Рішення для розумних лічильників на основі низьковольтного силового лінійного носія

1. Дизайн та ключова позиція

1. Технічний та ринковий фон
   З поширенням комп'ютерних технологій, мікроелектроніки та засобів зв'язку, технологія передачі даних через низьковольтні електромережі (220В) досягла зрілості та зайняла домінуючу позицію в галузі автоматичного зчитування показників лічильників. Натомість, високовольтні електромережі, через багато факторів інтерференції та високі витрати на реалізацію, не досягли масового застосування, подібного до оптоволоконних або супутникових систем зв'язку.
2. Позиціювання системи
   Розумний лічильник, розроблений у цьому рішенні, є ключовим базовим елементом багатофункціональної системи дистанційного зчитування показників лічильників через низьковольтні електромережі. Він працює разом з концентраторами даних та системами управління, щоб замінити ручне зчитування показників для різних сценаріїв, таких як низьковольтні побутові споживачі, великі споживачі (ключові користувачі) та підстанції, з метою досягнення повної автоматизації та інтелектуального управління електроенергією.

II. Апаратна частина розумного лічильника

1. Загальна апаратна архітектура
   Системна апаратура зосереджена навколо мікропроцесорного модуля (MCU), інтегрованого з допоміжними модулями, такими як сторожівий таймер, модуль зберігання даних, детектор відключення живлення, модуль перетворення енергії, модуль зв'язку через електромережу, модуль відображення, модуль керування реле та блок живлення лічильника. Кожен модуль співпрацює, щоб забезпечити стабільну та надійну роботу лічильника. (Див. малюнок 1 у оригінальному документі для структурної схеми.)
2. Деталі ключових апаратних модулів
   | Апаратний модуль | Основна складова / Специфікація | Основна функція |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Контрольний модуль (MCU) | Мікроконтролер AT89C2051 | Обробка даних вимірювання (обчислення, зберігання); відповідь на команди концентратора (передача даних про енергію, виконання команд включення/відключення живлення); керування відображенням. |
   | Модуль перетворення енергії | Високоточний інтегральний чип AD7755 | Перетворення споживаної енергії (кВт·год) на цифрові імпульси, які може обробити MCU; ключова характеристика електронних лічильників. |
   | Модуль зв'язку через електромережу | - | Підключення до електромережі через коплінгу-схему; модуляція та демодуляція цифрових та аналогових сигналів для двосторонньої передачі даних. |
   | Модуль відображення | - | Відображення споживання енергії, часу, періодів використання (пік/плоский/порожній), тарифів тощо, з керуванням програмним забезпеченням. |
   | Реле | - | Приймає команди MCU; залишається закритим під час нормальної роботи, виконує відключення живлення у випадку невиплати або дистанційних команд управління електроенергією. |
   | Зберігання даних | Чип серії 24CoX | Зберігає важливі дані (наприклад, споживання енергії) під час відключення живлення; підтримує збереження даних при відключенні, довгий час зберігання, використовує метод читання/запису I2C. |
   | Живлення лічильника | - | Надає стабільне живлення всім апаратним схемам, включаючи MCU, модуль зв'язку та модуль відображення. |
   | Детектор відключення живлення та сторожівий таймер | - | Детектор відключення живлення: моніторинг напруги та активування захисту даних при аномаліях; сторожівий таймер: запобігає зависанню програми та дозволяє автоматичний перезапуск системи. |
3. Принцип роботи лічильника
   • Вимірювання енергії: Споживання енергії користувачем перетворюється на цифрові імпульси за допомогою чипу AD7755. MCU лічить певну кількість імпульсів як 1 кВт·год на основі предварительно заданих параметрів та накопичує та зберігає їх відповідно до періодів пік, плоский та порожній.
   • Взаємодія даних: Концентратор даних видає команди зчитування або керування. Лічильник передає збережені дані про енергію через модуль зв'язку через електромережу. Якщо отримана команда відключення, MCU негайно керує реле для виконання операції відключення.
   • Захист від виняткових ситуацій: Детектор відключення живлення повідомляє MCU швидко перенести важливі дані на чип 24CoX при виявленні аномалій живлення. Модуль сторожівого таймера примушує систему перезапуститися в разі аварії програми, забезпечуючи надійність.

III. Програмне забезпечення розумного лічильника

1. Підход до програмування та ключові цілі
   Для програмування використовується поєднання асемблерської мови та мови C, що забезпечує баланс між ефективністю програми та гнучкістю розробки. Основні цілі полягають у автоматизації та інтелектуалізації функцій лічильника, мінімізуючи використання пам'яті MCU.
2. Основні модулі програми
   • Модуль збору та обробки даних: Збирає енергетичні імпульси, розраховує загальне споживання енергії користувачем та категоризує статистику за періодами (пік/плоский/порожній).
   • Модуль взаємодії зв'язку: забезпечує двосторонній зв'язок з концентратором, включаючи синхронізацію годинника, передачу даних про енергію в реальному часі/місяці, отримання та виконання команд реле (наприклад, керування включенням/відключенням живлення).
   • Модуль захисту та обробки виняткових ситуацій: Інтегрує програмний сторожівий таймер, надійне визначення включення (запобігання знищенню даних), детектор відключення живлення та обробку даних, працює разом з апаратною частиною, щоб забезпечити стабільність системи.
   • Модуль управління періодами та тарифами: Встановлює правила періодів для багатотарифних застосувань, визначає поточний період в реальному часі та надає основу для диференційованого вимірювання.
   • Модуль керування відображенням: Приводить в рух модуль відображення, щоб показувати споживання енергії, час, тарифи та інформацію, яка потрібна, забезпечуючи інтуїтивне візуалізацію даних.
3. Основний потік програми
   Після запуску системи проводиться "надійне включення"->ініціалізація параметрів або зчитування історичних даних на основі результату визначення->встановлюються часові інтервали та визначається поточний період використання->перевіряється, чи це день зчитування, та готуються дані->в реальному часі виявляється відключення живлення та активується захист->виявляються команди зв'язку через електромережу та виконується обробка зв'язку->інтервали перезавантажуються, і цикл повторюється. (Див. малюнок 2 у оригінальному документі для детального потоку.)

IV. Дистанційна система вимірювання та перспективи застосування

1. Склад системи та функції
   Повна система дистанційного вимірювання складається з трьох частин:
   • Розумний лічильник: Відповідає за термінальне вимірювання та виконання команд.
   • Концентратор даних: Відповідає за інтермідуарне збирання даних та розподіл команд.
   • Система управління на сервері: Відповідає за статистичний аналіз даних, обчислення втрат на лінії, сповіщення про виняткові ситуації та генерацію звітів.
   Основна функція системи полягає у досягненні повної автоматизації від збору енергії -> передачі даних -> статистичних запитів -> аналізу втрат на лінії -> сповіщення про виняткові ситуації -> генерації звітів, повністю замінюючи ручне зчитування показників.
2. Переваги та перспективи
   У порівнянні з бездротовими або спеціальними лініями, ця система використовує існуючі електромережі, що забезпечує низькі витрати на інвестиції, легкість обслуговування та значний потенціал для широкого застосування. Вона створює надійну технічну основу для майбутніх інтелектуальних спільнот, щоб досягти "дистанційної передачі трьох лічильників" (електроенергія, вода, газ) та може бути подальше інтегрована з банківськими системами для автоматичного списання плати за електроенергію, значно покращуючи зручність для жителів.
3. Майбутні виклики
   • На технічному рівні: Постійне покращення швидкості збору даних з лічильників (забезпечення успішної передачі даних) та оптимізація алгоритмів реле для підвищення стабільності зв'язку в складних умовах електромережі.
   • На рівні застосування: Адаптація до тенденцій реформування електроенергетики, сприяння глибшій інтеграції системи з розширеними функціями управління, такими як регулювання навантаження та аналіз енергоефективності.