Решение за интелигентни броячи, основано на нисковолтови електрически кабели

1. Дизайн и основна позиция​

1. ​Технически и пазарен фон​
   С бързото развитие на компютърните технологии, микроелектрониката и комуникационните технологии, технологията за нисковолтово (220V) линейно носителство е достигнала зрелост и установила доминираща позиция в областта на системите за автоматично четене на сметчици. В сравнение, висковолтовите линии поради множеството фактори за пречките и високите разходи за реализация, не са постигнали широко приложение, подобно на оптическите влакна или спътниковата комуникация.
2. ​Позициониране на системата​
   Умният сметчик, проектиран в това решение, служи като основен нижнодивизионен единица на многфункционална система за дистанционно четене на сметчици чрез нисковолтово линейно носителство. Той работи в съгласуване с концентратори за данни и задната част на системата за управление, с цел да замести ръчното четене на сметчици в различни ситуации, като нисковолтови домашни потребители, големи потребителите (ключови клиенти) и трансформаторни станции, с цел окончателно да се постигне пълна автоматизация и интелигентност в управлението на електроенергията.

​II. Проект на хардуера на умния сметчик​

1. ​Обща архитектура на хардуера​
   Системата за хардуер е центрирана около микропроцесорна единица (MCU), интегрирана с допълващи модули, като часовник за наблюдение, съхранение на данни, детекция на изключение на напрежението, преобразуване на енергия, комуникация чрез линейно носителство, единица за изобразяване, контрол на реле и снабдяване на сметчика с енергия. Всеки модул сътрудничи, за да осигури стабилна и надеждна работа на сметчика. (Вижте фигура 1 в оригинален документ за структурната диаграма.)
2. ​Подробности за ключовите модули на хардуера​
   | Модул на хардуера | Основен компонент / спецификация | Главна функция |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Контролен модул (MCU) | AT89C2051 микроконтролер | Обработва данни за метрироване (изчисляване, съхранение); отговаря на команди от концентратора (изпращане на данни за енергия, изпълняване на включване/изключване на енергия); контролира изобразяването. |
   | Преобразувателен кръг за енергия | AD7755 високопрецизен интегриран чип| Преобразува потребителската енергия (кВт·ч) в цифрови импулси, обработими от MCU; една от основните характеристики на електронните сметчици. |
   | Модул за комуникация чрез линейно носителство | - | Свързва се с електрическата мрежа чрез куплунги кръг; модулира и демодулира цифрови и аналогови сигнали за двустранна передаване на данни. |
   | Единица за изобразяване | - | Изобразява използваната енергия, време, периоди на използване (връх/равнина/долина), тарифи и други, управлявани от софтуера. |
   | Реле | - | Приема команди от MCU; остава затворено при нормална операция, изпълнява изключване на енергията при неплатени такси или дистанционни команди за управление на енергията. |
   | Съхранение на данни | 24CoX серия съхранителен чип | Съхранява важни данни (например, използвана енергия) при изключение на напрежението; поддържа съхранение при изключение, дълго съхранение и използва метод I2C за четене/запис. |
   | Снабдяване на сметчика с енергия | - | Предоставя стабилно снабдяване с енергия на всички хардуерни кръгове, включително MCU, комуникационен модул и единица за изобразяване. |
   | Детекция на изключение на напрежението & Часовник за наблюдение | - | Детекция на изключение на напрежението: наблюдава напрежението и активира защита на данните при аномалии; Часовник за наблюдение: предотвратява блокиране на програмата и позволява автоматично рестартиране на системата. |
3. ​Принцип на работа на сметчика​
   • ​Метрироване на енергията: Потребителската енергия се преобразува в цифрови импулси от чипа AD7755. MCU брои конкретен брой импулси като 1 кВт·ч въз основа на предварително зададени параметри и ги натрупва и съхранява според периодите връх, равнина и долина.
   • ​Интеракция на данни: Концентраторът за данни издава команди за четене на сметчика или управление. Сметчикът изпраща съхранените данни за енергия чрез модула за линейно носителство по електрическата мрежа. Ако е получена команда за изключване на енергията, MCU веднага контролира реле да изпълни операцията за изключване на енергията.
   • ​Защита при аномалии: Кръгът за детекция на изключение на напрежението уведомява MCU да бързо прехвърли важни данни към чипа 24CoX при обнаружаване на аномалии. Модулът за наблюдение принуждава системата да се рестартира при проблеми с програмата, гарантирайки надеждността.

​III. Проект на софтуера на умния сметчик​

1. ​Подход към програмирането и основни цели​
   Използва се смес от асемблерен и C езици за програмиране, балансирайки ефективността на програмата и гъвкавостта на развитието. Основните цели са да автоматизират и интелектуализират функциите на сметчика, като минимизират използването на съхранение на MCU.
2. ​Основни програмни модули​
   • ​Модул за събиране и обработка на данни: Събира енергийни импулси, изчислява общата потребителска енергия и категоризира статистиката по периода (връх/равнина/долина).
   • ​Модул за комуникационна интеракция: Възможности за двустранна комуникация с концентратора, включително синхронизация на часовника, изпращане на реални/месечни данни за енергия и приемане и изпълнение на команди за реле (например, управление на включване/изключване на енергия).
   • ​Модул за защита и обработка на аномалии: Интегрира софтуерен часовник за наблюдение, надеждно определяне на включване (предотвратяващо повреда на данните), детекция на изключение на напрежението и обработка на данни, работещи с хардуера, за да гарантират стабилността на системата.
   • ​Модул за управление на периоди и тарифи: Установява правила за периоди за приложения с много тарифи, определя текущия период в реално време и предоставя основа за диференцирано метрироване.
   • ​Модул за контрол на изобразяването: Управлява единицата за изобразяване, за да показва използваната енергия, време, тарифи и друга информация, както е необходимо, гарантирайки интуитивна визуализация на данните.
3. ​Основен поток на програмата на софтуера​
   След стартиране на системата, се извършва "надеждно включване" → параметрите се инициализират или се четат исторически данни въз основа на резултата от определението → се задават интервали и се определя текущият период на използване → се проверява дали е ден за четене на сметчика и се подготвят данни → се детектира изключение на напрежението в реално време и се активира защита → се детектират команди за линейно носителство и се изпълнява обработка на комуникацията → интервалите се ресетират и цикълът се повтаря. (Вижте фигура 2 в оригинален документ за подробния поток.)

​IV. Система за дистанционно метрироване и перспективи за приложение​

1. ​Състав и функции на системата​
   Пълната система за дистанционно метрироване се състои от три части:
   • ​Умен сметчик: Отговаря за терминално метрироване и изпълнение на команди.
   • ​Концентратор на данни: Отговаря за среден агрегат на данни и разпределение на команди.
   • ​Задна част на системата за управление: Отговаря за статистика на данни, анализ, изчисление на загуби в линията, известяване за аномалии и генериране на доклади.
   Основната функция на системата е да постигне пълна автоматизация от събиране на енергия→предаване на данни→статистически заявки→анализ на загуби в линията→известяване за аномалии→генериране на доклади, напълно заменяйки ръчното четене на сметчици.
2. ​Преимущества и перспективи​
   В сравнение с безжични или специализирани решения, тази система използва съществуващите електрически мрежи, предлагайки ниски инвестиционни разходи, лесно поддръжка и значителен потенциал за широка употреба. Тя залага здрав технически фундамент за бъдещи умни общности, за да се постигне "дистанционна передача на три сметчика" (електроенергия, вода, газ) и може да се интегрира още повече с банкови системи за автоматично изваждане на такси за електроенергия, което значително увеличава удобството за домакинствата.
3. ​Бъдещи предизвикателства​
   • ​На техническо ниво: Непрекъснато подобрение на скорости за извличане на данни от сметчика (за осигуряване на успешна передача на данни) и оптимизация на алгоритми за реле, за да се увеличи стабилността на комуникацията в сложни електрически мрежи.
   • ​На приложно ниво: Прилагане на трендовете за реформа на електроенергията, насърчаване на по-дълбока интеграция на системата с напреднали функции за управление, като регулиране на нагрузката и анализ на спестяване на енергия.