基于STS的预付费代码表及售电系统论文.docx

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基于STS的预付费代码表及售电系统论文

项目名称：

基于STS的预付费代码表及售电系统

一、研究目标

本课题研究分析当前国内预付费表与基于STS的预付费代码表及售电系统的差别，提出适用于国内的整套预付费系统的完整解决方案。

（1）本项目研发的代码式电能表及其售电通过南非STS协会的认证，使得本产品可以兼容其他通过协会认证的产品，解决当前IC卡电能表不能兼容的问题。

（2）代码式电能表网络售电系统的建立，解决当前不能在线收费、随时购电的问题。

（3）代码式电能表可以采用一体和分体式的方案，解决不同地区的抄表难题。

（4）本项目的推广，可以节省生产成本，便于管理。

二、国内外研究现状

1.国内外研究水平的现状和发展趋势；

国内在本技术领域的研究属于刚刚起步，只有少数十几家电表公司在做该产品的研发和应用，但是由于市场和推广的原因，目前尚未大规模应用。

其经验值得借鉴，但是要配合南方的特色进行大量研究和调整，制定相关行业规范，促进技术成熟和新解决方案的推广。

2.国外研究机构对本项目的研究情况；

国外已经涉及到本技术领域的研究，走的比较前列，到目前为止，在国外本技术已经得到了广泛的应用，从最初的南非到后来的发达国家和发展中国家，有超过2000万只符合STS标准的电能表安装在40多个国家的500多个电力公司。

但是其研究成果并不能直接用于国内，国内需要针对以上应用场景进行研究和试验出符合我国国情的解决方案。

意义及必要性：

预付费电能表就是具有用户先买电后用电特点的一种特殊的电能表。

它具有当用户电量用完时，具有继电器自动断开，用户不能用电的功能，用户购电后，继电器又可以自动闭合继续供用户使用的特点，这样就很好的解决了供电部门收费难的问题。

写卡式预付费电能表已广泛得到应用，但其仍然存在以下问题：

1）兼容性问题：

不同的IC卡、不同的加密方式、不同的供应商都采用不同的卡表，难以兼容，客户扩展性差。

2）成本问题：

每台预付费电表都需要使用IC卡，存在使用成本问题。

3）购电问题：

客户必须到电力公司指定的营业点购电，受路程和时间限制，购电成本较高。

4）安全问题：

电量通过加密存储在卡上，容易损坏或被攻击，造成纠纷或丢失电量。

5）在线购电问题：

虽然可以与抄表系统结合实现信息采集，但由于安全问题，无法实现安全的网络传递购电信息，因此难以实现在线购电。

为了解决上述问题，我们采用国际规范标准-IEC62055.该标准的2007年发布的第一个关于预付费电能表方面的国际标准，其核心部分在IEC62055-41部分。

IEC62055对传输介质、传输内容、加密和解密算法等做了全面的表述，使得通过STS（StandardTransferSpecification）第三方测试认证的电能表可以通用，解决了传统IC卡表不能兼容的问题，其传输介质可以为代码、磁卡、虚拟等方式，使得用户购电方式可以为电话、网上银行、营业厅、短信充值、ATM机等，从而省去了用户亲自持卡到供电部门购电的麻烦。

三、研究内容

1、主要研究要点

本课题从代码式预付费电能表和售电系统开发技术路线两个大方面进行研究，划分为6个任务，分别为：

对标准传输协议做详细的研究、对代码式传输介质做深入的研究和理解、设计代码表结构和功能、开发和测试代码式电能表样表、代码式售电系统进行整体测试并完成代码表的试制和量产。

（一）代码式预付费电能表

（1）标准传输协议。

STS代码预付费电表是指符合IEC62055国际标准的，采用20位的数字代码作为购电量信息的传输介质的预付费电表系统，它可以采用键盘、磁卡（IC卡）、网络通讯等方式将售电系统产生的购电信息传递到STS预付费电表中。

IEC62055国际标准是STS代码付费系统的国际标准，由成立于1997年的南非STS协会（StandardTransferSpecification标准传输技术规范）。

2005年，由南非STS协会推荐它成为国际标准，即IEC62055。

IEC62055系列标准涵盖了付费系统、CIS用户信息系统、售电系统、传输介质、数据传输标准、预付费电能表以及接口标准等内容。

它是一个完整的关于预付费系统的体系框架。

（2）代码式传输介质。

采用由STS协会提供的加密算法，并由协会维护。

该算法长期在国外应用，已经得到广泛认何。

其中，该算法中重要的组成部分――置换表、替换表，由STS协会为各电能表生产商提供，换句话说就是电能表生产商的算法都是不一样的。

20位代码即20位加密代码，是20位代码使用解码密钥通过加密算法后得到的加密数据。

原始密钥：

用于电表解码密钥的生成。

由STS协会密钥管理中心负责控制和分配。

解码密钥：

用于20位代码的加、解密。

该密钥是由原始密钥、电表信息并结合一定的算法而生成的，每表对应一个密钥。

（3）设计代码表结构和功能。

设计模具

CIU液晶显示

采用段码式的LCD（HD115液晶），显示要求低，成本低，控制方便。

如下图：

功能介绍

Ø计量功能

具有正向有功电能的计量和保存功能，可保存最近10个月的电能信息。

Ø显示功能

1）LCD显示

电能表能显示以下信息：

当前电量、剩余电量、电压、电流、功率、表号、表常数等多种信息。

显示项目可以自动和手动显示，显示位数为8位，包括2位小数位。

2）LCD显示全貌

液晶屏上显示多种信息提示，其显示全貌如下：

3）LED指示

脉冲、报警和电源三个LED等分别代表脉冲输出、异常情况发生和电源指示。

其中电源灯显示颜色可由绿色变为红色，红色闪烁用来指示剩余电量已到使用极限。

Ø测量及精度

能测量、记录、显示当前电能表的电压、电流（包括零线电流）、功率、功率因数等运行参数。

测量误差（引用误差）不超过±1％。

Ø负荷控制功能

双继电器，分别控制L、N线。

当剩余电量为0时，继电器断开。

输入购电代码后，继电器自动闭合。

自动检测负载功率，当超载45秒，继电器断开；150秒后，继电器自动闭合；如果在30分钟内，超载时间累计超过45秒，继电器断开。

Ø键盘

标准键盘式输入，3X4式排列，每个按键可至少允许2,0000次输入操作。

用户既可以输入购电代码，也可以根据相应的数字短号来查询相关用电参数等信息

Ø检测功能

具有磁场超限、表盖打开、端子盖打开、N线断开和电流反向等检测功能。

相应的短号代码分别为10、08、04、02、01，这些篡改状态可以组合表示。

Ø事件记录功能

可以记录最近10次接收的购电代码及其相应的购电量、最近5次发生的篡改时间、最近10个月的电量信息、最近5次的过载时刻、最近5次掉电发生时刻、最近5次表盖打开事件的发生时刻、最近5次端子盖打开事件的发生时刻、最近5次接收的工程代码。

Ø通信功能

采用IEC62056-21《抄表、费率和负荷控制的数据交换-直接本地数据交换》标准通信协议。

IEC62056标准是为国际上通用的数据传输标准，通用性强。

传输波特率默认为9600bps。

◆报警功能

◆代码式预付费电能表的报警功能由三种方式组成：

◆1）黄色LED灯点亮指示错误运行状态

◆2）液晶上也会给出错误运行状态指示

◆3）蜂鸣器给出错误运行状态提示

◆当出现以下情况时，电能表会报警：

◆1）剩余电量为0，继电器断开；

◆2）剩余电量小于极限电量。

该极限电量可以由短号456xx设置,xx为极限电量的最小值，报警时间可以由短号123xxx设置，xxx为报警时间，单位为分钟。

◆3）功率超限，功率值可以由售电系统设置。

◆4）磁场超限（>400mt）

◆5）有篡改状态发生时，既有磁场超限、表盖打开、端子盖打开、N线断开和电流反向情况发生。

该情况下，输入购电代码将不被接收

（4）开发和测试代码式电能表样表。

测试条件

DITK（解码初始化传输密钥）为FFFFFFFFFFFFFFFF16。

TID（代币识别）：

5A45A116。

该密钥的生成时间为：

2004-04-0109:

05，信贷为最大信贷：

999999.99Kwh

测试步骤

测试内容

输入token

STS测试要求

测试结果

1

上电

上电过一段时间后提示准备接收token

背光亮、液晶全显，power灯绿光常亮，提示“rEAdy”

2

token的输入与删除

57685041953846607141

位数的显示与删除

随意输入几位token,看一下显示内容是否一致，按<-是否可以删除

3

密钥修改测试1_1

57685041953846607141

Token结果:

1stKCT

液晶显示依次显示“AUTHTIC”、VALId”、“1STkCT”“next”为等待输入第二部分密钥，蜂鸣器响1次

4

密钥修改测试1_2）

46504546383091414966

Token结果:

2ndKCT

液晶显示依次显示“AUTHTIC”、VALId”、“2NdkCT”,power灯闪烁红光，证明密钥修改成功，蜂鸣器响1次

5

重复上2步骤测试

Token结果:

reject

电能表不接受再次修改的密钥，提示“NoTAUTH”、“INVALId”，“rEJECT”，蜂鸣器响3次

6

购电5Kwh

33583222021645383325

Token结果:

overflow

液晶显示依次显示“AUTHTIC”、VALId”、“oVFLow”，蜂鸣器响3次，提示溢出错误

7

信贷清零测试

26815857503588707842

Token结果:

accept

液晶显示依次显示“AUTHTIC”、VALId”、“ACCEPT”，同时显示当前信贷为0，继电器拉闸。

蜂鸣器响1次

8

购电5Kwh

33583222021645383325

Token结果:

accept

液晶显示依次显示“AUTHTIC”、VALId”、“ACCEPT”，同时显示当前信贷为5Kwh，继电器合闸。

蜂鸣器响1次

9

TID旧的测试（old）

47375109343029073521

Token结果:

old

液晶显示依次显示“AUTHTIC”、“oLd”，“rEJECT”，蜂鸣器响3次

10

密钥过期测试

14648242665151735146

Token结果:

keyexp

液晶显示依次显示“AUTHTIC”、“kEyEXP”，“rEJECT”，蜂鸣器响3次

11

认证错误测试

63494227683982166655

认证结果:

NotAuthentic

液晶显示依次显示“NoTAUTH”、“INVALId”，“rEJECT”，蜂鸣器响3次

12

token重复输入测试

33583222021645383325

Token结果:

used

液晶显示依次显示“AUTHTIC”、“USEd”，“rEJECT”，蜂鸣器响3次

13

测试代码0的测试

56493153725450313471

Token结果:

accept

液晶显示“ACCEPT”，然后顺序执行电表所支持的测试项目：

1继电器2液晶全显3总寄存器信贷4KRN5TI7功率极限8篡改状态9当前功率损耗10软件版本，最后显示“rEAdy”

（二）售电系统开发技术路线

代码式售电系统进行整体测试并完成代码表的试制和量产。

本系统是一款基于STS标准传输协议开发的系统软件。

提供预付费电表信贷转账、电表维护、电表测试等令牌的生成与管理。

集系统管理、客户管理、售电管理、电表维护管理、电表测试管理、报表管理、日志管理等功能于一体，操作方便，效率高。

本售电系统的用户类型包括：

系统管理员、售电管理员、电表维护员三种用户类型；系统管理员具有操作系统所有功能权限；售电管理员具有客户管理、售电、令牌校验权限、售电记录查询权限；电表维护员具有电表管理、电表维护、电表测试、维护记录查询权限。

售电代码可以采用根据金额和电量两种方式生成：

1）采用金额生成购电代码

输入金额后，点击计算，会得到该金额所购电的电量信息，打印用户核实签名、交款后，在打印含有20位代码的相关信息给客户。

2）采用电量生成购电代码

输入所购电量后，点击计算，会得到该购电量应该支付的购电金额信息，打印用户核实签名、交款后，在打印含有20位代码的相关信息给客户。

将客户交款和获得代码分开操作，使得该系统的权利划分更加明确。

1用户的生成

打开系统后，选择系统->用户管理，

生成用户管理界面如下：

在该界面中的新增选项中，选择相应的用户类型，输入用户名称及其备注信息。

保存后可以对账户密码进行修改。

这样系统就会生成一个新的用户信息。

下次登录时就可以使用该用户名及其密码进行登录。

2基本信息设置

基本信息包括系统参数设置、区域设置、费率方案、通讯方案等的设置，其进入界面如下：

1）系统参数设置

进入系统参数界面如下：

供电局代码：

为6位数字、由STS密钥管理中心分配管理。

工厂代码：

为2为数字，由STS协议分配管理

密钥版本：

范围1~9的1位数字

售电密钥：

由STS密钥管理中心分配管理

密钥期满：

设置生成的电表密钥过期时间

系统未设置参数时将不能生成电表解码密钥.该处的售电密钥为售电管理中心的总的密钥，可以批量对电能表进行解码密钥的设置。

2）区域设置、费率方案、通讯方案的设置

分别进入不同的管理界面。

其中区域设置界面如下：

该处可以对售电区域进行划分管理，便于对安装电能表的管理。

费率方案设置如下：

可以在该界面，设置阶梯电价。

增加不同的收费标准，便于对电网电能的智能管理。

通信方案界面如下：

可以在该界面设置售电系统与电能表的通信方式，可以为RS485,载波，GPRS等，通信方式可以灵活设置。

设置完上述三部分后，就可以对电能表进行管理。

3电表信息的录入

选择电表管理->电表资料，

打开电表管理界面：

在该界面添加电表信息，包括表号、电表地址、客户名称、通讯方式、通信协议、费率方案、安装地址、安装日期、是否启用、解码密钥、密钥过期时间等电能表基本信息。

还可以在此处对电能表的密钥及其相关资料进行修改，适合对单独电表的操作。

4售电代码的生成

选择售电后，进入售电系统界面：

售电人员可以根据客户ID、客户姓名、手机号码、证件号码任一信息查询到用户信息，查询后会给出结果，售电人员可以根据相关内容核实购电者身份。

售电代码可以采用根据金额和电量两种方式生成：

1）采用金额生成购电代码

输入金额后，点击计算，会得到该金额所购电的电量信息，打印用户核实签名、交款后，在打印含有20位代码的相关信息给客户。

2）采用电量生成购电代码

输入所购电量后，点击计算，会得到该购电量应该支付的购电金额信息，打印用户核实签名、交款后，在打印含有20位代码的相关信息给客户。

将客户交款和获得代码分开操作，使得该系统的权利划分更加明确。

5电表的维护

进入电表管理界面，选择电表维护，

进入电表维护界面：

查找到相应的用户资料后，可以对电能表进行清零、清篡改条件、设置最大功率极限、设置最大不平衡功率极限（多相表）和对密钥进行修改。

6电表管理

进入电表管理界面，选择电表类型、电表资料等，可以分别对用户使用电表的相关内容进行管理。

1）电表类型管理

可以增加不同的电表类型信息，安装选择性更广。

2）电表资料管理

可以实时对电表的密钥、费率等进行修改。

7用户资料管理

进入数据查询模块:

可以对客户购电记录、电表维护记录和售电报表进行管理，方便售电部门对用户用电使用情况的实时检测，及时发现电表运行的异常情况，进行必要的管理措施。

1）客户购电记录界面：

2）电表维修记录

3）售电报表

8操作日志

可以进入日志模块，

查询对电表的操作日志和异常情况日志，使得管理中心即使掌握电表信息。

2、拟解决的主要技术难点

（一）IEC62055标准传输规约的实现

一组有效的20位代码必须是加密算法与解码密钥相结合，两者缺一不可。

1）20代码加密算法。

采用由STS协会提供的加密算法，并由协会维护。

该算法长期在国外应用，已经得到广泛认可。

其中，该算法中重要的组成部分――置换表、替换表，由STS协会为各电能表生产商提供，换句话说就是电能表生产商的算法都是不一样的。

极大的增加了可靠、安全性。

2）解码密钥。

该密钥的生成同样需要STS协会提供的转换算法，配合以原始密钥、电表表号、生成商代码等。

该算法同样存在着重要的组成部分――置换表、替换表，也由STS协会为各电能表生产商提供。

3）原始密钥。

这是一个最重要的密钥，必须具有最高的安全级别。

可以分为两种：

保存于STS上位机软件中或者保存于STS协会提供的硬件安全模块。

前者，依赖于STS上位机软件的保护。

该软件提供一种注册功能，使得该软件与电脑一一对应，拷贝无效，目前该功能正在香港中电的软件上广泛使用。

如果上位机软件被盗且注册破解，则有可能出现购电代码外泄的情况，这种是针对一般安全级别的客户。

后者，是采用了一种更加高级别的安全防护，在没有使用硬件安全模块的情况下，将无法生成购电代码。

这样子很好的解决购电代码外泄的问题。

这种是针对高安全级别的客户。

IEC62055－21标准化架构

IEC62055－311级和2级有功预付费电能表

IEC62055－41STS标准数据传输协议

－应用层数据传输协议

IEC62055－51STS标准数据传输协议

－物理层数据传输介质（数字和磁卡介质）

IEC62055－51STS标准数据传输协议

－物理层数据传输介质（虚拟介质）

（二）键盘式代码表的设计开发

键盘式代码表分一体式和分体式两种。

一体式电能表就是将用户端集成到电能表上，用于室内安装的电能表。

用户可以实时知道用电情况及电网运行情况。

购电灵活、操作方便。

适用于个人、商户、物业、学生宿舍等多个场所的使用。

分体式电能表就是把STS电能表分装成主表和副表两部分；其中电能计量、继电控制装置可安装在原电能表的表壳之内，成为主表，主表按原电能表的进出接线接入电网；而电卡读入、数据运算、数据显示装置可安装于副表，副表在结构上和主表分立，可挂接于主表出线端的任一合适的位置上；主、副表通过RS485、载波、无线等通讯方式实现远程或者本地连接。

该种安装结构除了使得主表具有气密性高、故障率低、使用寿命长等特点，还具有使用方便、通信可靠、成本较低等优点。

适用于用户集中的小区、学校等，主表和副表之间可以采用一对一或一对多等多种组合方式。

分体式电能表的应用示意图：

（三）代码式电能表售电系统的开发

售电系统（PVS）是一款基于STS标准传输协议开发的系统软件。

提供预付费电表信贷转账、电表维护、电表测试等令牌的生成与管理。

集系统管理、客户管理、售电管理、电表维护管理、电表测试管理、报表管理、日志管理等功能于一体，操作方便，效率高。

系统架构

●系统分自动抄表主站系统、预付费售电子系统和网上售电子系统三部分

●自动抄表主站系统主要完成集抄设备管理、电表参数配置、预付费电表参数设置、计划抄表、电表令牌传输（服务）、电价调整（服务）等主要操作，以及剩余电量低告警通知等功能。

●预付费售电管理系统主要完成用电商户注册、销户、POS售电、购电记录查询、用电量报表统计、售电量报表统计等操作。

网上售电系统主要由于用户使用，完成网上自助购电、购电记录查询、用电量查询等操作。

（四）网上自助购电系统开发和网上支付功能实现

网上售电系统主要实现用户网上自助购电、购电记录查询、历史用电量查询功能。

网站功能框图

功能需求

主页功能

1显示公司名称、联系方法等一般信息

2．登录、退出功能。

3．快速购电功能。

4．用户登录后在主页上显示客户相关信息：

姓名、电表、剩余电量、赊欠电量等信息。

5．用户登录后可直接选择电表进行充值。

客户登陆功能

1.客户根据登录名及密码登陆网站

2.可通过姓名、证件号码、手机找回密码

3.未注册用户，根据预留手机号码、客户姓名、证件号码自助完成用户注册。

4.用户登录名必须唯一，登录密码6位以上。

快速购电功能

提供未注册用户的客户一种快速完成购电的方法。

流程

1.输入客户姓名、证件号码查询客户资料，查询结果显示客户姓名、地址、手机号码、表号、安装地址、剩余电量、赊欠电量等信息；

2.选择购电电表、输入购电金额：

选择电表时检查电表欠费情况，购电金额必须大于欠费金额。

3.确认充值电表、购电金额、通知手机号码，并生成支付信息及订单。

4.通过支付宝完成支付（预留其它支付方式）

5.支付成功，系统生成购电订单并执行充值过程。

6.充值成功后通过短信通知客户。

说明

快速购电必须配置客户姓名、证件号码才能对电表时行充值。

在选择电表后，系统显示电表相关数据：

剩余电量、赊欠电量、电表状态等。

有欠费数据（赊欠电量>0）的电表输入购电金额必须大于赊欠电量。

注册用户购电功能

为已注册用户提供一种更简单的购电方法。

流程

1.登陆网站，选择需要购电的电表进行充值。

2.确认充值电表、购电金额、通知手机号码等充值信息

3.生成支付信息及订单

4.通过支付宝完成购电订单支付。

5.支付成功，系统自动充值并发送信息通知客户

说明

在选择正确电表后，系统显示电表相关预付费数据，包括当前剩余电量、赊欠电量、电表状态等信息。

有欠费数据（赊欠电量>0）的电表输入购电金额必须大于赊欠电量。

其它要求

支付功能目前支持支付宝完成支付，需要预留接口支持银联支付和手机支付两种支付方式，以备扩展。

购电记录查询

根据客户资料查询客户最近购电记录。

可查询最近一年内的购电记录数据。

查询结果以表格形式显示。

购电记录显示字段：

客户姓名、地址、手机、表号、购电时间、购电量、充值码、充值成功否、购电方式（网上、POS）、备注等。

结果可以打印、导出。

输入条件

客户姓名：

必须完全匹配。

时段：

最近1月、最近3月、最近1年。

用电量统计

按月统计本年度指定客户所有电表的用电量情况。

统计条件

客户姓名：

用户输入，完全匹配。

电表：

按电表和自然月份进行统计

统计结果

统计结果以表格或柱形图方式显示。

表格方式显示每块电表详细数据及合计数据

四、技术路线、创新点与预期成果

1、技术路线

（1）代码式预付费电能表

STS代码预付费电表符合IEC62055国际标准，采用20位的数字代码作为购电量信息的传输介质的预付费电表系统，它可以采用键盘、磁卡（IC卡）、网络通讯等方式将售电系统产生的购电信息传递到STS预付费电表中。

IEC62055标准涵盖了付费系统、CIS用户信息系统、售电系统、传输介质、数据传输标准、预付费电能表以及接口标准等内容。

它是一个完整的关于预付费系统的体系框架。

针对STS国际标准传输协议及相关规范展开技术研究，在理解和熟悉技术规范的基础上展开STS标准协议的实现和测试。

STS标准传输协议已经成为目前全球唯一的开放式预付费系统标准，但该技术的应用需要获得STS协会的授权，因此也保证了电力公司在应用STS系统时的安全性。

STS代码式预付费电表目前已经安装在全世界数百家电力公司，有取代IC卡预付费表的趋势。

（2）售电系统开发技术