Slimme Meteroplossing Gebaseerd op Laagspanningskrachtlijntrager

1. Ontwerpachtergrond en kernpositie

1. Technische en marktachtergrond
   Met de snelle ontwikkeling van computertechnologie, micro-elektronica en communicatietechnologie is de laagspanningskrachtlijntrager (220V) technologie gerijpt en heeft een dominante positie verworven in het gebied van automatische meterleessystemen. Daarentegen hebben hoogspanningskrachtlijnen, vanwege meerdere interferentiefactoren en hoge implementatiekosten, geen grootschalige toepassingen bereikt vergelijkbaar met glasvezel of satellietcommunicatie.
2. Systeempositie
   De slimme meter die in deze oplossing is ontworpen, dient als het kernonderliggende eenheid van een multifunctioneel laagspanningskrachtlijntrager afstandsleesysteem. Het werkt samen met gegevensconcentratoren en back-end beheersystemen, met als doel het handmatig lezen van meters te vervangen in verschillende scenario's zoals laagspanningswoonhuishoudens, grote verbruikers (belangrijke gebruikers) en afdelingen, uiteindelijk volledige automatisering en intelligentie in elektriciteitsbeheer realiserend.

II. Slimme meter hardwareontwerp

1. Algemene hardwarearchitectuur
   Het systeemhardware draait om een microprocessor-eenheid (MCU), geïntegreerd met ondersteunende modules zoals een watchdog, gegevensopslag, stroomuitvaldetectie, energieomzetting, tragercommunicatie, weergaveeenheid, relaiscontrole en metervoeding. Elke module werkt samen om stabiele en betrouwbare werking van de meter te waarborgen. (Zie figuur 1 in het originele document voor het structuurschema.)
2. Belangrijke hardwarespecifieke details
   | Hardwaremodule | Kerncomponent / Specificatie | Hoofdfunctie |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Controle-eenheid (MCU) | AT89C2051 microcontroller | Verwerkt meetgegevens (berekening, opslag); reageert op concentratorcommando's (energiegegevens uploaden, stroom aan/uit uitvoeren); controleert weergave. |
   | Energieomzettingscircuit | AD7755 hoogprecisie geïntegreerde chip | Zet door de gebruiker verbruikte energie (kW·h) om in digitale pulsen die door de MCU kunnen worden verwerkt; een kernfunctie van elektronische meters. |
   | Tragercommunicatiemodule | - | Koppelt zich via een koppelcircuit aan de krachtlijn; moduleert en demoduleert digitale en analoge signalen voor tweerichtingsgegevensoverdracht. |
   | Weergaveeenheid | - | Toont energieverbruik, tijd, gebruikstijden (piek/flat/dal), tarieven, etc., gedreven door software. |
   | Relais | - | Ontvangt MCU-commando's; blijft gesloten tijdens normale werking, voert stroomuitval uit bij onbetaalde kosten of externe commando's voor elektriciteitsbeheer. |
   | Gegevensopslag | 24CoX serie opslagchip | Bewaart belangrijke gegevens (bijv. energieverbruik) tijdens stroomuitval; ondersteunt bewaring bij stroomuitval, lange opslagtijd, en gebruikt I2C lees/schrijf methode. |
   | Metervoeding | - | Biedt stabiele voeding aan alle hardwarecircuits, inclusief de MCU, communicatiemodule en weergaveeenheid. |
   | Stroomuitvaldetectie & Watchdog | - | Stroomuitvaldetectie: Monitort spanning en activeert gegevensbescherming bij anomalieën; Watchdog: Voorkomt programma-deadlocks en maakt systeemautorestart mogelijk. |
3. Werking van de meter
   • Energieafrekening: Het energieverbruik van de gebruiker wordt omgezet in digitale pulsen door de AD7755-chip. De MCU telt een specifiek aantal pulsen als 1 kW·h op basis van vooraf ingestelde parameters en verzamelt en slaat ze op volgens piek-, flat- en dalperiodes.
   • Gegevensinteractie: De gegevensconcentrator geeft meterlees- of besturingscommando's. De meter uploadt opgeslagen energiegegevens via de tragermodule over de krachtlijn. Als een stroomuitvalcommando ontvangen wordt, controleert de MCU onmiddellijk het relais om de stroomuitvaloperatie uit te voeren.
   • Uitzonderingsbescherming: Het stroomuitvaldetectiecircuit waarschuwt de MCU om cruciale gegevens snel naar de 24CoX-chip over te dragen wanneer stroomanomalieën worden gedetecteerd. De watchdog-module dwingt een systeemreset af bij programma-fouten, zodat de betrouwbaarheid gewaarborgd is.

III. Slimme meter softwareontwerp

1. Programmeerbenadering en kerndoelen
   Er wordt gebruikgemaakt van een mix van assemblytaal en C-taal voor programmeren, balancerend tussen programmaverantwoordelijkheid en ontwikkelingsflexibiliteit. De kerndoelen zijn om de functies van de meter te automatiseren en te intelligentiseren terwijl het gebruik van de opslagruimte van de MCU wordt geminimaliseerd.
2. Hoofdprogrammamodules
   • Gegevensverzamel- en verwerkingsmodule: Verzamelt energiepulsen, berekent totaal energieverbruik van de gebruiker, en categoriseert statistieken per periode (piek/flat/dal).
   • Communicatieinteractiemodule: Maakt bidirectionele communicatie mogelijk met de concentrator, inclusief kloksynchronisatie, uploaden van real-time/maandelijkse energiegegevens, en ontvangen en uitvoeren van relaiscommando's (bijv. stroom aan/uit controle).
   • Bescherming en uitzonderingshandelingsmodule: Integreert software-watchdog, betrouwbare stroomaanbepaling (preventing data corruptie), stroomuitvaldetectie, en gegevensverwerking, werkt samen met hardware om systeembetrouwbaarheid te waarborgen.
   • Tijdsperiode- en tarievenbeheersmodule: Stelt regels in voor meertarief-applicaties, bepaalt de huidige periode in real-time, en biedt een basis voor gedifferentieerde afrekening.
   • Weergavecontrolemodule: Drijft de weergaveeenheid aan om energieverbruik, tijd, tarieven en andere informatie weer te geven indien nodig, zorgt voor intuïtieve datavisualisatie.
3. Hoofdprogrammastroom
   Na systeemopstart wordt een "betrouwbare stroomaan"-bepaling uitgevoerd→parameters worden geïnitialiseerd of historische gegevens worden gelezen op basis van de bepaling→tijdsintervallen worden ingesteld en de huidige gebruikstijd wordt bepaald→wordt gecontroleerd of het de meterleesdag is en gegevens worden voorbereid→stroomuitval wordt in real-time gedetecteerd en bescherming wordt geactiveerd→tragercommando's worden gedetecteerd en communicatie wordt uitgevoerd→intervallen worden gereset, en de cyclus herhaalt zich. (Zie figuur 2 in het originele document voor de gedetailleerde stroom.)

IV. Afstandsmetersysteem en toepassingsperspectieven

1. Systeemsamenstelling en -functies
   Het complete afstandsmetersysteem bestaat uit drie delen:
   • Slimme meter: Verantwoordelijk voor eindmeet en commando-uitvoering.
   • Gegevensconcentrator: Verantwoordelijk voor intermediaire gegevensaggregatie en commandoverdeling.
   • Back-end beheersysteem: Verantwoordelijk voor gegevensstatistiek, analyse, lijnverliesberekening, uitzonderingswaarschuwingen en rapportgeneratie.
   De kernfunctie van het systeem is om volledige automatisering te realiseren van energiecollectie→gegevensoverdracht→statistische vragen→lijnverliesanalyse→uitzonderingswaarschuwingen→rapportgeneratie, volledig vervangend handmatig meterlezen.
2. Voordelen en perspectieven
   In vergelijking met draadloze of gespecialiseerde lijnoplossingen maakt dit systeem gebruik van bestaande krachtlijnen, wat lage investeringskosten en eenvoudige onderhoud biedt, en aanzienlijk potentieel heeft voor wijdverspreide toepassing. Het legt een solide technische basis voor toekomstige slimme gemeenschappen om "afstandsoverdracht van drie meters" (elektriciteit, water, gas) te realiseren en kan verder integreren met bankiersystemen voor automatische elektriciteitskostenafschrijving, wat de wooncomfortabelheid aanzienlijk verhoogt.
3. Toekomstige uitdagingen
   • Technisch niveau: Continue verbetering van de metergegevensophaalpercentages (zorg ervoor dat de gegevensoverdracht succesvol is) en optimalisatie van relaisalgoritmen om de communicatiestabiliteit in complexe krachtlijnomgevingen te verbeteren.
   • Toepassingsniveau: Aanpassing aan de trend van elektriciteitsreform, bevordering van diepere integratie van het systeem met geavanceerde beheerfuncties zoals belastingregeling en energiebesparingsanalyse.