第217期 / November 5, 2015

研發新視界

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STS預付費網路監控與儲值管理平台

作者/蔡秉翰

[發表日期:2015/10/5]

前言

智慧電表系統目前為全球積極發展的重要建設,在歐洲、東南亞等國家蓬勃發展,但是相較於發展中國家,新興國家電業常苦於竊電猖獗與電費收取不易,因此,納入防竊電與預付費功能為未來必須要發展的一大重點。

傳統預付費電表多為到賣電地點購買IC儲值卡,再將卡片插入至電表內完成儲值,但是每次購電都必須到指定地點購買可能會造成使用者的不方便,或是使用者可能會忘記儲值而導致發生家中無電可用的情況,所以STS預付費網路監控與儲值平台主要利用加密演算法產生20位數字之代碼、加密金鑰管理、售電後的交易紀錄查詢,使用者資訊管理…等,產生出來的代碼則透過3G無線網路傳入電表,執行代碼中所包含的資訊,提供管理人員遠端用電監控、售電人員使用安全交易授權管理、以及用戶遠端購買及查詢用電資訊,落實節能減碳,減少人工手動抄表,並透過預付費購電機制解決電費收取不易的問題,而除了防竊電與預付費的功能外,節能減碳、負載管理等亦為重要的功能,所以將眾多功能有系統系的管理,建置資料庫分析眾多數據、提供視覺化的介面供使用者使用亦為本系統發展的重點。

何謂3G

3G為第三代行動通訊技術,第一代通訊為類比訊號,而第二代通訊為數位訊號,如GSM,傳輸速度大約為一百多kbps,而第三代行動通訊的速度則有了大幅的提升,傳輸速度約為幾百kbps,所以比起2G,3G能更快速的傳遞圖像、影音、電話會議,而在室內、車內等地方更能提供更穩定的收訊品質,處理各種資訊服務等,例如視訊會議、下載音樂、影片,手機購物、遊戲等,在目前有線網路(HDSL、ADSL、VDSL)速度不斷提升,及智慧型手機蓬勃發展之下,無線網路亦被電信商視為未來發展的一大重點。

系統架構說明


《圖一》系統架構圖


本系統主要結合玖鼎電力資訊所開發的STS防竊電及預付費智慧電表,研發一套具備智慧型管理機制的「STS預付費網路監控與儲值管理平台」,期望以便捷的操作介面及系統功能,提供管理人員遠端用電監控、售電人員使用安全交易授權管理、以及用戶查詢用電資訊而能夠最佳化使用電力。而STS預付費網路監控與儲值平台主要可細分為「預付費交易管理平台」與「線上交易平台」。

一、預付費交易管理平台

預付費交易管理平台提供管理人員於遠端監控各電表的通訊狀態,以免因為電表通訊異常而造成儲值失敗或是重複儲值的狀況發生,管理人員亦可於此平台設定STS預付費管理平台的使用權限,可依照不同權限的使用者顯示不同的內容,亦可設定電郵伺服器發送警報、管理電表群組及警報設定等,也提供管理人員用電報表查詢的功能,主要蒐集各電表歷史資料,並以報表及圖形化的方式呈現,以利管理人員比對查證,並藉由統計分析方式,提供節電方針與建議。管理人員可於此平台查核購電記錄、扣款紀錄與用電差異分析,並可針對特定用戶進行查核對帳,比對用戶買電所花的費用與電表的實際用電有無差異,減少欠費、未知儲值異常或是扣款異常的狀況發生。



二、線上交易平台

線上交易平台可提供用戶遠端儲值與查看,包含:電表代號、當前時間、當前用電度數、當前剩餘金額以及當期明細及歷史明細等,亦提供用戶查詢歷史用電紀錄、自我用電比較等圖表分析。用戶可藉由線上交易平台更改其登錄密碼,避免因密碼外洩而造成隱私資料外流的危險,減少遺失密碼所帶來的麻煩,提高其安全性。



系統與電表訊息交換方式

STS預付費網路監控與儲值平台主要是利用讀取指令(ReadCommand)讀取電表中的資料,例如電壓、電流、累積用電度數、目前剩餘度數、警報、電壓警報門檻值等,若是讀取指令內容正確,則電表會回覆IEC62055-52所定義的資料格式(Data),則通訊伺服器端則可依照資料格式解析電表資訊,而儲值代碼、清除電表剩餘度數、更新電表金鑰等則是使用寫入指令(WriteCommand),將所需要的資訊如交易金額、交易時間、更新之電表金鑰等利用IEC62055-41所定義之演算法產生20碼代碼放入寫入指令內即可傳遞至電表,若寫入成功電表將會回傳確認回應(ACK),失敗則會回傳失敗回應(NAK)。

一、ReadCommand



讀取指令利用ASCII碼所組成,SOH表示標題開始,R表示英文字母大寫R,STX表示本文開始,RID為要讀取之暫存器代號,電表商會定義許多暫存器如電壓(Ox0001)、電流(0x0002)等供通訊伺服器讀取,DL表示資料長度,ETX為本文結束,最後BCC則是指令的檢查碼,將上述內容組合成指令即可傳遞給電表讀取欲讀取的內容。

二、WriteCommand



寫入指令也是利用ASCII碼組成,SOH表示標題開始,W表示英文字母大寫W,STX表示本文開始,RID為要寫入之暫存器代號,D為寫入之內容,ETX表示本文結束,BCC為指令檢查碼,將上述內容組合成指令即可將參數寫入至電表。


《圖二》WriteCommand D欄位產生流程圖(以儲值代碼為例)


結論

隨者現代科技日新月異,政府有意將智能電網與智慧型電表列為未來重大建設之一,並結合物聯網的方式讓民眾可查詢家中用電情形,在未來,越來越多的國家已不在使用傳統抄表的方式收取電費,特別是在某些不易到達的地方,或是竊電嚴重的發展中國家,電力公司除了需要降低人工抄表的成本外,如何將數量龐大的電力數據儲存至資料庫中作數據分析、報表圖形化顯示、警報提醒等也是重要的課題,第一代的預付費電表多半使用IC卡式電表,使用者必須到指定地點購買IC卡插入電表內才可使用,但是各家電表製造商有各種不一樣的IC卡,並無統一的規格,容易引起消費交紛造成使用者的不方便,而第二代的預付費電表則是採用國際通用的IEC62055-41通訊協定設計預付費型電表,電表製造商必須加入STS協會並向協會申請加密專用金鑰,POS系統會將購買之電力度數、交易時間等透過加密演算法及金鑰產生20碼儲值代碼,這樣即可確保了代碼的一致性、加密的安全性,第二代預付費型電表雖然並非使用IC卡式電表,但是使用者還是必須要到指定地點付費,依照銷售商給予的儲值代碼自行輸入至電表完成儲值,若是銷售地點在不易到達的地方可能會對使用者購買電力造成很大的不方便,正因以上原因才有了第三代預付費型電表的產生。

第三代預付費型電表利用IEC62055-52通訊協定及3G無線網路技術所設計,讓使用者在家即可利用網路購買電力,並可利用網站查詢購買紀錄、年月份之用電比較、餘額不足的提醒等,圖形化的報表顯示使得使用者可以很清楚的了解自家的電力使用情形,未來更可以利用手機、平板電腦等手持式裝備完成儲值,監看住宅用電情形,制定家中電器排程計畫,除了購電方便外,並真正落實節能減碳的目的,因此除了時間電價型的電費收取方式外,預付費式電表在東南亞國家、大陸等竊電嚴重地方也是重要發展的項目之一。

參考文獻

‧陳聲榮,環球表計, 2011第二期,「STS代碼式預付費電能表在智能電網系統中的應用」
‧LudekSlosarcik, EET電子工程專輯, 2013/04, 「NFC實現能源計費管理」
‧IEC62055-41 Electricity metering-Payment systems-Part 41, 2007, 「Standard Transfer Specification (STS) – Application Layer Protocol for One-Way Token Carrier Systems」
‧IEC62055-51 Electricity metering-Payment systems-Part 51, 2007, 「Standard Transfer Specification (STS) – Physical Layer Protocol for One-Way Numeric and Magnetic Card Token Carriers」
‧IEC62055-52 Electricity metering-Payment systems-Part 52, 2008, 「Standard Transfer Specification (STS) – Physical Layer Protocol for aTwo-Way Virtual Token Carrier for Direct Local Connection」
‧FIPS-PUB 46-2, 1993/12/30, 「Data Encryption Standard (DES)」
‧蔡秉翰, 電腦科技電子報,2014/04/05 第198期,「IEC防竊電智慧電表之預付費安全交易系統」