Rozwiązanie inteligentnego licznika opartego na nośniku niskonapięciowej sieci elektrycznej

1. Projektowe tło i kluczowe pozycjonowanie

1. Tło techniczne i rynkowe
   Wraz z dynamicznym rozwojem technologii komputerowej, mikroelektroniki oraz technologii komunikacyjnej, technologia nośnika sygnału w sieci niskiego napięcia (220V) dojrzała i zdobyła dominującą pozycję w dziedzinie systemów automatycznego odczytu liczników. W przeciwieństwie do linii wysokiego napięcia, które ze względu na wiele czynników zakłócających i wysokie koszty realizacji, nie osiągnęły szerokoskalowych zastosowań podobnych do światłowodów lub komunikacji satelitarnej.
2. Pozycjonowanie systemu
   Inteligentny licznik zaprojektowany w tym rozwiązaniu stanowi centralną jednostkę wielofunkcyjnego systemu zdalnego odczytu liczników wykorzystującego nośnik sygnału w sieci niskiego napięcia. Pracuje on we współpracy z koncentratorami danych i systemami zarządzania w tyle, mając na celu zastąpienie manualnego odczytu liczników w różnych scenariuszach, takich jak użytkownicy mieszkaniowi, duże konsumenty (kluczowi użytkownicy) i stacje transformatorowe, kończąc na pełnej automatyzacji i inteligencji w zarządzaniu energią elektryczną.

II. Projekt sprzętowy inteligentnego licznika

1. Ogólna architektura sprzętowa
   System sprzętowy jest skoncentrowany wokół mikroprocesora (MCU), zintegrowanego z modułami wspierającymi, takimi jak strażnik, pamięć danych, detekcja wyłączenia zasilania, przetwarzanie energii, komunikacja nośnikowa, jednostka wyświetlacza, sterowanie relajem i zasilanie licznika. Każdy moduł współpracuje, aby zapewnić stabilne i niezawodne działanie licznika. (Patrz Rysunek 1 w oryginalnym dokumencie dla schematu strukturalnego.)
2. Szczegóły kluczowych modułów sprzętowych
   | Moduł sprzętowy | Główny składnik / Specyfikacja | Główna funkcja |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Jednostka kontrolna (MCU) | Mikrokontroler AT89C2051 | Przetwarzanie danych pomiarowych (obliczenia, przechowywanie); reagowanie na polecenia koncentratora (przesyłanie danych energetycznych, wykonanie operacji włączania/wyłączania zasilania); sterowanie wyświetlaczem. |
   | Układ przetwarzania energii | Czip integracyjny AD7755 wysokiej precyzji | Konwertuje zużytą przez użytkownika energię (kW·h) na impulsy cyfrowe przetwarzane przez MCU; kluczowa cecha elektronicznych liczników. |
   | Moduł komunikacji nośnikowej | - | Łączy się z linią zasilającą poprzez obwód sprzężeniowy; moduluje i demoduluje sygnały cyfrowe i analogowe do dwukierunkowej transmisji danych. |
   | Jednostka wyświetlacza | - | Wyświetla zużycie energii, czas, okresy użycia (szczyt/flat/dolina), stawki tarifowe itp., napędzana przez oprogramowanie. |
   | Relaj | - | Odbiera polecenia MCU; pozostaje zamknięty w normalnym trybie pracy, wykonuje operację wyłączania zasilania w przypadku niewypłaconych opłat lub zdalnych poleceń zarządzania energią. |
   | Pamięć danych | Czip pamięci serii 24CoX | Przechowuje kluczowe dane (np. zużycie energii) podczas awarii zasilania; obsługuje zachowanie danych po wyłączeniu zasilania, długotrwałe przechowywanie i używa metody odczytu/zapisu I2C. |
   | Zasilanie licznika | - | Zapewnia stabilne zasilanie wszystkich obwodów sprzętowych, w tym MCU, modułu komunikacyjnego i jednostki wyświetlacza. |
   | Detekcja wyłączenia zasilania i strażnik | - | Detekcja wyłączenia zasilania: monitoruje napięcie i inicjuje ochronę danych w przypadku anomalii; strażnik: zapobiega zablokowaniu programu i umożliwia automatyczny reset systemu. |
3. Zasada działania licznika
   • Pomiar energii: Zużycie energii użytkownika jest konwertowane na impulsy cyfrowe przez chip AD7755. MCU liczy określoną liczbę impulsów jako 1 kW·h na podstawie predefiniowanych parametrów i sumuje je oraz przechowuje według okresów szczytowego, płaskiego i dolinowego.
   • Interakcja danych: Koncentrator danych wystawia polecenia odczytu licznika lub sterowania. Licznik przesyła przechowywane dane energetyczne za pomocą modułu nośnikowego przez linię zasilającą. Jeśli otrzyma polecenie wyłączenia zasilania, MCU natychmiast steruje relajem, aby wykonać operację wyłączenia zasilania.
   • Ochrona wyjątków: Obwód detekcji wyłączenia zasilania powiadamia MCU, aby szybko przeniosło kluczowe dane do chipa 24CoX, gdy wykryte zostaną anomalie zasilania. Moduł strażnika wymusza reset systemu w przypadku błędów programu, zapewniając niezawodność.

III. Projekt oprogramowania inteligentnego licznika

1. Metoda programowania i główne cele
   Do programowania użyto mieszanki języków asemblera i C, balansując efektywność programu i elastyczność rozwoju. Główne cele to automatyzacja i inteligentyzacja funkcji licznika, jednocześnie minimalizując zużycie pamięci przez MCU.
2. Główne moduły programu
   • Moduł akwizycji i przetwarzania danych: Zbiera impulsy energetyczne, oblicza całkowite zużycie energii użytkownika i klasyfikuje statystyki według okresów (szczyt/płaski/dolina).
   • Moduł interakcji komunikacyjnej: Umożliwia dwukierunkową komunikację z koncentratorem, w tym synchronizację zegara, przesyłanie danych energetycznych w czasie rzeczywistym/miesięcznie, odbieranie i wykonywanie poleceń relajów (np. sterowanie włączaniem/wyłączaniem zasilania).
   • Moduł ochrony i obsługi wyjątków: Integruje oprogramowanie strażnika, niezawodne określenie włączenia zasilania (zapobiegające uszkodzeniu danych), detekcję wyłączenia zasilania i przetwarzanie danych, współpracując z sprzętem, aby zapewnić stabilność systemu.
   • Moduł zarządzania okresami i tarifami: Ustala reguły okresów dla wielotarifowych zastosowań, określa bieżący okres w czasie rzeczywistym i dostarcza podstawę do różnicowanego pomiaru.
   • Moduł sterowania wyświetlaczem: Napędza jednostkę wyświetlacza, pokazując zużycie energii, czas, stawki tarifowe i inne informacje, jak potrzeba, zapewniając intuicyjną wizualizację danych.
3. Przepływ głównego programu oprogramowania
   Po uruchomieniu systemu wykonuje się "niezawodne włączenie zasilania" → inicjalizuje parametry lub czyta dane historyczne w zależności od wyniku → ustawia interwały czasowe i określa bieżący okres użycia → sprawdza, czy jest to dzień odczytu licznika, i przygotowuje dane → w czasie rzeczywistym wykrywa wyłączenie zasilania i inicjuje ochronę → wykrywa polecenia nośnikowe i wykonuje przetwarzanie komunikacji → resetuje interwały, a cykl się powtarza. (Patrz Rysunek 2 w oryginalnym dokumencie dla szczegółowego przepływu.)

IV. System zdalnego pomiaru i perspektywy zastosowania

1. Skład systemu i funkcje
   Pełny system zdalnego pomiaru składa się z trzech części:
   • Inteligentny licznik: Odpowiada za terminalowe pomiary i wykonanie poleceń.
   • Koncentrator danych: Odpowiada za agregację danych pośrednich i dystrybucję poleceń.
   • System zarządzania w tyle: Odpowiada za statystykę, analizę, obliczanie strat w linii, alerty wyjątków i generowanie raportów.
   Główną funkcją systemu jest osiągnięcie pełnej automatyzacji od zbierania energii→transmisji danych→zapytań statystycznych→analizy strat w linii→alertów wyjątków→generowania raportów, całkowicie zastępując manualny odczyt liczników.
2. Zalety i perspektywy
   W porównaniu do rozwiązań bezprzewodowych lub dedykowanych linii, ten system wykorzystuje istniejące linie zasilające, oferując niskie koszty inwestycyjne, łatwą utrzymanie i znaczny potencjał do szerokiego zastosowania. Kładzie solidne podstawy techniczne dla przyszłych inteligentnych społeczności, umożliwiając "zdalną transmisję trzech liczników" (energia, woda, gaz) i może być dalej zintegrowany z systemami bankowymi do automatycznego pobierania opłat za energię, znacznie zwiększając wygodę mieszkańców.
3. Przyszłe wyzwania
   • Poziom techniczny: Ciągłe doskonalenie tempa pobierania danych licznika (zapewnienie udanego przesyłania danych) i optymalizacja algorytmów relajów, aby zwiększyć stabilność komunikacji w skomplikowanych środowiskach linii zasilających.
   • Poziom zastosowania: Dostosowanie do trendów reform energetycznych, promowanie głębszej integracji systemu z zaawansowanymi funkcjami zarządczymi, takimi jak regulacja obciążeń i analiza oszczędzania energii.