基于IC卡的电能收费系统的设计方案

1 引言

近年来，我国电力建设发展迅速，电网改造在有些地区已初步完成，用户不仅要求有电用，而且要求用高质量的电，享受到更好的服务。提高电力部门电费实时性结算水平，建立区域乃至全国统一的电力大市场已成为所有电力部门的共识。由此带来的对传统结算手段的改进。

人工手工抄表工作量大，工作效率低，同时也容易出现混淆、错误，也容易导致用户与供电企业的纠纷。

鉴于此，目前市场上已出现无线(或者有线)抄表的电表和IC 卡电表。例如基于电力线载波的有线抄表系统、基于无线通信网无线抄表系统、基于GPRS/CDMA 的无线抄表系统、基于有线电视网络有线抄表系统和IC卡电表等。

2 已有电能收费系统的优缺点

2.1 基于电力载波的有线抄表系统

利用电力载波作为自动抄表系统的底层数据通道，可以充分利用已有的供电线路，无需单独架设通讯网络，也无须后续的通讯费用，经济且实用性强，采集所得的数据实时性较好，运行成本低，无疑是很方便的。但是用低压电力线作为传输信道还存在许多问题，首先电力线的干扰非常大，特别是在用户线路上，用户的家用电器、开关电源等产生的高次谐波，各种用电设备的通断产生的瞬时脉冲干扰和各种大功率开关器件的开关产生的宽频谱的驻波干扰等等。不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷情况都会对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响，即使是同一段电力线路，其传输特性也会随各种电力负荷的变化而改变，这样影响了数据信号的远距离传送。其次线路在经历变压器的位置需要安装集中器;传输距离较长时，载波信号衰减严重，需要进行中继，这样增加了设备投资。

2.2 基于无线通信网的无线抄表系统

利用无线电波进行无线通信实现的自动抄表系统，对范围广、分布分散的电表采集器进行数据通信，是一种较好的选择。使用这种通信方式，安装调试方便。但是无线信号属于空中传输信号，现在各种无线信号繁多，相邻两个信道会产生相互干扰。

2.3 基于GPRS/CDMA的无线抄表系统

基于GPRS/CDMA 的无线抄表系统是利用GPRS/CDMA无线数传业务实现的远程自动集中抄表监控管理分析系统。由于它施工简便，性能可靠，自动化程度高，投资回报快，深受广大用户欢迎。但是基于GPRS/CDMA 的无线抄表系统需要一定的数据通信费用，这就增加了抄表系统的运行成本。

2.4 基于有线电视网络有线抄表系统

基于有线电视网络的居民集抄是利用已有的有线电视通信网络来实现居民集抄的一种集抄方案。

有线电视网作为现行有线电视普遍使用的通信机制，其提供的频带宽(可达1GHz)，等时服务性能好，支持全部现存的和发展的窄带和宽带业务，并为用户提供了廉价的以电为基础的终端设备，这可以使用户根据需要逐渐增加投资以加入某些新的通信业务，从而使有线电视网与其它网络环境相比在带宽、等时性、兼容性及投资方面占据了优势，成为目前实现多媒体通信最具竞争力的网络。基于有线电视网络的电表集抄系统是一种较理想的方案。但是利用有线电视网络进行抄表需要用户电表和有线电视网络之间建立数据通信，完成这种数据通信需要采集器和调制解调器等设备，这将增加抄表系统的成本。而且基于有线电视网络的居民集抄也需要一定的通信费用，这将增加抄表系统的运行成本。 2.5 IC卡电表

采用IC卡电表和采用传统的手工抄表相比有很多优势：

(1)有了IC卡电表，不需要麻烦人工抄表，有利于现代化管理。

(2)IC卡电表的使用避免人工抄表上门收费给客户带来的诸多不便，且历史购电数据均可以保存，便于客户查询。

(3)充分体现了电力的商品属性。实现了预付费功能，实行先买电后用电，客户可以根据自己的实际需要有计划地购电、用电，不会因欠费而发生滞纳金，增加不必要的开支。

(4)IC卡电表即解决了收费难的问题，也很好地解决零散居民客户、临时用电客户、经常欠费客户的收费问题。但目前的用户电卡，需要插到电表里或靠近电表将所购电量传递给用户电表，操作起来比较麻烦，特别在农村，电表一般装在几米高的地方，操作起来就更加麻烦。以上分析了有线和无线远程集中抄表系统和 IC 卡电表的优缺点。远程集中抄表是用于小区用户用电量的智能采集系统，采用远程集中抄表系统和采用传统的手工抄表相比有很多优势：

第一、远程集中抄表系统抄表速度快，抄收同时性好。

第二、远程集中抄表省时省力，大大减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误差。

第四、可实现分时电价统计，时段电量控制。

第五、可远程控制通断，实现预付费管理功能。

但是远程集中抄表要借助通信网络才能完成，新建通信网络投资较大，而借助已有通信网络则需要缴纳一定的通信费用，导致远程集中抄表系统运行成本较高。 IC 卡电表不需要借助任何通信网络也不需要缴纳任何的通信费用，系统投资少运行成本低。但目前的IC 卡电表，需要将用户电卡插到电表里或靠近电表才能将所购电量传递给用户电表，操作起来比较麻烦，特别在农村，电表一般装在几米高的地方，操作起来就更加麻烦。为了解决远程集中抄表系统网络投资较大、运行成本较高，而IC 卡电表操作比较麻烦的问题，提出了一种基于IC卡的电能收费系统的设计方案。

3 本设计方案涉及到的主要技术

本方案涉及到电力载波通讯技术，故首先介绍一下：电力载波通讯即PLC，是英文Power line Communication的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。

4 设计方案

4.1 本设计的总体方案

本方案的总体设计思路：生产一种IC 卡接口装置放在用户家中，该装置和用户电表之间可以通过有线、无线或电力载波进行数据通信。用户将IC卡插入或靠近IC卡接口装置，该装置可以将用户所购电量等数据传递给用户电表，而用户电表内的剩余电量等数据也可以通过该装置传递给IC卡。

4.2 用户电表的组成

用户电表的组成：传统的IC 卡电表内部由基表，主控单片机芯片，数码显示，继电器开关，ESAM 安全模块和IC卡接口组成。本设计方案用户电表的组成和传统的IC 卡电表没有什么两样，只是将IC 卡接口电路分离出来，增加一个通信接口用来和IC 卡接口装置通过有线、无线或电力载波进行数据通信。这样做可以多块电表共用一条线路或共用一个无线收发模块或电力载波收发模块。也可以不用通信接口而将无线收发摸块(无线调制解调模块)或电力载波收发模块(电力载波调制解调模块)置于用户电表内部，用无线或电力载波和IC卡接口装置进行数据通信。这样做每块电表都要安装一个无线或电力载波收发模块。

4.3 IC卡接口装置的组成

IC卡接口装置的组成：IC卡接口装置主要由IC卡接口电路、主控单片机芯片、数码显示、操作按键、通信接口或无线收发模块或电力载波收发模块等组成。用通信接口可以实现IC 卡接口装置和用户电表之间的有线数据通信，用无线收发模块可以实现IC 卡接口装置和用户电表之间的无线数据通信，用电力载波收发模块可以实现IC 卡接口装置和用户电表之间的通过电力载波的数据通信。因为IC 卡接口装置和用户电表的距离一般比较近，所以无论用有线、无线还是电力载波都比较简单可靠，成本也比较低。

4.4 收费功能的实现

收费功能的实现：用户在供电部门交款购买，所购电量在售电机上被写进用户电卡，用户将用户电卡(IC 卡)插到或靠近IC卡接口装置，通过IC卡接口装置将用户所购电量等数据传递给电表，同时用户电表将表内剩余电量等数据通过IC卡接口装置传递给IC卡 (用户电卡)，用户电卡经多次加密可以保证用户可靠的使用。当所购电量用完后，表内继电器将自动切断供电回路。这种方式对长期固定用户比较适用，而对流动性较强的临时性用户应采用以下方式比较方便。用户在供电部门交款购买，所购电量在售电机上被写进用户电卡，用户将用户电卡(IC卡)插到IC卡接口装置上，用户电卡和用户电表通过IC 卡接口装置进行数据通信，将用户所用电量从用户电卡中扣除，而剩余电量保留在用户电卡中。这对流动性较强的临时性用户特别适用，他们可以拿着用户电卡中的剩余电量到别的地方继续使用，或到供电部门换成现金。以上两种方式各有优缺点具体采用哪种方式需要根据实际情况而定。

本设计方案所论述的收费系统无需借助任何通信网络，投资少运行成本低。而且IC 卡接口装置放在用户家中，用户操作起来非常方便。比较适合用于居民小区，特别适合用于农村用电户。本设计方案也可以用于水、气、暖的收费系统，实现一机多用一卡多用，给用户提供了极大的方便。本收费系统经济且实用性强，可长期稳定运行。是电能收费系统比较理想的收费方案。