韓 鵬， 周 圍， 何志俊， 紀(jì)波峰， 紀(jì) 綱

(1.國電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327；2.蘇州華威工程技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215513；3.上海同欣自動化儀表有限公司， 上海 200070)

用能單位能源供應(yīng)預(yù)付費系統(tǒng)

韓 鵬1， 周 圍2， 何志俊3， 紀(jì)波峰3， 紀(jì) 綱3

(1.國電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327；2.蘇州華威工程技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215513；3.上海同欣自動化儀表有限公司， 上海 200070)

企事業(yè)單位能源供應(yīng)預(yù)付費系統(tǒng)與家用能源供應(yīng)預(yù)付費系統(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，極易引發(fā)事故。針對企事業(yè)單位能源供應(yīng)的安全可靠性要求，研發(fā)了IC卡預(yù)付費系統(tǒng)。一個完整的能源預(yù)付費系統(tǒng)由售卡制卡子系統(tǒng)、能源計量子系統(tǒng)、預(yù)付費控制子系統(tǒng)、預(yù)付費監(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)付費控制子系統(tǒng)包含IC卡讀卡器、預(yù)付費控制器、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)付費系統(tǒng)集成了能源計量、數(shù)據(jù)采集和能源供應(yīng)控制三大功能，實現(xiàn)了能源精確計量、數(shù)據(jù)及時傳送、欠費關(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。

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

0 引言

近年來，能源預(yù)付費系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展對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，而且改后付費為預(yù)付費，杜絕了能源費拖欠這一老大難問題，實現(xiàn)了收費管理的現(xiàn)代化。

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

這樣的刷卡消費在家用時不存在大的安全隱患，但是對于一個工業(yè)制造企業(yè)就不那么簡單了。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)極易引發(fā)事故。

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

1 能源預(yù)收費系統(tǒng)的組成

能源預(yù)付費系統(tǒng)由5個基本部分組成：售卡、制卡子系統(tǒng)，能源計量子系統(tǒng)，預(yù)付費控制子系統(tǒng)，預(yù)付費監(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)付費系統(tǒng)的組成示意圖

1.1 售卡、制卡子系統(tǒng)

售卡、制卡子系統(tǒng)一般安裝在財務(wù)部門或熱網(wǎng)管理站的財務(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。

1.2 能源計量子系統(tǒng)

因能源種類、介質(zhì)類型和設(shè)計的不同，能源計量子系統(tǒng)的組成也不同。對于以蒸汽為介質(zhì)的供熱系統(tǒng)，計量的對象為蒸汽的質(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[1-2]。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有的設(shè)計中還提供不間斷電源(uninterruptable power system,UPS)。為了將測量結(jié)果及時遠(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[3]，常用的傳輸介質(zhì)為有線、無線以及移動通信(GPRS或CDMA)[4]。隨著移動通信資費的降低，現(xiàn)在人們更喜歡采用移動通信的方法。以GPRS為通信介質(zhì)的蒸汽預(yù)付費系統(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)付費系統(tǒng)示意圖

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，蒸汽計量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到±2.5%，而實際準(zhǔn)確度能達(dá)到±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]。

1.3 預(yù)付費控制子系統(tǒng)

預(yù)付費控制子系統(tǒng)由預(yù)付費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)場便于操作的地點。

預(yù)付費控制器應(yīng)具有下列基本功能。

①讀卡。預(yù)付費控制箱自帶非接觸式讀卡器，將客戶預(yù)先購得的IC卡上的金額讀入與卡號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。

② IC卡充值記錄畫面。每一次在控制箱讀卡器上刷卡充值時，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、時間、充入金額。通過操作控制器面板，可查詢?nèi)砍渲涤涗洝?/p>

③ 預(yù)付費主顯示畫面。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。該畫面還顯示累積流量和控制閥的當(dāng)前開度。

④ 自動關(guān)閥。當(dāng)余額為0時，控制器(或計算機(jī))自動關(guān)閥。

⑤ 故障診斷代碼。

1.4 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)

該系統(tǒng)是整個能源供應(yīng)網(wǎng)的監(jiān)視和指揮中心。它先對分布在各處的現(xiàn)場能源計量表計的測量結(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，分別提前三天、兩天和一天自動發(fā)出提示短信；最重要的是，在所剩金額為0時，通過計算機(jī)關(guān)閉現(xiàn)場控制閥或由現(xiàn)場預(yù)付費控制器自動關(guān)閉能源控制閥。

監(jiān)控站計算機(jī)的畫面可以很豐富，一般有檢測控制點地理分布畫面、動態(tài)流程圖畫面、計量數(shù)據(jù)密集顯示畫面、計量數(shù)據(jù)歷史曲線畫面、管損趨勢圖畫面、同比分析畫面、事件報告畫面、統(tǒng)計報表畫面和收費通知單制作畫面，在有關(guān)文獻(xiàn)中已對其有詳細(xì)描述[8-9]。在具有預(yù)付費管理功能的監(jiān)控操作站，還必須有費用管理畫面和控制閥操作畫面。

2 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵問題研究

2.1 可靠性問題

安全性和可靠性設(shè)計是預(yù)付費系統(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，電動控制閥的閥門能保持原有閥位，不會自行關(guān)閥；控制線斷線后也不會自行關(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導(dǎo)致控制閥的意外關(guān)閉。

上位機(jī)對控制閥進(jìn)行操作的條件是：應(yīng)用程序投入正常運行；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、出錯時，不可能同時滿足這3個條件，因此，系統(tǒng)是安全的。

③ 防止控制閥卡死問題。預(yù)付費控制系統(tǒng)中的大部分控制閥極少發(fā)生動作，有的計量點可能一年也不發(fā)生動作。因此，閥芯總是停留在一個位置上，容易因流體中的水垢等異物而卡死，導(dǎo)致需要關(guān)閥的時候無法關(guān)斷[10]。解決這一問題的方法是經(jīng)常讓閥芯動一動，例如在上位機(jī)中設(shè)計一個程序，定期由上位機(jī)送出一個將閥門關(guān)小的信號，并自動記錄閥門動作的實際響應(yīng)數(shù)據(jù)，并由計算機(jī)判斷控制閥動作是否正常。在試驗中，閥門關(guān)小的程度應(yīng)以不影響用戶的使用為限。實現(xiàn)這一措施的基礎(chǔ)是閥門選用比例式電動控制閥，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)付費控制系統(tǒng)中，業(yè)主單位可在控制閥旁邊設(shè)一臺通徑足夠小的旁通閥；冷管啟動時，先開旁通閥暖管；暖管過程結(jié)束后，再開啟預(yù)付費控制閥。預(yù)付費閥關(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)付費閥重新打開時的水擊。

⑤ 儀表的故障診斷和診斷信息的管理。預(yù)付費控制器和計量表計的正常運行是預(yù)付費系統(tǒng)正常運行的先決條件。因此，預(yù)付費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、報警和編制報警記錄。同時，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。

2.2 防作弊問題

用于貿(mào)易交接計量的表計偶爾會發(fā)生作弊事件，作弊的手法也很多。在現(xiàn)有的儀表中，已經(jīng)實施的防作弊策略有以下幾種。

① 防止拉電作弊的策略。在計量箱內(nèi)的流量演算器帶有斷電記錄功能，能將計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信號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)出報警信號，并作好事件記錄，以備查考。

② 開箱門報警。在現(xiàn)場儀表箱內(nèi)配有行程開關(guān)，一旦箱門被打開，就有一路接點信號經(jīng)演算器送至上位機(jī)，進(jìn)行報警。

③ 防止通過上位機(jī)向下位機(jī)下載數(shù)據(jù)作弊。在預(yù)付費控制系統(tǒng)中，上位機(jī)要對安裝在現(xiàn)場的控制閥進(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表。其中，用于計量的流量演算器申請政府授權(quán)機(jī)構(gòu)的檢定，檢定合格后加封印。

④ 防止通過修改與計量結(jié)果有關(guān)的數(shù)據(jù)作弊。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，都會形成一條黃色字跡的記錄，從而杜絕了這一作弊方法。

3 結(jié)束語

能源預(yù)付費系統(tǒng)集成了能源計量、數(shù)據(jù)采集和能源供應(yīng)控制三大功能，實現(xiàn)了能源精確計量、數(shù)據(jù)及時傳送、欠費關(guān)停的功能。IC卡的使用能有效防止偷氣，保障了計量的公平公正，并大大減少了人工抄表的費用。所設(shè)計的系統(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。

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

[2] 于陽,紀(jì)綱,徐華東. GILFLO流量計在蒸汽計量中的應(yīng)用[J].上海計量測試,2008(2):19-22.

[3] 紀(jì)綱,蔡武昌. 流量演算器[J].自動化儀表,2000,21(9): 20-25.

[4] 陳茹. 安裝SCADA系統(tǒng)應(yīng)考慮的問題[J]. 自動化儀表,1999(5):44.

[5] 全國能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB 17167-2006 用能單位能源計量器具配備和管理通則[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[6] 紀(jì)綱,紀(jì)波峰. 流量測量系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷集錦[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2012: 264-268.

[7] 陳勇,馬璐文,陳新亮,等. 雙量程孔板流量計不確定度及量程比[J].石油化工自動化,2013(5):52-56.

[8] 紀(jì)綱. 流量測量儀表應(yīng)用技巧[M]. 2版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2009:265-277.

[9] 耿晨歌,汪樂宇,盧奐采. 城市管道燃?xì)庀到y(tǒng)的分布式遙控監(jiān)測[J].自動化儀表,1999(5):32-41.

[10]明賜東. 調(diào)節(jié)閥計算選型使用[M]. 成都: 成都科技大學(xué)出版社,1999.

Energy Supply Prepaid System for Enterprise Energy Consumers

HAN Peng1,ZHOU Wei2,HE Zhijun3,JI Bofeng3,JI Gang3

(1.China Guodian Taizhou Power Co.,Ltd.,Taizhou 225327,China; 2.Suzhou Huawell Engineering & Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215513,China; 3.Shanghai Tontion Automation Instrumentation Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China)

The energy supply prepaid system for enterprises and institutions requests higher safety and reliability than those of the prepaid system for domestic users; in some crucial departments,abruptly interrupted energy supply may cause accidents. In accordance with the requirements of safety and reliability of the prepaid system for enterprises and institutions,the IC card prepaid system has researched and developed. The whole system is composed of the card making and selling subsystem,the energy metering subsystem,the prepaid control subsystem,the prepaid monitoring subsystem,and the transmission media among each subsystem. The prepaid subsystem is including IC card reader,prepaid controller,control valves,and auxiliary equipment. The software of card making and selling subsystem consists of operator password verification (overview display),authority management,user archives management,initialization of IC card,IC card recharge,and operation traces inquiry,etc. The energy prepaid system integrates three functions of energy metering,data acquisition,and energy supply control,to realize accurate energy metering,prompt data transmission,and arrears shut down. The system is widely used in energy supply area,with good user response.

Smart grid； Energy； Wireless communication； Reliability； Prepaid system; Data collection； Monitoring

國家科技計劃資助項目(2015BAK16B04)

韓鵬(1984—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事熱能計量和熱網(wǎng)管理工作。E-mail：187313832@qq.com。

TH81；TP216

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702024

修改稿收到日期:2016-05-25