Solution de compteur intelligent basée sur la transmission par ligne électrique basse tension

1. Conception et positionnement de base

1. Contexte technique et commercial
   Avec le développement rapide des technologies informatiques, des microélectroniques et des communications, la technologie de transmission par ligne électrique basse tension (220V) a atteint sa maturité et occupe une position dominante dans le domaine des systèmes de relevé automatique des compteurs. En revanche, les lignes électriques haute tension, en raison de multiples facteurs d'interférence et de coûts d'implémentation élevés, n'ont pas encore atteint des applications à grande échelle similaires aux fibres optiques ou aux communications par satellite.
2. Positionnement du système
   Le compteur intelligent conçu dans cette solution sert d'unité sous-jacente centrale d'un système multifonctionnel de relevé à distance via la ligne électrique basse tension. Il fonctionne en coordination avec les concentrateurs de données et les systèmes de gestion back-end, visant à remplacer le relevé manuel des compteurs dans divers scénarios tels que les utilisateurs résidentiels basse tension, les grands consommateurs (utilisateurs clés) et les postes de transformation, afin d'atteindre une gestion entièrement automatisée et intelligente de l'électricité.

II. Conception matérielle du compteur intelligent

1. Architecture matérielle globale
   Le matériel du système est centré sur une unité de microcontrôle (MCU), intégrée avec des modules de soutien tels qu'une surveillance, un stockage de données, une détection de coupure de courant, une conversion d'énergie, une communication par porteuse, une unité d'affichage, un contrôle de relais et l'alimentation du compteur. Chaque module collabore pour assurer un fonctionnement stable et fiable du compteur. (Voir le schéma structurel à la Figure 1 du document original.)
2. Détails des modules matériels clés
   | Module matériel | Composant central / Spécification | Fonction principale |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Unité de contrôle (MCU) | Microcontrôleur AT89C2051 | Traite les données de comptage (calcul, stockage) ; répond aux commandes du concentrateur (téléchargement des données d'énergie, exécution de l'alimentation on/off) ; contrôle l'affichage. |
   | Circuit de conversion d'énergie | Puce intégrée haute précision AD7755 | Convertit l'énergie consommée par l'utilisateur (kW·h) en impulsions numériques traitables par le MCU ; une caractéristique centrale des compteurs électroniques. |
   | Module de communication par porteuse | - | Se connecte à la ligne électrique via un circuit de couplage ; module et démodule les signaux numériques et analogiques pour la transmission bidirectionnelle de données. |
   | Unité d'affichage | - | Affiche la consommation d'énergie, l'heure, les périodes d'utilisation (pointe/creux/pleine), les tarifs, etc., pilotée par logiciel. |
   | Relais | - | Reçoit les commandes du MCU ; reste fermé en opération normale, exécute la coupure d'électricité en cas de non-paiement ou de commandes à distance pour la gestion de l'électricité. |
   | Stockage de données | Puce de stockage série 24CoX | Stocke les données critiques (par exemple, la consommation d'énergie) lors des coupures de courant ; supporte la préservation en cas de coupure, une durée de stockage longue et utilise la méthode de lecture/écriture I2C. |
   | Alimentation du compteur | - | Fournit une alimentation stable à tous les circuits matériels, y compris le MCU, le module de communication et l'unité d'affichage. |
   | Détection de coupure de courant & Surveillance | - | Détection de coupure de courant : surveille la tension et déclenche la protection des données en cas d'anomalie ; Surveillance : empêche les blocages de programme et permet le redémarrage automatique du système. |
3. Principe de fonctionnement du compteur
   • Comptage d'énergie : La consommation d'énergie de l'utilisateur est convertie en impulsions numériques par la puce AD7755. Le MCU compte un certain nombre d'impulsions comme 1 kW·h en fonction des paramètres préétablis et les accumule et les stocke selon les périodes de pointe, de creux et de pleine.
   • Interaction des données : Le concentrateur de données émet des commandes de lecture ou de contrôle. Le compteur télécharge les données d'énergie stockées via le module de porteuse sur la ligne électrique. Si une commande de coupure de courant est reçue, le MCU contrôle immédiatement le relais pour exécuter l'opération de coupure de courant.
   • Protection en cas d'exception : Le circuit de détection de coupure de courant notifie le MCU pour transférer rapidement les données critiques vers la puce 24CoX en cas de détection d'anomalies de courant. Le module de surveillance force un redémarrage du système en cas de dysfonctionnement du programme, garantissant ainsi la fiabilité.

III. Conception logicielle du compteur intelligent

1. Approche de programmation et objectifs clés
   Un mélange de langage assembleur et de langage C est utilisé pour la programmation, équilibrant l'efficacité du programme et la flexibilité du développement. Les objectifs clés sont d'automatiser et d'intelligenter les fonctions du compteur tout en minimisant l'utilisation de la mémoire du MCU.
2. Modules principaux du programme
   • Module d'acquisition et de traitement des données : Collecte les impulsions d'énergie, calcule la consommation totale d'énergie de l'utilisateur et catégorise les statistiques par période (pointe/creux/pleine).
   • Module d'interaction de communication : Permet une communication bidirectionnelle avec le concentrateur, y compris la synchronisation de l'horloge, le téléchargement des données d'énergie en temps réel/mensuelles, et la réception et l'exécution des commandes de relais (par exemple, contrôle de l'alimentation on/off).
   • Module de protection et de gestion des exceptions : Intègre un watchdog logiciel, une détermination fiable de l'alimentation (prévention de la corruption des données), une détection de coupure de courant et un traitement des données, travaillant avec le matériel pour assurer la stabilité du système.
   • Module de gestion des périodes et des tarifs : Établit les règles de période pour les applications multi-tarifs, détermine la période actuelle en temps réel et fournit une base pour la comptabilisation différenciée.
   • Module de contrôle d'affichage : Pilote l'unité d'affichage pour montrer la consommation d'énergie, l'heure, les tarifs et autres informations nécessaires, assurant une visualisation intuitive des données.
3. Flux principal du programme logiciel
   Après le démarrage du système, une détermination "d'alimentation fiable" est effectuée→les paramètres sont initialisés ou les données historiques sont lues en fonction du résultat de la détermination→les intervalles de temps sont définis et la période d'utilisation actuelle est déterminée→il est vérifié si c'est le jour de relevé et les données sont préparées→la détection de coupure de courant est effectuée en temps réel et la protection est déclenchée→les commandes de porteuse sont détectées et le traitement de communication est exécuté→les intervalles sont réinitialisés, et le cycle se répète. (Voir le flux détaillé à la Figure 2 du document original.)

IV. Système de relevé à distance et perspectives d'application

1. Composition et fonctions du système
   Le système complet de relevé à distance se compose de trois parties :
   • Compteur intelligent : Responsable du comptage terminal et de l'exécution des commandes.
   • Concentrateur de données : Responsable de l'agrégation intermédiaire des données et de la distribution des commandes.
   • Système de gestion back-end : Responsable des statistiques de données, de l'analyse, du calcul des pertes de ligne, des alertes d'exceptions et de la génération de rapports.
   La fonction centrale du système est d'atteindre une automatisation complète de la collecte d'énergie→transmission des données→recherches statistiques→analyse des pertes de ligne→alertes d'exceptions→génération de rapports, remplaçant entièrement le relevé manuel des compteurs.
2. Avantages et perspectives
   Comparé aux solutions sans fil ou par ligne dédiée, ce système tire parti des lignes électriques existantes, offrant des coûts d'investissement faibles, une facilité de maintenance et un potentiel significatif d'adoption à grande échelle. Il pose une solide base technique pour les communautés intelligentes futures pour réaliser la "transmission à distance des trois compteurs" (électricité, eau, gaz) et peut être davantage intégré aux systèmes bancaires pour la déduction automatique des frais d'électricité, améliorant considérablement la commodité résidentielle.
3. Défis futurs
   • Niveau technique : Amélioration continue des taux de récupération des données du compteur (assurant une transmission réussie des données) et optimisation des algorithmes de relais pour améliorer la stabilité de la communication dans des environnements de ligne électrique complexes.
   • Niveau d'application : Adaptation aux tendances de la réforme de l'électricité, promotion d'une intégration plus profonde du système avec des fonctions de gestion avancées telles que la régulation de la charge et l'analyse d'économie d'énergie.