Smart Meter-løsning baseret på lavspændings strømledningsbærer

1. Design Background and Core Positioning

1. Technical and Market Background
   Med den hurtige udvikling inden for datateknologi, mikroelektronik og kommunikationsteknologi har teknologien til lavspændings strømledningsbårere (220V) modnet og opnået en fremtrædende position inden for feltet af automatiske aflæsningsystemer. I modsætning hertil har højspændingsstrømledninger på grund af flere støjfaktorer og høje implementeringsomkostninger ikke nået en bred anvendelse som fiber eller satellitkommunikation.
2. System Positioning
   Den intelligente mæler, der er designet i denne løsning, fungerer som det centrale underliggende enhed i et multifunktionelt lavspændings strømledningsbærer fjernaflesningssystem. Den samarbejder med datakoncentratorer og backend-styringssystemer med det mål at erstatte manuelt aflæsning i forskellige situationer såsom lavspændings boligforbrugere, store forbrugere (vigtige brugere) og understationer, og til sidst at opnå fuld automatisering og intelligent energistyring.

II. Smart Meter Hardware Design

1. Overall Hardware Architecture
   Systemets hardware er centreret omkring en mikroprocessor enhed (MCU), integreret med understøttende moduler som watchdog, dataopbevaring, strømafbrydelsesdetektion, energiomregning, bærerkommunikation, visningsenhed, relækontrol og mælerspænding. Hver module samarbejder for at sikre stabil og pålidelig drift af mæleren. (Se figur 1 i det originale dokument for strukturdiagrammet.)
2. Key Hardware Module Details
   | Hardware Module | Core Component / Specification | Main Function |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Control Unit (MCU) | AT89C2051 mikrocontroller | Behandler mælingsdata (beregning, opbevaring); svarer på koncentratorkommandoer (upload af energidata, udførelse af strømtil/af); kontrollerer visning. |
   | Energy Conversion Circuit | AD7755 højpræcision integreret chip | Konverterer brugerens forbrug (kW·h) til digitale pulser, der kan behandles af MCU; en kernefunktion i elektroniske mælere. |
   | Carrier Communication Module | - | Forbinder til strømledningen via en koblingscirkuit; modulerer og demodulerer digitale og analoge signaler for tovejs dataoverførsel. |
   | Display Unit | - | Viser energiforbrug, tid, forbrugsperioder (top/flad/dal), tarifsatser osv., drevet af software. |
   | Relay | - | Modtager MCU-kommandoer; forbliver lukket under normal drift, udfører strømafbrydelse i tilfælde af ubetalte gebyrer eller fjernkommandoer til energistyring. |
   | Data Storage | 24CoX serie opbevaringschip | Gemmer vigtige data (fx energiforbrug) under strømafbrydelse; understøtter lagring under strømafbrydelse, lang opbevaringstid og bruger I2C læs/skriv metode. |
   | Meter Power Supply | - | Leverer stabil strøm til alle hardware cirkuiter, herunder MCU, kommunikationsmodulet og visningsenheden. |
   | Power-Off Detection & Watchdog | - | Strømafbrydelsesdetektion: Overvåger spændingen og aktiverer datbeskyttelse under uormaliteter; Watchdog: Forebygger program deadlocks og muliggør systemautogenstart. |
3. Meter Working Principle
   • Energimæling: Brugerens energiforbrug konverteres til digitale pulser af AD7755-chippen. MCU tæller et bestemt antal pulser som 1 kW·h baseret på forudindstillede parametre og akkumulerer og gemmer dem i henhold til top, flad og dal perioder.
   • Data Interaktion: Datakoncentratoren udsender aflæsnings- eller kontrolkommandoer. Mæleren uploader gemte energidata gennem bærermodulet over strømledningen. Hvis en strømafbrydelseskommando modtages, kontrollerer MCU øjeblikkeligt relæet for at udføre strømafbrydelsen.
   • Undtagelsesbeskyttelse: Strømafbrydelsesdetektionscirkuitet notificerer MCU om at hurtigt overføre vigtige data til 24CoX-chippen, når der opdages strømanormaliteter. Watchdog-modul tvanger en systemgenstart i tilfælde af programfejl, hvilket sikrer pålidelighed.

III. Smart Meter Software Design

1. Programming Approach and Core Objectives
   En blanding af assemblysprog og C-sprog bruges til programmering, balancerer programeffektivitet og udviklingsflexibilitet. De kerneformål er at automatisere og intelligentisere mælerens funktioner, mens MCUs lagringsforbrug minimeres.
2. Main Program Modules
   • Data Acquisition and Processing Module: Indsamler energipulser, beregner totalt brugerenergiforbrug og kategoriserer statistikker efter periode (top/flad/dal).
   • Communication Interaction Module: Gør det muligt at kommunikere tovejs med koncentrator, inklusive urensynkronisering, upload af realtid/månedlige energidata, og modtagelse og udførelse af relækommandoer (fx strømtil/af kontrol).
   • Protection and Exception Handling Module: Integrerer software watchdog, pålidelig strømtildeling (forebygger datakorrupcion), strømafbrydelsesdetektion og dataprocessering, arbejder sammen med hardware for at sikre systemets stabilitet.
   • Time Period and Tariff Management Module: Sætter perioderules for multitarifanvendelser, fastsætter den nuværende periode i realtid og giver grundlag for differentieret mæling.
   • Display Control Module: Drevet af visningsenhed til at vise energiforbrug, tid, tarifsatser og andre informationer, hvor det er nødvendigt, for at sikre intuitiv datavisualisering.
3. Software Main Program Flow
   Efter systemopstart udføres en "pålidelig strømtildeling" afgørelse→parametre initialiseres eller historiske data læses baseret på afgørelsesresultatet→tidsintervaller sættes og den aktuelle forbrugsperiode fastsættes→det tjekkes, om det er aflæsningsdag, og data forberedes→strømafbrydelse detekteres i realtid og beskyttelse aktiveres→bærerkommandoer detekteres og kommunikationsprocessering udføres→intervaller nulstilles, og cyklus gentager sig. (Se figur 2 i det originale dokument for den detaljerede flow.)

IV. Remote Metering System and Application Prospects

1. System Composition and Functions
   Det komplette fjernaflesningssystem består af tre dele:
   • Smart Meter: Ansvarlig for terminalmæling og kommando udførelse.
   • Data Concentrator: Ansvarlig for mellemleds dataaggregering og kommandofordeling.
   • Backend Management System: Ansvarlig for datastatistik, analyse, linjetab-beregning, undtagelsesalarmer og rapportgenerering.
   Kernefunktionen af systemet er at opnå fuld automatisering fra energiindsamling→datatransmission→statistiske forespørgsler→linjetabanalyse→undtagelsesalarmer→rapportgenerering, fuldstændigt erstatter manuel aflæsning.
2. Advantages and Prospects
   I forhold til trådløse eller dedikerede løsninger, udnytter dette system eksisterende strømledninger, tilbyder lave investeringsomkostninger, let vedligeholdelse og betydelig potentiel for bred anvendelse. Det lægger et solidt teknisk fundament for fremtidige smart communities til at opnå "fjernoverførsel af tre mælere" (el, vand, gas) og kan yderligere integreres med banksystemer for automatisk elgebyrdedrift, hvilket styrker beboernes bekvemmelighed betydeligt.
3. Future Challenges
   • Technical Level: Kontinuerlig forbedring af mælers dataindsamlingsfrekvens (sikrer vellykket datatransmission) og optimering af relæalgoritmer for at forbedre kommunikationsstabiliteten i komplekse strømledningsmiljøer.
   • Application Level: Tilpasning til strømreformtrender, fremme af dybere integration af systemet med avancerede styringsfunktioner som belastningsregulering og energibesparelsesanalyse.