저압 전력선 캐리어 기반 스마트 미터 솔루션

1. 설계 배경 및 핵심 포지셔닝

1. 기술적 및 시장 배경
   컴퓨터 기술, 마이크로전자공학, 통신 기술의 급속한 발전에 따라 저압 전력선 캐리어 (220V) 기술은 성숙하여 자동 미터 읽기 시스템 분야에서 주도적인 위치를 확립했습니다. 반면 고압 전력선은 여러 간섭 요인과 높은 구현 비용으로 인해 광섬유나 위성 통신과 같은 대규모 적용을 달성하지 못했습니다.
2. 시스템 포지셔닝
   이 솔루션에서 설계된 스마트 미터는 다기능 저압 전력선 캐리어 원격 미터 읽기 시스템의 핵심 하위 단위 역할을 합니다. 데이터 집중기와 백엔드 관리 시스템과 협력하여 저압 주택 사용자, 대형 소비자 (주요 사용자), 변전소 등 다양한 상황에서 수작업 미터 읽기를 대체하고, 궁극적으로 전력 관리의 완전 자동화와 지능화를 달성하는 것을 목표로 합니다.

II. 스마트 미터 하드웨어 설계

1. 전반적인 하드웨어 아키텍처
   시스템 하드웨어는 마이크로프로세싱 유닛 (MCU)을 중심으로 워치독, 데이터 저장, 정전 감지, 에너지 변환, 캐리어 통신, 디스플레이 유닛, 계전기 제어, 미터 전원 공급 등의 지원 모듈과 통합되어 있습니다. 각 모듈은 미터의 안정적이고 신뢰성 있는 작동을 보장하기 위해 협력합니다. (구조도는 원문의 도 1 참조.)
2. 핵심 하드웨어 모듈 세부 사항
   | 하드웨어 모듈 | 핵심 구성 요소 / 사양 | 주요 기능 |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | 제어 유닛 (MCU) | AT89C2051 마이크로컨트롤러 | 측정 데이터 처리 (계산, 저장); 집중기 명령 응답 (에너지 데이터 업로드, 전력 켜기/끄기 실행); 디스플레이 제어. |
   | 에너지 변환 회로 | AD7755 고정밀 통합 칩 | 사용자가 소비한 에너지 (kW·h)를 MCU가 처리 가능한 디지털 펄스로 변환; 전자 미터의 핵심 기능. |
   | 캐리어 통신 모듈 | - | 결합 회로를 통해 전력선에 연결; 디지털 및 아날로그 신호의 변조 및 복조를 통해 양방향 데이터 전송. |
   | 디스플레이 유닛 | - | 소프트웨어에 의해 구동되는 에너지 소비, 시간, 사용 기간 (피크/평탄/저곡), 요금 등을 표시. |
   | 계전기 | - | MCU 명령 수신; 정상 작동 중에는 닫혀 있으며, 미납 요금이나 원격 명령에 따른 전력 관리를 위해 전력을 차단. |
   | 데이터 저장 | 24CoX 시리즈 저장 칩 | 정전 중 중요한 데이터 (예: 에너지 소비) 저장; 정전 보존, 장시간 저장 지원, I2C 읽기/쓰기 방법 사용. |
   | 미터 전원 공급 | - | 모든 하드웨어 회로, MCU, 통신 모듈, 디스플레이 유닛에 안정적인 전원 공급. |
   | 정전 감지 및 워치독 | - | 정전 감지: 이상 상태에서 전압을 모니터링하고 데이터 보호 트리거; 워치독: 프로그램 데드락 방지 및 시스템 자동 재설정 가능. |
3. 미터 작동 원리
   • 에너지 측정: 사용자의 에너지 소비는 AD7755 칩으로 디지털 펄스로 변환됩니다. MCU는 미리 설정된 매개변수에 따라 특정 수의 펄스를 1 kW·h로 계산하고 피크, 평탄, 저곡 기간별로 누적 및 저장합니다.
   • 데이터 상호작용: 데이터 집중기가 미터 읽기 또는 제어 명령을 발행합니다. 미터는 전력선을 통해 캐리어 모듈을 통해 저장된 에너지 데이터를 업로드합니다. 전력 차단 명령을 받으면 MCU는 즉시 계전기를 제어하여 전력 차단 작업을 수행합니다.
   • 예외 보호: 정전 감지 회로는 전력 이상 상태가 감지될 때 MCU에게 중요한 데이터를 24CoX 칩으로 빠르게 전송하도록 알립니다. 워치독 모듈은 프로그램 오류 시 시스템 재설정을 강제하여 안정성을 보장합니다.

III. 스마트 미터 소프트웨어 설계

1. 프로그래밍 접근법 및 핵심 목표
   프로그램 효율성과 개발 유연성을 균형있게 유지하기 위해 어셈블리 언어와 C 언어를 혼합하여 프로그래밍합니다. 핵심 목표는 MCU의 저장 공간 사용을 최소화하면서 미터의 기능을 자동화하고 지능화하는 것입니다.
2. 주요 프로그램 모듈
   • 데이터 수집 및 처리 모듈: 에너지 펄스 수집, 총 사용자 에너지 소비 계산, 기간별 (피크/평탄/저곡) 통계 분류.
   • 통신 상호작용 모듈: 집중기와의 양방향 통신 가능, 클럭 동기화, 실시간/월간 에너지 데이터 업로드, 계전기 명령 (예: 전력 켜기/끄기 제어) 수신 및 실행.
   • 보호 및 예외 처리 모듈: 소프트웨어 워치독, 신뢰성 있는 전원 켜기 결정 (데이터 손상 방지), 정전 감지, 데이터 처리를 통합하여 하드웨어와 함께 시스템 안정성을 보장.
   • 기간 및 요금 관리 모듈: 다중 요금 적용을 위한 기간 규칙 설정, 실시간 현재 기간 결정, 차별화된 측정 기반 제공.
   • 디스플레이 제어 모듈: 필요에 따라 에너지 소비, 시간, 요금 등을 표시하는 디스플레이 유닛 구동, 직관적인 데이터 시각화 보장.
3. 소프트웨어 주 프로그램 흐름
   시스템 시작 후 "신뢰성 있는 전원 켜기" 결정 수행→결정 결과에 따라 매개변수 초기화 또는 이전 데이터 읽기→시간 간격 설정 및 현재 사용 기간 결정→미터 읽기 날짜 확인 및 데이터 준비→실시간 정전 감지 및 보호 트리거→캐리어 명령 감지 및 통신 처리 실행→간격 재설정 및 주기 반복. (자세한 흐름은 원문의 도 2 참조.)

IV. 원격 측정 시스템 및 적용 전망

1. 시스템 구성 및 기능
   완전한 원격 측정 시스템은 다음 세 부분으로 구성됩니다:
   • 스마트 미터: 단말기 측정 및 명령 실행 책임.
   • 데이터 집중기: 중간 데이터 집합 및 명령 분배 책임.
   • 백엔드 관리 시스템: 데이터 통계, 분석, 선손실 계산, 예외 경보, 보고서 생성 책임.
   시스템의 핵심 기능은 에너지 수집→데이터 전송→통계 조회→선손실 분석→예외 경보→보고서 생성까지의 완전 자동화를 달성하여 수작업 미터 읽기를 완전히 대체하는 것입니다.
2. 장점 및 전망
   무선 또는 전용선 솔루션과 비교하여 이 시스템은 기존 전력선을 활용하여 투자 비용이 낮고 유지 관리가 용이하며 광범위하게 채택될 잠재력이 큽니다. 미래의 스마트 커뮤니티에서 "삼미터 원격 전송" (전기, 수도, 가스)을 달성하는 데 견고한 기술적 기반을 제공하며, 은행 시스템과의 통합을 통해 자동 전기 요금 청구를 더욱 강화하여 주거 편의성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
3. 미래의 도전 과제
   • 기술적 수준: 미터 데이터 검색률의 지속적인 개선 (성공적인 데이터 전송 보장) 및 복잡한 전력선 환경에서 통신 안정성을 높이기 위한 계전기 알고리즘 최적화.
   • 응용 수준: 전력 개혁 트렌드에 적응하여 시스템을 부하 조절 및 에너지 절약 분석과 같은 고급 관리 기능과 더 깊게 통합.