CN111479253B - 一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统及工作方法，该智能配电系统包括N个电能表、N个断路器和一个从机主控；N为自然数；其中，N个电能表与N个断路器一一对应电连接，N个断路器通过RS485总线与蓝牙从机主控连接；N个电能表与从机主控之间采用蓝牙5.1进行无线通讯。本发明基于蓝牙5.1通信协议的组网通信可以实现自动多对一配对，省去了传统配电箱施工时人工一对一配对，极大节省了人力物力，提高了工作效率。多主一从模式使整个方案仅需要一个从机，无需每个断路器都配置蓝牙接收模块，在同等条件下节约了更多地设备成本，提升了经济效益。

Description

一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统及工作方法
技术领域
本发明涉及一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统及工作方法，属于电力配送技术领域。
背景技术
“配电箱”，也叫配电柜，是电力控制中心的统称。配电箱是按电气接线要求将开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中或屏幅上，构成低压配电装置。目前，民用或商用的配电箱的基本组成是电能表加断路器。
近些年，随着智能化设备的不断发展，配电箱的智能化改造也不断推进，出现了智能配电解决方案。其本质是将电能表和断路器进行智能化升级，添加电压、电流、功率、频率等传感器，并通过蓝牙通信使电能表和断路器进行双向通信，提高特殊情况下断路器的控制性能。
上述的智能配电解决方案采用蓝牙1对1匹配方案，也称一主一从(一个电能表一个从机)模式，即每个电能表对应一个断路器，电能表和相对应的断路器均需配备蓝牙通信模块，成本较高。在安装施工时，需施工人员手动进行蓝牙配对，以保证连接的准确性和稳定性。通常情况下，每个配电箱有几对到几十对蓝牙模块需要手动完成配对工作，极大地增加了工作量。
因此，探索减少施工量、减少设备成本的智能配电解决方案具有重要意义。
例如，中国专利文献CN110687331A公开了一种电表侧主动式电表和断路器自动配对方法，包括以下步骤：步骤S1：电表侧通过无线通讯方式主动向位于设备列表中的设备进行逐一轮询，要求特定的电流编码；步骤S2：开关侧通过无线通讯方式获取上述特定的电流编码；步骤S3：开关侧依据获取的电流编码请求通过连接线向电表侧反馈对应的电流编码。其工作原理是电表侧和开关侧协同交互的过程中，电表侧作为主动方，通过无线通讯方式向周边的位于设备列表中的设备逐一轮询电流编码。当与电表有线连接的断路器接收上述特定的电流编码，并且通过连接线向电表反馈相应的电流编码时，即可完成电表与指定的断路器之间的配对工作。
该方案采用电流编码配对的方式，需要逐一轮询电流编码，当轮询到特定的电流编码后，通过向电表反馈特定的电流编码，来完成电表与指定断路器之间的配对工作。其采用蓝牙等无线通讯方式，电表与断路器依然都需要配置蓝牙模块，依然是一主一从的模式。
又如，中国专利文献CN110571936A公开了一种智能电表与表外断路器自动关联配对方法，该方法包括以下步骤：步骤S1：智能电表和表外断路器分别初始化，智能电表开启通过蓝牙模块以自动扫描周边蓝牙设备从而获得设备列表，与此同时表外断路器进入无线广播模式，使得该表外断路器被智能电表发现；步骤S2：智能电表和表外断路器联动确认开启检测状态；步骤S3：智能电表和表外断路器联动确认关闭检测状态。在这一配对过程中，双方通过蓝牙协议或隐式自定义协议进行双方的身份认证，同时在协议中加入相关加密功能，使得协议具有较高安全性。
该方案通过蓝牙协议进行配对进行双方的身份认证，其主要在协议中加入了相关加密功能，主要提高了配对过程的安全性。但在配对模式上依然是一对一的模式，一个电表对应一个断路器时，都需要配置蓝牙模块，来实现二者的关联配对。
借由蓝牙自动配对可以极大减少手动配对的工作量。然而配电箱中空间狭小，设备之间间距仅有几厘米，传统的蓝牙技术无法通过精准定位来进行自动匹配。蓝牙5.1是蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group)于2019年1月29日发布的新一代蓝牙标准。蓝牙5.1相较于之前的蓝牙版本最大的变化是将室内定位精度从米级提升到厘米级别，非常适合在密闭狭小空间内比如配电箱中的定位需求。将一主一从的蓝牙配对模式变为多主一从的蓝牙配对模式，可以以N+1：2N的比例减少蓝牙设备成本(多主一从：N个电能表1个从机；一主一从：N个电能表N个从机)。
显然，基于蓝牙5.1和多主一从蓝牙配对模式的方案可以明显降低现有方案的人力和物力成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统，其采用蓝牙5.1技术和多主一从的蓝牙配对模式，可以减少设备投入，降低成本，同时可替代传统的手工配对模式，大大提高了配对效率。
本发明还提供一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统的工作方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统，包括N个电能表、N个断路器和一个从机主控；N为自然数；
其中，N个电能表与N个断路器一一对应电连接，N个断路器通过RS485总线与蓝牙从机主控连接；
N个电能表与从机主控之间采用蓝牙5.1进行无线通讯。
优选的，所述电能表为配置蓝牙模块的智能电能表。
优选的，所述从机主控为配备蓝牙模块的主控系统，包括中央处理器和蓝牙芯片。
优选的，所述中央处理器的型号为STM32F103RET6，蓝牙芯片的型号为nRF52811。
优选的，所述断路器为智能断路器。
一种配电箱，包括上述任一项所述的智能配电系统。
一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统的工作方法，包括以下步骤：
S1：电能表向从机主控发送蓝牙信号；当有N个电能表时，每个电能表均向从机主控发送蓝牙信号，N为自然数；
S2：从机主控接收蓝牙信号并计算电能表与从机主控之间的距离，从机主控计算距离的过程如下：
(1)从机主控接收电能表蓝牙信号，从机主控接收模块有两个天线，两个天线编号为A1、A2；A1与A2之间的间距为d，天线所接收信号为平面波，设到达角AOA为θ，A1和A2同时接收蓝牙信号；
(2)计算到达角AOAθ1，以A1为基准天线，以A2为参考天线；从机主控对接收到的蓝牙信号
Figure BDA0002459782040000031
进行锁频，产生一个与之相干的本振信号
Figure BDA0002459782040000032
其中，j为虚部符号，ωc为信号频率；
因为电能表至A1、A2的距离不同，所以A1接收到的信号和A2接收到的信号会有一个Δt的时间差；设A1接收到的信号为
Figure BDA0002459782040000033
A2接收到的信号为
Figure BDA0002459782040000034
用本振信号解调，可得
Figure BDA0002459782040000035
根据三角函数计算可得θ1＝arccos(-carg[y]/2πd)；
其中，carg[y]是取y的相位，d为A1与A2之间的间距；
(3)计算到达角AOAθ2，以A2为基准天线，以A1为参考天线；从机主控对接收到的蓝牙信号
Figure BDA0002459782040000036
进行锁频，产生一个与之相干的本振信号
Figure BDA0002459782040000037
其中，j为虚部符号，ωc为信号频率；
因为电能表至A1、A2的距离不同，所以A1接收到的信号和A2接收到的信号会有一个Δt的时间差；设A2接收到的信号为
Figure BDA0002459782040000041
A1接收到的信号为
Figure BDA0002459782040000042
用本振信号解调，可得
Figure BDA0002459782040000043
根据三角函数计算可得θ2＝arccos(carg[y]/2πd)；
其中，carg[y]是取y的相位，d为A1与A2之间的间距；
(4)根据三角函数关系，求得电能表到A1的距离
Figure BDA0002459782040000044
S3：根据接收到的不同电能表的信号，分别计算电能表到天线A1的直线距离l1、l2、l3、……ln，n为自然数；
S4：进行电能表自动编号，比较l1、l2、l3、……ln的大小，值越小该电能表距离从机主控越近，按照从小到大的顺序进行排序，其对应的电能表分别编号为1号电能表、2号电能表、3号电能表、……、n号电能表，n为自然数；
S5：根据电能表编号，从机主控依次将电能表与对应编号的智能断路器进行匹配，完成配对；
S6：当更换电能表时，重新启动自动配对即可。
优选的，从机主控与智能断路器通过RS485总线进行通信，从机主控预设智能断路器编码地址，为1号智能断路器、2号智能断路器、3号智能断路器、……、n号智能断路器，n为自然数。
本发明的有益效果在于：
1、基于蓝牙5.1通信协议的组网通信可以实现自动多对一配对，省去了传统配电箱施工时人工一对一配对，极大节省了人力物力，提高了工作效率。
2、基于蓝牙5.1通信协议的组网通信可以实现厘米级精准定位，实现智能电能表和智能断路器的精准一对一配对，配对信息更精确。
3、多主一从模式使整个方案仅需要一个从机，无需每个断路器都配置蓝牙接收模块，在同等条件下节约了更多地设备成本，提升了经济效益。
附图说明
图1为本发明智能配电系统的连接组成示意图；
图2为本发明智能配电系统进行自动配对的流程图；
图3为本发明中进行AOA计算方法示意图；
图4为本发明智能配电系统的施工设计图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统，包括N个电能表、N个断路器和一个从机主控；N为自然数；
其中，N个电能表与N个断路器一一对应电连接，N个断路器通过RS485总线与蓝牙从机主控连接；
N个电能表与从机主控之间采用蓝牙5.1进行无线通讯。
为便于说明，本实施例中N取9,9个电能表与9个断路器一一对应连接，9个断路器通过RS485总线与一个从机主控连接，从机主控连接在RS485总线的一端。
电能表为配置蓝牙模块的智能电能表，可发送蓝牙信号给从机主控，从机主控为配备蓝牙接收模块的主控系统，二者之间采用蓝牙5.1进行通讯，包括中央处理器和蓝牙芯片，中央处理器的型号为STM32F103RET6，蓝牙芯片的型号为nRF52811。
断路器为智能断路器，可通过各种传感器收集电网中电能相关信息，例如电流、电压、频率、功率、温度等，并将这些信息通过从机主控传给电能表，电能表亦可通过从机主控向配对智能断路器发送控制命令信号，例如关断信号等。
实施例2：
如图4所示，一种配电箱，包括实施例1所述的智能配电系统，即将9个电能表与9个断路器和一个从机主控，在电表箱内施工装配成实施例1所述的智能配电系统。
实施例3：
如图2所示，一种如实施例1所述的基于蓝牙组网通信的智能配电系统的工作方法，具体包括以下步骤：
S1：电能表向从机主控发送蓝牙信号；当有N个电能表时，每个电能表均向从机主控发送蓝牙信号，N为自然数；
S2：从机主控接收蓝牙信号并计算电能表与从机主控之间的距离，从机主控计算距离的过程如下：
(1)从机主控接收电能表蓝牙信号，从机主控接收模块有两个天线，两个天线编号为A1、A2；A1与A2之间的间距为d，天线所接收信号为平面波，设到达角AOA为θ，A1和A2同时接收蓝牙信号；
(2)计算到达角AOAθ1，以A1为基准天线，以A2为参考天线；从机主控对接收到的蓝牙信号
Figure BDA0002459782040000061
进行锁频，产生一个与之相干的本振信号(即与蓝牙所发射的信号同频同相的信号)
Figure BDA0002459782040000062
其中，j为虚部符号，ωc为信号频率；
因为电能表至A1、A2的距离不同，所以A1接收到的信号和A2接收到的信号会有一个Δt的时间差；设A1接收到的信号为
Figure BDA0002459782040000063
A2接收到的信号为
Figure BDA0002459782040000064
用本振信号解调，可得
Figure BDA0002459782040000065
根据三角函数计算可得θ1＝arccos(-carg[y]/2πd)；
其中，carg[y]是取y的相位，d为A1与A2之间的间距；
计算到达角的工作原理可参见附图3。
(3)计算到达角AOAθ2，以A2为基准天线，以A1为参考天线；从机主控对接收到的蓝牙信号
Figure BDA0002459782040000066
进行锁频，产生一个与之相干的本振信号
Figure BDA0002459782040000067
其中，j为虚部符号，ωc为信号频率；
因为电能表至A1、A2的距离不同，所以A1接收到的信号和A2接收到的信号会有一个Δt的时间差；设A2接收到的信号为
Figure BDA0002459782040000068
A1接收到的信号为
Figure BDA0002459782040000069
用本振信号解调，可得
Figure BDA00024597820400000610
根据三角函数计算可得θ2＝arccos(carg[y]/2πd)；
其中，carg[y]是取y的相位，d为A1与A2之间的间距；
(4)根据三角函数关系，求得电能表到A1的距离
Figure BDA00024597820400000611
S3：根据接收到的不同电能表的信号，分别计算电能表到天线A1的直线距离l1、l2、l3、……ln，n为自然数；
S4：进行电能表自动编号，比较l1、l2、l3、……ln的大小，值越小该电能表距离从机主控越近，按照从小到大的顺序进行排序，其对应的电能表分别编号为1号电能表、2号电能表、3号电能表、……、n号电能表，n为自然数；
S5：根据电能表编号，从机主控依次将电能表与对应编号的智能断路器进行匹配，完成配对。
S6：当更换电能表时，重新启动自动配对即可。
从机主控与智能断路器通过RS485总线进行通信，从机主控预设智能断路器编码地址，为1号智能断路器、2号智能断路器、3号智能断路器、……、n号智能断路器，n为自然数。智能断路器与电能表完成配对后(即1号电能表与1号智能断路器配对，2号电能表与2号智能断路器配对，依次类推)，当电能表向从机主控发送控制命令时，从机主控通过RS485总线向智能断路器发送相同指令，完成命令。

Claims (7)

1.一种基于蓝牙组网通信的智能配电系统的工作方法，所述智能配电系统，包括N个电能表、N个断路器和一个从机主控；N为自然数；其中，N个电能表与N个断路器一一对应电连接，N个断路器通过RS485总线与蓝牙从机主控连接；N个电能表与从机主控之间采用蓝牙5.1进行无线通讯；
该工作方法包括以下步骤：
S1：电能表向从机主控发送蓝牙信号；当有N个电能表时，每个电能表均向从机主控发送蓝牙信号，N为自然数；
S2：从机主控接收蓝牙信号并计算电能表与从机主控之间的距离，从机主控计算距离的过程如下：
(1)从机主控接收电能表蓝牙信号，从机主控接收模块有两个天线，两个天线编号为A1、A2；A1与A2之间的间距为d，天线所接收信号为平面波，设到达角AOA为θ，A1和A2同时接收蓝牙信号；
(2)计算到达角AOAθ1，以A1为基准天线，以A2为参考天线；从机主控对接收到的蓝牙信号
Figure FDA0003498495450000011
进行锁频，产生一个与之相干的本振信号
Figure FDA0003498495450000012
其中，j为虚部符号，ωc为信号频率；
因为电能表至A1、A2的距离不同，所以A1接收到的信号和A2接收到的信号会有一个Δt的时间差；设A1接收到的信号为
Figure FDA0003498495450000013
A2接收到的信号为
Figure FDA0003498495450000014
用本振信号解调，可得
Figure FDA0003498495450000015
根据三角函数计算可得θ1＝arccos(-carg[y]/2πd)；
其中，carg[y]是取y的相位，d为A1与A2之间的间距；
(3)计算到达角AOAθ2，以A2为基准天线，以A1为参考天线；从机主控对接收到的蓝牙信号
Figure FDA0003498495450000016
进行锁频，产生一个与之相干的本振信号
Figure FDA0003498495450000017
其中，j为虚部符号，ωc为信号频率；
因为电能表至A1、A2的距离不同，所以A1接收到的信号和A2接收到的信号会有一个Δt的时间差；设A2接收到的信号为
Figure FDA0003498495450000018
A1接收到的信号为
Figure FDA0003498495450000019
用本振信号解调，可得
Figure FDA0003498495450000021
根据三角函数计算可得θ2＝arccos(carg[y]/2πd)；
其中，carg[y]是取y的相位，d为A1与A2之间的间距；
(4)根据三角函数关系，求得电能表到A1的距离
Figure FDA0003498495450000022
S3：根据接收到的不同电能表的信号，分别计算电能表到天线A1的直线距离l1、l2、l3、……ln，n为自然数；
S4：进行电能表自动编号，比较l1、l2、l3、……ln的大小，值越小该电能表距离从机主控越近，按照从小到大的顺序进行排序，其对应的电能表分别编号为1号电能表、2号电能表、3号电能表、……、n号电能表，n为自然数；
S5：根据电能表编号，从机主控依次将电能表与对应编号的智能断路器进行匹配，完成配对；
S6：当更换电能表时，重新启动自动配对即可。
2.如权利要求1所述的基于蓝牙组网通信的智能配电系统的工作方法，其特征在于，所述电能表为配置蓝牙模块的智能电能表。
3.如权利要求1或2所述的基于蓝牙组网通信的智能配电系统的工作方法，其特征在于，所述从机主控为配备蓝牙模块的主控系统，包括中央处理器和蓝牙芯片。
4.如权利要求3所述的基于蓝牙组网通信的智能配电系统的工作方法，其特征在于，所述中央处理器的型号为STM32F103RET6，蓝牙芯片的型号为nRF52811。
5.如权利要求1所述的基于蓝牙组网通信的智能配电系统的工作方法，其特征在于，所述断路器为智能断路器。
6.一种配电箱，应用于实现权利要求1-5任一项所述的工作方法。
7.如权利要求1所述的基于蓝牙组网通信的智能配电系统的工作方法，其特征在于，从机主控与智能断路器通过RS485总线进行通信，从机主控预设智能断路器编码地址，为1号智能断路器、2号智能断路器、3号智能断路器、……、n号智能断路器，n为自然数。
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