Solució de Contador Intel·ligent Basada en Portadora de Línia Elèctrica de Baixa Tensió

1. Disseny de fons i posició central​

1. ​Fons tècnic i de mercat​
   Amb el desenvolupament ràpid de la tecnologia informàtica, la microelectrònica i la tecnologia de comunicacions, la tecnologia de transmissió per línia d'alimentació elèctrica de baixa tensió (220V) ha arribat a maturar i ha establert una posició dominant en el camp dels sistemes de lectura automàtica de comptadors. En canvi, les línies d'alimentació elèctrica de alta tensió, a causa de diversos factors d'interferència i els costos d'implementació elevats, no han assolit aplicacions a gran escala similars a les fibres òptiques o la comunicació per satèl·lit.
2. ​Posició del sistema​
   El comptador intel·ligent dissenyat en aquesta solució serveix com a unitat bàsica subordinada d'un sistema multifuncional de lectura remota de comptadors mitjançant línia d'alimentació elèctrica de baixa tensió. Treballa en coordinació amb concentradors de dades i sistemes de gestió de backend, amb l'objectiu de reemplaçar la lectura manual de comptadors en diversos escenaris com usuaris residencials de baixa tensió, grans consumidors (usuaris clau) i subestacions, assolint finalment una gestió totalment automatitzada i intel·ligent de l'electricitat.

​II. Disseny de maquinari del comptador intel·ligent​

1. ​Arquitectura general del maquinari​
   El maquinari del sistema es centra en una unitat de microprocessament (MCU), integrada amb mòduls de suport com un watchdog, emmagatzematge de dades, detecció de tall d'energia, conversió d'energia, comunicació portadora, unitat de visualització, control de relé i alimentació del comptador. Cada mòdul col·labora per assegurar el funcionament estable i fiable del comptador. (Vegeu el diagrama estructural a la Figura 1 del document original.)
2. ​Detalls dels mòduls de maquinari clau​
   | Mòdul de maquinari | Component / Especificació principal | Funció principal |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Unitat de control (MCU) | Microcontrolador AT89C2051 | Processa les dades de mesurament (càlcul, emmagatzematge); respon a les ordres del concentrador (pujar dades d'energia, executar encendiment/apagament); controla la visualització. |
   | Circuit de conversió d'energia | Chip integrat d'alta precisió AD7755 | Converteix l'energia consumida per l'usuari (kW·h) en impulsos digitals processables pel MCU; una característica central dels comptadors electrònics. |
   | Mòdul de comunicació portadora | - | Es connecta a la línia d'alimentació mitjançant un circuit de couplament; modula i demodula senyals digitals i analògics per a la transmissió bidireccional de dades. |
   | Unitat de visualització | - | Mostra el consum d'energia, l'hora, els períodes d'ús (pic/plana/vall), les tarifes, etc., dirigida per software. |
   | Relé | - | Rep ordres del MCU; queda tancat durant el funcionament normal, executa l'apagament en cas de pagaments impagats o ordres remot per a la gestió de l'electricitat. |
   | Emmagatzematge de dades | Chip d'emmagatzematge sèrie 24CoX | Emagatzema dades crítiques (per exemple, consum d'energia) durant els talls d'energia; suporta la preservació durant talls, temps llarg d'emmagatzematge i utilitza el mètode de lectura/escritura I2C. |
   | Alimentació del comptador | - | Proporciona energia estable a tots els circuits de maquinari, inclosos el MCU, el mòdul de comunicació i l'unitat de visualització. |
   | Detecció de tall d'energia i watchdog | - | Detecció de tall d'energia: Monitoritza la tensió i activa la protecció de dades en cas d'anomalies; Watchdog: Prevé els bloquejos del programa i habilita la reinicialització automàtica del sistema. |
3. ​Principi de funcionament del comptador​
   • ​Mesura d'energia: El consum d'energia de l'usuari és convertit en impulsos digitals pel chip AD7755. El MCU compta un nombre específic d'impulsos com 1 kW·h basat en paràmetres predefinits i els acumula i emmagatzema segons els períodes de pic, plana i vall.
   • ​Interacció de dades: El concentrador de dades emet ordres de lectura de comptador o de control. El comptador puja les dades d'energia emmagatzemades a través del mòdul portadora per la línia d'alimentació. Si rep una ordre d'apagament, el MCU controla immediatament el relé per executar l'operació d'apagament.
   • ​Protecció d'excepcions: El circuit de detecció de tall d'energia notifica al MCU per transferir ràpidament les dades crítiques al chip 24CoX quan es detecten anomalies de potència. El mòdul watchdog força una reinicialització del sistema en cas de malfuncionament del programa, assegurant la fiabilitat.

​III. Disseny de programari del comptador intel·ligent​

1. ​Enfocament de programació i objectius principals​
   S'utilitza una combinació de llenguatge d'assembleig i llenguatge C per a la programació, equilibrant l'eficiència del programa i la flexibilitat de desenvolupament. Els objectius principals són automatitzar i intel·ligentitzar les funcions del comptador mentre es minimitzi l'ús de l'emmagatzematge del MCU.
2. ​Mòduls de programa principal​
   • ​Mòdul d'adquisició i processament de dades: Recull els impulsos d'energia, calcula el consum total d'energia de l'usuari i categoritza les estadístiques per període (pic/plana/vall).
   • ​Mòdul d'interacció de comunicació: Habilita la comunicació bidireccional amb el concentrador, incloent la sincronització de l'hora, pujar dades d'energia en temps real/mensual, i rebre i executar ordres de relé (per exemple, control d'encendiment/apagament).
   • ​Mòdul de protecció i gestió d'excepcions: Integra un watchdog de programari, determinació fiable d'encendiment (evitant la corrupció de dades), detecció de tall d'energia i processament de dades, treballant amb el maquinari per assegurar la estabilitat del sistema.
   • ​Mòdul de gestió de períodes i tarifes: Estableix regles de períodes per a aplicacions de múltiples tarifes, determina el període actual en temps real i proporciona una base per a la mesura diferenciada.
   • ​Mòdul de control de visualització: Dirigeix l'unitat de visualització per mostrar el consum d'energia, l'hora, les tarifes i altres informacions necessàries, assegurant una visualització de dades intuïtiva.
3. ​Flux del programa principal de programari​
   Després de l'inici del sistema, es realitza una determinació d'“encendiment fiable” → s'inicialitzen els paràmetres o es llegeixen les dades històriques basant-se en el resultat de la determinació → es configuren els intervals de temps i es determina el període d'ús actual → es comprova si és el dia de lectura del comptador i es preparen les dades → es detecta en temps real el tall d'energia i es desencadena la protecció → es detecten les ordres portadores i s'executa el processament de comunicació → es reinicialitzen els intervals i es repeteix el cicle. (Vegeu el flux detallat a la Figura 2 del document original.)

​IV. Sistema de mesura remota i perspectives d'aplicació​

1. ​Composició i funcions del sistema​
   El sistema complet de mesura remota consta de tres parts:
   • ​Comptador intel·ligent: Responsable de la mesura terminal i de l'execució d'ordres.
   • ​Concentrador de dades: Responsable de l'agregació intermèdia de dades i la distribució d'ordres.
   • ​Sistema de gestió de backend: Responsable de l'estadística de dades, l'anàlisi, el càlcul de pèrdues de línia, alertes d'excepcions i la generació de informes.
   La funció principal del sistema és assolir la total automatització des de la recol·lecció d'energia → transmissió de dades → consultes estadístiques → anàlisi de pèrdues de línia → alertes d'excepcions → generació d'informes, reemplaçant completament la lectura manual de comptadors.
2. ​Avantatges i perspectives​
   Comparat amb les solucions sense fil o de línia dedicada, aquest sistema aprofita les línies d'alimentació existents, oferint costos d'inversió baixos, facilitat de manteniment i un gran potencial per a una adopció amplia. Posa una base tècnica sólida per a futurs poblaments intel·ligents per aconseguir la “transmissió remota de tres comptadors” (electricitat, aigua, gas) i pot integrar-se més endavant amb sistemes bancaris per a la deducció automàtica de la factura d'electricitat, augmentant considerablement la conveniència resident.
3. ​Desafiaments futurs​
   • ​Nivell tècnic: Millora contínua en les taxes de recuperació de dades del comptador (assegurant la transmissió exitosa de dades) i optimització dels algoritmes de relé per millorar la estabilitat de la comunicació en entorns complexes de línia d'alimentació.
   • ​Nivell d'aplicació: Adaptació a les tendències de reforma energètica, promoció d'una integració més profunda del sistema amb funcions de gestió avançades com la regulació de càrrega i l'anàlisi d'estalvi d'energia.