采用RS232C通信接口标准。管理微机与电能表通过COM2来实现通信，采用RS485通信接口标准。
发卡机具备射频卡读写功能。其主要作用是读写射频卡，与管理微机一起实现用户的开户、交费、注销、电量查询等功能。
2 基于射频识别技术的电能表其主要的工作原理
- 用户用电前需要先到电力管理部门购买射频卡和预交电费，由管理部门把用户的信息及购电量录入管理微机并由发卡机写入射频卡。
- 当用户持有效射频卡掠过电能表时，电能表内的读写模块首先对射频卡进行验证，通过验证后读取射频卡的信息，当卡内电费充足时为用户供电，同时把用户信息写入EEPROM，且电能表开始计量用电量。
- 电能表采用递加计量的方式，用电量存储在EEPROM中，且用电量每增1度存储器存储一次。电能计量精度为0.01度。
- 管理微机采用RS485串行通信接口标准定时向网络上的各个电表采集用电数据，用电数据经管理微机处理后列出两个名单(电量小于10度的黄名单与电量为0的黑名单)向网络中的电能表广播。电能表在确认用户卡上了黄名单后声音与指示灯报警，提醒用户及时充值，但电能表继续为用户供电；电能表在确认用户卡上了黑名单后，声音与指示灯报警，且停止为该用户供电，退出该用户卡，电能表处于待机状态。
- 用户想终止用电，只需将射频卡再次靠近电能表，电能表再次读取射频卡内的信息，把卡内电量减去本次用电量，且把运算结果回写射频卡内。同时电能表断开继电器，停止为该用户供电。
- 电能表在为某用户供电过程中，其它射频卡则不能刷卡用电，只有在电能表待机时才能接受另一用户卡的刷卡。由于有效读卡距离仅为lOOmm左右，因此当有卡路过某电能表时，卡与电能表距离较远不会触发电能表。
- 一张卡可以在不同的电能表中使用，且可以在多个电能表上同时使用。
- 在用电过程中如出现断电，通过备用电池将用户本次用电量存入EEPROM中。来电后，电能表继续为该用户供电。如用户不想下次来电后继续供电，只需将射频卡再次靠近电能表，取消供电，来电后电能表将处于待机状态。
3 电能表系统硬件构成
电能表硬件结构如图2所示，整个系统由七大部分组成：射频卡读写模块、电能计量模块、存储器模块、通讯模块、显示模块、电源模块以及继电器和声光报警等。系统采用模块化设计思想，以MCU为核心，将其他模块有机的整合在一起，形成一个统一的系统。以下各节是系统各部分的具体设计方案。
图2系统结构方框图
4 软件模块的构成
4.1软件模块的划分
软件采用模块化设计，共划分为五大模块(如图3)，分别为与管理微机的通讯模块、电能计量模块、声光报警模块、射频卡读写模块以及黑黄名单的验证模块。为了实现每个大模块的功能，又把每个大模块划分为若干个相应的功能子程序或小模块。主程序的作用是系统的初始化、中断管理和监视以及各功能模块的调用等。
图3软件模块结构图
4.2主程序设计
设定MCU内部RAM的78H作为黑、黄名单标志单元，当78H数据为#FFH时，指示用户卡已上黑名单；当78H数据为#FEH时，指示用户卡已上黄名单；为其它数据则表明用户卡未上黑(黄)名单。在进行黑、黄名单验证时，程序根据验证结果对RAM的78H写入对应的值，以供主程序判断。RAM的79H作为在有无刷卡标志单元，如电表当前已有用户卡在消费，79H的内容为#FFH；当无用户卡在消费(电表处于待机状态)时，79H的内容为#00H；当正在消费的用户卡第二次刷卡后，79H的内容为#FEH，此时主程序检测到这一状态后，断开用户供电，计算本次用电后用户的电费余额，且将余额回写射频卡。
主程序流程图如图4，系统上电时进行系统初始化，开放外部中断0及串行口中断，然后等待中断。当无刷卡中断时，则不断循环检测卡片标志单元79H。当刷卡时，射频接口模块通过INT0请求中断，MCU响应中断请求，调用读卡子程序，此时分为两种情况：1、如电能表处于待机状态，则接收刷卡，读出卡内信息，同时，置RAM中79H的值为#FFH，然后返回主程序。主程序调用黑黄名单验证子程序，如用户卡已上电量不足的黑名单则报警同时返回主程序；当用户卡上电量小于10度的黄名单时报警但继续为该用户供电，直到电费全部用完后停止供电；当用户卡不上黑黄名单时，则正常为该用户供电，同时调用电能计量程序。2、如电能表处于非待机状态，说明电能表正在为一用户卡供电，此时首先判断本次的刷卡卡号与正在用电的用户卡号是否相同，如相同则为该用户的二次刷卡，射频接口程序把RAM的79H置#00H，然后返回主程序。主程序在检测出79H的数据为#00H后，判断为是用户取消供电，主程序调用电量核算程序，把该用户的卡内余额电量减去本次的用电量得到新的电量余额，然后调用写卡子程序把新的电量余额回写卡内；如本次刷卡卡号与正在用电的用户卡号不同，则本次刷卡无效。
电能表在执行电能计量程序的过程中，也能响应中断程序。在每次执行了黑黄名单接收程序后，进行一次黑黄名单验证，根据验证结果对RAM的78H写入对应的值，然后返回电能计量程序。计量程序检测78H的值，如为#FFH表明用户卡已上新的黑名单，调用报警程序，然后切断用户供电，返回主程序。
图4主程序流程图
4.3电能计量程序设计
电能计量子程序流程图如图5所示。电能计量采用递加的方式，单片机的P3.4(TO)端输入用电计量脉冲，计满3200个脉冲为一度电，用电量加1，数码显示加1。用电量存储在EEPROM中，每增1度电则电量重新存储一次，管理微机定时从各个电表的EEPROM中采集用电数据。
4.4射频接口程序
MFRC500能执行有限的一些指令，并将这些指令传输到MIFARE1用户卡片上，单片机对MFRC500的某一指令操作不是简单的一条指令所能完成的，需要有一个程序序列来完成，其中有对MFRC500硬件内核寄存器的设置以及判断。在进行读写数据或增、减值操作之前还需要经过复位应答、防碰撞、选卡及认证过程。操作流程图如图6所示。本设计采用基于KeilC的C语言进行编程，调用Philips公司提供的基本库函数来实现各种功能。
图5电能计量程序图图6操作流程
4.5软件调试及仿真
本设计采用KeiluVision2调试单片机软件，管理微机的管理数据库采用SQLserver2000编写。通过几次软件修改与电路调试现已实验成功，电度表能达到设计所预期的功能，包括多张用户射频卡的读写，与主机的通讯，电能计量、显示、存储等。
5 预付费远程电能管理系统结构
预付费远程电能管理系统使用安科瑞智能管理软件，通过用户安装的通讯设备与智能电能表进行通讯，实现对多用户智能电能表的抄表、控制、管理。其组成结构如图2所示：
图7预付费远程电能管理系统结构图
5.1管理层
管理层是系统的*上层部分，通过对现场所采集的各项数据进行分析、计算和处理，将*终得到的结论以图形、声音等方式展示出来，使管理人员随时掌握现场的运行情况。主要包括系统软件和配套的硬件设施，如服务器、射频读卡器。
5.2通讯层
通讯管理层是系统间数据传输的桥梁，主要作用是集中处理485总线上的所有仪表信息，完成远程抄表和数据上传的功能，以及处理服务器端的各类遥控执行指令。主要设备有通讯适配器、网络适配器、物联网模块。
5.3设备层
设备层是数据测量的基础，是构建系统的必要元素，主要包括系统网络中用于测量用电信息的各类之智能电表。
6 预付费远程电能管理系统技术特点
智能网络电表采用国际超大规模集成电路及SMT工艺制造，集成化程度高，体积小，功耗低、精度高；
系统网络通讯使用防雷电路，内部强电与弱电采用镀锌屏蔽板进行隔离，对通讯电路与其他电路分离处理，使之具备更强的抗干扰能力；
智能网路电表内部采用多CPU结构，一个主管计量，一个主管通讯、显示和指示，一个负责检测状态，各CPU相互独立工作，互不影响；
过载保护(限流)功能：当用户使用的负载超过规定负载时，系统将启动过载保护，自动切断该用户电源供电；
控制功能：系统可以对用户进行远程通断电控制；断电自动回复功能：在规定的断电次数内，用户触发过载保护后，待负载降至允许范围内系统将自动恢复供电；系统可依据实际需求对单三相户数进行设置，但不能超过电表已配置回路数；
数据安全：系统网络使用加密算法对各项数据进行加密处理，保证信息安全。
7 预付费远程电能管理系统功能特点
本系统采用DD/TSY1352型智能电表，具备体积小、精度高、管理功能强大等卓越特点，可以实现对用户用电的精确管理，包括预付费、恶性负载识别、定时断送电、电价调整、用户用电状态监控、在线控制、透支用电、数据统计查询分析等智能管理功能，可以对项目的能耗情况及实时能耗量进行有效的监控及管理。
产品远传远控，节省人力，实现强大管理功能，可通过多种方式方便组网，如RS485专线、电话网络、以太网、光纤、无线、GPRS等；组网后，管理方只需要一个人，就可以通过电脑对所有用户的用电情况进行监测及管理，避免了大量工作人员现场抄表或插卡售电，节省的大量的人力及精力，特别适合用户数量众多的大型商业、写字楼的用电管理；
系统具备分级授权的功能，各软件操作人员由自己的账号及权限，各司其责，提高工作效率，系统会自动记录每个操作员登陆后进行的操作，防止工作人员作弊；
系统采用无卡式售电，用户买的电，直接充值到用户电表上，不需要在买电后再跑回去插卡，使用方便；将电纯粹作为一种商品对待，可买可退，可批量售电，可预置，可清零，可打印单据；
系统具备智能用电管理功能，可以在线控制每个房间或整栋建筑的通电断电，方便处理突发事件或进行设备检修；可以限制每个用户使用的*大负荷，保障主电网供电稳定；
系统具备恶性负载识别功能。系统将热得快、电茶壶、电吹风等容易引起火灾等安全隐患的用电设备定义为恶性负载，可以自动识别此类恶性负载，并选择禁止使用或允许使用。系统通过多种参数对负载类型进行识别，识别精确度高，且可以识别市面上流通的智能插座等改变恶性负载设备电气特性的产品，杜绝用户通过智能插座使用恶性负载。
系统具备定时功能，每天都可以设置八个时间段，到时间段自动执行通电或断电操作，方便了商户的用电管理，避免了工作人员挨个拉闸的繁琐操作。
系统具备同一房间多个回路计量、分路管理功能。照明、插座、空调等可以各设一个回路，每个回路可以执行独立的通断电状态及管理设置，统一计费。
系统可以实时查询用户的用电状态、断电记录等，包括用户当前工作状态及功率、功率因数等，*近10次断电时间及原因；便于管理方实时掌握用户用电情况，同时用户对用电有疑义时可以方便地调出记录；
系统具备低电量报警功能，当用户电量低于预警值时，电表显示窗上会不停闪烁，并可以选择是否断电一分钟进行报警；同时操作员可以通过软件打印处报表张贴出来，提醒用户买电；若项目配备了短信或语音模块、液晶可视查询终端、LED大屏幕等辅助设备，还可以通过这些辅助设备进行自动报警，如给客户发低电量提醒短信等；
系统具备统计查询功能，系统的所有管理操作以及用户的所有用电信息都可以进行统计分析，系统自动计算并生成报表，例如售电记录、用户用电量记录等，为管理方提供直观而详尽管理依据，可以随时看到电费收支情况，及时调整用电策略；
系统具备水电气暖多能耗管理功能，通过一套系统及相应基表，就可以对整个项目的用电、用水等能耗进行综合管理；系统具备卡片式管理功能，每个用户一张感应卡（可兼容
其他厂家一卡通），通过卡片随时查询自己的用电信息，在通讯网络出现故障时也可以通过卡片实现买电、恢复供电等应急功能。
产品采用标准的接口以及通讯协议，可以通过RS485接口、交互式数据库或TCP/IP接口等，与一卡通、消防、门禁、楼宇自控、财务等其他系统进行数据的共享，实现集团综合管理，更好地体现管理的智能化、一体化；集团各部门可以通过互联网络联合管理集团用电，只要有互联网信号的地方，就可以通过相应权限的账号进入能耗管理系统进行管理。
8 安科瑞Acrelcloud-3200预付费水电云平台应用方案
AcrelCloud-3200预付费水电云平台是安科瑞公司研制的与DDSY-1352单相电子式预付费电能表及DTSY-1352三相电子式预付费电能表配套的售电管理系统。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。主要完成电能表/水表参数设置，商户售电/售水管理及能耗管理工作，操作简便，实现物业公司远程实时操作实时监控，具有良好的人机界面，能够有效的统计和管理数据。安装方便，是用电管理部门、商业广场和物业小区，提高用电用水管理水平，解决收费难问题的理想产品。
8.1应用场所
本平台适用于公寓出租户、商业广场、公寓酒店、物业小区、写字楼、物流仓储、高校、连锁超市、智慧园区、农贸市场等场所。
8.2系统结构
8.3系统功能
8.3.1房间监控
清晰简洁的展示所有房间状态信息，所属楼栋楼层，在线失连情况，费用状态等，进入房间详情可对房间当前实时信息进行查看，并可了解当天用电量和使用金额情况，可对房间内的电表进行各种远程控制操作，比如开户、电价设置，售电、退电、报警金额设置、分合闸操作等等。
8.3.2电户开表
系统针对商铺开户不仅支持一户一表，也支持一户挂多表的需要;支持自定义电价方案，单一电价、尖峰平谷电价、阶梯电价等:支持预先设置开户信息后期一键开户;支持设置电表合额告警默认三级告警，告警金额和次也可以自定义，推送方式支持手机短信，APP推送，邮件、语音外呼、公众号推送等。
8.3.3充电缴费
可以对已开户的电表进行远程充值，电费实时下发到电表。电表会根据电度走字实时扣除电费同时系统也支持早台计费，金额下发到系统账户，到账快速稳定。
8.3.4财务管理
订单总览，包含系统里所有水电充值退费记录，以及物业费扣费流水记录。收入概况，可以从日，月，年，时间跨度等不同维度统计水电费收入情况，收入组成。
8.3.5报表
系统还提供了多个报表以供查询。用电综合报表，帮助财务统计每个月商铺总用电量，尖峰平谷用电量以及电费，能耗同比分析，可以比较每个月份与去年同期相比的用能差距。能耗日月年报表，按日，月，年三个不同维度查询电表每个阶段的用能情况。
8.3.6批量操作
为了方便用户对大量仪表进行管理和设置，可以在系统中新建批量操作任务，比如设置电价、电表控制、仪表设置、充值等，批量任务可以立即执行，也可以定时执行。
8.3.7自定义收费方案
为了灵活应对用户多种多样的收费方案，比如物业费，房租，服务费等，系统支持用户自定义收费项目。收费方式可设置直接从账户扣除或者生成催缴账单，可设置周期性收费或者一次性收费，可以按固定金额收费或者按房间面积换算等等。
8.3.8公共区域用电分摊
某块表为主表，然后分配关联子表，系统每个月自动将主表的用电按比例换算成电费从子表中扣除，这样可以剩余人工统计的麻烦。公摊方式多样，可以根据比例公摊，按房间面积公摊，按用量公排，收费方式有直接扣费或者生成维费账单。
8.3.9后付费模式
按日期生成后付费用户周期用电费用，对数据进行确认后生成缴费账单方便追踪客户缴费情况可导出缴费账单以及欠费账单通知客户。
8.3.10公众号在线支付
用户可以在微信小程序或者微信公众号自助查询电表使用情况以及缴费。
8.4系统硬件配置
| 应用场合 | 型号 | 图片 | 功能 |
| 预付费水电 云平台 | AcrelCloud-3200 |
| 主要完成电能表/水表参数设置，商户售电/售水管理及能耗管理工作，操作简便，实现物业公司远程实时操作实时监控，具有良好的人机界面，能够有效的统计和管理数据。安装方便，是用电管理部门、商业广场和物业小区，提高用电用水管理水平，解决收费难问题的理想产品。 |
| 通讯管理机 |
| 1、电力抄表，数据转发，断点续传，边缘计算，命令透传 2、通讯方式:下行2路RS485通讯上行网口/4G | |
| Anet-2E4SM |
| 1.电力抄表，数据转发，断点续传，边缘计算，命令透传 Anet-2E4SM 2.通讯方式:下行4路RS485通讯，上行2路以太网通讯 | |
| Anet-2E8S1 |
| 1.电力抄表，数据转发，断点续传，边缘计算，命令透传 Anet-2E4SM 2.通讯方式:下行4路RS485通讯，上行2路以太网通讯 | |
| AWT100-4G |
| 1路下行485，上行可选配4G、WIFI、网口 | |
| AF-GSM500-4G |
| 1.内置嵌入式系统，数据采集支持2或6路RS485总线接入 2.支持LORA无线通讯 3.数据上传支持MODBUSTCP/MQTT/HJ212等多种协议 4.可选择RJ45或4G上传方式 5.具备协议转换、断点续传、断电报警等功能 6.内嵌8GSD卡，用于数据存储和事件记录 | |
| 物联网电表 | DDSY1352-NK 单相预付费电表 |
| 1.支持全电力参数测量(U、I、P、Q、S、PF、F) DDSY1352-NK2.支持双向有功、无功、复费率电能计量 单相预付费电表3.支持*大需量及发生时间统计;4支持两路开关量输出5.内置100A大容量磁保持继电器，可实现内部分合闸 6.ModbusRTU规约/DL/T645-07规约可自适应 7.充值方式:支持刷卡充值和远程充值;8.支持预付费功能;9.支持时控功能; 10.支持恶性负载识别功能 11.支持强控功能: 12.通讯方式:RS485/4G/NB |
| DDSY1352-NK 三相预付费电表 |
| ||
| DDSY1352-nDM |
| 1.预付费管理控制 2.支持支路时间管理控制 3.支持支路负载管理控制 4.远程充值 5.支持支路强控 6.夜间小功率控制 7.支持空调模式 8.支持白名单设置 9.支持全电力参数测量（U、I、P、Q、S、PF、F）； 10.支持总电能计量，支路电能计量 11.跳闸记录查询 12.通讯方式：RS485/4G | |
| ADF300L 多用户计量箱 |
| 1.支持全电力参数测量(U、I、P、Q、S、PF、F)2.支持双向有功、无功、复费率电能计量物联网电表 3.支持*大需量及发生时间统计; 4支持两路开关量输出 5内置100A大容量磁保持继电器，可实现内部分合闸 6.ModbusRTU规约/DL/T645-07规约可自适应7.充值方式:支持刷卡充值和远程充值;8支持预付费功能9.支持时控功能;10.支持恶性负载识别功能11.支持强控功能;12.通讯方式:RS485/4G | |
| ADF400L 多用户计量箱 |
| 1.支持全电力参数测量(U、I、P、Q、S、PF、F) 2.支持双向有功、无功、复费率电能计量物联网电表 3.支持*大需量及发生时间统计; 4支持两路开关量输出 5内置100A大容量磁保持继电器，可实现内部分合闸 6.ModbusRTU规约/DL/T645-07规约可自适应 7.充值方式:支持刷卡充值和远程充值; 8支持预付费功能 9.支持时控功能; 10.支持恶性负载识别功能 11.支持强控功能; 12.通讯方式:RS485/4G | |
| 物联网水表 | LXSY-O-M/NB |
| 1.预付费功能 2.阀门自动维护功能 3.防水设计 4.防强磁干扰功能 5.低功耗设计 6.通讯方式:MBUS/NB |
9 结束语
本设计解决了IC卡预付费电能表存在的问题，同时继承了先购电后用电的管理模式。本设计形成产品后市场前景广阔，对于我国电力市场的规划管理将起到积极的作用。
参考文献：
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[7]赵光强，田拥军.预付费多用户电能管理系统的设计.[J]湖南科技学院学报.2012.04,33:4
[8]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版．
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