低圧電力線キャリアに基づくスマートメーター解処案

1. 設計背景とコアポジショニング

1. 技術的および市場的背景
   コンピュータ技術、マイクロ電子工学、通信技術の急速な発展により、低圧電力線キャリア（220V）技術は成熟し、自動メーター読み取りシステム分野で優位な地位を確立しました。一方、高圧電力線は、複数の干渉要因と高い実装コストのため、光ファイバーや衛星通信のような大規模な応用が達成されていません。
2. システムの位置づけ
   本ソリューションで設計されたスマートメーターは、多機能な低圧電力線キャリア遠隔メーター読み取りシステムのコアとなる基盤ユニットとして機能します。データ収集器やバックエンド管理システムと連携して、低圧住宅ユーザー、大口消費者（重要ユーザー）、変電所などの様々なシナリオでの手動メーター読み取りを置き換え、最終的には電力管理の完全な自動化と知能化を目指しています。

II. スマートメーターのハードウェア設計

1. 全体的なハードウェアアーキテクチャ
   システムハードウェアは、マイクロプロセッシングユニット（MCU）を中心に構成され、ウォッチドッグ、データストレージ、停電検出、エネルギー変換、キャリア通信、表示ユニット、リレー制御、メーター電源供給などのサポートモジュールが統合されています。各モジュールが協調して動作することで、メーターの安定した信頼性のある動作が確保されます。（構造図については元の文書の図1を参照してください。）
2. 主要なハードウェアモジュールの詳細
   | ハードウェアモジュール | コアコンポーネント / 仕様 | 主な機能 |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | 制御ユニット（MCU） | AT89C2051マイクロコントローラ | 計量データの処理（計算、保存）；収集器からのコマンドへの応答（エネルギーデータのアップロード、電源オン/オフの実行）；表示制御。 |
   | エネルギー変換回路 | AD7755高精度統合チップ | 使用者の消費エネルギー（kW·h）をMCUで処理可能なデジタルパルスに変換する；電子メーターのコア機能。 |
   | キャリア通信モジュール | - | 電力線に結合回路を通じて接続；デジタルおよびアナログ信号の変調・復調を行い、双方向データ伝送を行う。 |
   | 表示ユニット | - | ソフトウェアによって駆動され、エネルギー消費量、時間、使用期間（ピーク/フラット/バレー）、料金など表示する。 |
   | リレー | - | MCUからのコマンドを受け取り、通常時は閉鎖状態を維持し、未払い料金や遠隔コマンドによる電力管理のために停電を実行する。 |
   | データストレージ | 24CoXシリーズストレージチップ | 停電時の重要なデータ（例えば、エネルギー消費量）を保存；停電時保存、長時間保存に対応し、I2C読み書き方式を使用。 |
   | メーター電源供給 | - | 全てのハードウェア回路（MCU、通信モジュール、表示ユニットなど）に安定した電力を供給する。 |
   | 停電検出 & ウォッチドッグ | - | 停電検出：異常時に電圧を監視し、データ保護をトリガーする；ウォッチドッグ：プログラムのデッドロックを防ぎ、システムの自動リセットを可能にする。 |
3. メーターの動作原理
   • エネルギー計測: AD7755チップによってユーザーのエネルギー消費がデジタルパルスに変換される。MCUは設定されたパラメータに基づいて特定のパルス数を1 kW·hとしてカウントし、ピーク、フラット、バレー期間に応じて累積して保存する。
   • データ相互作用: データ収集器がメーター読み取りまたは制御コマンドを発行する。メーターは電力線を通じてキャリアモジュールを介して保存されたエネルギーデータをアップロードする。停電コマンドが受信された場合、MCUは直ちにリレーを制御して停電操作を実行する。
   • 例外保護: 停電検出回路は、電力異常が検出された際にMCUに通知し、重要なデータを迅速に24CoXチップに転送する。ウォッチドッグモジュールはプログラムの誤動作時にシステムのリセットを強制し、信頼性を確保する。

III. スマートメーターのソフトウェア設計

1. プログラミングアプローチとコア目標
   アセンブリ言語とC言語の組み合わせを使用してプログラミングを行い、プログラム効率と開発の柔軟性をバランスさせます。コア目標は、メーターの機能を自動化および知能化し、MCUのメモリ使用量を最小限に抑えることです。
2. 主なプログラムモジュール
   • データ取得および処理モジュール: エネルギーパルスを収集し、総ユーザーエネルギー消費量を計算し、期間（ピーク/フラット/バレー）ごとに統計を分類する。
   • 通信相互作用モジュール: 双方向通信を収集器と行うことで、クロック同期、リアルタイム/月間エネルギーデータのアップロード、リレーコマンド（例えば、電源オン/オフ制御）の受信と実行を可能にする。
   • 保護および例外処理モジュール: ソフトウェアウォッチドッグ、信頼性のある電源オン判定（データ破損防止）、停電検出、データ処理を統合し、ハードウェアと連携してシステムの安定性を確保する。
   • 時間帯と料金管理モジュール: 多料金アプリケーションの時間帯ルールを設定し、リアルタイムで現在の時間帯を決定し、差別化された計測の基盤を提供する。
   • 表示制御モジュール: 必要に応じてエネルギー消費量、時間、料金などを表示ユニットに表示し、直感的なデータ可視化を確保する。
3. ソフトウェアのメインプログラムフロー
   システム起動後、「信頼性のある電源オン」判定が行われる→判定結果に基づいてパラメータが初期化されたり履歴データが読み込まれる→時間間隔が設定され、現在の使用期間が決定される→メーター読み取り日かどうかチェックされ、データが準備される→リアルタイムで停電が検出され、保護がトリガーされる→キャリアコマンドが検出され、通信処理が実行される→間隔がリセットされ、サイクルが繰り返される。（詳細なフローについては元の文書の図2を参照してください。）

IV. 遠隔計測システムと応用展望

1. システム構成と機能
   完全な遠隔計測システムは以下の3つの部分から構成されます：
   • スマートメーター: 端末計測とコマンド実行を担当する。
   • データ収集器: 中間データの集約とコマンド分配を担当する。
   • バックエンド管理システム: データ統計、分析、線損計算、例外アラート、報告生成を担当する。
   システムのコア機能は、エネルギー収集→データ伝送→統計照会→線損分析→例外アラート→報告生成まで完全に自動化し、手動メーター読み取りを完全に置き換えることです。
2. 利点と展望
   無線または専用ラインソリューションと比較して、このシステムは既存の電力線を利用しており、投資コストが低く、メンテナンスが容易であり、広範な採用の大きな可能性があります。これにより、将来のスマートコミュニティにおける「三つのメーターの遠隔伝送」（電力、水道、ガス）の実現に向けて堅固な技術基盤を築きます。さらに銀行システムとの統合により、自動電力料金引き落としが可能になり、居住者の利便性が大幅に向上します。
3. 将来的な課題
   • 技術レベル: メーターのデータ取得率の継続的な改善（データ伝送の成功を確保）と、複雑な電力線環境での通信安定性の向上のためのリレーアルゴリズムの最適化。
   • 応用レベル: 電力改革の傾向に適応し、負荷調整や節電分析などの高度な管理機能とのさらなる統合を推進する。