预付费电能表

作者：信息来源:电子市场 2007-6-4

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摘要：介绍预付费电能表应具有的基本功能，预付费电能表的工作原理、硬件原理框图和控制程序流程图。关键词：预付费电能表。单片机1引言预付费电能表起源于欧洲。为解决此问题，一些制造厂设计、生产了预付费电能表。...

摘要：介绍预付费电能表应具有的基本功能，预付费电能表的工作原理、硬件原理框图和控制程序流程图。　　
关键词：预付费电能表；集成电路卡；单片机

1　引言
　　预付费电能表起源于欧洲。二战后，流动口很多，导致电力公司收电费困难。为解决此问题，一些制造厂设计、生产了预付费电能表。内，随着国民经济的发展，流动人口在增加，此问题也日益加剧。另一方面，有些用电户法制观念淡薄，迟交、拖欠、不交或窃电，不以为然。用电管理部门对此伤透脑筋，花费大量人力物力仍有数以亿计的电费收不上来（据资料介绍，1998年底全国电力系统欠费高达250亿元）。为解决收电费难问题，预付费办法和预付费电能表应运而生。　　按电能测量单元的工作原理，预付费电能表可分为机电式（混合式）预付费电能表和电子式（静止式）预付费电能表两种类型。
2　预付费电能表标准
　　经机械工业部批准，国内于1996年发布了机械行业标准“预付费电度表”（JB／T8382－1996）。随着技术的发展，IC卡预付费售电技术日趋成熟，为了更好地满足制造商和用户的需要，照IEC规范，制定了新的国标。国家质量监督检验检疫总局于2001年10月8日批准、发布了此标准———“IC卡预付费售电系统”（GB／T18460－2001）。标准由3部分组成：第1部分总则，规定了IC卡售电系统的组成、基本定义、基本功能和基本流程；第2部分IC卡及其管理，规定了IC卡中的基本数据定义、数据传输方式、安全保证和管理流程；第3部分预付费电能表（代替JB／T8382－1996），规定了电能表的计量和控制特性。按GB／T18460．3－2001的要求，预付费电能表应具有下列功能：
　　实现用户先买电后用电的功能：当电能表内剩余电量（金额）小于或等于系统所设的报警电量或报警金额时，应能以声、光或其他方式提醒用户；当剩余电量（金额）为零或双方约定的允许的赊欠电量（金额）时，发出断电信号控制负荷开关自动切断。输入新购电量（金额）后，电能表能自动恢复（必要时，也可辅以手工恢复）。输入的本次购电量（金额）与表内的剩余电量或剩余金额应能迭加。
　　电能表至少应能显示累计所用的电能数、剩余电量或剩余金额。当供电线路停止供电时，剩余电量或剩余金额及其他需要保护的信息不应丢失。
　　用户将IC卡插入后，电能表应能自动将当前剩余电量或剩余金额、表的状态信息返写至IC卡中，以供IC卡预付费介质管理系统查询；电能表应能接受由售电管理系统制作的检测卡的检查，并能将当前表的状态信息返写至检测卡中。
　　当使用非指定介质或进行非法操作时，电能表应能辨伪、防护；撤消非指定介质或非法操作后，电能表应能正常工作且不丢失数据。用户原售电卡遗失，经补遗后，电能表应能接受新补的售电卡，拒绝原售电卡。
　　对具有多种费率（电价）的表，应具有计时和正点抄表功能。
3　预付费电能表
3．1　工作原理和硬件结构
　　预付费电能表的结构与多费率电能表的结构大致相同，主要由电能测量单元和数据处理单元两部分组成。不过，加装了卡座接口和相关的处理程序。典型的预付费电能表的原理框图见图1。

　　卡座　卡座安装在电能表上，它IC卡与电能表连接的硬件接口。卡座包括与IC卡pcb板相接触的电气触点，固定和弹出卡的机械装置，与系统连接的安装座，与内部电路连接的电气终端等。卡从插口插入且插到位时，8个簧片触点与IC卡上的对应触点相接触，数据处理单元利用其中的几个触点串行存取IC卡信息。
　　数据处理单元　数据处理单元主要由单片机或DSP等构成。一方面，将测量单元输入的电量脉冲累加成电能量，并显示于显示器上；另一方面，经卡座的通信接口，对IC卡中的密码进行核对，若正确则读入卡中信息。随着用电量的增加，不断从预购电量中减去用电量和将剩余电量显示于显示器上，实施预付费计量。
　　断电机构　断电机械是预付费电能表的一个重要部件。当剩余电量为零或约定的赊欠电量时，断电机构自动切断。视负荷电流的大小，断电功能可由内部继电器实现（直通式表），或由内部中间继电器驱动外部断路器实现（通过电流互感器TA和断路器实现的表）。断电机构一般都配有主、辅同步联动的两种触点。主触点控制供电，辅助触点接CPU，用来判断其工作是否正常，进行自诊断。若断电机构有故障无法跳闸，则累计透支电量，保证计量的正确。
　　IC卡　IC卡是一张将集成电路芯片镶嵌入塑料基片中形成的、能多次重复使用的卡片（每次写入的购电信息只能被对应的电能表有效接受一次）。按照卡中所嵌的集成电路的不同可分为：1．存储卡，核心器件为可电擦除的可编程只读存储器（EEPROM），典型的存储卡有93C46卡和24C01卡等；2．逻辑加密卡，核心器件为EEPROM和密码控制逻辑单元，典型的逻辑加密卡有AT88SC102卡和SLE4442卡等，种卡只有通过密码认证后才能对卡中数据进行改写；3．CPU卡，配置了存储器、逻辑控制电路和微处理器电路，这种卡需经密钥认证才能读其中数据或将数据写入卡中。存储卡、逻辑加密卡和CPU卡都是接触型卡。另一类IC卡为非接触型卡，镶嵌入收发等更复杂的电路，利用无线电技术或光学技术进行读写。
　　接触式IC卡（卡座）的结构尺寸、接口电气特性见“识别卡　带触点的集成电路卡”（GB／T16649－1996）的第1部分：物理特性；第2部分：触点的尺寸和位置；第3部分：电信号和传输协议。
3．2　控制程序
　　图2是一种典型的预付费电能表的主程序流程图。初始化后，控制程序首先检查是否有IC卡插入。若有，则读入卡中信息，判断输入的命令。若输入的信息为购电数据帧，则根据用户户名判断表卡是否对应，然后根据购电次数判断是否为有效购电卡，判断正确后将购电量追加到电能表中。
电能表接受的购电数据帧格式为

　　电能表接受购电数据帧后，向购电卡返写剩余电量、累计购电量、累计用电量、电能表状态字等数据，供下次购电时售电系统读取和判断购电卡的合理性。
　　返写数据帧的格式为

　　返写数据后检查断电机构是否已合闸。未合闸则合闸。随着用电量的增加，剩余电量不断减少。当剩余电量等于零或约定的允许赊欠电量时，断电机构在数据处理单元的控制之下自动跳闸。若剩余电量不等于零，但小于或等于报警电量时则报警，提醒用户购电。剩余电量大于报警电量，电能表则进入正常的电能计量状态。
　　电能表的报警电量和实施一表一卡判断的用户户名等数据都在接受初始化数据帧时读入。初始化数据帧的格式为

3．3　IC卡传递的数据
　　IC卡类型：用两位数字代表的不同逻辑状态，01—初始化卡，02—售电卡，03—检测卡，04—补卡；电能表状态字：表示电能表的不同运行状态，用一个字节中的不同位表示，如，位0＝0表示负荷开关正常，位1＝0表示EEPROM正常，反之为不正常等；用户户名：唯一识别不同用户的一组编号；电表表号：电能表的出厂编号；剩余电量（金额）：用户保留在表中可以使用的电量（金额）；购电量（金额）：通过适当的介质传输到表中并能够与有效的剩余电量（金额）进行累加的电量（金额）；累计购电量（金额）：表中累加并存储的有效购电量（金额）之和；累计用电量（金额）：表中累加并存储的用户用电量（金额）之和；购电次数：表中累加并存储的所传输的购电量的次数；报警电量：为防止剩余电量（或剩余金额）递减为零而造成断电，提醒用户尽快购电的门限电量；过零电量：当剩余电量递减为零并且控制单元已经发出断电指令后，由于执行机构故障，电能表所计量的用电量；应急赊欠电量：在应急赊欠状态唤醒后用户所消耗的电量；应急赊欠电量门限：电能表提供给用户应急赊欠电量的数量；囤积电量：允许用户在表中追加的最大购电量；冻结电量：在每月固定日固定时间冻结并存储的当月用电量；协议电量：供电部门和用户之间商定的可以透支的电量；返写日历、时钟：电能表向IC卡返写数据时的日历（年、月、月）和时钟（时、分、秒）；费率代码：为用户从费率表中选定相应的费率电价的代码；自定义数据。

参考文献：

［1］本刊编辑部．以AD7755设计的电子电能表．仪表技术，2002，（4）．
［2］本刊编辑部．以MSP430设计的电子电能表．仪表技术，2003，（3）．
［3］本刊编辑部．多费率电能表．仪表技术，2003，（5）．

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