北京新型全电子CPU卡预付费电能表介绍.doc

北京新型全电子CPU卡预付费电能表介绍北京电力公司在本公司用户范围内从1998年开始大面积使用机电式CPU卡预付费电能表，至今使用量已超过400万具。取得了很好的经济效益和得到了北京市民的欢迎。为达到更好的效果和提高管理水平，北京电力公司总结了近十年来使用CPU卡预付费电能表的经验和教训，从2006年5月份开始进行新型全电子CPU卡预付费电能表的方案论证、样表制作、多个电表厂商试制、小批量挂表验证等工作，至今产品己趋于成熟，下面对新型全电子CPU卡预付费电能表进行相关介绍：一、方案指导原则1、在功能和技术要求遵循北京电力公司单相卡式预付费复费率电能表（静止式）技术规范和北京电力公司预付费电卡规范2.0的基础上，2、融入“定制化”的理念，通过统一化的设计实现重要元器件的技术指标和实现方式的完全一致，满足外观、结构、显示、操作的规范和统一。从而达到公司对计量器具提出的“统一、简化、长寿命、防窃电、模块化、多功能”的管理需求。3、同时考虑到目前公司对于新卡表的功能等需求与核算成本有直接的关系，且电价费率政策不明朗性。因此提供两种设计方案供公司领导决策：单相卡式预付费复费率电能表方案、单相卡式预付费（单费率）电能表方案二、方案概述1、外形结构：主要基于原机电一体的卡表尺寸及卡座结构可仍配套于原表箱，节省了大量的轮换表箱成本这一思想，在保留原卡表基本尺寸的基础上，对其结构、尺寸、材质、技术指标、安全性能、美观等方面做了详细设计和要求。通过统一设计和要求，达到了结构及材质的完全统一。一方面方便了现场人员的安装操作、节省了检定人员的接线时间，另一方面保证了表壳的质量。2、显示方式设计：采用液晶为唯一的显示器件。对其上显示部分的内容，摆放位置，字体大小，显示方式、显示顺序进行规范，并对其内各管脚统一定义、同时细化技术条件的所有相关的显示细节，以实现表计显示的统一。3、 功能要求设计: 单相卡式预付费复费率电能表方案要求具备的主要功能是：复费率、RS485通讯接口、（家用遥控器）红外唤醒和抄表功能、预付费功能、电量冻结功能、停电显示功能。单相卡式预付费电能表方案要求具备的主要功能是：RS485通讯接口、（家用遥控器）红外唤醒和抄表功能、预付费功能。各项功能注释：（1）、复费率功能：费率模式采用四费率十时段、并具备三套备用费率时段表，实现了多费率电价的计量功能，备用费率时段表的功能可灵活应对政府电价政策的随时调整。（2）通讯接口：通讯接口采用RS485作为标准接口，并通过借助其他辅助设备和资源实现远程采集的功能。（3）具备停电显示功能：解决了现场人员在换表时突遇停电而无法向用户提供当前电量数据的难题。（4）电流反向正计功能：提高了防窃电的能力。（5）（家用遥控器）红外唤醒和抄表功能：极大的方便了居民随时察看自家用电情况。同时现场维护人员提供工作的便利性（6）电量冻结功能：一方面为公司线损分析提供真是的月电量数据，另一方面具备了保证电采暖政策执行能力（7）预付费的各项功能：具有报警、跳闸、预付费等多种功能来满足预付费的功能要求4、硬件系统：基于计量原理采用电子式、并以接触式卡为介质预付费模式。硬件电路设计由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、MCU及其他部分电路设计四大部分组成。其中核心部分是计量电路的设计,它是电能表计量准确性的关键部分,是电能表计量功能的体现.但是其他部分也是缺一不可的,特别是单片机控制器,它是电能表系统的灵魂,实现系统中各个部件协调控制,人机交互,多费率控制等等重要功能。5、软件系统：软件系统是整个电能表系统的灵魂.是电能表的执行部分,它以功能需求为实现对象，并通过硬件系统的支持来作为整个系统的控制指挥中心.它包括初始化部分,显示处理部分,日期时间及与其相关操作处理部分,通讯处理部分,电量处理部分,电量结算处理部分以及其他部分.整个程序是通过查询方式进行的,通过查询电表事件发生的条件情况,判断电能表事件是否发生,来执行相应操作.它的算法设计在整个电能表系统设计中占有重要的一个环节,控制算法的优劣对整个系统正确、可靠的运行有决定性的影响.因此在进行电能表算法设计时要仔细、反复地进行设计，论证,考虑各个方面的因素.使控制算法正确可靠。功能技术指标单相卡式预付费复费率方案单相卡式预付费(单费率)方案 原表设计解决问题表壳环保阻燃ABS材料未做要求抗阻燃性能提高，强度增加表尾端子强弱电分开，顺序固定强弱电未明显分开现场接线方便安全铅封置于两侧铅封置于上下方便现场接线表尾孔距固定未统一要求便于检定计量计量原理采用全电子式机电一体式解决机电不符问题，提高了精度，有效防止了去复费率单费率单费率具备多费率电价的执行能力功能红外唤醒及抄表功能无方便居民察看自家用电情况、电费管理人员工作便利采用485标准接口无数据远传，网络集抄预付费功能琰茞停电显示功能无无现场停电无法获取数据单、复费率切换功能及备用时段功能无无执行多费率、单费率电价政策灵活自主，不用更换电表电量冻结无无为线损分析提供准确的月用电量数据显示采用LCD液晶显示计度器和LED显示信息多样化插卡信息提示无提示居民正确操作及判断问题、减少到现场维护的几率三、主要技术指标1、准确度等级 ：1.0级2、时钟精度：采用全温度（-2555）补偿装置的时钟芯片作为时间标准元件，准确度小于等于5ppm；计时准确度在参比温度下，时钟芯片在70%120% Un范围内，计时准确度优于0.5 s/d；停电备用状态下优于0.5 s/d；在其它温度范围内，温度影响0.1 s/.d；电表使用寿命（10年）内，时钟正常工作。3、使用寿命：表计及电池10年，工作电源失电后，所有储存数据都不应丢失，且保存时间不小于10年。4、工作电压范围：70%120%Un，应能承受2倍额定电压4小时不损坏。5、工作电流范围：标准的基本电流： 仪表标准的基本电流A直接接通5，10，20经互感器接入1.5最大电流值：基本电流的6倍；直接接入的仪表能经受短时的30Imax过电流，施加时间为额定频率的半个周期（10ms）。6、标准参比频率 ： 50Hz。7、环境条件：参比温度为23；参比相对湿度为60%；使用温度范围： 安装条件户外式户内式规定的工作范围-25 55-10 45极限工作范围-25 60-20 55使用相对湿度范围： 年平均75%30d（一年内这些天是以自然分布）95%在其它天偶然出现85%8、电能表功耗电压线路（包括电源）功耗2W、10V.A；电流线路功耗 4VA9、卡口抗攻击能力：电表能抵抗下述攻击并保证正常工作：卡座短路（用金属片制成外形等同于IC卡状，在装置通电的情况下，插入该金属片）；卡座触点静电放电（将专用卡座引线PCB板插入卡口，采用诸如电子点火器 类的静电放电装置，通过PCB引线施加小于15KV的静电）；卡座电源叠加直流（通过专用引线板之引线，将外部24V36V直流电源叠加至卡座电源）；信号端叠加直流（通过专用引线板之引线，将卡座信号与地、信号与信号之间叠加24V36V直流电源）；卡座电源叠加交流（通过专用引线板之引线，将外部220V交流电源叠加至卡座电源）；信号端叠加交流（通过专用引线板之引线，将卡座信号与地、信号与信号之间叠加220V交流电源）；信号端叠加脉冲（通过专用引线板之引线，将卡座信号与地、信号与信号之间叠加2KHz10KHz幅值为5V24V之脉冲）。10、电磁兼容性(EMC) 电能表的静电放电抗扰度、射频电磁场抗扰度、快速瞬变脉冲群抗扰度、射频场感应的传导骚扰抗扰度、浪涌抗扰度、衰减振荡波抗扰度、无线电干扰抑制等EMC试验应符合IEC62052-11的规定。11、绝缘性能符合下述试验要求：线路对地2kV交流电压试验、6kV的脉冲电压试验。主要功能1、电能计量：计量多时段的有功电能，并储存其数据；具有电流反向正计功能；至少能储存前十二个月的分月电量，数据转存分界时间可任意设定；累计用电量增加数与剩余电量减少数之差应不大于显示器件的一个最小分辨值的计量单位。2、费率和时段：具有日历、计时和闰年自动切换等功能，日历和时间的改变应有防止非授权人操作的措施； 24h内至少具有可以任意编程的4种费率、10个时段；具备两套费率时段表，一套现用，另一套备用；每一套至少具备3个日时段表；备用费率时段表可以设置启动时间；具有测量总、尖、峰、平、谷有功电能累计的功能。3、预付费电能表出厂时可预装电量，可设置告警电量和透支电量，用户用电过程中，消耗电量则对应剩余电量递减，减至告警电量值后电表用背光点亮、字符闪动等方式告警，剩余电量递减为零时电表跳闸，用户插入电卡后可再使用电量至设定透支电量值后彻底跳闸。上述过用电过程中间，用户可至银行购电补充剩余电量（单费率状态）或持卡至银行结算交纳各费率电量费用（复费率状态）。4、事件记录：自动记录以下事件：电能表编程的日期和时间；时钟修改的总次数及最近3次发生的时刻；清零的总次数及最近3次发生的时刻及清零前的总电量数据；时段修改的总次数及最近3次发生的时刻；表尾端子盖开门的总次数及最近3次开门的日期、时间；非法插卡次数。（以上所有的事件记录可通过检查卡或红外、RS485进行查询或上传）。5、冻结及记录：冻结并记录进入和退出冬季时间的谷时段电能表示数，数据保持时间不少于12个月或具备两个以上冻结电能功能；冻结并记录进入和退出有尖峰时期的各费率电能表示数，数据保持时间不少于12个月。6、通信及信息功能：具有红外通讯和 RS485的通讯功能，且二者在物理层必须独立，一种通讯信道的损坏不得影响另一信道。红外通信接口 的 通信距离： 5m，通信角度：15；RS485通信接口必须和电表内部电路实行电气隔离,并有失效保护电路 。通讯规约执行标准为北京电力公司电能表通信规约2.0及补充规约1；电量脉冲输出端子采用光电子线路输出，脉宽为80ms20%；时钟脉冲输出端子采用光电隔离输出频率为1HZ；所有信息输出端子与强电分开。编程器可预置的内容：当前的日期和时间（年、月、日、星期、时、分、秒）；电表编号；按月设定的抄表日（或用电结算日）；费率与时段（带保护）。7、监控功能：实现预付费的功能，剩余电量小于等于所设置的报警电量值时,购电提示灯发光提醒及时购电；剩余电量为零时，控制开关断电，同时断电指示灯发光提醒，此时可通过插卡的方式再人工闭合开关可继续赊欠用电，此时断电指示灯关闭，购电指示灯发光提醒及时购电；当透支电量大于等于赊欠门限电量值时，控制开关断电，直至输入预购的电量时方可恢复正常用电，但显示的剩余电量为预购的电量减去透支电量的值；当电能表出现故障时，有自检功能的出错信息码，且自检故障信息报警码应在正常循环显示项目中第一项显示；当用户插卡出现错误信息时有显示相关错误（表号错误、拔卡过快、购电次数大于表内购电次数、剩余电量大于或等于下限电量、购电卡用户号错误、非补卡换卡、无效卡、购电卡购电文件错误、卡使用次数为0、修改密钥错误、认证错误）8、显示功能；显示器件用彩色背光的LCD方式；测量值显示位数为8位，整数位为6位，小数位为2位，位数采用全显方式；电能表有介质读写成功或失败显示；能显示脉冲常数、累计用电量、剩余电量等；能显示各种电能量值及信息的中文标识及单位符号；背光的唤醒方式有两种：按键唤醒方式和红外（具有红外发射信号功能的各种器件：如家用遥控器等）唤醒方式，触发一次显示一帧，其中用唤醒后无操作30S后自动关闭后进入循环显示。部份测量数据能自动循环显示，每帧循显停留时间8s。也可通过按键或专用的遥控器来查询其他内容；具有停电显示功能，可通过按键显示数据。9、卡辨伪功能：使用非指定介质和指定电卡时，电能表有保护措施，不接受相关信息和拒绝动作，同时对相关状况进行记录；当用户用电卡丢失，通过一定程序补新购电卡后，电能表能接受新的购电卡，并拒绝原购电卡；电能表内剩余电量与新购置电量能叠加使用；用户将购电介质插入电能表预付费的卡座后，电能表应能自动将当前累计用电量、剩余电量、日期等信息回写到卡中，供售电系统查询；电能表能接受售电系统制作的检查卡的检查。四、预付费糸统、IC卡及交易安全性安全性卡式预付费电能表不同于普通仅用于计量的其它电能表，其不仅有计量功能，实际上还有自动收费功能。另外，卡式预付费电能表是脱网使用，因而其收费（交易与扣减）的安全性对电力公司而言是非常重要的。1977年美国国家标准局公布了联邦数据加密标准DES。由于DES算法应方便、保密性强， 从而得到了广泛地应用。DES是一种分组密码体制，它将明文按64位一组分成若干组，密钥长为56位。其基本思想是采用变换的组合与迭代，将明文中的各组变为密文组，从而破译极为困难；若采用穷举搜索法对DES算法进行攻击， 56位长的密钥的穷举空间为256，这意味着如果一台计算机的速度是每一秒种检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间，可见，这是难以实现的。北京电力公司在新型CPU卡预付费电能表的设计中，全面采用了一户一表一卡一密钥组的方法，其加密算法采用3DES，每一个用户卡具有独立的密钥，每只电表有一个ESAM模块并具有独立的密钥，在使用中将用户卡和ESAM模块唯一绑定，电量增加额及各种设置信息传递过程中，采用了银行安全糸统完全一样的SAM机制，对ESAM和用户卡中数据的访问控制采用的是内部认证和外部认证的方法。数据传递过程，采用目前国际上通用的安全报文（SM）命令形式对数据进行保护和访问控制。安全报文命令的数据部分采用CBC方式对数据进行加密，然后用MAC进行保护，同时采用用随机数作为计算的初值，实现了一次一密，且加密和计算MAC采用不同的密钥，使其安全等级极高。北京电力公司为新型CPU卡预付费电能表所设计的安全体糸，完全达到中国人民银行PBOC2.0的标准，并符合EMV组织的EMV2000标准，其安全等级与国际上银行最新安全等级相当。IC卡北京电力公司所使用的各种电力IC卡及PSAM、ESAM符合下述要求：1、 硬件安全：a）高端安全智能卡专用微处理器硬件平台。 b）ROM 和 EEPROM 安全。c）真正的随机数发生器 RNG。频以及高压/低压检测。e）数据加密及地址串扰。f）防DPA/SPA攻击。2、 软件安全：a）中国人民银行PBOC2.0认证。b）国家软件版权登记。c）国家软件产品认证。d）中国国家商密委认证。 3、主要技术参数：a)CPU16位。b) 工艺0.22um。c) ROM48K Byte。d) RAM2KByte XRAM +256 Byte内部RAM。e) EEPROM16K Byte。f) 外部时钟频率17.5MHZ。g) 内部时钟频率33MHZ。h) 主频倍数1、2、3、4倍。i) 工作电压1.8V、3V、5V。j) 工作电流1.98V：4mA；3.3V：6mA；5.5V：6kv(HBM)。o) 写删时间写+删时间：= 2.9ms。p) DES实现方式软件。q) 随机数发生器 硬件。预付费糸统北京电力公司为新型CPU卡预付费电能表所设计的安全体糸，有下述专用软件采统支持：发卡软件系统：能驱动多种型号大型发卡机具，每小时发卡量5K/台，由多个动态链接库组成的底层软件，有相应的人机操作的界面；能向电能表设计、生产厂商提供公开密钥的用户卡，SAM卡，和各种生产管理卡等专用卡；能使用密钥管理系统正式密钥发行的用户卡；能提供传输密钥。密钥管理系统：由多个动态链接库组成的底层软件，有相应的人机操作的界面；其中包含：a）母卡发卡软件。b)加密机下装软件，该软件实现将母卡密钥导入加密机。c) SAM卡发卡软件，该软件实现将母卡中的售电密钥导入SAM卡用于售电，同时提供SAM传输密钥。d) 密钥下装卡发卡软件，该软件用于生成密钥下装卡和密钥修改卡。ESAM预个人化软件：提供ESAM传输密钥，该密钥用于控制密钥下装卡和密钥恢复卡的使用。母卡售电软件：该软件用于生成密钥下装卡和密钥修改卡。加密机售电软件：该软件用于生成密钥下装卡和密钥修改卡。银行售电终端软件: 该软件用于银行售电终端。电力营业厅售电终端软件: 该软件用于电力营业厅售电终端。预付费糸统管理软件：装于电力公司大型机中,管理来自银行网点与电力营业厅网点与电力公司MIS系统相连,贮存全部历史数据与及其它相关工作。三、产品中应用的先进技术和主要特色新型CPU卡预付费电能表与现行的各种智能电表相比，应了许多先进技术，是国内目前最先进的居民预付费电表，主要的有如下几项：1、更安全更可靠的电表表壳新型CPU卡预付费电能表使用能铅封的罩壳，表壳的塑件包括罩壳、底壳、支架、端钮盖均由抗变形、防腐蚀、抗老化以及防紫外线的阻燃ABS材料制成，上下盖结合部有环形闭合的密封圈。在灼热丝试验65010、作用时间30s1s时后在任何部位均不会燃烧、不冒黑烟、不挥发有毒气体，符合IP51级要求。表壳透明窗口与上盖的粘合使用超声波焊接，其透明部分采用聚碳酸酯材料制作，窗口的透明度高。表壳在弹簧锤以0.22N.m0.05N.m的动能作用于表盖和端盖的外表面上时，不损坏电表。表壳所有端子都集中装在有足够机械强度和良好绝缘性能的端钮盒内；端子采用H59铜经钝化、镀铬制成；端纽盒具有专门的弱电输出接口；有效地将强、弱电隔离以防误触；强电端子和弱电端子上下分开排列；接线盒使用注射型酚醛树脂或其他非可燃的材料，密封良好；电流电压端子的排列满足国标的要求，在接入最大引线后与交流接线螺钉间的最小距离大于3mm。2、更先进更好的通讯接口电表设有红外、RS485两个通讯接口，每个通讯口各自独立，通讯波特率均实现了速率自适应，RS485为3009600bps中任一种；红外口为6002400bps中任一种。电表内设有标准异步串口，该串口可在PCB板上引出，其可连接任何符合北京电力公司标准异步串口技术规范（待定）的不同厂商提供的不同物理层的通讯模块，联接相关通讯模块可组成载波、有线电视HFC网、电话或ZigBee、GPRS、ADSL、SMS、IP等集抄系统。3、更宽温度范围、更高精度的时钟糸统电表使用带时钟温度自动补偿，精度高于5ppm的RTC模块。在电源电压为70%120%Un，温度在（- 20 +55）范围内日计时准确度应优于0.3s/d，时钟年累计误差优于150s/Y，当电池提供时钟电源时，全温范围（- 20 +55）内计时实准确度优于0.5s/d。4、单色液晶、彩色液晶、彩色背光均可使用电表按模块化设计，提供给液晶驱动的是I2C总线，总线有两个I2C地址，一个为色彩信号地址，一个为显示内容信号地址，MCU依次发送色彩信号和显示内容，若单色液晶则只接收显示内容信号，彩色液晶则全部接收,从而实现单/彩色液晶显示的兼容。电表同时支持采用彩色LED背光。5、更方便、更安全的校时和时段费率设置新型CPU卡预付费电能表使用了时钟密文调校（随机数、明文+MAC），解决了复费率时钟的安全与方便性问题，此种方法只需工作人员持带GPS的校表器现场按一下按钮即可，该方法时钟值不可输入（来至GPS），传替又安全