施 群，訾淑偉，康忠健，鄭晴晴

（1.勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院 電力設(shè)計(jì)所，山東 東營 257061；2.膠州市供電公司，山東 膠州 266300；3.中國石油大學(xué) 電氣工程系，山東 東營 257061）

隨著市場分工的細(xì)化和專業(yè)化，行業(yè)管理的深入已經(jīng)非常明確。2009年山東省物業(yè)管理?xiàng)l例在5月1日正式頒布并實(shí)施，其中第二十四條第（三）項(xiàng)明確規(guī)定：小區(qū)用電納入城市供電網(wǎng)絡(luò)，并安裝分戶計(jì)量裝置?？梢婋娏芾硪呀?jīng)深入到居民住戶，而以往的工作模式和技術(shù)措施已經(jīng)不能承受這一點(diǎn)多面廣的工作現(xiàn)狀。電力管理同時(shí)還是一種服務(wù)，能夠穩(wěn)定可靠地將光明和溫暖送到千家萬戶是廣大電力工作者的一項(xiàng)神圣職責(zé)。因此，系統(tǒng)的安全、可靠、方便、準(zhǔn)確及高效是當(dāng)前電力管理服務(wù)的新要求[1]。

當(dāng)前，電力部門管理的轄區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)式的一戶一表，并且一部分實(shí)現(xiàn)了集中抄表。在所管轄的小區(qū)內(nèi)，電表箱都集中在一樓，實(shí)現(xiàn)了一戶一表的集中管理。這種管理模式基本上杜絕了亂拉、亂接現(xiàn)象的發(fā)生，提高了安全防護(hù)等級，但是不能將防范精確到每個(gè)點(diǎn)，例如不易被發(fā)現(xiàn)的“高科技”盜電。從居民的角度看，表箱集中管理，不便了解用電信息。雖然電量不足能夠用斷電提示，但家中無人時(shí)，冰箱、電腦等電器的突然斷電就會給居民帶來許多麻煩甚至造成經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)在城市高層住宅越來越多，每個(gè)單元為電表箱提供的安裝空間已經(jīng)不夠，因此將電表箱集中到設(shè)備間成了唯一的選擇。在設(shè)備間雖然有利于電力的管理，但不便于居民使用。

隨著人民生活水平和居住標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，對透明消費(fèi)的要求也越來越高，從住戶角度來看又出現(xiàn)了一些新的問題：如居民不能隨時(shí)了解水、電、氣表的用戶數(shù)據(jù)信息，特別是預(yù)付費(fèi)表的余量報(bào)警信息居民無法早知道，因電量不足而突然停電，就會造成措手不及；預(yù)付費(fèi)表居民還要通過管理人員到設(shè)備間去刷卡，帶來了很多不便。針對當(dāng)今配電網(wǎng)居民小區(qū)用能管理中存在的問題，利用電子、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型分布式居民用能管理系統(tǒng)，以適應(yīng)住宅社區(qū)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。筆者詳細(xì)介紹了所設(shè)計(jì)的新型分布式居民用能管理系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)[2-3]。

1 分布式居民用能管理系統(tǒng)的組成

根據(jù)當(dāng)前居民區(qū)的特點(diǎn)，本文提出的居民用電管理方案以每個(gè)小區(qū)為一個(gè)單位系統(tǒng)，在每個(gè)家庭使用具有分布式電能管理功能的電能管理終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。目前小區(qū)的線路敷設(shè)（從配電室或箱變到每棟樓）都是放射型敷設(shè)。高壓計(jì)量下是單樓或單元計(jì)量，在這段中的損耗是變損和線損。從單樓或單元到戶表一般是三相總表與單相表的關(guān)系，線損比較小，但有時(shí)會出現(xiàn)三相不平衡帶來的線損，其量也不太大。有效地控制三相表和單相表的比兌是堵塞和防止高科技盜電的關(guān)鍵。一般情況下可以根據(jù)日常使用規(guī)定一個(gè)損耗系數(shù)，當(dāng)超過這個(gè)系數(shù)時(shí)可以報(bào)警，及時(shí)查找原因[4]。

住宅小區(qū)三級計(jì)量及數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖1所示，圖中的HTDX即為電能管理終端設(shè)備。

圖1 住宅小區(qū)三級計(jì)量及數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.1 Diagram of three residential measurement and data transmission

圖1中網(wǎng)關(guān)可以在每樓設(shè)一個(gè)，也可以在每單元設(shè)一個(gè)。它有多個(gè)RS485接口和一個(gè)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口。RS485接口可與各個(gè)計(jì)量表和HTDX電能管理終端設(shè)備連接。網(wǎng)關(guān)將各表具有的信息進(jìn)行儲存、運(yùn)算分析和打包，隨時(shí)可以將數(shù)據(jù)傳到主控中心。網(wǎng)關(guān)還可以將數(shù)顯通傳來的購電信息經(jīng)過處理再發(fā)送到管理中心和電表實(shí)現(xiàn)家里插卡購電的功能。

在管理中心建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，它詳細(xì)記載著用戶的各種信息和當(dāng)前電量的使用情況。同時(shí)對非正常用電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如實(shí)用量大于購買量，充值量大于購買量以及單表與總表的差超出規(guī)定值等非法現(xiàn)象進(jìn)行報(bào)警，并在計(jì)算機(jī)中推算出非法現(xiàn)象發(fā)生的位置。采取這些措施可以真正堵塞盜電現(xiàn)象，又能及時(shí)分析當(dāng)前電量的使用情況[5]。

2 電能管理終端設(shè)備的設(shè)計(jì)

電能管理終端設(shè)備是通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的485總線將預(yù)付費(fèi)電能表內(nèi)的用電信息傳至室內(nèi)的一種電氣設(shè)備。它具有科學(xué)性強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電能管理終端裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the terminal device power management

電能管理終端裝置的硬件電路按其功能可分為電源電路、通信電路、IC卡讀寫電路、看門狗（WatchDog）電路、數(shù)碼管顯示、地址碼設(shè)置及單片機(jī)外圍電路7個(gè)功能模塊。電能管理終端裝置具有用戶的剩余電量顯示、電量不足報(bào)警、當(dāng)前電量顯示、讀卡和將新購電度數(shù)上傳至電能表的功能。它解決了人們生活管理中的一些死角問題，因而具有很強(qiáng)的適用性。將電能管理終端裝置安裝在住戶家中，用戶隨時(shí)都可以看到每天的用電量以及剩余的電量，這對節(jié)約用電、計(jì)劃用電都能起到指導(dǎo)作用。由于能對余電量報(bào)警，居民可以在提示下提前購電，從而避免了因電量不足停電而煩惱，例如因突然停電導(dǎo)致電腦文件的丟失以及對日常生活帶來的不便等。因“數(shù)顯通”具有讀卡功能，居民可以在家刷卡，也可以通過物業(yè)管理預(yù)支部分電量[6]。其外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電能管理終端裝置外形結(jié)構(gòu)及說明Fig.3 Description of structure and shape of power management terminal device

電能管理終端裝置可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，配合帶通信接口的水、電、氣三表使用，通過RS485通信總線傳輸，并與計(jì)量表同步對三表當(dāng)前用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。當(dāng)與預(yù)付費(fèi)計(jì)量表配合使用時(shí)，除具備三表用戶數(shù)據(jù)顯示外，還可以增加戶內(nèi)刷卡功能，采用一卡三用，由讀卡器確認(rèn)后將新充值數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)量表，并具備剩余量顯示和余量不足報(bào)警功能，可及時(shí)提醒住戶進(jìn)行充值?；陔娔芄芾斫K端裝置的集中抄表方案如圖4所示。

圖4 三表集抄方案圖Fig.4 Three tables set copy program

在圖4中的三表集抄方案中，通過集中器將水、電、汽數(shù)據(jù)表的數(shù)字以TCP/IP方式與寬帶網(wǎng)連接上傳到物業(yè)，便實(shí)現(xiàn)了三表集抄，并將數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)诫娔芄芾斫K端裝置，方便居民用戶對家庭用能進(jìn)行管理[7]。

3 分布式居民用能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)

為了防止不法用戶修改計(jì)量表具或管理中心數(shù)據(jù)，進(jìn)行“高科技”盜電，網(wǎng)關(guān)和管理中心及電能管理終端裝置之間的通信采用動態(tài)密碼加密技術(shù)，為數(shù)據(jù)的安全性提供了有力保障。

3.1 監(jiān)控中心抄表數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心向網(wǎng)關(guān)發(fā)送抄表命令過程如圖5所示。

圖5 監(jiān)控中心發(fā)送抄表命令示意圖Fig.5 Schematic of the monitoring center sending meter reading command

圖5中，當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到監(jiān)控中心發(fā)來的抄表命令后根據(jù)動態(tài)加密算法隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)碼并傳給管理中心，管理中心對校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，只有校驗(yàn)碼正確時(shí)才向網(wǎng)關(guān)發(fā)出確認(rèn)信息，否則向管理人員發(fā)出報(bào)警信息[8]。抄表命令校驗(yàn)碼發(fā)送示意圖如圖6所示。

圖6 校驗(yàn)碼發(fā)送示意圖Fig.6 Schematic of checksum sending

網(wǎng)關(guān)收到正確的確認(rèn)信息后，從表具讀取表內(nèi)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到管理中心，同時(shí)將表具的數(shù)據(jù)信息保存在網(wǎng)關(guān)的存儲器內(nèi)，以便HTDX電能管理終端裝置讀取。表具數(shù)據(jù)流向示意圖如圖7所示。

圖7 抄表時(shí)表內(nèi)數(shù)據(jù)流向示意圖Fig.7 Schematic of table data flow direction when meter reading

3.2 電能管理終端裝置抄表數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)

由于管理中心抄表時(shí)，網(wǎng)關(guān)自動將表具信息存儲在其內(nèi)部的存儲器內(nèi)，因此不需向表具發(fā)送任何信息。另外HTDX電能管理終端裝置內(nèi)無任何歷史信息，不會對數(shù)據(jù)安全性造成任何威脅[9]。

3.3 電能管理終端裝置抄表數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶將購電卡插入卡座內(nèi)，HTDX電能管理終端裝置首先讀取卡中數(shù)據(jù)，判斷該卡的合法性。如果該卡為合法的購電卡，HTDX電能管理終端裝置向網(wǎng)關(guān)發(fā)出購電請求，并從網(wǎng)關(guān)獲取動態(tài)密鑰，只有密鑰正確才將購電卡中有用的數(shù)據(jù)信息傳給網(wǎng)關(guān)。其數(shù)據(jù)流向如圖8所示。

圖8 插入購電后數(shù)據(jù)流向示意圖Fig.8 Schematic of data flow direction after inserting power purchase

圖8中當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到購電數(shù)據(jù)信息后，先將數(shù)據(jù)傳給管理中心，管理中心將數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，判讀數(shù)據(jù)的正確性和合法性，只有數(shù)據(jù)正確時(shí)，管理中心才向網(wǎng)關(guān)發(fā)出允許購電命令，否則發(fā)出報(bào)警指示[10]。購電數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)后的數(shù)據(jù)流向如圖9所示。

圖9 購電數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)后的數(shù)據(jù)流向示意圖Fig.9 Schematic of data flow direction after purchase data to the gateway

4 結(jié) 論

本文提出的結(jié)合電能管理終端裝置以小區(qū)為單位系統(tǒng)的管理方案，實(shí)現(xiàn)了居民用電分布式分層管理、分級計(jì)量、分級監(jiān)控、非正常使用時(shí)報(bào)警、用電效率提示、居民家中顯示用電情況、家中刷卡、電量不足提示等功能為一體的用電管理模式。這樣的管理模式既方便用戶又提高了管理效率，滿足了新形勢下電力管理的新要求。

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