基于IC卡的電能收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1 引言

近年來，我國電力建設(shè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)改造在有些地區(qū)已初步完成，用戶不僅要求有電用，而且要求用高質(zhì)量的電，享受到更好的服務(wù)。提高電力部門電費(fèi)實(shí)時(shí)性結(jié)算水平，建立區(qū)域乃至全國統(tǒng)一的電力大市場已成為所有電力部門的共識。由此帶來的對傳統(tǒng)結(jié)算手段的改進(jìn)。

人工手工抄表工作量大，工作效率低，同時(shí)也容易出現(xiàn)混淆、錯(cuò)誤，也容易導(dǎo)致用戶與供電企業(yè)的糾紛。

鑒于此，目前市場上已出現(xiàn)無線(或者有線)抄表的電表和IC 卡電表。例如基于電力線載波的有線抄表系統(tǒng)、基于無線通信網(wǎng)無線抄表系統(tǒng)、基于GPRS/CDMA 的無線抄表系統(tǒng)、基于有線電視網(wǎng)絡(luò)有線抄表系統(tǒng)和IC卡電表等。

2 已有電能收費(fèi)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 基于電力載波的有線抄表系統(tǒng)

利用電力載波作為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)通道，可以充分利用已有的供電線路，無需單獨(dú)架設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò)，也無須后續(xù)的通訊費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)且實(shí)用性強(qiáng)，采集所得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較好，運(yùn)行成本低，無疑是很方便的。但是用低壓電力線作為傳輸信道還存在許多問題，首先電力線的干擾非常大，特別是在用戶線路上，用戶的家用電器、開關(guān)電源等產(chǎn)生的高次諧波，各種用電設(shè)備的通斷產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖干擾和各種大功率開關(guān)器件的開關(guān)產(chǎn)生的寬頻譜的駐波干擾等等。不同地方的線路特性可能完全不同，使用線路的種類及線路上的負(fù)荷情況都會(huì)對高頻信號在電力線上的傳輸特性產(chǎn)生很大的影響，即使是同一段電力線路，其傳輸特性也會(huì)隨各種電力負(fù)荷的變化而改變，這樣影響了數(shù)據(jù)信號的遠(yuǎn)距離傳送。其次線路在經(jīng)歷變壓器的位置需要安裝集中器;傳輸距離較長時(shí)，載波信號衰減嚴(yán)重，需要進(jìn)行中繼，這樣增加了設(shè)備投資。

2.2 基于無線通信網(wǎng)的無線抄表系統(tǒng)

利用無線電波進(jìn)行無線通信實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，對范圍廣、分布分散的電表采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，是一種較好的選擇。使用這種通信方式，安裝調(diào)試方便。但是無線信號屬于空中傳輸信號，現(xiàn)在各種無線信號繁多，相鄰兩個(gè)信道會(huì)產(chǎn)生相互干擾。

2.3 基于GPRS/CDMA的無線抄表系統(tǒng)

基于GPRS/CDMA 的無線抄表系統(tǒng)是利用GPRS/CDMA無線數(shù)傳業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程自動(dòng)集中抄表監(jiān)控管理分析系統(tǒng)。由于它施工簡便，性能可靠，自動(dòng)化程度高，投資回報(bào)快，深受廣大用戶歡迎。但是基于GPRS/CDMA 的無線抄表系統(tǒng)需要一定的數(shù)據(jù)通信費(fèi)用，這就增加了抄表系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2.4 基于有線電視網(wǎng)絡(luò)有線抄表系統(tǒng)

基于有線電視網(wǎng)絡(luò)的居民集抄是利用已有的有線電視通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)居民集抄的一種集抄方案。

有線電視網(wǎng)作為現(xiàn)行有線電視普遍使用的通信機(jī)制，其提供的頻帶寬(可達(dá)1GHz)，等時(shí)服務(wù)性能好，支持全部現(xiàn)存的和發(fā)展的窄帶和寬帶業(yè)務(wù)，并為用戶提供了廉價(jià)的以電為基礎(chǔ)的終端設(shè)備，這可以使用戶根據(jù)需要逐漸增加投資以加入某些新的通信業(yè)務(wù)，從而使有線電視網(wǎng)與其它網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相比在帶寬、等時(shí)性、兼容性及投資方面占據(jù)了優(yōu)勢，成為目前實(shí)現(xiàn)多媒體通信最具競爭力的網(wǎng)絡(luò)?；谟芯€電視網(wǎng)絡(luò)的電表集抄系統(tǒng)是一種較理想的方案。但是利用有線電視網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抄表需要用戶電表和有線電視網(wǎng)絡(luò)之間建立數(shù)據(jù)通信，完成這種數(shù)據(jù)通信需要采集器和調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備，這將增加抄表系統(tǒng)的成本。而且基于有線電視網(wǎng)絡(luò)的居民集抄也需要一定的通信費(fèi)用，這將增加抄表系統(tǒng)的運(yùn)行成本。 2.5 IC卡電表

采用IC卡電表和采用傳統(tǒng)的手工抄表相比有很多優(yōu)勢：

(1)有了IC卡電表，不需要麻煩人工抄表，有利于現(xiàn)代化管理。

(2)IC卡電表的使用避免人工抄表上門收費(fèi)給客戶帶來的諸多不便，且歷史購電數(shù)據(jù)均可以保存，便于客戶查詢。

(3)充分體現(xiàn)了電力的商品屬性。實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)功能，實(shí)行先買電后用電，客戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要有計(jì)劃地購電、用電，不會(huì)因欠費(fèi)而發(fā)生滯納金，增加不必要的開支。

(4)IC卡電表即解決了收費(fèi)難的問題，也很好地解決零散居民客戶、臨時(shí)用電客戶、經(jīng)常欠費(fèi)客戶的收費(fèi)問題。但目前的用戶電卡，需要插到電表里或靠近電表將所購電量傳遞給用戶電表，操作起來比較麻煩，特別在農(nóng)村，電表一般裝在幾米高的地方，操作起來就更加麻煩。以上分析了有線和無線遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)和 IC 卡電表的優(yōu)缺點(diǎn)。遠(yuǎn)程集中抄表是用于小區(qū)用戶用電量的智能采集系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)和采用傳統(tǒng)的手工抄表相比有很多優(yōu)勢：

第一、遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)抄表速度快，抄收同時(shí)性好。

第二、遠(yuǎn)程集中抄表省時(shí)省力，大大減少了手工抄表所用的人力物力。

第三、有利于消除人工抄表的誤差。

第四、可實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)統(tǒng)計(jì)，時(shí)段電量控制。

第五、可遠(yuǎn)程控制通斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)管理功能。

但是遠(yuǎn)程集中抄表要借助通信網(wǎng)絡(luò)才能完成，新建通信網(wǎng)絡(luò)投資較大，而借助已有通信網(wǎng)絡(luò)則需要繳納一定的通信費(fèi)用，導(dǎo)致遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)運(yùn)行成本較高。 IC 卡電表不需要借助任何通信網(wǎng)絡(luò)也不需要繳納任何的通信費(fèi)用，系統(tǒng)投資少運(yùn)行成本低。但目前的IC 卡電表，需要將用戶電卡插到電表里或靠近電表才能將所購電量傳遞給用戶電表，操作起來比較麻煩，特別在農(nóng)村，電表一般裝在幾米高的地方，操作起來就更加麻煩。為了解決遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)投資較大、運(yùn)行成本較高，而IC 卡電表操作比較麻煩的問題，提出了一種基于IC卡的電能收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

3 本設(shè)計(jì)方案涉及到的主要技術(shù)

本方案涉及到電力載波通訊技術(shù)，故首先介紹一下：電力載波通訊即PLC，是英文Power line Communication的簡稱。電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 本設(shè)計(jì)的總體方案

本方案的總體設(shè)計(jì)思路：生產(chǎn)一種IC 卡接口裝置放在用戶家中，該裝置和用戶電表之間可以通過有線、無線或電力載波進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。用戶將IC卡插入或靠近IC卡接口裝置，該裝置可以將用戶所購電量等數(shù)據(jù)傳遞給用戶電表，而用戶電表內(nèi)的剩余電量等數(shù)據(jù)也可以通過該裝置傳遞給IC卡。

4.2 用戶電表的組成

用戶電表的組成：傳統(tǒng)的IC 卡電表內(nèi)部由基表，主控單片機(jī)芯片，數(shù)碼顯示，繼電器開關(guān)，ESAM 安全模塊和IC卡接口組成。本設(shè)計(jì)方案用戶電表的組成和傳統(tǒng)的IC 卡電表沒有什么兩樣，只是將IC 卡接口電路分離出來，增加一個(gè)通信接口用來和IC 卡接口裝置通過有線、無線或電力載波進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣做可以多塊電表共用一條線路或共用一個(gè)無線收發(fā)模塊或電力載波收發(fā)模塊。也可以不用通信接口而將無線收發(fā)摸塊(無線調(diào)制解調(diào)模塊)或電力載波收發(fā)模塊(電力載波調(diào)制解調(diào)模塊)置于用戶電表內(nèi)部，用無線或電力載波和IC卡接口裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣做每塊電表都要安裝一個(gè)無線或電力載波收發(fā)模塊。

4.3 IC卡接口裝置的組成

IC卡接口裝置的組成：IC卡接口裝置主要由IC卡接口電路、主控單片機(jī)芯片、數(shù)碼顯示、操作按鍵、通信接口或無線收發(fā)模塊或電力載波收發(fā)模塊等組成。用通信接口可以實(shí)現(xiàn)IC 卡接口裝置和用戶電表之間的有線數(shù)據(jù)通信，用無線收發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)IC 卡接口裝置和用戶電表之間的無線數(shù)據(jù)通信，用電力載波收發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)IC 卡接口裝置和用戶電表之間的通過電力載波的數(shù)據(jù)通信。因?yàn)镮C 卡接口裝置和用戶電表的距離一般比較近，所以無論用有線、無線還是電力載波都比較簡單可靠，成本也比較低。

4.4 收費(fèi)功能的實(shí)現(xiàn)

收費(fèi)功能的實(shí)現(xiàn)：用戶在供電部門交款購買，所購電量在售電機(jī)上被寫進(jìn)用戶電卡，用戶將用戶電卡(IC 卡)插到或靠近IC卡接口裝置，通過IC卡接口裝置將用戶所購電量等數(shù)據(jù)傳遞給電表，同時(shí)用戶電表將表內(nèi)剩余電量等數(shù)據(jù)通過IC卡接口裝置傳遞給IC卡 (用戶電卡)，用戶電卡經(jīng)多次加密可以保證用戶可靠的使用。當(dāng)所購電量用完后，表內(nèi)繼電器將自動(dòng)切斷供電回路。這種方式對長期固定用戶比較適用，而對流動(dòng)性較強(qiáng)的臨時(shí)性用戶應(yīng)采用以下方式比較方便。用戶在供電部門交款購買，所購電量在售電機(jī)上被寫進(jìn)用戶電卡，用戶將用戶電卡(IC卡)插到IC卡接口裝置上，用戶電卡和用戶電表通過IC 卡接口裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將用戶所用電量從用戶電卡中扣除，而剩余電量保留在用戶電卡中。這對流動(dòng)性較強(qiáng)的臨時(shí)性用戶特別適用，他們可以拿著用戶電卡中的剩余電量到別的地方繼續(xù)使用，或到供電部門換成現(xiàn)金。以上兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)具體采用哪種方式需要根據(jù)實(shí)際情況而定。

本設(shè)計(jì)方案所論述的收費(fèi)系統(tǒng)無需借助任何通信網(wǎng)絡(luò)，投資少運(yùn)行成本低。而且IC 卡接口裝置放在用戶家中，用戶操作起來非常方便。比較適合用于居民小區(qū)，特別適合用于農(nóng)村用電戶。本設(shè)計(jì)方案也可以用于水、氣、暖的收費(fèi)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用一卡多用，給用戶提供了極大的方便。本收費(fèi)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)且實(shí)用性強(qiáng)，可長期穩(wěn)定運(yùn)行。是電能收費(fèi)系統(tǒng)比較理想的收費(fèi)方案。