Решение на основе низковольтной линии электропередачи для умных счетчиков

1. Проектирование и основная позиция​

1. ​Технический и рыночный фон​
   С быстрым развитием компьютерных технологий, микроэлектроники и средств связи, технология передачи данных по низковольтным электрическим сетям (220В) достигла зрелости и заняла доминирующую позицию в области систем автоматического съема показаний счетчиков. В отличие от этого, высоковольтные линии электропередач из-за множества факторов помех и высокой стоимости реализации не достигли масштабного применения, аналогичного оптоволоконной или спутниковой связи.
2. ​Позиционирование системы​
   Умный счетчик, разработанный в рамках данного решения, служит ключевым базовым элементом многофункциональной системы дистанционного съема показаний счетчиков по низковольтным электрическим сетям. Он работает в координации с концентраторами данных и системами управления на заднем плане, стремясь заменить ручной съем показаний в различных сценариях, таких как низковольтные бытовые потребители, крупные потребители (ключевые пользователи) и подстанции, в конечном итоге достигая полной автоматизации и интеллектуализации управления электроэнергией.

​II. Проектирование аппаратного обеспечения умного счетчика​

1. ​Общая аппаратная архитектура​
   Аппаратное обеспечение системы сосредоточено вокруг микропроцессорного устройства (MCU), интегрированного с поддерживающими модулями, такими как сторожевой таймер, модуль хранения данных, обнаружение отключения питания, преобразование энергии, модуль связи по силовой линии, модуль отображения, управление реле и питание счетчика. Каждый модуль взаимодействует, чтобы обеспечить стабильную и надежную работу счетчика. (См. Рисунок 1 в исходном документе для схемы.)
2. ​Подробности ключевых аппаратных модулей​
   | Аппаратный модуль | Основной компонент / спецификация | Основная функция |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Управляющий блок (MCU) | Микроконтроллер AT89C2051 | Обработка данных учета (вычисление, хранение); ответ на команды концентратора (передача данных о потреблении энергии, выполнение включения/отключения питания); управление отображением. |
   | Преобразователь энергии | Интегральная микросхема AD7755 высокой точности | Преобразует потребленную энергию пользователя (кВт·ч) в цифровые импульсы, обрабатываемые MCU; ключевая особенность электронных счетчиков. |
   | Модуль связи по силовой линии | - | Подключается к силовой линии через соединительную схему; модулирует и демодулирует цифровые и аналоговые сигналы для двусторонней передачи данных. |
   | Модуль отображения | - | Отображает потребление энергии, время, периоды использования (пик/плоский/долина), тарифы и т.д., управляемые программным обеспечением. |
   | Реле | - | Принимает команды MCU; остается закрытым в нормальном режиме работы, выполняет отключение питания в случае невыплаты или удаленных команд для управления электроэнергией. |
   | Хранение данных | Серия микросхем памяти 24CoX | Хранит важные данные (например, потребление энергии) при отключении питания; поддерживает сохранение данных при отключении питания, длительное хранение и использует метод чтения/записи I2C. |
   | Питание счетчика | - | Обеспечивает стабильное питание всем аппаратным цепям, включая MCU, модуль связи и модуль отображения. |
   | Обнаружение отключения питания и сторожевой таймер | - | Обнаружение отключения питания: мониторинг напряжения и запуск защиты данных при аномалиях; сторожевой таймер: предотвращает зависание программы и позволяет автоматическую перезагрузку системы. |
3. ​Принцип работы счетчика​
   • ​Учет энергии: Потребление энергии пользователя преобразуется в цифровые импульсы микросхемой AD7755. MCU считает определенное количество импульсов как 1 кВт·ч на основе предустановленных параметров и накапливает и хранит их в соответствии с периодами пик, плоский и долина.
   • ​Обмен данными: Концентратор данных отправляет команды снятия показаний или управления. Счетчик передает сохраненные данные о потреблении энергии через модуль связи по силовой линии. При получении команды отключения питания, MCU немедленно управляет реле для выполнения операции отключения питания.
   • ​Защита от исключений: Цепь обнаружения отключения питания уведомляет MCU о необходимости быстрого переноса важных данных на микросхему 24CoX при обнаружении аномалий питания. Модуль сторожевого таймера принудительно перезагружает систему в случае сбоев программы, обеспечивая надежность.

​III. Проектирование программного обеспечения умного счетчика​

1. ​Подход к программированию и основные цели​
   Используется комбинация языков ассемблера и C для программирования, балансируя эффективность программы и гибкость разработки. Основные цели - автоматизация и интеллектуализация функций счетчика, минимизируя использование памяти MCU.
2. ​Основные программные модули​
   • ​Модуль сбора и обработки данных: Собирает энергетические импульсы, вычисляет общее потребление энергии пользователем и классифицирует статистику по периодам (пик/плоский/долина).
   • ​Модуль взаимодействия по связи: Обеспечивает двустороннюю связь с концентратором, включая синхронизацию часов, передачу данных о текущем/месячном потреблении энергии и прием и выполнение команд реле (например, управление включением/отключением питания).
   • ​Модуль защиты и обработки исключений: Интегрирует программный сторожевой таймер, надежное определение включения питания (предотвращение повреждения данных), обнаружение отключения питания и обработка данных, работая вместе с аппаратными средствами для обеспечения стабильности системы.
   • ​Модуль управления временными периодами и тарифами: Устанавливает правила периодов для многотарифных применений, определяет текущий период в реальном времени и предоставляет основу для дифференцированного учета.
   • ​Модуль управления отображением: Управляет модулем отображения для показа потребления энергии, времени, тарифов и другой информации по мере необходимости, обеспечивая наглядное представление данных.
3. ​Основной поток программного обеспечения​
   После запуска системы выполняется "надежное включение питания" → параметры инициализируются или читаются исторические данные на основе результата определения → устанавливаются временные интервалы и определяется текущий период использования → проверяется, является ли это днем снятия показаний, и готовятся данные → в реальном времени обнаруживается отключение питания и активируется защита → обнаруживаются команды по силовой линии и выполняется обработка связи → интервалы сбрасываются, и цикл повторяется. (См. Рисунок 2 в исходном документе для подробного потока.)

​IV. Система дистанционного съема показаний и перспективы применения​

1. ​Состав системы и функции​
   Полная система дистанционного съема показаний состоит из трех частей:
   • ​Умный счетчик: Отвечает за терминальный учет и выполнение команд.
   • ​Концентратор данных: Отвечает за промежуточное агрегирование данных и распределение команд.
   • ​Система управления на заднем плане: Отвечает за статистику, анализ, расчет потерь на линии, оповещение об исключениях и генерацию отчетов.
   Основная функция системы - достижение полной автоматизации от сбора энергии→передачи данных→статистических запросов→анализа потерь на линии→оповещения об исключениях→генерации отчетов, полностью заменяя ручной съем показаний.
2. ​Преимущества и перспективы​
   По сравнению с беспроводными или выделенными линиями, данная система использует существующие линии электропередач, предлагая низкие затраты на инвестиции, легкость обслуживания и значительный потенциал для широкого распространения. Она создает прочную техническую основу для будущих умных сообществ, позволяя "дистанционную передачу трех счетчиков" (электроэнергия, вода, газ) и может быть интегрирована с банковскими системами для автоматического списания платы за электроэнергию, значительно повышая удобство для жителей.
3. ​Будущие вызовы​
   • ​На техническом уровне: Постоянное улучшение скорости получения данных счетчиком (обеспечивая успешную передачу данных) и оптимизация алгоритмов реле для повышения стабильности связи в сложных условиях силовых линий.
   • ​На уровне применения: Адаптация к тенденциям реформирования энергетики, продвижение более глубокой интеграции системы с передовыми функциями управления, такими как регулирование нагрузки и анализ экономии энергии.