Zusammenfassung: Dieser Artikel erläutert die Hauptfunktionen des traditionellen IC-Karten-Prepaid-Energiezählers, analysiert seine Anwendungsvorteile und -nachteile; stellt detailliert die Funktionserweiterung des Prepaid-Energiezählers durch die Integration von Kommunikationstechnologie und intelligenter Steuerungstechnologie vor und fördert den praktischen Nutzen; außerdem beschreibt er den möglichen technischen Entwicklungstrend des Prepaid-Energiezählers.
Stichwort: Prepaid-Energiezähler, Anwendung, Analyse
Stromkosten sind die wichtigste Einnahmequelle für Energieversorgungsunternehmen, um Produktion und Entwicklung aufrechtzuerhalten. Die rechtzeitige Abrechnung spielt daher eine entscheidende Rolle für den Kapitalkreislauf dieser Unternehmen. Aufgrund des jahrelang geltenden Stromnutzungsmodells „Erst verbrauchen, dann zahlen“, der breiten Nutzerbasis, der technischen Möglichkeiten zur Stromabschaltung und -rationierung vor Ort sowie der mangelnden Vereinbarkeit der regulatorischen Rahmenbedingungen mit der Marktwirtschaft birgt die Abrechnung von Stromkosten ein enormes Risiko für die Energieversorgungsunternehmen. Über die Jahre wurden erhebliche personelle und finanzielle Ressourcen sowie operativer Druck in diesen Bereich investiert. Vor diesem Hintergrund werden Prepaid-Stromzähler zunehmend eingesetzt, um sich besser an die Reform des Stromsystems anzupassen.
Aufgrund der noch nicht ausgereiften Anwendung der frühen Kernkommunikationstechnologie erwies sich die Systemkompatibilität als wesentliches Hindernis für die Verbreitung und Anwendung von Fernablesesystemen für die Stromzählerverwaltung. Dies betraf insbesondere die Kompatibilität des Kommunikationsprotokolls und die uneinheitlichen Fertigungsstandards. Unter diesen Umständen blieb dem Prepaid-Stromzähler mit IC-Karte nichts anderes übrig, als die Anwendungsengpässe der Kommunikationstechnologie zu umgehen.
1. Prepaid-Energiezähler (Kartentyp)
1.1 Hauptfunktion
1.1.1 Messfunktion: Einphasenmessung der Wirkenergie; Speicherung der historischen Leistung und Funktion zum Einfrieren der Leistung.
1.1.2 Mehrtariffunktion: Programmierbarer Einstellzeitraum, mehrere Tarife. Die Zeitschaltuhr verfügt über eine Temperaturkompensationsfunktion.
1.1.3 Kommunikationsfunktion: mit RS485-Schnittstelle und Infrarot-Kommunikationsschnittstelle. Die RS485-Schnittstelle ist in der Regel elektrisch vom Inneren des Zählers isoliert und verfügt über einen Schutz gegen unbefugten Zugriff auf 220 V Wechselspannung.
1.1.4. Anzeigefunktion: LCD-Display, durch Drücken der Taste kann die Anzeige automatisch durchlaufen werden; auf der Benutzeroberfläche werden beispielsweise die verbleibende Menge, die Gesamtleistung, der aktuelle Strompreis usw. angezeigt.
1.1.5. Funktion zur Rückkopie von Informationen beim Strombezug: Ein Zähler – eine Karte, d. h. ein Zähler ist nur einer IC-Karte zugeordnet. Beim Einstecken der Karte zur Stromübertragung werden die Stromverbrauchsdaten des Zählers automatisch auf die IC-Karte zurückkopiert. Beim erneuten Strombezug werden die Daten der Karte automatisch zur Archivierung und Datenprüfung in den Computer geschrieben.
1.1.6. Erinnerungsfunktion für den Zähler: Im Allgemeinen gibt es einen Displayalarm und einen Stromausfallalarm; zusätzlich wird die Funktion der Lastabschaltung hinzugefügt.
1.1.7. Überlastschutzfunktion: Durch Einstellen eines Leistungsschwellenwerts kann die Abschaltung bei Überlastung der Lastseite gesteuert werden. Die Abschaltzeit kann auf zwei Arten eingestellt werden: sofortige Abschaltung und verzögerte Abschaltung. Die Stromversorgung kann durch Drücken der Taste oder Einlegen der Karte wiederhergestellt werden.
1.1.8. Prepaid-Funktion: Der Zähler ermöglicht das Management von Strom, indem er diesen zunächst kauft und dann verbraucht. Bei leerem Zähler unterbricht der Lastschalter automatisch die Stromzufuhr. Nach dem Aufladen schaltet sich der Zähler wieder ein und stellt die Stromzufuhr wieder her. Zusätzlich wurde eine Überziehungsfunktion integriert, die je nach Bedarf eine moderate Überziehung ermöglicht. Die Höhe der Überziehung kann individuell eingestellt werden. Nach Ablauf der Überziehung schaltet sich der Zähler ab. Der überzogene Betrag wird automatisch abgebucht und beim nächsten Aufladen des Zählers verrechnet.
1.1.9. Funktion zur Verhinderung von Stromhortung: Um aufgrund der makroökonomischen Steuerung der Strompreispolitik zu verhindern, dass übermäßig viel Strom (Menge) in den Zähler eingespeist wird, wird der Kunde daran gehindert, zu viel Strom (Menge) auf einmal einzuspeisen, indem im Zähler eine Schwelle für die Stromhortung festgelegt wird.
10. Sicherheitsfunktion: Im Allgemeinen wird die CPU-Kartentechnologie für das Systemsicherheitsdesign eingesetzt. Die Sicherheitsauthentifizierung des CPU-Karten-Stromzählers und der CPU-Karte erfolgt über das ESAM-Modul im Stromzähler. Der Mikrocontroller (MCU) des CPU-Karten-Stromzählers dient während des Authentifizierungsprozesses lediglich der Datenübertragung und ist nicht an der Datenverschlüsselung und -entschlüsselung beteiligt. Beim Stromverkauf werden durch eine Reihe von Schlüsselauthentifizierungstests Vorgänge wie die Bestätigung der Strombezugskarte, die Schreibberechtigung für Informationen auf der Strombezugskarte und die Berechtigung zum Löschen der Binärdatei realisiert.
1.2 Hauptvorteil
1.2.1 Verbesserung der Effizienz und Genauigkeit der Zählerablesung. Über die RS485- und Infrarotschnittstelle kann das entsprechende mobile Zählerablesegerät für die Stapelverarbeitung vor Ort eingesetzt werden. Dies ist angesichts der stark gestiegenen Anzahl von Energiezählern in Energieversorgungsunternehmen von großer Bedeutung.
1.2.2 Das Problem der Zahlungsrückstände effektiv lösen. Die Betriebskosten für den Einzug von Stromrechnungen deutlich senken und die Sicherheit des Stromgebühreneinzugs erhöhen.
1.2.3 Entlastung bei Zahlungsschwierigkeiten. Angesichts der stark gestiegenen Kundenzahl und der relativ konzentrierten Zahlungszeitfenster führt das traditionelle Abrechnungsmodell leicht zu Zahlungsengpässen. Der Einsatz von Prepaid-Energiezählern hat den Druck auf die Kassenabrechnung und die damit verbundenen Servicerisiken deutlich reduziert.
1.3 Probleme bei der Anwendung
1.3.1 Unzureichende Angriffssicherheit. Der Verlust oder die Beschädigung der IC-Karte, insbesondere ihrer offenen Lese- und Schreibschnittstellen, macht sie anfällig für externe Angriffe. Nach einem Angriff ist es schwierig, Beweise zu sichern, was zum Ausfall des internen Kontrollsystems und leicht zu Stromausfällen führen kann.
1.3.2 Die Verwaltung gestaltet sich schwierig. Aufgrund der plötzlichen und unvorhersehbaren Strombeschaffung über IC-Karten hat der Stromabsatzdruck in der Stromversorgungsabteilung zugenommen. Gleichzeitig werden zur Gewährleistung der Datensicherheit heutzutage vermehrt intelligente CPU-Karten eingesetzt. Deren COS-System und dynamische Schlüsselauthentifizierung gewährleisten zwar die Datensicherheit, erhöhen aber gleichzeitig den Verwaltungsaufwand der Stromversorgungsabteilung. Darüber hinaus erhöht die Demonstration mehrerer Verbindungen das Risiko unerwarteter Ausfälle.
1.3.3 Die Anpassungsfähigkeit der Strompreispolitik ist gering. Der Strompreis wird beim Kauf im Prepaid-Stromzähler festgelegt und gespeichert. Da der im Chipkarten-Prepaid-Stromzähler gespeicherte Strompreis nicht in Echtzeit angepasst werden kann, bedeutet jede Preisänderung einen erheblichen Mehraufwand für das Energieversorgungsunternehmen. Auch bei den Kunden treten häufig Fragen auf.
1.3.4 Die Datenerfassung erfolgt nicht zeitnah. Sie kann den Stromverbrauch des Kunden nicht in Echtzeit abbilden, Stromdiebstahl nicht effektiv überwachen und die Echtzeit-Managementanforderungen der automatisierten Stromverwaltung nicht erfüllen.
1.3.5 Die Skalierbarkeit der Strombezugsmethode ist gering. Das Prepaid-System mit IC-Karten als Datenübertragungsmedium lässt sich nur schwer mit Telefonbanking, Online-Banking und anderen Strombezugsmethoden verknüpfen. Kunden kaufen Strom häufig mit Karte in Verkaufsstellen, was die Servicequalität im Stromvertrieb mindert und den Arbeitsaufwand der Energieversorgungsunternehmen erhöht. Um die Probleme und Nachteile der praktischen Anwendung von IC-Karten-basierten Prepaid-Stromzählern zu beheben, muss daher die Kompatibilität des Kommunikationssystems verbessert werden. Die Überwindung des technologischen Engpasses eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Fernanwendung von Prepaid-Stromzählern.
2. Integration des Prepaid-Energiezählers und des Fernablesesystems
2.1Die grundlegenden Kommunikationsmethoden in Fernablesesystemen für Stromzähler umfassen hauptsächlich Glasfaserkommunikation, Telefonleitungskommunikation, RS485-Bus, TV-Kabel, Internet, Powerline-Carrier-Kommunikation, Instrumentenbus, Satellitenkommunikation, GPRS und CDMA. Jede dieser Methoden hat ihre Vor- und Nachteile sowie spezifische Anwendungsbereiche. In Kombination mit den Branchenmerkmalen von Energieversorgungsunternehmen und der praktischen Anwendung von Niederspannungs-Powerline-Carrier-Spread-Spectrum-, Frequenzsprung-, Weiterleitungs- und Relais-Technologien (der Stromzähler kann vom lokalen Konzentrator über die Stromleitung dynamisch als Router oder Transponder konfiguriert werden) sowie dem Einsatz spezieller Chips, nutzen Niederspannungs-Fernablesesysteme derzeit meist die Kombination aus zentralisierter Powerline-Carrier-Zählerablesung, GPRS-Fernübertragung und Prepaid-Stromzählern.
2.2Das System zur zentralen Zählerablesung über Stromleitungen besteht aus zentralen Ablesestationen, Datensammlern, Konzentratoren, Zählern und weiterer Ausrüstung. Entsprechend den Standortbedingungen wird ein dediziertes Netzwerk eingerichtet. Zählerablesung, Steuerung und Verwaltung des Stromverbrauchs erfolgen softwaregestützt. Das System gliedert sich in drei physikalische Schichten und zwei Verbindungsschichten. Die Datenerfassung der Ablesestation erfolgt in Sternstruktur: Eine zentrale Verbrauchsmanagementzentrale steuert mehrere Konzentratoren. Die Verbindung zwischen Ablesestation und Konzentrator erfolgt über das GPRS-Netzwerk. Die Datensammler sind über Niederspannungsleitungen angeschlossen, im Zählerkasten installiert und bilden zusammen mit den Kundenzählern die Kundenschicht. Die Verbindung erfolgt parallel über eine RS485-Schnittstelle.
2.3 Systemmerkmale
2.3.1 Anwendung der PLC-Kommunikationsmethode (Power Line Carrier): effektive Nutzung der Topologiestruktur des Stromnetzes, einfacher Aufbau.
2.3.2 Basisdatengruppe: Alle im zentralen Kopiersystem erfassten Kunden können für die Kopie ausgewählt werden (Punktkopie, Vollkopie), Mehrpunktkopie zur Bildung einer Basisdatengruppe und für verschiedene Analysen (Leitungsverlust, Mehrfachrate, Auslastung usw.), um den Anforderungen verschiedener intelligenter Kundenverwaltungen gerecht zu werden.
2.3.3 Kombination von Software und Hardware: Das Systemdesign berücksichtigt umfassend die Bedürfnisse und den Komfort der Nutzer. Auf Basis der festen Hardware werden sämtliche Systemfunktionskompensationen, Verwaltungsanpassungen und zusätzliche Bedienfunktionen (Fernsteuerung) durch die Hintergrundsoftware realisiert.
2.3.4 Es zeichnet sich durch einfache Installation, hohe Zuverlässigkeit, gute Sicherheit und gute Wartungsfreundlichkeit aus. Gleichzeitig sind die Projektkosten niedrig, die Systemwartung unkompliziert und die Betriebskosten gering.
2.4 Anwendung der Hauptfunktionen
Der ferngesteuerte Prepaid-Energiezähler arbeitet mit dem Stromverbrauchsmanagementsystem zusammen, um Funktionen wie Fernablesung des Zählers, Fern-Vorauszahlung, Verhinderung von Stromdiebstahl und Lastmanagement zu realisieren.
2.4.1 Fernablesung des Zählers
Die Hauptstation kann stichprobenartige Zählerablesungen durchführen und anhand der ausgelesenen Daten feststellen, ob der Stromzähler vor Ort defekt ist oder ob der Stromverbrauch des Kunden ungewöhnlich hoch ist. Alternativ kann die Hauptstation den Zähler gemäß dem Ableseplan auslesen und die Daten zur Berechnung der Stromkosten an das Strommarkt-Managementsystem übermitteln. Darüber hinaus kann die Hauptstation per Fernzugriff die regelmäßige Übermittlung von Felddaten durch den Stromzähler veranlassen.
2.4.2 Prepaid-Fernzugriff
Kunden können Strom in verschiedenen Formen beziehen, um Zahlungsspitzen effektiv zu vermeiden. Sobald der Zählerstand null erreicht, gibt der Zähler ein Auslösesignal aus, das ein internes Relais oder einen externen Lastschalter aktiviert und die Stromzufuhr unterbricht. Dadurch werden Zahlungsrückstände vermieden. Die kontaktlose Vorauszahlung ist sicher und zuverlässig und vermeidet Fehler wie Lesefehler der Karte oder Übertragungsfehler durch die Chipkarte. Gleichzeitig können bei einer Strompreisanpassung die Strompreisparameter im Vor-Ort-Stromzähler zeitnah über die Zentrale aktualisiert werden. So wird sichergestellt, dass die Strompreisparameter im Vor-Ort-Stromzähler mit der Preisanpassung synchronisiert sind.
2.4.3 Diebstahlschutz
Ändern sich die Parameter des Stromzählers vor Ort oder treten Störungen wie Spannungs- oder Stromausfall oder fehlerhafte Verdrahtung auf, meldet dies automatisch die Zentrale. Diese führt dann eine Überprüfung vor Ort durch. Dadurch lassen sich Stromdiebstahl effektiv verhindern und Probleme im Vorfeld vermeiden.
2.4.4 Lastmanagement
Die Hauptstation erfasst Spannung, Stromstärke, Leistung, Stromverbrauch und weitere Daten des Vor-Ort-Energiezählers zur Lastanalyse und -steuerung. Anhand der Stromdaten lässt sich die Lastkurve erstellen, um die Veränderung der elektrischen Last zu überwachen. Aus den Spannungsdaten kann die Spannungsqualitätsrate berechnet werden. Durch die Festlegung eines Wirkleistungsgrenzwerts im Energiezähler kann der Stromverbrauch des Kunden bei Überlastung kontrolliert werden.
2.5 Gewinnanalyse
2.5.1 Durch die Nutzung der Fernablesung von Zählern lassen sich die Personalkosten für Zählerableser erheblich reduzieren. Gleichzeitig werden Fehler bei der manuellen Zählerablesung vermieden und Zählerstörungen können rechtzeitig erkannt werden, wodurch sich die Servicequalität verbessert.
2.5.2 Durch die Einführung der Vorauszahlung konnten die Zahlungsrückstände erheblich reduziert, die Einziehungsquote der Stromkosten verbessert und die Betriebskosten für die Wiederherstellung der Stromversorgung vor Ort im Rahmen des Einziehungsmanagements der Stromkosten gesenkt werden.
2.5.3 Da der Betriebszustand des Stromzählers vor Ort online überwacht werden kann, lässt sich Stromdiebstahl wirksam verhindern und der unbekannte Stromverlust reduzieren.
2.5.4 Durch die automatische Laststeuerung wird das Auftreten von Überlastungsschäden am Stromzähler vermieden. Gleichzeitig wird auch das Phänomen vermieden, dass Kunden aufgrund einer Untererfassung ihrer Stromverbrauchskapazität keine zeitabhängigen Strompreise und Tarifberechnungen durchführen.
3. Anwendungsszenario für Acrel Prepaid-Produkte
3.1 Funktion
Erfassung, Kontrolle und Mahngebühren für Prepaid-Stromzähler; Bereitstellung eines Moduls für das Zahlungsmanagement; Modul zur Analyse des Energieverbrauchs;
Einzug von Mieten, Grundsteuern und rückständigen Beträgen;
Gemeinsame Stromkosten in öffentlichen Bereichen;
Zugang zur Zählerablesung und Zählerinstallation in öffentlichen Bereichen und Umspannwerken;
Integriertes System zur Messung des Energieverbrauchs von Gebäuden nach Vorauszahlung, klassifiziertem und untergeordnetem Energieverbrauch;
Zentralisierte Finanzverwaltung und -kontrolle von Immobiliengruppen, separate Zuständigkeit für Teilimmobilien;
Die drahtlose Lösung ist leicht zu modifizieren und einfach zu debuggen.
4. Schnelle Produktauswahl:
5. Schlussfolgerung
Obwohl die vielen Nachteile herkömmlicher Prepaid-Stromzähler immer deutlicher werden und sie den Anforderungen des modernen Strommanagements nicht mehr gerecht werden, finden sie kurzfristig, insbesondere in Regionen mit relativ weit verstreuter Kundschaft, noch Anwendung. Mit der fortschreitenden gesellschaftlichen Entwicklung werden Prepaid-Stromzähler jedoch zunehmend mit Kommunikations- und intelligenter Steuerungstechnik integriert (beispielsweise könnten ferngesteuerte Prepaid-Stromzähler auf Basis von Mobilfunktechnologie die herkömmlichen Chipkarten-basierten Prepaid-Stromzähler vollständig ersetzen). Die Integration der Funktion „intelligente Echtzeit-Fernsteuerung“ ist daher ein unausweichlicher technologischer Entwicklungstrend, um die Verbreitung und Nutzung dieser Funktion weiter auszubauen. Auch für Energieversorgungsunternehmen wird die zunehmende Verbreitung und Anwendung dieser Funktion die Managementqualität und den Service im Hinblick auf den täglichen Stromverbrauch kontinuierlich verbessern.
Referenzen:
[1] Acrel Enterprise Microgrid Design and Application Manual. Version 2022.05
Veröffentlichungsdatum: 29. April 2025