Lösning för smarta mätare baserad på lågspänningsnätets dataväxlare

1. Designbakgrund och kärnpositionering

1. Teknisk och marknadsmässig bakgrund
   Med den snabba utvecklingen av dator- och mikroelektronikteknik samt kommunikationsteknik har tekniken för lågspänningskraftledningsburen kommunikation (220V) mognat och etablerat en dominerande position inom området automatiska räkningssystem. I kontrast till detta har högspänningskraftledningar, på grund av flera störningsfaktorer och höga genomförandekostnader, inte uppnått liknande storskaliga tillämpningar som fiberoptik eller satellitkommunikation.
2. Systemets positionering
   Den smarta mätaren som är utformad i detta lösning fungerar som det centrala underliggande enheten i ett multifunktionellt lågspänningskraftledningsburet fjärrräkningssystem. Den samverkar med datakoncentratorer och backend-hanteringssystem, med målet att ersätta manuell räkning i olika scenarier såsom lågspänningsbostadsanvändare, stora konsumenter (nyckelanvändare) och understationer, vilket slutligen leder till full automatisering och intelligens i energihantering.

II. Smart mätars hårdvarudesign

1. Allmän hårdvaruarkitektur
   Systemets hårdvara är centrerad runt en mikroprocessorenhet (MCU), integrerad med stödmoduler som watchdog, datalagring, strömavbrottssökning, energiomvandling, bärarkommunikation, visningsenhet, reläkontroll och mätarnas strömförsörjning. Varje modul samarbetar för att säkerställa stabil och pålitlig drift av mätaren. (Se figur 1 i originaldokumentet för strukturdiagram.)
2. Nyckelhårdvarumoduls detaljer
   | Hårdvarumodul | Kärnkomponent / Specificering | Huvudfunktion |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Kontrollenhet (MCU) | AT89C2051 mikrokontroller | Bearbetar mätdata (beräkning, lagring); svarar på koncentratorskommandon (överföring av energidata, utförande av strömpå/strömaf); kontrollerar visningen. |
   | Energiomvandlingskrets | AD7755 högprecision integrerad chip | Konverterar användarens förbrukade energi (kW·h) till digitala pulsar processbara av MCU; en kärnfunktion hos elektroniska mätare. |
   | Bärarkommunikationsmodul | - | Ansluter till strömlinjen via en kopplingskrets; modulerar och demodulerar digitala och analoga signaler för dubbelriktad datatransmission. |
   | Visningsenhet | - | Visar energiförbrukning, tid, användningsperioder (topp/flat/dal), tarratser, etc., drivs av mjukvara. |
   | Relä | - | Tar emot MCU-kommandon; stängt under normal drift, utför strömaf vid obetalda avgifter eller fjärrkommandon för energihantering. |
   | Datalagring | 24CoX seriestoragechip | Lagrar viktig data (t.ex. energiförbrukning) vid strömavbrott; stödjer bevarande vid strömavbrott, lång lagringstid och använder I2C-läs/skrivmetod. |
   | Mätarnas strömförsörjning | - | Ger stabil ström till alla hårdvarucirklar, inklusive MCU, kommunikationsmodul och visningsenhet. |
   | Strömavbrottssökning & Watchdog | - | Strömavbrottssökning: Övervakar spänning och utlöser dataprotektion vid avvikelse; Watchdog: Förhindrar programdeadlocks och möjliggör systemautorestart. |
3. Mätararbetsprincip
   • Energimätning: Användarens energiförbrukning konverteras till digitala pulsar av AD7755-chip. MCU räknar en specifik mängd pulsar som 1 kW·h baserat på förinställda parametrar och ackumulerar och lagrar dem enligt topp, flat och dalperioder.
   • Datainteraktion: Datakoncentratorn utfärdar räkning eller kontrollkommandon. Mätaren överför lagrad energidata via bärarmodulen över strömlinjen. Om ett strömafkommando tas emot kontrollerar MCU omedelbart relä för att utföra strömafoperationen.
   • Undantagskydd: Strömavbrottssökningssirkuit notiser MCU för att snabbt överföra viktig data till 24CoX-chip när strömavvikelser upptäcks. Watchdog-modulen tvingar ett systemreset vid programfel, vilket garanterar pålitlighet.

III. Smart mätars mjukvardesign

1. Programmeringsansats och kärnmål
   En blandning av maskin- och C-språk används för programmering, vilket balanserar programeffektivitet och utvecklingsflexibilitet. De kärnmässiga målen är att automatisera och intelligentera mätarens funktioner samtidigt som MCU:s lagringsutrymme minimeras.
2. Huvudprogrammoduler
   • Datainsamling och bearbetningsmodul: Samlar in energipulsar, beräknar total användarens energiförbrukning och kategoriserar statistik efter period (topp/flat/dal).
   • Kommunikationsinteraktionsmodul: Möjliggör tvåvägskommunikation med koncentratorn, inklusive klocksynkronisering, överföring av realtids-/månadliga energidata, och mottagning och utförande av reläkommandon (t.ex. strömpå/strömaf-kontroll).
   • Skydd och undantagshanteringmodul: Integrerar mjukvaruwachdog, pålitlig strömpåbestämning (förhindrar datakorruption), strömavbrottssökning och databeläggning, arbetar tillsammans med hårdvara för att säkerställa systemets stabilitet.
   • Tidsperiod och tarifferhanteringsmodul: Ställer in periodregler för flertariffapplikationer, bestämmer aktuell period i realtid och ger grund för differentierad mätning.
   • Visningskontrollmodul: Drivs av visningsenheten för att visa energiförbrukning, tid, tariffer och annan information efter behov, säkerställer intuitiv datavisualisering.
3. Mjukvaruhuvudprogramflöde
   Efter systemstart utförs en "pålitlig strömpå"-bestämning→parametrar initieras eller historiska data läses in baserat på bestämningens resultat→tidsintervall ställs in och den aktuella användningsperioden fastställs→om det är räkningsdag kontrolleras och data förbereds→strömavbrott upptäcks i realtid och skydd utlöses→bärarkommandon upptäcks och kommunikationsbehandling utförs→intervall återställs, och cykeln upprepas. (Se figur 2 i originaldokumentet för det detaljerade flödet.)

IV. Fjärrmätningssystem och tillämpningsutsikter

1. Systemkomposition och funktioner
   Det fullständiga fjärrmätningssystemet består av tre delar:
   • Smart mätare: Ansvarar för terminalmätning och kommandoexekvering.
   • Datakoncentrator: Ansvarar för mellanlagring av data och kommandofördelning.
   • Backend-hanteringssystem: Ansvarar för datastatistik, analys, linjeförlustberäkning, undantagslarm och rapportgenerering.
   Systemets kärnfunktion är att uppnå full automatisering från energisamling→datatransmission→statistiska frågor→linjeförlustanalys→undantagslarm→rapportgenerering, helt ersätter manuell räkning.
2. Fördelar och utsikter
   I jämförelse med trådlösa eller dedikerade lösningar utnyttjar detta system befintliga strömlinjer, erbjuder låga investeringskostnader, lätthet i underhåll och betydande potential för bred användning. Det lägger en solid teknisk grund för framtida smarta samhällen för att uppnå "fjärröverföring av tre mätare" (el, vatten, gas) och kan vidare integreras med banksystem för automatisk elavgiftsdragning, vilket starkt ökar boendets bekvämlighet.
3. Framtida utmaningar
   • Teknisk nivå: Fortsatt förbättring av mätardatahämtning (säkerställa framgångsrik datatransmission) och optimering av reléalgoritmer för att förbättra kommunikationsstabilitet i komplexa strömlinjemiljöer.
   • Användningsnivå: Anpassning till elreformer, främja djupare integration av systemet med avancerade hanteringsfunktioner som lastreglering och energibesparingsanalys.