1.概述
近些年供电公司为解决欠费问题相继安装使用了预付费电能表及其售电管理系统。预付费电能表的推广使用大大缓解了供电部门的收费压力，由于目前各地主要采用以IC卡为数据传递媒介的IC卡预付费电能表，因而在使用中还存在以下问题：
1）抗攻击能力差：IC卡的丢失、损坏，特别是其开放的IC卡读写端口易受外界攻击。被攻击造成表内控制系统失效后难以取证认定，极易发生用电纠纷。
2）管理困难：由于IC卡购电的突发性和随时性，增加了供电部门的售电压力。同时为了保证数据的安全性，目前普遍采用智能CPU卡，它的COS系统和动态密钥认证保证了数据安全性的同时，也增加了用电管理部门的管理工作量。而且多环节论证增加非预期故障的发生。
3）难以适应电价政策性调整的需要：电价在购电时就已确定并且写在预付费电能表中，由于IC卡预付费电能表存储的电价不能做到实时调整，每次调价都给供电部门增加了很多工作量，电力用户为此也经常提出异议。
4）以IC卡为数据传递媒介的预付费系统：限制了电话银行、网上银行等购电方式的功能扩展。必须要求电力用户持卡到售电营业点购电，增加了电力用户的负担，降低电力营销的服务质量，同时也增加了供电部门的工作量。
5）数据采集不及时：无法实现反映用户用电状况，不能对窃电行为进行有效监控，不能满足用电管理自动化、现代化的需求。
因此，为解决IC卡预付费电能表在实际应用中存在的问题和弊端，我们研究开发了一种全新的预付费电能表——远程预付费电能表。这种远程预付费电能表以GPRS/无线作为信息传递媒介，通过用电管理系统实现远程预付费及其他用电管理功能。
2.系统目标
1）解决商业用户欠费问题；
2）提供便利的付费手段；
3）提供有效合理的管理方式；
4）解决卡表出现的用户纠纷问题。
3.业务流程（见图1）
图1 远程付费电能表业务流
（1）付费场景（见图2）
图2 付费场景
付费方式多元化：
1）营业厅缴纳电费；
2）网银付费；
3）手机银行付费。
（2）管理控制场景（见图3）
用户欠费或余额较少时支持多种对电表的告警及控制：
1）系统下发短信告警；
2）电表内部发出声光报警；
3）电表内部自动拉合闸；
4）人工登录系统后拉合闸。
图3 管理控制场景
4.系统方案
（1）体系结构图（见图4）
图4 体系结构图
（2）系统方案图（见图5）
方案描述如下：
1）远程费控系统自动结算用电金额；
2）费控系统向远程费控表下发电价信息；
3）本地费控表根据余额确定是否拉合闸；
4）费控系统向远程费控表下发用户充值金额及电量；
5）后台系统定时采集电能表电量及余额并在计算后发出告警信息；
6）费控系统可以通过GRPS与GPRS电能表通信；
7）费控系统可以通过GPRS与集中器通信后，通过集中器下行无线技术与费控电能表通信；
8）集中器可以通过无线技术与采集器通信；
9）采集器可以通过RS485接线与电能表通信。
图5 系统方案图
（3）原理组成及技术特点
1）预付费多功能基表的计量数据、预付费数据分开储存，存储信息相互独立，避免了以往IC卡预付费电能表由于计量数据与预付费数据相互干扰产生的死机、黑屏、乱码、无故报警、无故跳闸等故障。
2）通信模块由单独CPU控制，不设FLASH，避免了数据重复存储，有效降低了制造成本，同时简化了系统工作流程。各种曲线及时间记录存储在基表内，通信模块根据主站的数据请求读取基表数据，进行规约转换，打包上送给主站。同时，通信模块也可以根据要求，主动向主站上送基表数据。通信模块可进行热插拔更换，兼容GPRS/无线两种制式，便于维护。
3）预付费多功能基表的功能包括计量采样、数据存储、告警事件判断、预付费、负荷控制等，通信规约满足国标多功能电能表通信规约；通信模块功能包括远程通信、规约转换、数据转发、远程升级、远程校时等，通信规约满足国网负控规约。
4）用户购电金额通过主站远程下发，基表计算储存剩余金额。在运行过程中，基表根据计量的有功电量、费率时段单价、CT/PT变比等信息，实时递减剩余金额。当剩余金额低于告警阀值时，基表产生声光告警，同时从告警端子输出告警，提醒用户及时购电。告警事件同时由通信模块上送到主站，主站再通过短信（或其他手段）通知用户。当用户剩余金额小于0时，基表输出跳闸信号，通过跳闸开关动作断电。基表同时产生跳闸事件，通过通信模块通知主站。
5）从安全性考虑，除与预付费有关的表计参数外，其他参数不能够远程设置。购电数据通过主站远程下发，不能通过本地红外或RS485口进行购电。如果用户购电时GPRS/无线网络不通，主站可延时下发购电信息。在网络恢复正常后主站立即将购电信息下发到现场表计。当网络不通时，表计自动进入保电状态，此时即使剩余电量小于0，跳闸端子也不输出跳闸信号。当网络不通时，表计自动进入保电状态。这样就避免了因网络不通而不能及时下发购电信息造成的跳闸事件。表计在正常运行状态下，主站也可以通过网络设置使表计进入和退出保电状态。保电状态不影响剩余金额的扣减、告警事件的上送、过负荷的判断，只是对跳闸端子进行保护，使其不产生输出。供电部门工作人员在授权的情况下，也可以在主站通过GPRS/无线网络，远程直接控制跳闸。
集中器：
1）通信协议符合Q/GDW 376.1-2009电力用户用电信息采集系统通信协议；
2）GPRS/GSM/CDMA/SMS等多信道热备技术；
3）强电端子绝缘电阻>500MΩ；
4）工频耐压：AC2500V/1min；
5）工作温度：-25～60℃；
6）集中器能直接采集指定电能表的响应数据项：电量、余额、电压、电流、功率、需量等；
7）能根据抄表方案自动采集采集器或电能表的数据；
8）集中器支持自动补抄功能；
9）数据存储容量达到100MB以上。
采集器：
1）通过RobNetTM无线自组网；
2）通过RS485总线，与电能表进行通信；
3）保存管理档案内20块电能表的最近5天电量数据；
4）内部配置有硬时钟对自己内部任务进行管理；
5）集中器通过采集器采集数据。
（4）智能远程费控表
1）事件记录；
2）异常报警；
3）支持够电卡续费；
4）电能表自动结算电费；
5）电能表内部自动拉合闸；
6）低温液晶显示器；
7）输入输出数据度量；
8）V（电压）和A（电流）监控器。
（5）RobNet无线
无线技术为供电部门提供一个高可靠、实时快速，具有广泛环境适应性，与现有其他窄带集抄技术成本相当的现场智能无线网络，除满足大规模集抄的单一需求外，并能提供现在及将来一系列的增值功能和服务，如实时线损管理、远程断送电、涵盖中小动力用户、远程无卡预付费、防窃电报警等。
无线技术为降低大规模实施低压电能数据采集的风险提供一个最佳的技术选择，尤其是在低压电网谐波等通信环境将来可能发生较大变化的区域，以及广大居住环境分散、线路复杂的现有居民区，以及工业商业密集区和城乡结合部等地区，更能发挥优势。(www.xing528.com)
1）智能：自组网（ad hoc），自动组合网点；
2）可靠性：全面抄读数据成功率不小于99%；
3）响应速度：实时的，在较短的时间内抄收远程电能表数据；
4）数据抄收成功率：本地网络38.4～200kbit/s；
5）通信速率高：空中通信速率可达38400bit/s，本地接口9600bit/s；
6）高度频率自适应机制：参照北美FCC15.247，采用跳频技术、高抗干扰，保证现场复杂环境下长期稳定可靠运行；
7）支持增值服务：如实时线损管理、远程断送电、涵盖中小动力用户、远程无卡预付费、防窃电报警等；
8）工作于470～510MHz免费频段：已获国家无委会型号核准，复杂环境有良好的覆盖距离和穿透能力。表1给出了无线与载波优劣势对比。
表1无线与载波优劣势对比
（6）各节点通信方式
1）GPRS：集中器上行通信，负责网关到集中器或GPRS表的通信。
2）RobNet无线：集中器下行通信，负责集中器到采集器或无线电能表的通信。
3）RS485：采集器下行通信，与电能表连接通信。
5.系统功能
（1）数据采集
数据采集支持GPRS、CDMA等公共无线数据通信方式、拨号通信方式，同时支持网络通信、短信、GSM相接合的通信方式。
系统支持多采集服务器负荷均衡、多线程并发的通信调度管理机制。
系统支持灵活配置两个或多个通道互为备用，多通道根据任务繁重程度自动均衡负荷。
系统可定时和随时抄录远方数据，定时采集的时间间隔和数据采集项目可由授权用户灵活定义，重复召唤的次数也可由授权用户灵活定义。根据应用需要可灵活制定抄表策略。
对无法抄录的计量点，系统应以多种的方式发出报警，以便值班人员进行人工抄录，对因主站故障未能抄录的数据，在系统恢复正常时，应能自动补测。
表计异常、CT/PT异常、客户侧终端异常或故障等事件，应能及时主动上报。
主站采集服务器与终端的通信应支持广东电网公司组织制订的通信规约，并要求同时支持TCP协议和UDP协议。
系统支持远程升级终端软件功能，支持远程升级终端电能表规约库。
系统应支持遥测以下数据项目：
1）日负荷曲线：实时有功、无功功率、每日和当前功率曲线、功率极值及出现时间、最大需量及出现时间、功率因数等。数据采集时间间隔为15min或30min。00：15～24：00每15min的总有功、无功平均功率。
2）每月、每日和当前有功、无功电能量累积值，有功、无功电能量曲线、分时有功电能量累积值。
3）正反向无功、四象限无功。
4）A、B、C三相电压、电流、功率、功率因数。
5）电流过负荷数据：最近100次电流过负荷记录，每条记录包括电流过负荷开始（结束）时间、过负荷相别、过负荷时的最大电流。
6）失电压记录、断相记录，每个记录包括事件、开始时间、持续时间等。其他事件记录：过电压、不平衡、逆相序、上/掉电、超功率、清需量、系统清零、初始电量、校时等，每个记录包括事件、开始时间、持续时间等。
7）抄表数据：通过终端与计量电能表间的数据接口和通信得到的电能表读表数据和指定时间冻结的电能表读数。
8）设备工况数据：计量变送器工况、电能表工况、计量设施工况和开关状态等。
9）越限用电事件、负荷控制事件、计量设备工况变化事件、终端运行异常事件、操作事件等。这些事件发生的起止时间、发生时的负荷及电量值。
10）数据采集方式：
a）定时采集（定时巡测）：系统每日定时自动采集终端记录的各类用电数据，对采集失败的终端数据有自动补采功能并给出相应运行记录。
b）随机采集：系统可以任意选项对指定终端的指定数据进行随机数据采集。
c）事件响应：系统应及时响应客户端事件及终端记录，响应方式按信道不同分为，①在公网方式下，终端检测到客户端事件后主动向主站传送告警信息和事件记录数据；②在电力专网方式下，待与主站通信时立即随上行报文向主站发出事件响应请求，主站响应终端请求召测相应的事件记录。
（2）对时功能
系统具备与GPS对时的功能，保证全系统与标准时间的误差不大于3s，并支持从其他系统获取标准时间，对时方法要求如下（采用GPRS方式）：
主站读取终端时钟，若在T1<3s接收到终端返回信息为有效，如果连续10次无效，取消本次对时；
主站先计算终端与主站的时钟误差ΔT，若ΔT<3s，主站不进行对时；若ΔT≥3s，主站将ΔT+T1/2做为终端时钟误差以实时写对象命令方式下发给终端，有效时间默认为10分钟；
终端接收到命令后，判断该命令若是在有效时间内，则执行对时命令，将时钟更改为当前时钟+（ΔT+T1/2），否则命令失效，并通知主站。
（3）开户功能
通过开户功能将电表的远程费控功能激活。
（4）购电功能
将用户缴纳的金额下发至智能电表中。
（5）远程控制
可根据现场情况手工对电表拉合闸操作。
（6）事件上报
设备发生的如下异常事件都会自动上报至后台系统：
1）电压逆相序；
2）电流反极性；
3）停电、上电报警；
4）过负荷、过电流、过电压、欠电压、电流不平衡；
5）无功过、欠补偿；
6）电压越上、下限报警；
7）失电压、断相报警；
8）电流越上限报警。
（7）短信告警
数据采集后，根据预先设定的告警阈值与当前电表的余额匹配，低于阈值则发送短信通知用户缴费，避免拉闸停电。
（8）用电监控
预付费系统主要监控当前欠费用户、到达报警阈值用户、特殊用户，以灵活应对各种情况（见图6）。
图6 预付费监控界面
（9）用电数据分析
利用曲线报表分析用户用电动态如图7所示。
（10）线损分析
线损分析可通过采集线路上的变电站、配变、专变、专线、考核点的电能表数据，根据线路的电网结构设置供电、售电关系，以及线路情况等，计算线路供电量、售电量、线路损耗电量，进而计算统计出线损率，以提供线路电能损耗情况，从中查找发现损耗位置，并可进一步分析、判断线损原因，发现窃电，或寻找丢失的和未纳入计量考核范围的但实际存在供电线路。
图7 用户用电动态图
（11）电能质量统计分析
1）电压合格率统计分析；
2）功率因数统计分析；
3）供电可靠性统计分析；
4）变电站平衡统计分析；
5）过负荷检测分析。
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