Intelligente Zählersystemlösung basierend auf Niederspannungs-Stromlinien-Übertragung

1. Design Background and Core Positioning

1. Technischer und Markthintergrund
   Dank des schnellen Fortschritts in der Computertechnologie, Mikroelektronik und Kommunikationstechnologie hat sich die Technologie des Niederfrequenz-Leitungskommunikations (220V) herangereift und eine dominante Position im Bereich der automatischen Zählersysteme eingenommen. Im Gegensatz dazu haben Hochspannungsleitungen aufgrund vieler Störungsfaktoren und hoher Implementierungskosten keine großflächigen Anwendungen ähnlich der Glasfaser- oder Satellitenkommunikation erreicht.
2. Systempositionierung
   Der in dieser Lösung entworfene intelligente Zähler dient als zentrale untergeordnete Einheit eines multifunktionalen Niederfrequenz-Leitungskommunikations-Fernablesesystems. Er arbeitet in Zusammenarbeit mit Datensammlern und Back-End-Verwaltungssystemen, um das manuelle Ablesen von Zählern in verschiedenen Szenarien wie bei Niederspannungs-Haushaltsnutzern, Großverbrauchern (Schlüsselbenutzer) und Umspannwerken zu ersetzen, um letztendlich eine vollständige Automatisierung und Intelligenz in der Stromverwaltung zu erreichen.

II. Hardware-Design des Smart Meters

1. Gesamtarchitektur der Hardware
   Das Systemhardware ist um einen Mikrocontroller (MCU) herum konzentriert, integriert mit unterstützenden Modulen wie Wachhund, Datenbank, Abschaltüberwachung, Energieumwandlung, Trägerkommunikation, Anzeigeeinheit, Relaissteuerung und Zählerstromversorgung. Jedes Modul arbeitet zusammen, um ein stabiles und zuverlässiges Betreiben des Zählers sicherzustellen. (Siehe Strukturdiagramm in Abbildung 1 im Originaldokument.)
2. Details der Schlüsselhardwaremodule
   | Hardware-Modul | Kernkomponente / Spezifikation | Hauptfunktion |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Steuereinheit (MCU) | AT89C2051-Mikrocontroller | Verarbeitet Messdaten (Berechnung, Speicherung); reagiert auf Befehle des Datensammlers (Übermittlung von Energiemessdaten, Ausführung von Einschalt/Ausschaltbefehlen); steuert die Anzeige. |
   | Energieumwandlungsschaltung | AD7755 hochpräziser integrierter Chip | Wandelt den vom Benutzer verbrauchten Energie (kW·h) in digitale Pulse um, die vom MCU verarbeitet werden können; ein Kernmerkmal elektronischer Zähler. |
   | Trägerkommunikationsmodul | - | Verbindet sich über eine Kopplungsschaltung mit der Stromleitung; moduliert und demoduliert digitale und analoge Signale für bidirektionale Datenübertragung. |
   | Anzeigeeinheit | - | Zeigt Energieverbrauch, Zeit, Nutzungsspannen (Hoch/Flach/Tief), Tarife usw. an, gesteuert durch Software. |
   | Relais | - | Empfängt Befehle des MCUs; bleibt während normaler Betriebszeit geschlossen, führt bei unbezahlten Gebühren oder Fernbefehlen zur Stromverwaltung den Stromausfall aus. |
   | Datenspeicher | 24CoX-Serie Speicherchip | Speichert kritische Daten (z.B. Energieverbrauch) während Stromausfällen; unterstützt die Speicherung bei Stromausfall, lange Speicherzeit und verwendet I2C-Lese/Schreibmethode. |
   | Zähler-Stromversorgung | - | Versorgt alle Hardware-Schaltkreise, einschließlich des MCUs, des Kommunikationsmoduls und der Anzeigeeinheit, mit stabilem Strom. |
   | Abschaltüberwachung & Wachhund | - | Abschaltüberwachung: Überwacht die Spannung und löst bei Auffälligkeiten Datenabsicherung aus; Wachhund: Verhindert Programmdeadlocks und ermöglicht automatische Systemneustarts. |
3. Funktionsprinzip des Zählers
   • Energiermessung: Der Energieverbrauch des Benutzers wird durch den AD7755-Chip in digitale Pulse umgewandelt. Der MCU zählt basierend auf vordefinierten Parametern eine bestimmte Anzahl von Pulsen als 1 kW·h und akkumuliert und speichert sie nach Hoch-, Flach- und Tiefperiode.
   • Datenwechsel: Der Datensammler gibt Lesekommandos oder Steuerbefehle ab. Der Zähler überträgt gespeicherte Energiemessdaten über das Trägermodul über die Stromleitung. Bei Erhalt eines Ausschaltbefehls kontrolliert der MCU sofort das Relais, um den Stromausfall auszuführen.
   • Ausnahmeschutz: Die Abschaltüberwachungsschaltung benachrichtigt den MCU, um bei Erkennung von Spannungsanomalien wichtige Daten schnell auf den 24CoX-Chip zu übertragen. Das Wachhund-Modul erzwingt bei Programmfehlern einen Systemneustart, um die Zuverlässigkeit sicherzustellen.

III. Software-Design des Smart Meters

1. Programmieransatz und Kernziele
   Es wird eine Kombination aus Assembler- und C-Programmiersprache verwendet, um eine Balance zwischen Programm-Effizienz und Entwicklungsflexibilität zu finden. Die Kernziele sind die Automatisierung und Intelligenzierung der Funktionen des Zählers, wobei der Speicherbedarf des MCUs minimiert wird.
2. Hauptprogramm-Module
   • Datenerfassungs- und Verarbeitungsmodul: Erfasst Energiepulse, berechnet den Gesamtenergieverbrauch des Benutzers und kategorisiert Statistiken nach Periode (Hoch/Flach/Tief).
   • Kommunikations-Interaktionsmodul: Ermöglicht die bidirektionale Kommunikation mit dem Datensammler, einschließlich Uhrsynchronisation, Übertragung von Echtzeit-/monatlichen Energiemessdaten und Empfang und Ausführung von Relaisbefehlen (z.B. Steuerung von Einschalt/Ausschalt).
   • Schutz- und Ausnahmebehandlungsmodul: Integriert Software-Wachhund, zuverlässige Bestimmung des Einschaltens (Verhinderung von Datenbeschädigung), Abschaltüberwachung und Datenverarbeitung, arbeitet mit der Hardware zusammen, um die Systemstabilität sicherzustellen.
   • Zeitspannen- und Tarifverwaltungsmodul: Setzt Regelungen für mehrtarifige Anwendungen, bestimmt die aktuelle Periode in Echtzeit und bietet eine Grundlage für differenzierte Messung.
   • Anzeigesteuerungsmodul: Steuert die Anzeigeeinheit, um Energieverbrauch, Zeit, Tarife und andere Informationen anzuzeigen, sorgt für intuitive Datenvisualisierung.
3. Hauptprogrammablauf der Software
   Nach Systemstart erfolgt eine "zuverlässige Einschaltbestimmung" → Parameter werden initialisiert oder historische Daten werden basierend auf dem Bestimmungsergebnis gelesen → Zeitintervalle werden festgelegt und die aktuelle Nutzungsspanne wird bestimmt → es wird überprüft, ob es der Lesetag ist, und Daten werden vorbereitet → es wird in Echtzeit auf Stromausfälle überwacht und Schutzmaßnahmen werden ausgelöst → Trägerbefehle werden erkannt und Kommunikationsverarbeitung wird ausgeführt → Intervalle werden zurückgesetzt und der Zyklus wiederholt sich. (Siehe detaillierten Ablauf in Abbildung 2 im Originaldokument.)

IV. Fernablesesystem und Anwendungsaussichten

1. Systemzusammensetzung und -funktionen
   Das vollständige Fernablesesystem besteht aus drei Teilen:
   • Smart Meter: Ist für die Endmessung und Befehlsausführung verantwortlich.
   • Datensammler: Ist für die Zwischenaggregation von Daten und die Verteilung von Befehlen verantwortlich.
   • Back-End-Verwaltungssystem: Ist für Datenstatistik, Analyse, Leitungsmengenberechnung, Ausnahmewarnungen und Berichterstellung verantwortlich.
   Die Kernfunktion des Systems ist die vollständige Automatisierung von Energieerfassung → Datenübertragung → statistische Abfragen → Leitungsmengenanalyse → Ausnahmewarnungen → Berichterstellung, wodurch das manuelle Ablesen von Zählern vollständig ersetzt wird.
2. Vorteile und Aussichten
   Im Vergleich zu drahtlosen oder dedizierten Lösungen nutzt dieses System bestehende Stromleitungen, bietet niedrige Investitionskosten, einfache Wartung und großes Potenzial für weite Verbreitung. Es legt einen soliden technologischen Grundstein für zukünftige intelligente Gemeinschaften, um die "Fernübertragung von drei Zählern" (Strom, Wasser, Gas) zu erreichen, und kann weiterhin mit Bankensystemen integriert werden, um automatische Stromgebühreneinzug zu ermöglichen, was den Wohnkomfort erheblich verbessert.
3. Zukünftige Herausforderungen
   • Technischer Standpunkt: Kontinuierliche Verbesserung der Zählerdatenabruf-Raten (Sicherstellung erfolgreicher Datenübertragung) und Optimierung von Relaisalgorithmen, um die Kommunikationsstabilität in komplexen Stromleitungs-Umgebungen zu erhöhen.
   • Anwendungsebene: Anpassung an Trends in der Energiewende, Förderung der tieferen Integration des Systems mit fortschrittlichen Verwaltungsfunktionen wie Lastregelung und Energieeinsparungsanalyse.