用能單位預付費電能管理系統設計研究

摘 要：企事業(yè)單位能源供應預付費系統與家用能源供應預付費系統的主要差別是:前者的安全可靠性要求特別高;某些重要部門(mén)的能源供應突然中斷，易引發(fā)事故。針對企事業(yè)單位能源供應的安全可靠性要求,研發(fā)了IC卡預付費系統。一個(gè)完整的能源預付費系統由售卡制卡子系統、能源計量子系統、預付費控制子系統、預付費監控子系統以及各子系統之間的傳輸介質(zhì)組成。其中，預付費控制子系統包含IC卡讀卡器、預付費控制器、控制閥和輔助設備。售卡制卡子系統的軟件應包括操作員密碼驗證(總貌畫(huà)面)、權限管理、單位檔案管理、IC卡初始化、IC卡充值、操作痕跡查詢(xún)等。能源預付費系統集成了能源計量、數據采集和能源供應控制三大功能，實(shí)現了能源準確計量、數據及時(shí)傳送、欠費關(guān)停的功能。該系統已在供能區域得到了廣泛使用，用戶(hù)反響良好。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；能源；無(wú)線(xiàn)通信；可靠性；預付費系統；數據采集；監控

一、前言

近年來(lái)，能源預付費系統的蓬勃發(fā)展對量大面廣的能源供應網(wǎng)意義非凡。該系統不僅節省了上門(mén)抄表的人工成本，而且改后付費為預付費，杜絕了能源費拖欠這一老大難問(wèn)題,實(shí)現了收費管理的現代化。

能源預付費系統的發(fā)展促進(jìn)了能源計量表計和控制設備的發(fā)展，具有預付費管理和控制功能的預付費水表、電表、燃氣表應運而生。消費者從售卡處購得IC卡或進(jìn)行充值，然后將費用存入表計，使閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟后進(jìn)行供水或供氣。在此過(guò)程中，供方和需方都很便利。

這樣的刷卡消費在家用時(shí)不存在大的安全隱患，但是對于一個(gè)工業(yè)制造企業(yè)就不那么簡(jiǎn)單了。尤其是在工業(yè)爐窯以及化工生產(chǎn)過(guò)程中，突然中斷能源供應易引發(fā)事故。

本文針對企事業(yè)單位能源供應的安全可靠性要求,研發(fā)了 IC卡預付費系統。

二、能源預收費系統的組成

能源預付費系統由5個(gè)基本部分組成:售卡、制卡子系統，能源計量子系統，預付費控制子系統，預付費監控管理子系統和各系統之間的傳輸介質(zhì)，如圖1所示。

圖1 能源預付費系統的組成示意圖

2.1 售卡、制卡子系統

售卡、制卡子系統一般安裝在財務(wù)部門(mén)或熱網(wǎng)管理站的財務(wù)專(zhuān)員處。其硬件包括非接觸式IC卡讀寫(xiě)器和與之相連的PC機。軟件界面包括操作員密碼驗證（總貌畫(huà)面）、權限管理、單位檔案管理、IC卡初始 化、IC卡充值、操作痕跡查詢(xún)等界面。

2.2 能源計量子系統

因能源種類(lèi)、介質(zhì)類(lèi)型和設計的不同，能源計量子系統的組成也不同。對于以蒸汽為介質(zhì)的供熱系統，計量的對象為蒸汽的質(zhì)量流量或熱量流量，系統通常由流量變送器（或傳感器）、壓力變送器、溫度傳感器、流量演算器等組成卜幻。為了提高系統的可靠性，有的設計中還提供不間斷電源。為了將測量結果及時(shí)遠傳到中控室的監控站，流量演算器一般帶有數字通信口，常用的傳輸介質(zhì)為有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)以及移動(dòng)通信。隨著(zhù)移動(dòng)通信資費的降低,現在人們更喜歡采用移動(dòng)通信的方法。以GPRS為通信介質(zhì)的蒸汽預付費系統結構如圖2所示。

圖2 以GPRS為通信介質(zhì)的蒸汽預付費系統示意圖

按照國家標準，蒸汽計量系統的準確度應達到±2.5%,而實(shí)際準確度能達到土1.5%。流量示值在常用流量附近或接近滿(mǎn)度流量處，準確度能達到±0.5% ?±1.0%[5_7]0

2.3 預付費控制子系統

預付費控制子系統由預付費控制器和控制閥組成。其中，控制閥安裝在管道上,而控制器都帶有讀卡器，一般都安裝在現場(chǎng)便于操作的地點(diǎn)。

預付費控制器應具有下列基本功能。

①讀卡。預付費控制箱自帶非接觸式讀卡器，將客戶(hù)預先購得的IC卡上的金額讀入與卡號一致的控制箱單片機,并在彩色液晶顯示器上顯示，剩余金額也相應調整。

②IC卡充值記錄畫(huà)面。每一次在控制箱讀卡器上刷卡充值時(shí)，如果充值成功便形成一條充值記錄。記錄內容包括:充值日期、時(shí)間、充入金額。通過(guò)操作控制器面板，可查詢(xún)全部充值記錄。

③預付費主顯示畫(huà)面。主顯示畫(huà)面的用途是告 知熱用戶(hù)，充入控制箱的余額以及當前的蒸汽單價(jià)。 該畫(huà)面還顯示累積流量和控制閥的當前開(kāi)度。

④自動(dòng)關(guān)閥。當余額為零時(shí),控制器（或計算機）自動(dòng)關(guān)閥。

⑤故障診斷代碼。

2.4 數據采集與監控子系統

該系統是整個(gè)能源供應網(wǎng)的監視和指揮中心。它 先對分布在各處的現場(chǎng)能源計量表計的測量結果進(jìn)行采集、保存、處理，并制作成各種畫(huà)面，以便操作管理人員使用;其次對各客戶(hù)終端的能耗情況及余額進(jìn)行監視，并在余額不多時(shí),分別提前三天、兩天和一天自動(dòng)發(fā)出提示短信;重要的是,在所剩金額為0時(shí)，通過(guò)計算機關(guān)閉現場(chǎng)控制閥或由現場(chǎng)預付費控制器自動(dòng)關(guān)閉能源控制閥。

監控站計算機的畫(huà)面可以很豐富,一般有檢測控制點(diǎn)地理分布畫(huà)面、動(dòng)態(tài)流程圖畫(huà)面、計量數據密集顯示畫(huà)面、計量數據歷史曲線(xiàn)畫(huà)面、管損趨勢圖畫(huà)面、同比分析畫(huà)面、事件報告畫(huà)面、統計報表畫(huà)面和收費通知單制作畫(huà)面,在有關(guān)文獻中已對其有詳細描述。 在具有預付費管理功能的監控操作站,還須有費用管理畫(huà)面和控制閥操作畫(huà)面。

三、系統設計關(guān)鍵問(wèn)題研究

3.1 可靠性問(wèn)題

安全性和可靠性設計是預付費系統的關(guān)鍵。

①系統不因主電源掉電和控制線(xiàn)路斷線(xiàn)而意外關(guān)閥。主電源上電和掉電時(shí)，電動(dòng)控制閥的閥門(mén)能保持原有閥位，不會(huì )自行關(guān)閥;控制線(xiàn)斷線(xiàn)后也不會(huì )自行關(guān)閥。

②上位機開(kāi)機/關(guān)機、系統調試，均不應引起控制閥關(guān)閉。在系統正式投入控制之前，關(guān)閉控制閥電源, 則調試過(guò)程中的各種操作都不會(huì )導致控制閥的意外關(guān)閉。

上位機對控制閥進(jìn)行操作的條件是:應用程序投入正常運行;能與下位機進(jìn)行正常通信、由值機人員按下相應的關(guān)閥鍵。在上位機的開(kāi)機、關(guān)機、掉電、出錯時(shí)，不可能同時(shí)滿(mǎn)足這3個(gè)條件，因此系統是安全的。

③防止控制閥卡死問(wèn)題。預付費控制系統中的大部分控制閥很少發(fā)生動(dòng)作，有的計量點(diǎn)可能一年也不發(fā)生動(dòng)作。因此,閥芯總是停留在一個(gè)位置上，容易因流體中的水垢等異物而卡死,導致需要關(guān)閥的時(shí)候無(wú)法關(guān)斷口。解決這一問(wèn)題的方法是經(jīng)常讓閥芯動(dòng)一動(dòng)，例如在上位機中設計一個(gè)程序，定期由上位機送出一個(gè)將閥門(mén)關(guān)小的信號，并自動(dòng)記錄閥門(mén)動(dòng)作的實(shí)際響應數據，并由計算機判斷控制閥動(dòng)作是否正常。在試驗中，閥門(mén)關(guān)小的程度應以不影響用戶(hù)的使用為限。實(shí)現這一措施的基礎是閥門(mén)選用比例式電動(dòng)控制閥，并帶比例式閥位反饋。

④防止冷管開(kāi)閥引起水擊的問(wèn)題。冷管通汽應遵循一定的程序，操作太急容易引起水擊，損壞設備。在預付費控制系統中，業(yè)主單位可在控制閥旁邊設一臺通徑足夠小的旁通閥;冷管啟動(dòng)時(shí),先開(kāi)旁通閥暖管;暖管過(guò)程結束后，再開(kāi)啟預付費控制閥。預付費閥關(guān)閉后，仍有旁通閥為下游提供微量的蒸汽，防止因管內積水而導致預付費閥重新打開(kāi)時(shí)的水擊。

⑤儀表的故障診斷和診斷信息的管理。預付費控制器和計量表計的正常運行是預付費系統正常運行的先決條件。因此，預付費控制器和流量演算器均應具備必要的故障診斷功能，并將診斷結果上傳至上位機,以顯示、報警和編制報警記錄。同時(shí)，儀表的液晶屏上也顯示診斷結果(代碼)，從而提高了系統的可靠性。

3.2 防問(wèn)題

用于貿易交接計量的表計偶爾會(huì )發(fā)生事件, 的手法也很多。在現有的儀表中，已經(jīng)實(shí)施的防策略有以下幾種。

①防止拉電的策略。在計量箱內的流量演算器帶有斷電記錄功能,能將計劃停電和有意拉電一次不漏地記錄下來(lái)。主電源掉電后，不間斷電源中的充放電控制器能送出一路干接點(diǎn)信號至流量演算器的 開(kāi)關(guān)量輸入口，然后經(jīng)數字通信口送至上位機,在監視器上發(fā)出報警信號，并作好事件記錄，以備查考。

②開(kāi)箱門(mén)報警。在現場(chǎng)儀表箱內配有行程開(kāi)關(guān),一旦箱門(mén)被打開(kāi),就有一路接點(diǎn)信號經(jīng)演算器送至上位機，進(jìn)行報警。

③防止通過(guò)上位機向下位機下載數據。在預付費控制系統中，上位機要對安裝在現場(chǎng)的控制閥 進(jìn)行操作,就需從下位機(控制器)下載數據。如果流量演算器與控制器合而為一，就會(huì )引發(fā)用戶(hù)的憂(yōu)慮:上位機既然可以下載控閥數據，為什么就不能下載與計量有關(guān)的數據呢？

為了消除用戶(hù)的這一擔心,將控制器和流量演算器分為兩臺表。其中，用于計量的流量演算器申請政府*機構的檢定,檢定合格后加封印。

④防止通過(guò)修改與計量結果有關(guān)的數據。在智能化的流量演算器中，有很多數據在輸入密碼之后都可以修改。儀表出廠(chǎng)后，為了防止掌握密碼的人員違規修改這些數據，在流量演算器中設有“關(guān)鍵數 據修改記錄功能”。關(guān)鍵數據的每一次修改,都會(huì )形成一條黃色字跡的記錄，從而杜絕了這一方法。

四、安科瑞預付費電能管理系統（含選型）

4.1 遠程預付費電能管理系統

本系統分為五大模塊，分別是操作員登陸模塊、系統配置模塊、租戶(hù)（商鋪）管理模塊、售電管理模塊、報表中心模塊，系統大致運行和操作流程如下：

本系統所有的報表及記錄查詢(xún)，都支持excel格式導出的功能。

a)登陸管理：管理操作員賬戶(hù)及權限分配，查看系統日志等功能；

b)系統設置：對建筑、儀表及默認參數進(jìn)行配置；

c)租戶(hù)管理：對用戶(hù)執行開(kāi)戶(hù)、銷(xiāo)戶(hù)、遠程分合閘、抄表導出及記錄查詢(xún)等操作；

d)售電管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢(xún)等操作；

e)報表中心：提供售電財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢(xún)。

4.2 應用場(chǎng)所

（一）分布式商業(yè)

（二）連鎖門(mén)店

（三）物業(yè)管理企業(yè)

（四）分布式企業(yè)

（五）多分支院校

（六）智慧社區

4.3 平臺結構 

圖3 遠程閥控集抄系統整體架構

4.4 設備選型

注：預付費儀表、電流互感器等應根據現場(chǎng)回路電流大小等選擇配置，安裝、接線(xiàn)等由甲方負責。

4.5、業(yè)務(wù)模式

用戶(hù)自建平臺，可建在用戶(hù)數據中心或監控中心等，硬件客戶(hù)可以參照我方推薦系統設備配置參數采購或者申請阿里云服務(wù)器。

安科瑞指導客戶(hù)完成平臺的建設和運管隊伍的培訓，如果客戶(hù)沒(méi)有技術(shù)力量維護，也可以選擇由安科瑞有償維護。

成本要求嚴格的，可選擇托管在安科瑞平臺，客戶(hù)可管理自己的數據，不可獲取其他客戶(hù)數據。

五、結束語(yǔ)

能源預付費系統集成了能源計量、數據采集和能源供應控制三大功能，實(shí)現了能源準確計量、數據及時(shí)傳送、欠費關(guān)停的功能。IC卡的使用能有效防止偷氣，保障了計量的公平公正，并大大減少了人工抄表的費用。所設計的系統采用了一些智能化的方法，能夠確保用戶(hù)不發(fā)生意外停汽,保障安全用氣。該系統在供能區域得到了廣泛使用，用戶(hù)反響良好。

參考文獻

[1] 紀綱，蒸汽流量測量的常用方法［J］.世界儀表與自動(dòng)化, 2009(1) ：33 -37

[2] 韓鵬，周?chē)?，何志俊，紀波峰，紀鋼，用能單位能源供應預付費系統

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2020.02版

[4] 安科瑞用戶(hù)測電能計量與預付費管理解決方案手冊 2020.02版