CN111263342A - 一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法 - Google Patents

一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法 Download PDF

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Abstract

本发明利用相互配对的电能表与蓝牙断路器在同一供电回路中，断路器在电机动作时消耗的电流只能与自己配对的电能表检测到这一特点来实现。而且，断路器在电机动作时的电流值较大，平均有效值可达40mA以上，电能表计量芯片可准确测量的启动电流为10～15mA，电机动作的电流值比该启动电流大很多，故电机动作的电流变化可以被电能表计量新品准确采样到，给该方案提供了可行性。本发明的有益效果在于：1.本发明仅仅需要对蓝牙断路器和电能表的嵌入式软件进行设置，无需增加硬件电路，可行性高，节约成本；2.本发明利用了断路器只能唯一被应配对的电能表测量到工作电流这一基本特征，保证了配对算法的准确性；3.本发明在初步确认完成后通过验证码做再次验证，保证了配对的准确性。

Description

一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法
技术领域
本发明涉及一种蓝牙断路器与电能表在自动配对方法。
背景技术
目前智能电能表的用户负荷开关主要有两种，一种是采用内置的磁保持继电器，用于100A以下的负载，另一种是外置的微型断路器，采用220V作为控制线，用于大负载的控制。
随着智能电能表的推广应用，发现负荷开关存在较大的问题，在运行故障类型中比例排第二位，表现为内置磁保持继电器容易出现动作后不能合闸或拉不开闸情况，必须直接整表更换，而外置的微型断路器采用220V交流电压控制，存在安全隐患和用户作弊的可能性。
针对上述情况，国家电网公司计划推广具有蓝牙通信功能的外置断路器，这样没有了内置磁保持继电器问题，也解决了电能表与断路器之间220V控制的安全问题，另外采用加密的蓝牙通信，也解决了用户作弊问题。然而，这里带来了另外一个安装时的配对问题，同一表箱内有多个电能表和断路器，要解决一一配对问题，不能张冠李戴，目前考虑的用掌机来给电能表和断路器分别设置对方的MAC方式虽然可以解决问题，但是存在设置错误、施工人员需要配置大量掌机、而且对施工人员的技术水平要求很高等情况，不利于推广应用，因此需要解决电能表与断路器之间的自动准确配对问题。
发明内容
为了克服现有技术中上述不足，本发明提供一种配对准确、施工方便的蓝牙断路器与电能表自动配对方法。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法，电能表和断路器上电时，如果电能表和断路器是已经配对成功的，则电能表和断路器上都已经保存了对方的MAC，则直接连接，如果电能表和断路器原来未配对，或者上电后超过约定的时间未连接成功，则启用自动配对机制，具体步骤如下，
（1）启动自动配对机制后，每个断路器根据自己的SSID号产生一个特征码M0，同一表箱内M0不重复，在M0上加上纠错码产生码序列S0；
（2）上电后，每个断路器延时M0*T0时间，T0是断路器的平均配对时间已经预先设置好；
（3）断路器延时时间到了后，开始蓝牙广播SSID，同时断路器驱动电机进入堵转位置；
（4）断路器按照码序列S0，以NRZ的编码规则对码序列S0进行处理后，得到新序列S1编码去驱动电机，驱动方法为高电平时驱动电机反转K毫秒，低电平时停转K毫秒；
（5）在步骤（4）同时，电能表以高频扫描负载电流，由于断路器在电机动作时的电流值可被电能表计量芯片准确采样到，电能表计量芯片对负载电流进行采样；
（6）通过对比采样负载电流的变化特征，判断电机动作电流的有或无，对应有为1、无为0，还原为数字序列S2，再利用NRZ的解码，将S2变为序列S3，再对S3进行纠错解码，得到特征码M1，原则上M1与对应的断路器的M0相同；
（7）在步骤（6）同时电能表蓝牙模块扫描所有断路器广播的蓝牙SSID，对每个SSID用断路器产生特征码M0的同样方法产生特征码Mi，比较M1与哪个断路器产生的特征码一致，假设为第j个，则初步确认SSIDj就是应配对的断路器，电能表与该断路器进行非加密的蓝牙连接；
（8）电能表与断路器进行非加密的连接后，向该断路器发一个验证码C0，断路器根据验证码C0，按照以M0编码后驱动电机方式来驱动电机，电能表同样按提取特征码M1的方法提取验证码C1，即继电器在验证码C0加上纠错码产生码序列SC0，再以NRZ的编码规则对码序列SC0处理后得到新序列SC1，以新序列SC1编码去驱动电机，驱动方法为高电平时驱动电机反转K毫秒，低电平停转K毫秒，同时电能表计量芯片高频采集负载电流，找到负载电流变化规律，判断电机动作电流的有或无，对应有为1、无为0，还原为数字序列SC2，再利用NRZ解码，将SC2变为序列SC3，再通过纠错解码，得到验证码C1，如果C1=C0则确认断路器与电能表配对准确，通过蓝牙交换MAC各自保存，完成配对，按加密通信方式重新连接，进入正常工作；
（9）如果C1≠C0，重复步骤（2）～（8），重新配对电能表和断路器，直至所有电能表和断路器全部实现配对。
作为优选，在步骤（1）中，M0生成方式采用SSID的个位数、累加和、CRC校验等算法产生的与SSID相关的简单而不易重复的编码，M0的字长为6～8bit。
作为优选，断路器包括MCU、检测控制模块、蓝牙模块、电机驱动单元、拉合闸传动单元，所述拉合闸传动单元包括合闸推杆、拉闸推杆、传动齿轮组，所述传动齿轮组传动连接电机驱动单元，所述传动齿轮组最后一级的传动齿轮上设置一感应器，所述检测控制模块检测感应器转动到合闸或拉闸检测点，从而判断出传动齿轮位置。
作为优选，在步骤（3）中，若最后动作是电机控制拉闸，传动齿轮的感应器停留在拉闸检测点位置，顺时针转动传动齿轮直至到合闸检测点；若最后动作是手动拉闸或自动跳闸，传动齿轮的感应器停留位置要么在拉闸检测点位置，要么在合闸检测点位置，顺时针转动传动齿轮直至到合闸检测点位置；到了合闸检测点位置后，再顺时针转动传动齿轮，进入堵转位置。
作为优选，在步骤（3）中，若最后动作是电机控制合闸，传动齿轮的感应器停留在合闸检测点位置；若最后动作是手动合闸，齿轮的感应器停留位置要么在拉闸检测点位置，要么在合闸检测点位置，顺时针转动传动齿轮到合闸检测点位置；到了合闸检测点位置后，再顺时针转动传动齿轮，进入堵转位置。
由于相互配对的电能表与蓝牙断路器在同一供电回路中，断路器在电机动作时消耗的电流只能与自己配对的电能表检测到，故本发明利用该特点来实现。而且，断路器在电机动作时的电流值较大，平均有效值可达40mA以上，电能表计量芯片可准确测量的启动电流为10～15mA，电机动作的电流值比该启动电流大很多，故电机动作的电流变化可以被电能表计量新品准确采样到，给该方案提供了可行性。
本发明的有益效果在于：1 .本发明仅仅需要对蓝牙断路器和电能表的嵌入式软件进行设置，无需增加硬件电路，可行性高，节约成本；2.本发明利用了断路器只能唯一被应配对的电能表测量到工作电流这一基本特征，保证了配对算法的准确性；3.本发明在初步确认完成后通过验证码做再次验证，保证了配对的准确性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对发明作进一步详细说明。
一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法，电能表和断路器上电时，如果电能表和断路器是已经配对成功的，则电能表和断路器上都已经保存了对方的MAC，则直接连接，一般断路器是接在电能表后面，是同时上电的，一般仅需几秒即可连接成功。如果电能表和断路器原来未配对，或者上电后超过约定的时间未连接成功，则启用自动配对机制，具体步骤如下。（1）启动自动配对机制后，每个断路器根据自己的SSID号产生一个特征码M0，同一表箱内M0不重复，在M0上加上纠错码产生码序列S0。特征码除了在同一表箱内部不重复，也不能太长，不然会，影响配对时间，由于表箱内一般不超过30只表，加上相邻表箱可能蓝牙信号能覆盖，相互干扰，按最多蓝牙覆盖范围有60只表需要配对的情况考虑，用6~8个bit的信息来作为特征码M0来标识相应断路器。该步骤中，每个断路器产生尽量不重复的短的标识身份的特征码。这个特征码实际就是为了与SSID关联，如果直接用SSID来处理，那样电机动作的次数太多且时间会很长，所以采用算法产生一个尽量不重复的短码来对应SSID。
（2）每个断路器延时M0*T0时间，T0是断路器的平均配对时间已经预先设置好，T0是每个断路器的平均配对时间，由实验测量后确定并统一标准。该步骤是为了减少同时配对的相互影响，提高识别可靠性。
（3）断路器延时时间到了后，开始蓝牙广播SSID，同时断路器驱动电机进入堵转位置。该步骤一是蓝牙广播SSID，二是将电机调整到统一初始位置。蓝牙广播只在配对时启动，这样减少相互影响。
（4）断路器按照码序列S0，以NRZ的编码规则对码序列S0进行处理后，得到新序列S1编码去驱动电机，驱动方法为高电平时驱动电机反转K毫秒，低电平时停转K毫秒，K取值在40～1000之间。K的取值是由于电机的驱动电源与220V周波相关，再加上电机的响应速度较慢。在此处，使用NRZ编码是防止连续出现多个高电平时，电机堵转时间过长而损坏电机。在此步骤中，电机驱动方法是根据特征码M0进行相应的编码后而形成的，其电机动作信号中隐含了特征码M0，被采集后进行相应解码后即为特征码M0。
（5）在步骤（4）同时，电能表以高频扫描负载电流，由于断路器在电机动作时的电流值可被电能表计量芯片准确采样到，电能表计量芯片对负载电流进行采样。断路器在电机动作时的电流值较大，平均有效值可达40mA以上，电能表计量芯片可准确测量的启动电流为10～15mA，电机动作的电流值比该启动电流大很多，故电机动作的电流变化可以被电能表计量新品准确采样到。由于配对的电能表与断路器是在同一电路回路中，断路器的电流变化能且仅能被该电能表检测到，故只要将断路器的电流变化采集到，并将采集到的电流变化（电机的启停）信号进行解码后再与断路器比较即可。本步骤中，即电能表对负载电流进行采样。
（6）通过对比采样负载电流的变化特征，判断电机动作电流的有或无，对应有为1、无为0，还原为数字序列S2，再利用NRZ的解码，将S2变为序列S3，再对S3进行纠错解码，得到特征码M1，原则上M1与对应的断路器的M0相同。该步骤中，S2与电机驱动方法是一致的，即高电平1时为电机动作，低电平时，电机停转，再NRZ解码，再进行纠错解码得到特征码M1。该步骤中，整个过程即为M0到驱动电机动作的反向过程，来提取特征码M1，如果解码正确，那么M1=M0。
（7）在步骤（6）同时电能表蓝牙模块扫描所有断路器广播的蓝牙SSID，对每个SSID用断路器产生特征码M0的同样方法产生特征码Mi，比较M1与哪个断路器产生的特征码一致，假设为第j个，则初步确认SSIDj就是应配对的断路器，电能表与该断路器进行非加密的蓝牙连接。该步骤中，即为将电能表计量芯片采集到的电机动作的电流信息经解码后的特征码与断路器的蓝牙广播的SSID产生的特征码进行比较，如果一致，说明两者配对。
（8）电能表与断路器进行非加密的连接后，向该断路器发一个验证码C0，断路器根据验证码C0，按照以M0编码后驱动电机方式来驱动电机，电能表同样按提取特征码M1的方法提取验证码C1，即断路器在验证码C0加上纠错码产生码序列SC0，再以NRZ的编码规则对码序列SC0处理后得到新序列SC1，以新序列SC1编码去驱动电机，驱动方法为高电平时驱动电机反转K毫秒，低电平停转K毫秒，同时电能表计量芯片高频采集负载电流，找到负载电流变化规律，判断电机动作电流的有或无，对应有为1、无为0，还原为数字序列SC2，再利用NRZ解码，将SC2变为序列SC3，再通过纠错解码，得到验证码C1，如果C1=C0则确认断路器与电能表配对准确，通过蓝牙交换MAC各自保存，完成配对，按加密通信方式重新连接，进入正常工作。该步骤为一个验证过程，即对前面配对过程再进行有针对性的配对验证，以提高准确率。
（9）如果C1≠C0，重复步骤（2）～（8），重新配对电能表和断路器，直至所有电能表和断路器全部实现配对。
在步骤（3）中，将电机调整到统一初始位置。断路器包括MCU、检测控制模块、蓝牙模块、电机驱动单元、拉合闸传动单元，拉合闸传动单元包括合闸推杆、拉闸推杆、传动齿轮组，传动齿轮组传动连接电机驱动单元，传动齿轮组最后一级的传动齿轮上设置一感应器，检测控制模块检测感应器转动到合闸或拉闸检测点，从而判断出传动齿轮位置。在步骤（3）中，若最后动作是电机控制拉闸，传动齿轮的感应器停留在拉闸检测点位置，顺时针转动传动齿轮直至到合闸检测点；若最后动作是手动拉闸或自动跳闸，传动齿轮的感应器停留位置要么在拉闸检测点位置，要么在合闸检测点位置，顺时针转动传动齿轮直至到合闸检测点位置；到了合闸检测点位置后，再顺时针转动传动齿轮，进入堵转位置。在步骤（3）中，若最后动作是电机控制合闸，传动齿轮的感应器停留在合闸检测点位置；若最后动作是手动合闸，齿轮的感应器停留位置要么在拉闸检测点位置，要么在合闸检测点位置，顺时针转动传动齿轮到合闸检测点位置；到了合闸检测点位置后，再顺时针转动传动齿轮，进入堵转位置。
断路器的拉闸与合闸都是通过正转（逆时针）来实现的，合闸时电机工作时间长，拉闸时电机工作时间短，其后半程实际是靠机械的弹力来完成的，后半程不影响推杆位置。虽然现有技术没使用反转，但断路器的电机驱动实际支持反转。断路器以及内部的拉合闸传动单元等为现有技术，满足国网《电能表外置断路器技术规范》或南网《费控电能表用外置低压断路器技术范》的断路器都具有这些技术，在此不再赘述，其主要是在在步骤（3）中，将电机调整到统一初始位置，然后再跟进编码进行驱动动作。
由于相互配对的电能表与蓝牙断路器在同一供电回路中，断路器在电机动作时消耗的电流只能与自己配对的电能表检测到，故本发明利用该特点来实现。而且，断路器在电机动作时的电流值较大，平均有效值可达40mA以上，电能表计量芯片可准确测量的启动电流为10～15mA，电机动作的电流值比该启动电流大很多，故电机动作的电流变化可以被电能表计量新品准确采样到，给该方案提供了可行性。
1 .本发明仅仅需要对蓝牙断路器和电能表的嵌入式软件进行设置，无需增加硬件电路，可行性高，节约成本；2.本发明利用了断路器只能唯一被应配对的电能表测量到工作电流这一基本特征，保证了配对算法的准确性；3.本发明在初步确认完成后通过验证码做再次验证，保证了配对的准确性。

Claims (5)

1.一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法，其特征在于：电能表和断路器上电时，如果电能表和断路器是已经配对成功的，则电能表和断路器上都已经保存了对方的MAC，则直接连接，如果电能表和断路器原来未配对，或者上电后超过约定的时间未连接成功，则启用自动配对机制，具体步骤如下，
（1）启动自动配对机制后，每个断路器根据自己的SSID号产生一个特征码M0，同一表箱内M0不重复，在M0上加上纠错码产生码序列S0；
（2）上电后，每个断路器延时M0*T0时间，T0是断路器的平均配对时间已经预先设置好；
（3）断路器延时时间到了后，开始蓝牙广播SSID，同时断路器驱动电机进入堵转位置；
（4）断路器按照码序列S0，以NRZ的编码规则对码序列S0进行处理后，得到新序列S1编码去驱动电机，驱动方法为高电平时驱动电机反转K毫秒，低电平时停转K毫秒；
（5）在步骤（4）同时，电能表以高频扫描负载电流，由于断路器在电机动作时的电流值可被电能表计量芯片准确采样到，电能表计量芯片对负载电流进行采样；
（6）通过对比采样负载电流的变化特征，判断电机动作电流的有或无，对应有为1、无为0，还原为数字序列S2，再利用NRZ的解码，将S2变为序列S3，再对S3进行纠错解码，得到特征码M1，原则上M1与对应的断路器的M0相同；
（7）在步骤（6）同时电能表蓝牙模块扫描所有断路器广播的蓝牙SSID，对每个SSID用断路器产生特征码M0的同样方法产生特征码Mi，比较M1与哪个断路器产生的特征码一致，假设为第j个，则初步确认SSIDj就是应配对的断路器，电能表与该断路器进行非加密的蓝牙连接；
（8）电能表与断路器进行非加密的蓝牙连接后，通过蓝牙向该断路器发一个验证码C0，断路器根据验证码C0，按照以M0编码后驱动电机方式来驱动电机，电能表同样按提取特征码M1的方法提取验证码C1，即继电器在验证码C0加上纠错码产生码序列SC0，再以NRZ的编码规则对码序列SC0处理后得到新序列SC1，以新序列SC1编码去驱动电机，驱动方法为高电平时驱动电机反转K毫秒，低电平停转K毫秒，同时电能表计量芯片高频采集负载电流，找到负载电流变化规律，判断电机动作电流的有或无，对应有为1、无为0，还原为数字序列SC2，再利用NRZ解码，将SC2变为序列SC3，再通过纠错解码，得到验证码C1，如果C1=C0则确认断路器与电能表配对准确，通过蓝牙交换MAC各自保存，完成配对，按加密通信方式重新连接，进入正常工作；
（9）如果C1≠C0，重复步骤（2）～（8），重新配对电能表和断路器，直至所有电能表和断路器全部实现配对。
2.根据权利要求1所述的一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法，其特征在于：在步骤（1）中，M0生成方式采用SSID的个位数、累加和、CRC校验等算法产生的与SSID相关的简单而不易重复的编码，M0的字长为6～8bit。
3.根据权利要求2所述的一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法，其特征在于：所述断路器包括MCU、检测控制模块、蓝牙模块、电机驱动单元、拉合闸传动单元，所述拉合闸传动单元包括合闸推杆、拉闸推杆、传动齿轮组，所述传动齿轮组传动连接电机驱动单元，所述传动齿轮组最后一级的传动齿轮上设置一感应器，所述检测控制模块检测感应器转动到合闸或拉闸检测点，从而判断出传动齿轮位置。
4.根据权利要求3所述的一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法，其特征在于：在步骤（3）中，若最后动作是电机控制拉闸，传动齿轮的感应器停留在拉闸检测点位置，顺时针转动传动齿轮直至到合闸检测点；若最后动作是手动拉闸或自动跳闸，传动齿轮的感应器停留位置要么在拉闸检测点位置，要么在合闸检测点位置，顺时针转动传动齿轮直至到合闸检测点位置；到了合闸检测点位置后，再顺时针转动传动齿轮，进入堵转位置。
5.根据权利要求4所述的一种蓝牙断路器与电能表自动配对方法，其特征在于：在步骤（3）中，若最后动作是电机控制合闸，传动齿轮的感应器感应器停留在合闸检测点位置；若最后动作是手动合闸，齿轮的感应器感应器停留位置要么在拉闸检测点位置，要么在合闸检测点位置，顺时针转动传动齿轮到合闸检测点位置；到了合闸检测点位置后，再顺时针转动传动齿轮，进入堵转位置。
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