Stromzähler aktuelle Leistung und Energierichtung ermitteln mit PIC.

  • Hallo zusammen!

    Ursprünglich wollte ich die aktuelle Leistung des Stromzählers über die IR-Schnittstelle auslesen. Die Rohdaten konnte ich mit der seriellen Schnittstelle eines Pi lesen. Dann habe ich mich mit dem Aufbau einer SML-Nachricht beschäftigt, vor allem mit den Datentypen, wie hier https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Dow…icationFile&v=2 bei Punkt 6 beschrieben. Ich konnte aber immer nur meine Zählernummer zweifelsfrei entziffern, die aktuelle Leistung habe ich nicht entschlüsseln können und nur die ist für mich interessant. Also musste eine andere Lösung her.

    Der Zähler hat eine Impuls Infrarotdiode, die 10 000 Impulse / kWh erzeugt. Mit einem Fototransistor über der Impulsdiode kann man die Impulse empfangen und damit die aktuelle Leistung berechnen.

    Impulsanzeige.pdf

    Schwieriger ist es, die Energierichtung (Verbrauch oder Einspeisung) zu erkennen.
    Im Zähler LCD erscheint bei Verbrauch '+A' und bei Einspeisung an anderer Stelle daneben '-A'. Bei Stillstand des Zählers verschwinden beide Buchstaben.
    Über die beiden Buchstaben habe ich jeweils einen Fototransistor platziert und in der Mitte etwas oberhalb eine weiße LED zur Beleuchtung. Da der Buchstabe schwarz angezeigt wird, erhält der jeweilige Fototransistor etwas weniger Licht. Das Signal muß noch verstärkt werden.

    Energierichtung.pdf

    Mit einem Mikrocontroller werden die Signale ausgewertet und das Ergebnis mit einem 433 MHz Funkmodul gesendet.

    Zählerauswertung.pdf

    Für den "Lesekopf" habe ich eine 2mm Hartpapier Montageplatte mit der Laubsäge passend ausgeschnitten, an den entsprechenden Stellen Löcher gebohrt und Fototransistoren und LED darin festgeklebt.
    Die Platte selber wird von einem seitlich angeschraubten Stahldraht (war mal die Aufhängeöse von einem Kalender) an das Display gedrückt. Da kann ich die Platte einfach etwas verschieben oder auch ganz abnehmen, ohne dass Kleberückstände am Zähler zurückbleiben.

    Wie man sieht, habe ich jetzt einen Logarex Zähler. Vorher hatte ich einen Holley Zähler, da hatte der Lesekopf eine andere Form. Ansicht Display Seite.

    Beim Holley Zähler wurde unter 3 Watt gleich 0 Watt angezeigt (Zähler Stillstand), die Buchstaben gingen beide aus und die Impuls IRED leuchtete dauerhaft. Das passierte alles gleichzeitig.
    Der Zähler wurde innerhalb eines Jahres defekt. Dann bekam ich einen Logarex Zähler.
    Beim Logarex Zähler werden auch noch 2 und 1 Watt im Display angezeigt, die Buchstaben können aber trotzdem verschwinden und die Impuls IRED dauerhaft leuchten. Das passt aber zeitlich alles nicht mehr zusammen. Es können mehrere Sekunden dazwischen liegen. Da man die Buchstaben unter dem Lesekopf nicht sieht, bin ich irrtümlich davon ausgegangen, daß bei dauerhaft leuchtender Impuls IRED, auch die Buchstaben aus sein müssen. Da habe ich das Gerät einige male falsch abgeglichen. Ich dachte schon, das Gerät funktioniert mit dem Logarex Zähler nicht.
    Zum Abgleich des Nullpunktes empfiehlt es sich, das Gerät z.B. mit einer 9V Batterie zu betreiben, dann kann man alle Sicherungen raus drehen (der Ausdruck ist schon richtig, meine Sicherungen sind noch geschraubt), damit der Stromzähler stillsteht.

    Der Stromzählerempfänger zeigt die aktuelle Leistung auf einem 2-zeiligen LCD an und steuert die Ladung eines 12 V Bleiakkus.

    Stromzählerempfänger.pdf

    Hier das Ausgangssignal des 433 MHz Empfängers.

    Zwischen den Linealen ist die Übertragung. Vorher sieht man ein Zufallsmuster, das ca. 50ms nach Übertragungsende beginnt, wenn das Empfängermodul die Verstärkung so weit aufdreht, bis durch das Rauschen ein Zufallsmuster entsteht. Man muß im Programm immer wieder schauen, ob eine Übertragung begonnen haben könnte.
    Ich habe festgestellt, daß die einzelnen H- bzw. L-Pegel nicht kürzer als 1 ms sein sollten. Vorher habe ich es mit 0,5 ms probiert, da waren die H-Pegel deutlich breiter (ca. 600 µs) und die L-Pegel dafür kürzer (ca. 400 µs), also eine deutliche Verzerrung des gesendeten Signals. Beim Testen mit einem Rechtecksignal mit 50% Tastverhältnis, konnte ich bis 4 kHz gehen, also 125 µs pro Pegel. Die H-Pegel waren da nur geringfügig breiter als die L-Pegel. Es könnte natürlich sein, daß die Teile für ein bestimmtes Protokoll optimiert sind. Ich verwende ein 433 MHz Superheterodyne Sende und Empfangs Set. Das kostet aus China 2 bis 3 Euro. Ich habe es bei einem deutschen Händler zum 3-fachen Preis gekauft.

    An den Stromzählerempfänger wird das Gerät für die Akkuladung angeschlossen.

    Akkuladung.pdf

    Ein kleiner Trafo befindet sich auf der Platine (Kanal A). Für Kanal B geht ein Kabel mit Schukokupplung nach außen. Da kann man ein einfaches Ladegerät anschließen. Wenn das z.B. 100 W aufnimmt, dann kann es erst eingeschaltet werden, wenn die Einspeisung > 100 W ist. Stattdessen kann man einen 12 V Trafo anschließen und die AC-Ausgangsspannung auf der Platine einspeisen. Durch Phasenanschnitt sekundär seitig in 10 Stufen, kann dadurch auch ein geringerer Überschuss verwertet werden.
    Für die Oszillogramme habe ich einen 0,05 Ohm Messwiderstand verwendet und auf der rechten Seite einen Rechenkanal hinzugefügt, damit man die Stromstärke direkt ablesen kann.

    Die Programme sind in pic-as geschrieben, das ab MPLAB X IDE v5.40 verwendet werden muss, wenn man in Assembler programmiert. Ich habe v6.20 installiert.

    Programme und Beschreibung in den Anhängen.

    Und für die Leseratten unter Euch, noch jede Menge OT.
    Es handelt sich aber um Fußangeln und Fallstricke, über die ich als Hobbybastler während des Baus der Geräte gestolpert bin.

    Das Balkonkraftwerk oder wie alles begann.
    2023 habe ich ein Balkonkraftwerk bei r bestellt. Als es per Spedition geliefert wurde, habe ich dem Fahrer gleich den Empfang bestätigt, damit er nicht lange aufgehalten wird.
    Als ich die schwarze Schutzfolie entfernt habe, war eine Platte nur noch Bröckelglas. Von der Reklamationsabteilung bei r habe ich erfahren, dass ich mit meiner Unterschrift bestätigt habe, dass alles in Ordnung ist. Speditionslieferungen müssen, im Gegensatz zu Paketlieferungen, immer überprüft werden und der Fahrer muss sich die Zeit nehmen. Jede Gutmütigkeit wird bestraft. Letztendlich habe ich aber doch noch kostenlosen Ersatz bekommen.
    Der Wechselrichter hat 600 W, die Platten 2*370 W. Die Module habe ich auf das Dach montiert. Alleine die Dachhalterung hat 130 Euro gekostet.
    Insgesamt habe ich 800 Euro investiert. Im Jahr 2024 hat die Anlage 770 kWh gebracht. Etwa die Hälfte davon kann ich verbrauchen, die andere Hälfte wird verschenkt. Mein aktueller Strompreis beträgt 30 Cent/kWh brutto. In einem Technik-Forum kann sich wahrscheinlich jeder selber ausrechnen, wie lange es dauert bis die Anlage abbezahlt ist.

    Milchmädchenrechnungen zum Akku.
    Der Akku, den ich mit obigen Projekt lade, ist ein 12 V 100 Ah Bleiakku. Er hat 114 Euro gekostet.
    Theoretisch hat er 1,2 kWh gespeichert. Einen Bleiakku darf man aber höchstens zu 50% entladen, weil sonst die Lebensdauer erheblich sinkt. Das wären 0,6 kWh. Da der Wechselrichter auch noch Verluste hat, kann man vielleicht mit 0,5 kWh rechnen, die man vom E-Werk täglich einsparen könnte. Im Jahr also 182 kWh. Da an düsteren Tagen fast nichts zum Laden übrig bleibt, nehmen wir mal die Hälfte, also 91 kWh pro Jahr. Bei einer Lebensdauer des Akkus von 5 Jahren, wären das 455 kWh. Das ergibt 25 Cent/kWh Kosten für Akkuverschleiß.
    Wenn ich nur mit 40 kWh pro Jahr rechne, bin ich vermutlich näher an der Wirklichkeit und bei einem doppelten Strompreis von ca. 50 Cent/kWh allein für den Akkuverschleiß, auch wenn der bei geringerer Inanspruchnahme etwas länger hält.
    Der Meanwell NTS 750 Wechselrichter (> 200 Euro) zieht etwa 10 A Strom aus dem Akku beim Fernsehen.
    Sparen werde ich damit wohl nichts, ist eben nur Hobby.

    Neue Steckplatine mit eingebauten Wackelkontakten.
    Da meine alte Steckplatine schon unsichere Kontakte hatte (könnte sein, dass ich mit den gegurteten Bauteilen Klebstoffrückstände in die Kontaktfedern gebracht habe), habe ich sie durch eine neue ersetzt.
    Mir ist gleich aufgefallen, dass z.B. bei Widerständen nur eine ganz geringe Kraft beim Einstecken nötig war. Und tatsächlich waren immer wieder Wackelkontakte im Aufbau vorhanden. Unbrauchbar!
    Ich habe die Platinen von der Grundplatte runter gerissen. Dabei ist die rückseitige, doppelseitige Klebefolie auf der Grundplatte zurückgeblieben und ich konnte die Kontakte aus dem Kunststoffgehäuse auf der Rückseite entnehmen. Ich habe alle diese 5-poligen Kontaktfedern am Rücken mit einer Beißzange etwas zusammengedrückt, damit sie eine (höhere) Vorspannung haben. Dann habe ich das Platinengehäuse wieder auf die Grundplatte mit der doppelseitigen Klebefolie gedrückt.
    Kann sein, dass ich etwas zu viel des Guten getan habe. Längere Beinchen, z.B von Widerständen, muss man beim Einstecken jetzt weiter unten anfassen, weil sie sich sonst umbiegen. Die Wackelkontakte sind jetzt jedenfalls beseitigt und man kann auch Messklemmen einhaken, ohne dass es gleich die Bauteile raus zieht.

    Ein neuer Laptop.
    Ende 2023 habe ich einen HP17-cp2158ng mit Free DOS gekauft und Ubuntu 22.04LTS installiert. Das ging ohne Probleme.
    Jedoch ist das Betriebssystem etwa 5 mal pro Stunde abgestürzt. In dem Moment in dem ich die Maus bewegen wollte, ist der Bildschirm eingefroren, wurde dann für einige Sekunden schwarz, das Bild ist dann wieder gekommen aber alle Programme waren geschlossen und alle ungespeicherten Änderungen weg. Ein paar mal hat er auch einen Neustart gemacht.
    Da habe ich mir schnell wieder angewöhnt, nach jeder zweiten oder dritten Programmzeile 'STRG'+'s' zu drücken.
    Als im Frühjahr 2024 das neue Ubuntu 24.04LTS verfügbar war, habe ich es gleich installiert. Das läuft seit dem stabil. Die interne WLAN-Karte funktioniert aber genau so schlecht, wie mit dem alten Ubuntu. Ich habe sie deaktiviert und einen WLAN USB-Stick angesteckt. Wie man das interne WLAN in Ubuntu deaktiviert ist hier https://pinguin.gws2.de/ubuntu-interne…b-stick-nutzen/ beschrieben.

    USB-Stick unter Ubuntu auswerfen oder aushängen?
    Es ist mir ja schon einige Male aufgefallen, wenn ich einen Intenso Alu Line (da sieht man keine LED) USB-Stick vom Ubuntu Laptop abziehe und am Windows Computer einstecke, daß dann Windows oft eine Meldung anzeigt wie "Mit dem Laufwerk liegt ein Problem vor. Wollen Sie es automatisch reparieren?". Oder so ähnlich.
    Als ich von Ubuntu 22.04 auf 24.04 gewechselt habe, hatte ich bereits das Zählerauswertegerät fertig gebaut und das Programm fertig. Ich habe unter anderem den Schaltplan und das pic-as Programm auf einen nagelneuen Intenso Rainbow Line 4GB USB-Stick (mit transparentem Gehäuse) kopiert, bevor ich das neue Betriebssystem aufgespielt habe.
    Vor dem Abziehen habe ich in der Seitenleiste mit der rechten Maustaste auf den USB-Stick geklickt und "Auswerfen" ausgewählt, wie immer. Auf dem Bildschirm erschien die Meldung "Intenso Rainbow Line kann sicher entfernt werden..." auch wie immer. Die LED im USB-Stick hat jedoch zu blinken begonnen und überhaupt nicht mehr aufgehört. Ich habe den Stick dann einfach abgezogen und dachte das wird schon passen.
    Als ich auf dem neuen Betriebssystem die gesicherten Dateien zurück kopieren wollte, waren die Dateisymbole mit einem Symbol (Schloß, 'x' oder '!', weiß nicht mehr genau) versehen und ich konnte jedenfalls nichts damit machen. Dann habe ich auf dem Windows Rechner eine Reparatur des Dateisystems gemacht. Anschließend konnte ich mit Ubuntu auch wieder darauf zugreifen.
    Das pic-as Programm war zum Glück noch intakt. Die Schaltplan Datei war zwar noch da, aber KiCad hat sich geweigert, sie zu öffnen. Bei einigen pdf-Dateien war auch nicht mehr der ganze Inhalt vorhanden, die waren aber nicht so wichtig. Da ich zum Löten der Platine immer den Schaltplan ausdrucke, konnte ich vom Ausdruck den Schaltplan wieder abzeichnen. Was man schwarz auf weiß besitzt, kann man getrost nach Hause tragen.
    Dass sich beim Auswerfen von USB-Sticks unter Ubuntu irgendwas im Kreis dreht, tritt anscheinend nur bei Intenso auf. Und zwar unabhängig davon, ob ich etwas darauf geschrieben, gelesen oder nur eingesteckt und gleich wieder ausgeworfen habe. Bei einem Transcend USB-Stick ist es egal ob ich 'auswerfen' oder 'aushängen' auswähle, da blinzelt die LED überall nur einmal. Da hat auch Windows noch nie gemeckert.
    Ich benutze jetzt immer 'aushängen', damit funktioniert es auch mit Intenso.

    Ausblick in die Zukunft.
    Ich habe jetzt noch gut zwei Jahre bis zur Rente. Ich hoffe, dass ich dann mehr Zeit zum Basteln habe. Die nächsten Probleme machen sich aber bereits bemerkbar. Die Bauteile werden immer kleiner, die Augen schlechter, die Hand zittriger, die Schere öffnet sich.

    Gruß
    raspi_9

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