Inteligentna merilna rešitev na podlagi nizko napetostne nosilne linije

1. Načrt in ključna postavitev

1. Tehnično in tržno ozadje
   Z hitrim razvojem računalniške tehnologije, mikroelektronike in komunikacijske tehnologije se je tehnologija nosilca na nizkonapetostnih električnih vodov (220V) zrelo razvila in vzpostavila dominantno položaj na področju sistemov za samodejno branje meril. Na drugi strani zaradi večine motenjskih dejavnikov in visokih stroškov izvedbe še niso dosegli velikoploskovne uporabe na podobnem ravni kot vlaknen optični ali satelitski komunikacijski sistemi.
2. Sistemsko postavitev
   Pametni merilec, ki je predstavljen v tej rešitvi, služi kot osrednja podprta enota multifunkcijskega sistema za oddaljeno branje meril preko nizkonapetostnih električnih vodov. Sodeluje s skupniki podatkov in nadzornimi sistemi v ozadju, z namenom, da nadomešča ročno branje meril v različnih situacijah, kot so gospodinjstva, veliki potrošniki (ključni uporabniki) in pretvorovalnice, s tem, da doseže celotno avtomatizacijo in inteligentnost v upravljanju električne energije.

II. Hardverska oprema pametnega merilca

1. Splošna hardverska arhitektura
   Sistem hardvera je osredotočen okoli enote mikroprocesorja (MCU), integrirane z podpornimi moduli, kot so čuvaj, shranjevanje podatkov, zaznavanje odpiranja, pretvarjanje energije, komunikacija preko nosilca, prikazovalna enota, nadzor relaja in napajanje merilca. Vsak modul sodeluje, da zagotovi stabilno in zanesljivo delovanje merilca. (Oglejte si strukturo na Sliki 1 v prvotnem dokumentu.)
2. Podrobnosti ključnih hardverskih modulov
   | Hardverski modul | Osnovni komponent / specifikacija | Glavna funkcija |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Kontrolna enota (MCU) | Mikrokontroler AT89C2051 | Obdelava podatkov o merjenju (izračun, shranjevanje); odgovarjanje ukazom skupnika (nalaganje podatkov o energiji, izvajanje vklop/izklop); nadzor prikaza. |
   | Krog za pretvarjanje energije | Visoko natančen integrirani čip AD7755 | Pretvarja porabljeno energijo uporabnika (kW·h) v digitalne pule, ki jih lahko obdeluje MCU; to je ključna značilnost elektronskih merilcev. |
   | Modul za komunikacijo preko nosilca | - | Povezan z električnim vodom preko spojnega kroga; modulira in demodulira digitalne in analogni signale za dvosmerno prenos podatkov. |
   | Prikazovalna enota | - | Prikazuje porabo energije, čas, obdobja uporabe (vrh/rovina/dolina), tarife itd., pogon z programskega paketa. |
   | Relaj | - | Prejema ukaze MCU; ostane zaprt med normalnim delovanjem, izvaja izklop v primeru neplačanega računa ali oddaljenih ukazov za upravljanje z energijo. |
   | Shranjevanje podatkov | Serija shrambenih čipov 24CoX | Shrani pomembne podatke (npr. poraba energije) med odpiranjem; podpira varnostno shranjevanje, dolgo trajanje shranjevanja in uporablja metodo beri/piši I2C. |
   | Napajanje merilca | - | Pogosto napaja vse hardverske kroge, vključno z MCU, komunikacijskim modulom in prikazovalno enoto. |
   | Zaznavanje odpiranja in čuvaj | - | Zaznavanje odpiranja: Nadzor napetosti in aktiviranje zaščite podatkov ob nenormalnosti; Čuvaj: Preprečevanje zastoji programov in omogočanje samodejnega ponastavitve sistema. |
3. Načelo delovanja merilca
   • Merjenje energije: Poraba energije uporabnika je pretvorena v digitalne pule s čipom AD7755. MCU šteje določeno število pul kot 1 kW·h glede na prednastavljene parametre in jih akumulira in shhrani glede na obdobja vrha, ravnine in doline.
   • Interakcija podatkov: Skupnik podatkov izda ukaz za branje merilca ali nadzor. Merilec prenese shranjene podatke o energiji preko modula za komunikacijo preko nosilca po električnem vodu. V primeru prejemanja ukaza za izklop, MCU takoj nadzira relaj, da izvede operacijo izklopa.
   • Zaščita ob izjemanjih: Krog za zaznavanje odpiranja obvesti MCU, da hitro prenese ključne podatke na čip 24CoX, ko zazna nenormalnosti napajanja. Modul čuvaj prisili ponastavitev sistema v primeru težav z programom, kar zagotavlja zanesljivost.

III. Programska oprema pametnega merilca

1. Pristop k programiranju in ključni cilji
   Za programiranje se uporablja kombinacija jezikov assembler in C, s tem, da se uravnovesi učinkovitost programa in fleksibilnost razvoja. Ključni cilji so avtomatizacija in inteligentizacija funkcij merilca, hkrati pa minimizacija uporabe shrambe MCU.
2. Glavni programski moduli
   • Modul za nabiranje in obdelavo podatkov: Zbiranje energetskih pul, izračun skupne porabe energije uporabnika in statistično razvrščanje po obdobjih (vrh/rovina/dolina).
   • Modul za komunikacijsko interakcijo: Omogoča dvosmerno komunikacijo z skupnikom, vključno z sinhronizacijo urnika, nalaganje trenutnih/mesecnih podatkov o energiji in sprejemanje in izvajanje ukazov relaja (npr. nadzor vklop/izklop).
   • Modul za zaščito in obdelavo izjem: Integrira programskega čuvaja, zanesljivo določanje vklopa (preprečevanje pokvar podatkov), zaznavanje odpiranja in obdelava podatkov, sodelovanje z hardverjem, da zagotovi stabilnost sistema.
   • Modul za upravljanje obdobji in tarif: Nastavlja pravila obdobij za uporabo več tarif, določa trenutno obdobje v realnem času in zagotavlja osnovo za razlikovanje merjenja.
   • Modul za nadzor prikaza: Poganja prikazovalno enoto, da prikaže porabo energije, čas, tarife in druge informacije, kot je potrebno, z zagotavljanjem intuitivne vizualizacije podatkov.
3. Tek glavnega programa
   Po zagonu sistema se izvede "zanesljiva določitev vklopa" → inicializacija parametrov ali branje zgodovinskih podatkov glede na rezultat določitve → nastavitev časovnih intervalov in določanje trenutnega obdobja uporabe → preverjanje, ali je dan branja merilca, in priprava podatkov → stvarnočasno zaznavanje odpiranja in aktiviranje zaščite → zaznavanje ukazov preko nosilca in izvajanje komunikacijske obdelave → ponastavitev intervalov in ponovitev cikla. (Oglejte si podroben tok na Sliki 2 v prvotnem dokumentu.)

IV. Oddaljeni sistem za merjenje in perspektive uporabe

1. Sestav in funkcije sistema
   Celoten sistem za oddaljeno merjenje se sestoji iz treh delov:
   • Pametni merilec: Odgovoren za končno merjenje in izvajanje ukazov.
   • Skupnik podatkov: Odgovoren za srednje agregacijo podatkov in distribucijo ukazov.
   • Nadzorni sistem v ozadju: Odgovoren za statistično analizo, izračun izgub v vodovodih, obvestila o izjemah in ustvarjanje poročil.
   Ključna funkcija sistema je doseči popolno avtomatizacijo od zbiranja energije → prenosa podatkov → statističnih poizvedb → analize izgub v vodovodih → obvestil o izjemah → ustvarjanja poročil, s tem, da popolnoma nadomešča ročno branje meril.
2. Prednosti in perspektive
   V primerjavi z brezžičnimi ali posvečenimi linijami ta sistem izkorišča obstoječe električne vode, kar zagotavlja nizke investicijske stroške, lažjo vzdrževanje in veliko potencial za široko uporabo. Določa trdno tehnično osnovo za prihodnje pametne skupnosti, da dosežejo "oddaljeno prenos trih meril" (električna energija, voda, plin) in se lahko dodatno združi s bankarskimi sistemi za avtomatsko odštevanje stroškov električne energije, kar bistveno poveča udobje stanovanjskih enot.
3. Buduči izzivi
   • Tehnična raven: Neprekinjena izboljšava stopnje pridobivanja podatkov merilca (zagotavljanje uspešnega prenosa podatkov) in optimizacija algoritmov relaja za izboljšanje zanesljivosti komunikacije v kompleksnih električnih vodih.
   • Raven uporabe: Prilagajanje trendom reformiranja sektorja električne energije, spodbujanje globlje integracije sistema z naprednimi upravljališkimi funkcijami, kot so regulacija bremena in analiza energijske učinkovitosti.