單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅世剛

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

在電力企業(yè)管理信息系統(tǒng)不斷應(yīng)用與普及的背景下，對(duì)多用戶預(yù)付費(fèi)智能管理的需求也在不斷增加，尤其是電力企業(yè)目前使用的是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。如何將信息發(fā)布與開(kāi)關(guān)控制進(jìn)行有機(jī)的整合，實(shí)現(xiàn)多用戶購(gòu)售電信息的共享，正成為亟需解決的問(wèn)題[1-2]。

現(xiàn)今常用的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)主要為基于瀏覽器/服務(wù)器(browser/server，B/S)架構(gòu)的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)與基于代碼式電能表的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)中電能表子系統(tǒng)[3]具有極大的局限性，只能對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，無(wú)法對(duì)用戶遠(yuǎn)程抄表、預(yù)付費(fèi)進(jìn)行系統(tǒng)的控制，不能實(shí)現(xiàn)完整的電力信息控制，存在經(jīng)濟(jì)效益低下的問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，對(duì)單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)的缺陷多存在于電能表子系統(tǒng)中。因此，選擇電能表子系統(tǒng)作為優(yōu)化對(duì)象。為了增加系統(tǒng)的智能性，設(shè)計(jì)新的單相智能預(yù)付費(fèi)控電能表子系統(tǒng)，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

1.1 電能表子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 微控制器選取

微控制器[4]是電能表子系統(tǒng)的核心控制元件，功能為讀取計(jì)量芯片電能數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算脈沖計(jì)數(shù)、讀取時(shí)間、電能數(shù)據(jù)顯示與報(bào)警、通信以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)?。微控制器性能的高低直接決定電能表功能的實(shí)現(xiàn)效果。為此，選取一款高性能的微控制器，對(duì)電能表子系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用。

選取微控制器時(shí)需要考慮下述幾個(gè)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(chǔ)空間；四是具備多個(gè)輸入與輸出接口；五是計(jì)數(shù)器功能強(qiáng)大；六是性價(jià)比高。結(jié)合上述，選取日本公司生產(chǎn)的78KO系列8位微控制器。78KO系列微控制器具備性價(jià)比高、功耗低、精度高等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域。此次研究中，選取78KO527A微控制器作為電能表子系統(tǒng)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(jī)存取存儲(chǔ)器(random access memory，RAM)、128 KB的只讀存儲(chǔ)器(read-only memory，ROM)、看門狗定時(shí)器、時(shí)鐘輸出控制器、單電源Flash存儲(chǔ)器、低電壓檢測(cè)器、定時(shí)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(jì)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(jì)量芯片。依據(jù)多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)需求，采用ATT7053A計(jì)量芯片[7]。ATT7053A實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具備串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)的單相多功能計(jì)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(jì)量芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電能計(jì)量芯片結(jié)構(gòu)圖

ATT7053A電能計(jì)量芯片引腳功能表1所示。

表1 ATT7053A電能計(jì)量芯片引腳功能表

1.1.3 信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)

電能表供電線路為220 V的高壓線路，專用計(jì)量芯片處理的信號(hào)為一定范圍內(nèi)的電壓與電流信號(hào)。為此，需要采樣高精度的電壓、電流信號(hào)，保障采樣值在專用計(jì)量芯片信號(hào)處理的范圍之內(nèi)，確保電能表的正常運(yùn)作。另外，需要完成專用計(jì)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(shí)際應(yīng)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(hào)。其中，電壓互感器[8]是一個(gè)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(gòu)成。根據(jù)變壓器原理可知，通過(guò)改變一次或者二次繞組的匝數(shù)，能夠產(chǎn)生不同的電壓比，即可構(gòu)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(jù)特定比例轉(zhuǎn)換為較低的電壓值。電流互感器[9]依據(jù)電磁原理構(gòu)成，由繞組與閉合鐵芯組成。相比之下，二次繞組匝數(shù)較多。當(dāng)電流互感器工作時(shí)，繞組通過(guò)串接方式與測(cè)量?jī)x表電路連接。電流互感器工作狀態(tài)接近于短路，原因是二次回路在工作狀態(tài)下始終閉合，在測(cè)量交變電流時(shí)，電流互感器功能為電氣隔離與變流。

電壓信號(hào)采樣時(shí)，利用電壓互感器分壓的方式實(shí)現(xiàn)。電壓信號(hào)采樣后，采用電能專用計(jì)量芯片進(jìn)行相關(guān)處理。電壓信號(hào)采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓信號(hào)采樣電路圖

利用電流互感器實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)采樣，將采集的電流信號(hào)通過(guò)兩路差分輸入信號(hào)端傳輸至電能專用計(jì)量芯片進(jìn)行處理。

上述過(guò)程完成了電能表子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)的有效控制，需要設(shè)計(jì)電能表子系統(tǒng)軟件。

1.2 電能表子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單相智能預(yù)付費(fèi)控電能表子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要包括主程序、電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序以及用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

1.2.1 子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

電能表子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)步驟如下所示。

①電能表子系統(tǒng)初始化。

②脈沖信號(hào)采集[10]。

③在時(shí)鐘模塊讀取當(dāng)前時(shí)刻，包括尖時(shí)刻、峰時(shí)刻、平時(shí)刻以及谷時(shí)刻。

④將上述采集的尖時(shí)刻、峰時(shí)刻、平時(shí)刻以及谷時(shí)刻電量進(jìn)行累加。

⑤用戶用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

⑥顯示用戶用電數(shù)據(jù)。

⑦判斷子系統(tǒng)是否收到通信命令，若收到通信命令，轉(zhuǎn)至步驟⑧；若未收到通信命令，轉(zhuǎn)至步驟②。

⑧執(zhí)行通信模塊，輸出電能表處理結(jié)果。

圖4為電能表子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程。

圖4 電能表子系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖

上述過(guò)程完成了電能表子系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)，為作電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序的設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備[11]。

1.2.2 電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序設(shè)計(jì)

電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理是多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，功能為實(shí)時(shí)讀取時(shí)鐘讀數(shù)[12]，實(shí)現(xiàn)用戶電能的分時(shí)計(jì)量。以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)用戶電能表用電數(shù)據(jù)信息、判斷剩余金額、電能報(bào)警以及預(yù)付費(fèi)控制等功能。電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序中包括通信中斷模塊。該模塊依據(jù)用戶的剩余金額對(duì)用戶供電情況進(jìn)行控制。當(dāng)剩余金額大于零時(shí)，保障用戶的供電；若剩余金額較少時(shí)，提醒用戶繳費(fèi)；若剩余金額小于零時(shí)，繼電器斷開(kāi)，切斷該用戶的供電[13]。當(dāng)用戶續(xù)交費(fèi)用后，系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程售電子系統(tǒng)，利用RS-486通信，下發(fā)允許合閘命令，恢復(fù)用戶的供電。電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序如圖5所示。

圖5 電能數(shù)據(jù)計(jì)量與處理程序圖

1.2.3 用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

在單相智能預(yù)付費(fèi)控電能表子系統(tǒng)中，用戶用電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是通過(guò)EEPROM[14-15]實(shí)現(xiàn)的。EEPROM能夠保障在多種因素影響下，若發(fā)生掉電現(xiàn)象，存儲(chǔ)的用電數(shù)據(jù)不會(huì)消失，并可以長(zhǎng)時(shí)間保存。用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用的是AT24C256芯片，存儲(chǔ)器接收微控制器的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)命令，從而完成用電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)寫(xiě)入。

用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序步驟如下：

①啟動(dòng)I2C時(shí)序；

②下發(fā)讀寫(xiě)地址；

③微控制器接收到存儲(chǔ)器發(fā)出的確認(rèn)信號(hào)；

④下發(fā)存儲(chǔ)單元地址；

⑤微控制器接收到存儲(chǔ)器發(fā)出的確認(rèn)信號(hào)，停止信號(hào)時(shí)序。

通過(guò)上述硬件與軟件的設(shè)計(jì)，完成了單相智能預(yù)付費(fèi)控電能表子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)的優(yōu)化，為電力企業(yè)提供更加有效的系統(tǒng)支撐。

2 仿真試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化系統(tǒng)的有效性與經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)仿真對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中的對(duì)比系統(tǒng)為基于B/S架構(gòu)的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)(系統(tǒng)1)和基于代碼式電能表的多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)(系統(tǒng)2)。經(jīng)濟(jì)效益主要由電費(fèi)催收成本決定。常規(guī)情況下，電費(fèi)催收成本越小，表明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益越好。試驗(yàn)硬件參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)硬件參數(shù)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了保障仿真對(duì)比試驗(yàn)的順利進(jìn)行，首要的任務(wù)就是設(shè)置試驗(yàn)流程。試驗(yàn)流程如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)流程圖

依據(jù)圖6所示的試驗(yàn)流程進(jìn)行仿真對(duì)比試驗(yàn)。

2.2 電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比

單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)可以極大地提升電力企業(yè)的工作效率，為相關(guān)單位提供一種全新的抄、催、收模式。試驗(yàn)以某一臺(tái)區(qū)為對(duì)象，對(duì)比不同系統(tǒng)電費(fèi)回收所用時(shí)間，電費(fèi)回收所用時(shí)間計(jì)算公式為：

T=Tc+Th+Ts

(1)

式中：T為電費(fèi)回收所用總時(shí)間；Tc為抄表所用時(shí)間；Th為核算所用時(shí)間；Ts為收費(fèi)所用時(shí)間。

單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)用控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)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(yàn)證優(yōu)化系統(tǒng)的性能，以上述兩種干擾因素作為前提條件，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

①靜電干擾。在設(shè)計(jì)智能電能表系統(tǒng)的過(guò)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(guò)程中，會(huì)通過(guò)手工接觸產(chǎn)生靜電。靜電干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比如圖7所示。

圖7 靜電干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比圖

由圖7可知，在不同靜電數(shù)值下，優(yōu)化系統(tǒng)的電費(fèi)回收時(shí)間均低于系統(tǒng)1和系統(tǒng)2，說(shuō)明該系統(tǒng)能夠抵御靜電干擾，有效降低電費(fèi)回收所用時(shí)間。這是由于該系統(tǒng)在優(yōu)化過(guò)程中，選取了220 V的高壓線路，其能夠保障采樣值在專用計(jì)量芯片信號(hào)處理的范圍之內(nèi)，進(jìn)而保障電能表的正常運(yùn)作。

②快速瞬變脈沖群。在遇到惡劣天氣時(shí)，電能表所處的供電線路極易產(chǎn)生瞬間的尖峰電壓。除此之外，電網(wǎng)中的各種電力設(shè)備受各種因素影響會(huì)發(fā)生突發(fā)故障。針對(duì)上述故障進(jìn)行電網(wǎng)系統(tǒng)維修時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)尖峰電壓。在此條件下，對(duì)比不同系統(tǒng)的電費(fèi)回收所用時(shí)間。瞬變脈沖干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 瞬變脈沖干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比圖

由圖8可知，與靜電干擾相比，不同系統(tǒng)的瞬變脈沖干擾下電費(fèi)回收所用時(shí)間均有所降低，但是優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)仍然十分明顯，其所用時(shí)間最高值僅為44 s。通過(guò)不同條件下的電費(fèi)回收所用時(shí)間對(duì)比結(jié)果可知，優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用效果更佳。

2.3 電費(fèi)催收成本對(duì)比分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，以電費(fèi)催收成本作為對(duì)比指標(biāo)，電費(fèi)催收成本對(duì)比情況如表3所示。

表3 電費(fèi)催收成本對(duì)比情況表

如表3所示，5次試驗(yàn)中，優(yōu)化系統(tǒng)的電費(fèi)催收成本均小于現(xiàn)有系統(tǒng)1和系統(tǒng)2，優(yōu)化系統(tǒng)的電費(fèi)催收成本最小值為98.9元，而系統(tǒng)1的電費(fèi)催收成本最小值為118.9元，系統(tǒng)1的電費(fèi)催收成本最小值為148.9元。這說(shuō)明優(yōu)化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值最高，充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

將上述試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有代表系統(tǒng)相比較，優(yōu)化系統(tǒng)的電費(fèi)催收成本與電費(fèi)回收所用時(shí)間較低。這充分說(shuō)明優(yōu)化單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益較高，可以為電力企業(yè)帶來(lái)更高的利潤(rùn)，也可以為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)僅對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作時(shí)存在的成本較高和耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，提出單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。微控制器實(shí)現(xiàn)讀取計(jì)量芯片電能數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算脈沖計(jì)數(shù)等功能。通過(guò)220 V的高壓線路保障采樣值在專用計(jì)量芯片信號(hào)處理的范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電能表的正常運(yùn)作。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、寫(xiě)入與保存等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效抑制干擾因素的影響、降低電費(fèi)回收所用時(shí)間和電費(fèi)催收成本、提升單相智能多用戶遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)控系統(tǒng)應(yīng)用性能，具有較高的應(yīng)用價(jià)值與實(shí)用價(jià)值。