摘 要：企事業(yè)單位能源供應(yīng)預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)與家用能源供應(yīng)預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的主要差別是:前者的安全可靠性要求特別高;某些重要部門的能源供應(yīng)突然中斷，易引發(fā)事故。針對(duì)企事業(yè)單位能源供應(yīng)的安全可靠性要求,研發(fā)了IC卡預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)。一個(gè)完整的能源預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)由售卡制卡子系統(tǒng)、能源計(jì)量子系統(tǒng)、預(yù)付費(fèi)控制子系統(tǒng)、預(yù)付費(fèi)監(jiān)控子系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)之間的傳輸介質(zhì)組成。其中，預(yù)付費(fèi)控制子系統(tǒng)包含IC卡讀卡器、預(yù)付費(fèi)控制器、控制閥和輔助設(shè)備。售卡制卡子系統(tǒng)的軟件應(yīng)包括操作員密碼驗(yàn)證(總貌畫面)、權(quán)限管理、單位檔案管理、IC卡初始化、IC卡充值、操作痕跡查詢等。能源預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)集成了能源計(jì)量、數(shù)據(jù)采集和能源供應(yīng)控制三大功能，實(shí)現(xiàn)了能源準(zhǔn)確計(jì)量、數(shù)據(jù)及時(shí)傳送、欠費(fèi)關(guān)停的功能。該系統(tǒng)已在供能區(qū)域得到了廣泛使用，用戶反響良好。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；能源；無線通信；可靠性；預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；監(jiān)控

一、前言

近年來，能源預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展對(duì)量大面廣的能源供應(yīng)網(wǎng)意義非凡。該系統(tǒng)不僅節(jié)省了上門抄表的人工成本，而且改后付費(fèi)為預(yù)付費(fèi)，杜絕了能源費(fèi)拖欠這一老大難問題,實(shí)現(xiàn)了收費(fèi)管理的現(xiàn)代化。

能源預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的發(fā)展促進(jìn)了能源計(jì)量表計(jì)和控制設(shè)備的發(fā)展，具有預(yù)付費(fèi)管理和控制功能的預(yù)付費(fèi)水表、電表、燃?xì)獗響?yīng)運(yùn)而生。消費(fèi)者從售卡處購(gòu)得IC卡或進(jìn)行充值，然后將費(fèi)用存入表計(jì)，使閥門自動(dòng)開啟后進(jìn)行供水或供氣。在此過程中，供方和需方都很便利。

這樣的刷卡消費(fèi)在家用時(shí)不存在大的安全隱患，但是對(duì)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)過程中，突然中斷能源供應(yīng)易引發(fā)事故。

本文針對(duì)企事業(yè)單位能源供應(yīng)的安全可靠性要求,研發(fā)了 IC卡預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)。

二、能源預(yù)收費(fèi)系統(tǒng)的組成

能源預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)由5個(gè)基本部分組成:售卡、制卡子系統(tǒng)，能源計(jì)量子系統(tǒng)，預(yù)付費(fèi)控制子系統(tǒng)，預(yù)付費(fèi)監(jiān)控管理子系統(tǒng)和各系統(tǒng)之間的傳輸介質(zhì)，如圖1所示。

圖1 能源預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的組成示意圖

2.1 售卡、制卡子系統(tǒng)

售卡、制卡子系統(tǒng)一般安裝在財(cái)務(wù)部門或熱網(wǎng)管理站的財(cái)務(wù)專員處。其硬件包括非接觸式IC卡讀寫器和與之相連的PC機(jī)。軟件界面包括操作員密碼驗(yàn)證（總貌畫面）、權(quán)限管理、單位檔案管理、IC卡初始 化、IC卡充值、操作痕跡查詢等界面。

2.2 能源計(jì)量子系統(tǒng)

因能源種類、介質(zhì)類型和設(shè)計(jì)的不同，能源計(jì)量子系統(tǒng)的組成也不同。對(duì)于以蒸汽為介質(zhì)的供熱系統(tǒng)，計(jì)量的對(duì)象為蒸汽的質(zhì)量流量或熱量流量，系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性，有的設(shè)計(jì)中還提供不間斷電源。為了將測(cè)量結(jié)果及時(shí)遠(yuǎn)傳到中控室的監(jiān)控站，流量演算器一般帶有數(shù)字通信口，常用的傳輸介質(zhì)為有線、無線以及移動(dòng)通信。隨著移動(dòng)通信資費(fèi)的降低,現(xiàn)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(yù)付費(fèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 以GPRS為通信介質(zhì)的蒸汽預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)示意圖

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，蒸汽計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到±2.5%,而實(shí)際準(zhǔn)確度能達(dá)到土1.5%。流量示值在常用流量附近或接近滿度流量處，準(zhǔn)確度能達(dá)到±0.5% ?±1.0%[5_7]0

2.3 預(yù)付費(fèi)控制子系統(tǒng)

預(yù)付費(fèi)控制子系統(tǒng)由預(yù)付費(fèi)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(xiàn)場(chǎng)便于操作的地點(diǎn)。

預(yù)付費(fèi)控制器應(yīng)具有下列基本功能。

①讀卡。預(yù)付費(fèi)控制箱自帶非接觸式讀卡器，將客戶預(yù)先購(gòu)得的IC卡上的金額讀入與卡號(hào)一致的控制箱單片機(jī),并在彩色液晶顯示器上顯示，剩余金額也相應(yīng)調(diào)整。

②IC卡充值記錄畫面。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(nèi)容包括:充值日期、時(shí)間、充入金額。通過操作控制器面板，可查詢?nèi)砍渲涤涗洝?/span>

③預(yù)付費(fèi)主顯示畫面。主顯示畫面的用途是告 知熱用戶，充入控制箱的余額以及當(dāng)前的蒸汽單價(jià)。 該畫面還顯示累積流量和控制閥的當(dāng)前開度。

④自動(dòng)關(guān)閥。當(dāng)余額為零時(shí),控制器（或計(jì)算機(jī)）自動(dòng)關(guān)閥。

⑤故障診斷代碼。

2.4 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)

該系統(tǒng)是整個(gè)能源供應(yīng)網(wǎng)的監(jiān)視和指揮中心。它 先對(duì)分布在各處的現(xiàn)場(chǎng)能源計(jì)量表計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行采集、保存、處理，并制作成各種畫面，以便操作管理人員使用;其次對(duì)各客戶終端的能耗情況及余額進(jìn)行監(jiān)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)，通過計(jì)算機(jī)關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)控制閥或由現(xiàn)場(chǎng)預(yù)付費(fèi)控制器自動(dòng)關(guān)閉能源控制閥。

監(jiān)控站計(jì)算機(jī)的畫面可以很豐富,一般有檢測(cè)控制點(diǎn)地理分布畫面、動(dòng)態(tài)流程圖畫面、計(jì)量數(shù)據(jù)密集顯示畫面、計(jì)量數(shù)據(jù)歷史曲線畫面、管損趨勢(shì)圖畫面、同比分析畫面、事件報(bào)告畫面、統(tǒng)計(jì)報(bào)表畫面和收費(fèi)通知單制作畫面,在有關(guān)文獻(xiàn)中已對(duì)其有詳細(xì)描述。 在具有預(yù)付費(fèi)管理功能的監(jiān)控操作站,還須有費(fèi)用管理畫面和控制閥操作畫面。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究

3.1 可靠性問題

安全性和可靠性設(shè)計(jì)是預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

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

②上位機(jī)開機(jī)/關(guān)機(jī)、系統(tǒng)調(diào)試，均不應(yīng)引起控制閥關(guān)閉。在系統(tǒng)正式投入控制之前，關(guān)閉控制閥電源, 則調(diào)試過程中的各種操作都不會(huì)導(dǎo)致控制閥的意外關(guān)閉。

上位機(jī)對(duì)控制閥進(jìn)行操作的條件是:應(yīng)用程序投入正常運(yùn)行;能與下位機(jī)進(jìn)行正常通信、由值機(jī)人員按下相應(yīng)的關(guān)閥鍵。在上位機(jī)的開機(jī)、關(guān)機(jī)、掉電、出錯(cuò)時(shí)，不可能同時(shí)滿足這3個(gè)條件，因此系統(tǒng)是安全的。

③防止控制閥卡死問題。預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)中的大部分控制閥很少發(fā)生動(dòng)作，有的計(jì)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(dǎo)致需要關(guān)閥的時(shí)候無法關(guān)斷口。解決這一問題的方法是經(jīng)常讓閥芯動(dòng)一動(dòng)，例如在上位機(jī)中設(shè)計(jì)一個(gè)程序，定期由上位機(jī)送出一個(gè)將閥門關(guān)小的信號(hào)，并自動(dòng)記錄閥門動(dòng)作的實(shí)際響應(yīng)數(shù)據(jù)，并由計(jì)算機(jī)判斷控制閥動(dòng)作是否正常。在試驗(yàn)中，閥門關(guān)小的程度應(yīng)以不影響用戶的使用為限。實(shí)現(xiàn)這一措施的基礎(chǔ)是閥門選用比例式電動(dòng)控制閥，并帶比例式閥位反饋。

④防止冷管開閥引起水擊的問題。冷管通汽應(yīng)遵循一定的程序，操作太急容易引起水擊，損壞設(shè)備。在預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)中，業(yè)主單位可在控制閥旁邊設(shè)一臺(tái)通徑足夠小的旁通閥;冷管啟動(dòng)時(shí),先開旁通閥暖管;暖管過程結(jié)束后，再開啟預(yù)付費(fèi)控制閥。預(yù)付費(fèi)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(nèi)積水而導(dǎo)致預(yù)付費(fèi)閥重新打開時(shí)的水擊。

⑤儀表的故障診斷和診斷信息的管理。預(yù)付費(fèi)控制器和計(jì)量表計(jì)的正常運(yùn)行是預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)正常運(yùn)行的先決條件。因此，預(yù)付費(fèi)控制器和流量演算器均應(yīng)具備必要的故障診斷功能，并將診斷結(jié)果上傳至上位機(jī),以顯示、報(bào)警和編制報(bào)警記錄。同時(shí)，儀表的液晶屏上也顯示診斷結(jié)果(代碼)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 防問題

用于貿(mào)易交接計(jì)量的表計(jì)偶爾會(huì)發(fā)生事件, 的手法也很多。在現(xiàn)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(jì)量箱內(nèi)的流量演算器帶有斷電記錄功能,能將計(jì)劃停電和有意拉電一次不漏地記錄下來。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(hào)至流量演算器的 開關(guān)量輸入口，然后經(jīng)數(shù)字通信口送至上位機(jī),在監(jiān)視器上發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并作好事件記錄，以備查考。

②開箱門報(bào)警。在現(xiàn)場(chǎng)儀表箱內(nèi)配有行程開關(guān),一旦箱門被打開,就有一路接點(diǎn)信號(hào)經(jīng)演算器送至上位機(jī)，進(jìn)行報(bào)警。

③防止通過上位機(jī)向下位機(jī)下載數(shù)據(jù)。在預(yù)付費(fèi)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)要對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的控制閥 進(jìn)行操作,就需從下位機(jī)(控制器)下載數(shù)據(jù)。如果流量演算器與控制器合而為一，就會(huì)引發(fā)用戶的憂慮:上位機(jī)既然可以下載控閥數(shù)據(jù)，為什么就不能下載與計(jì)量有關(guān)的數(shù)據(jù)呢？

為了消除用戶的這一擔(dān)心,將控制器和流量演算器分為兩臺(tái)表。其中，用于計(jì)量的流量演算器申請(qǐng)政府*機(jī)構(gòu)的檢定,檢定合格后加封印。

④防止通過修改與計(jì)量結(jié)果有關(guān)的數(shù)據(jù)。在智能化的流量演算器中，有很多數(shù)據(jù)在輸入密碼之后都可以修改。儀表出廠后，為了防止掌握密碼的人員違規(guī)修改這些數(shù)據(jù)，在流量演算器中設(shè)有“關(guān)鍵數(shù) 據(jù)修改記錄功能”。關(guān)鍵數(shù)據(jù)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(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)（含選型）

4.1 遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)電能管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)分為五大模塊，分別是操作員登陸模塊、系統(tǒng)配置模塊、租戶（商鋪）管理模塊、售電管理模塊、報(bào)表中心模塊，系統(tǒng)大致運(yùn)行和操作流程如下：

本系統(tǒng)所有的報(bào)表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出的功能。

a)登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

b)系統(tǒng)設(shè)置：對(duì)建筑、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

c)租戶管理：對(duì)用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、抄表導(dǎo)出及記錄查詢等操作；

d)售電管理：對(duì)已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

e)報(bào)表中心：提供售電財(cái)務(wù)報(bào)表、用能報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等查詢。

4.2 應(yīng)用場(chǎng)所

（一）分布式商業(yè)

（二）連鎖門店

（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(qū)

4.3 平臺(tái)結(jié)構(gòu) 

圖3 遠(yuǎn)程閥控集抄系統(tǒng)整體架構(gòu)

4.4 設(shè)備選型

注：預(yù)付費(fèi)儀表、電流互感器等應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回路電流大小等選擇配置，安裝、接線等由甲方負(fù)責(zé)。

4.5、業(yè)務(wù)模式

用戶自建平臺(tái)，可建在用戶數(shù)據(jù)中心或監(jiān)控中心等，硬件客戶可以參照我方推薦系統(tǒng)設(shè)備配置參數(shù)采購(gòu)或者申請(qǐng)阿里云服務(wù)器。

安科瑞指導(dǎo)客戶完成平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)管隊(duì)伍的培訓(xùn)，如果客戶沒有技術(shù)力量維護(hù)，也可以選擇由安科瑞有償維護(hù)。

成本要求嚴(yán)格的，可選擇托管在安科瑞平臺(tái)，客戶可管理自己的數(shù)據(jù)，不可獲取其他客戶數(shù)據(jù)。

五、結(jié)束語

能源預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)集成了能源計(jì)量、數(shù)據(jù)采集和能源供應(yīng)控制三大功能，實(shí)現(xiàn)了能源準(zhǔn)確計(jì)量、數(shù)據(jù)及時(shí)傳送、欠費(fèi)關(guān)停的功能。IC卡的使用能有效防止偷氣，保障了計(jì)量的公平公正，并大大減少了人工抄表的費(fèi)用。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了一些智能化的方法，能夠確保用戶不發(fā)生意外停汽,保障安全用氣。該系統(tǒng)在供能區(qū)域得到了廣泛使用，用戶反響良好。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 韓鵬，周圍，何志俊，紀(jì)波峰，紀(jì)鋼，用能單位能源供應(yīng)預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.02版

[4] 安科瑞用戶測(cè)電能計(jì)量與預(yù)付費(fèi)管理解決方案手冊(cè) 2020.02版