新一代外置蓝牙断路器控制模组架构
黄波，李明，秦晓敏，唐玉建
(北京智芯微电子科技有限公司，昌平102202)
摘要：提出一种基于蓝牙S o C的表外断路器控制模组方案，采用蓝牙无线通信方式与电能表进行自动配对连接，从而实现电能表-蓝牙模组-表外断路器的数据通信，蓝牙模组接收电能表D L/T698协议指令，经过协议转换后控制断路器开合闸，蓝牙模组也可以接收断路器的状态上报，经过协议转换并加密后上传给电能表，从而解决了断路器有线连接方式的各种缺陷，可广泛应用于电能表费控开关，实现远程自动控制㊂蓝牙模组具有固件和应用程序O T A功能，支持低功耗模式，满足模组的静态功耗要求㊂
关键词：蓝牙模组；表外断路器;D L/T698协议;O T A功能
中图分类号:TM925.61文献标识码:A
N e w G e n e r a t i o n C o n t r o l M o d u l e A r c h i t e c t u r e o f E x t e r n a l B l u e t o o t h C i r c u i t B r e a k e r
H u a n g B o,L i M i n g,Q i n X i a o m i n,T a n g Y u j i a n
(B e i j i n g S m a r t-c h i p M i c r o e l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y L t d.,B e i j i n g102202,C h i n a)
A b s t r a c t:I n t h e p a p e r,a c o n t r o l m o d u l e o f o f f-b a l a n c e c i r c u i t b r e a k e r b a s e d o n
B l u e t o o t h S o
C i s p r o p o s e d.T h e d a t a c o mm u n i c a t i o n b e-t w e e n w a t t-h o u r m e t e r,b l u e t o o t h m o d u l e a n d o f f-b a l a n c e c i r c u i t b r e a k e r i s r e a l i z e d b y b l u e t o o t h w i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n,t h e b l u e t o o t h m o d u l e r e c e i v e s t h e p o w e r m e t e r
D L/T698p r o t o c o l i n s t r u c t i o n a n d c o n t r o l s t h e c i r c u i t b r e a k e r t o o p e n a n d c l o s e a f t e r t h e p r o t o c o l c o n-v e r s i o n.T h e b l u e t o o t h m o d u l e c a n a l s o r e c e i v e t h e s t a t u s r e p o r t o f t h e c i r c u i t b r e a k e r a n d u p l o a d i t t o t h e p o w e r m e t e r a f t e r t h e p r o t o c o l c o n v e r s i o n a n d e n c r y p t i o n,i t i s w i d e l y u s e d i n c h a r g e c o n t r o l s w i t c h o f e l e c t r i c e n e r g y m e t e r t o r e a l i z e r e m o t e a u t o m a t i c c o
n t r o l.T h e b l u e t o o t h m o d u l e h a s t h e f u n c t i o n o f f i r m w a r e a n d a p p l i c a t i o n O T A,a n d s u p p o r t s l o w p o w e r c o n s u m p t i o n m o d e,t h e s t a t i c p o w e r c o n-s u m p t i o n o f t h e m o d u l e i s s a t i s f i e d.
K e y w o r d s:b l u e t o o t h m o d u l e;o f f-b a l a n c e c i r c u i t b r e a k e r;D L/T698p r o t o c o l;O T A f u n c t i o n
0引言
在新能源技术㊁智能技术㊁信息技术㊁网络技术不断创新突破的条件下，智能电网成为全球电力能源输配电环节发展的必然选择，全球掀起一阵智能电网建设热潮，而智能电表作为智能电网的终端已逐步走入我们的生活㊂据统计，我国已经完成了约4.96亿块智能电表的安装，每年新增及更换改造的需求仍有约7000多万台㊂电能表外
置断路器是配合智能电表实现智能费控功能的关键器件，额定电流相对较大(>60A)的智能电表一般采用外置断路器的方式来实现开合闸功能㊂有线方式连接的表外断路器，由于现场安装接线复杂，施工难度大；控制信号和反馈信号均为220V交流电压，存在用电安全隐患；控制信号和反馈信号均为简单的电平信号，可以很容易地人为模拟操作，存在断路器被非法控制的隐患，因此新一代智能电表取消了辅助接线端子，有线连接方式不能满足新一代电能表要求㊂
为解决上述问题以及配合新一代电能表功能需求，国网营销部下发了‘智能电能表外置断路器无线通信技术研究及试点应用“，我司研制的新一代外置蓝牙断路器应运而生，基于蓝牙S o C的芯片，依据电能表控制信号进行分
合闸控制，并对分合闸状态进行反馈㊂控制部分的执行部件采用电动机和蜗轮㊁蜗杆及齿轮组成的传动机构，通过传动机构带动断路器内轴，实现断路器的分合闸控制㊂新一代外置蓝牙断路器控制模块及断路器的研制具有重要的意义，它配合新一代电能表功能升级，采用无线通信方式，避免了现场安装接线，简化安装工作，提高了安装效率，同时避免了有线连接导致的用电安全隐患，数据传输采用无线通信技术并且增加加密措施，电能表和断路器之间的通信数据全部经过加密，杜绝了人为恶意操作断路器的隐患㊂
1 蓝牙断路器模组需求分析
目前国网统一采购的部分低压断路器符合国网的新规范，规范明确规定了断路器与电能表之间的信号反
馈方式及断路器控制方式:
①控制信号采取交流220V 电平，控制单元供电从控制信号线取电，拉合闸动作时可从相线短暂用电，动作
结束后相线泄漏电流应符合要求;
②反馈信号采取交流220V 电平内部串联100k Ω电阻后输出，单相断路器反馈信号从相线取电，三相断路
器反馈信号应从三相取电，并保证在任意相缺相时仍能正常反馈信号，反馈信号仍为交流220V 电平方式(
允许半波)，内部串联100k Ω电阻后输出;
③控制及信号反馈线线径应不小于0.3m m 2
,
线两端应带有压接好的防反接接线头，接线头具备防错接功能㊂
目前断路器与电能表之间需要采用有线连接方式，并且信号均为交流220V 电平,
这样在原有具有外置继电器的电能表基础上不需要做太多修改即可实现对表外断路器的控制与监测㊂但是此方式也存在明显的安全隐患，可以较容易地非法通过外部信号来模拟电能表对断路器进行控制㊂
综上，本方案定位开发的蓝牙断路器采用加密过的无线通信方式替代有线连接，同时添加安全加密模块对数据进行加密操作，提高系统的安全性和稳定性㊂智能电表外置蓝牙断路器的问世，在微型断路器行业里是一个重大的进步，随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，电网智能化的程度越来越高，该智能外置蓝牙断路器的应用前景广阔㊂
2 蓝牙断路器架构
新一代电能表外置蓝牙断路器控制模块，通过电力线发送电流指纹和蓝牙模块广播将特征码发送出去，电能表侧电力线接收电流指纹和蓝牙模块接收的蓝牙断路器数据进行自动比对配对，确保蓝牙断路器为该电能表的后置断路器，保证电能表与断路器一一对应，配对完成后采用蓝牙与电能表进行通信，接收电能表控制指令，通过电机驱动方式实现表外断路器的自动重合闸，蓝牙断路器状态变化时需要主动上
报给电能表，通信数据采用软件加密方式实现数据的安全传输㊂
2.1 蓝牙断路器硬件架构
蓝牙断路器按照国家电网公司技术标准，对电气结构㊁电气性能及可靠性进行严格的实验验证，保证设备持续正常的稳定工作㊂硬件部分主要包括主控模块㊁电源模块㊁无线通信模块㊁电机驱动模块㊁电机执行模块及控制回
路检测等部分㊂组成框图如图1所示
㊂
图1 新一代外置蓝牙断路器硬件组成框图
2.1.1 电源模块
新一代电能表外置断路器控制模块从断路器入线交流220V 取电，断路器控制模块中电机驱动单元使用+9V
直流供电，主控单元等部分硬件采用+3.3V 直流供电㊂因此，新一代电能表外置断路器控制模块的电源管理单元需要将交流市电经过A C /D C 变换,
输出+9V 直流电源提供给电机驱动电路，此外还需将+9V 直流电源转换为
直流+3.3V 电源提供给主控部分㊂电源管理单元的硬
件结构组成如图2所示
㊂
图2 新一代外置断路器控制模块电源管理单元组成框图
电源管理单元的待机功耗是重点需要解决的问题，其中开关电源部分的待机功耗尤为重要，直流电源部分选用效率高的D C /D C 芯片㊂
电源管理单元A C /D C 部分采用原边反馈反激式开关电源方案，开关电源芯片选用O B 2550M ，其空载待机功耗低于30mW ,
满足设计需求㊂电路图如图3所示㊂电源管理单元D C /D C 部分采用高频开关降压稳压
器,D C /D C 电源芯片选用M P 2451,
模块电源图片其电源效率高于90%，纹波电压低于10m V ㊂电路图如图4所示㊂
2.1.2 主控模块和无线通信模块
本项目将控制器与无线通信集成于单一芯片的S o C
方案实现断路器的主控和通信功能㊂n R F 51822是功能强
大㊁高灵活性的多协议S o C ，非常适用于蓝牙和2.4G H z 超低功耗无线应用㊂n R F 51822基于配备256K B F l a s h +
16K B R AM 的32位A R M C o r t e x M 0C P U 而构建㊂嵌入式2.4G H z 收发器支持蓝牙低功耗及2.4G H z 操作㊂
n R F 51822还具备丰富的模拟和数字周边产品，可以在无需C P U 参与的情况下通过可编程周边产品互联
(P P I )系统进行互动㊂灵活的31引脚G P I O 映射方案可
图3 新一代外置断路器控制模块A C /D C
电源电路
图4 新一代外置断路器控制模块D C /D C 电源电路
使I /O (例如串行接口㊁P WM 和正弦解调器)根据P C B 需
求指示映射到任何设备引脚，这可实现完全的设计灵活性及引脚位置和功能㊂
n R F 51822支持蓝牙低功耗协议堆栈及2.4G H z 协议堆
栈(包括G a z e l l )㊂n R F 51822需要单独供电,
如果供电范围在1.8~3.6V 之间,
用户可选择使用芯片上的线性整流器，如果供电范围在2.1~3.6V 之间，可以选择直流1.8V 模式和芯片上的D C D C 变压器㊂D C D C 变压器的使用可在工作期间动态控制，并使n R F 51822工作期间的射频峰值电流低
于10m A /3V 供电(T X @0d B m &R X
)㊂2.1.3 电机驱动电路
L 9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片I C
之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高㊂该芯片有两
个T T L /C MO S 兼容电平的输入,
具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动及刹车，具有较强的电流驱动能力，每通道能通过750~800m A
的持续电流，峰值电流能力可达1.5~2.0A ;
同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器㊁直流电机㊁步进电机或开关功率管的使用上安全可靠㊂电机驱动电路如图5所示
㊂
图5 新一代外置断路器控制模块电机驱动电路
2.1.4 电机位置检测电路
电能表外置断路器采用霍尔开关作为电机位置检测
电路的核心，霍尔开关内部由反向电压保护器㊁电压调整器㊁霍尔电压发生器㊁差分放大器㊁施密特触
发器和集电极开路输出级组成，能将变化的磁场信号转换成数字电压输出㊂电机位置检测电路如图6所示㊂
2.2 蓝牙断路器软件架构
本文提出一种基于蓝牙S o C 的表外断路器控制模组
方案，先通过电力线发送电流指纹，同时蓝牙广播电流指纹的特征码，电能表接收到电流指纹，解析出特征码，与电
图6 新一代外置断路器控制模块电机位置检测电路
能表接收的蓝牙广播特征码对比一致时，随机生成特征码二，通过蓝牙发送给蓝牙断路器模组编码生成电流指纹，通过电力线发送给电能表，电能表接收电流指纹继续解析出特征码二，如果同自己发送的特征码二一致，就确认此蓝牙断路器为该电能表下的蓝牙断路器，自动配对完成后，业务流程上就实现了电能表蓝牙主控模块外置断路器的数据通信，蓝牙主控模块接收电能表D L /T 698协议加密指令，经过协议转换后控制断路器开合闸，另外蓝牙模组也可以接收断路器的状态上报，经过协议转换并加密后上传给电能表㊂同时，蓝牙断路器支持通过手机A p p
对蓝牙断路器模组和蓝牙模块进行O T A 远程升级㊂软
件组成框图如图7所示㊂
3 结 语
本文通过对电能表外置蓝牙断路器模组的需求分析,
研制了新一代外置蓝牙断路器模组，解决了有线连接断路器存在的诸多问题：安装接线复杂㊁现场施工难度大;
控制
图7 新一代外置蓝牙断路器软件组成框图
信号和反馈信号均为220V 交流电压,
存在用电安全隐患；控制信号和反馈信号均为简单的电平信号，容易人为模拟操作，存在断路器被非法控制的隐患㊂，配合国家电网进行新一代电能表(带蓝牙功能)的推广，现场安装接线更便捷，提高了安装效率，同时通过加密传输和控制，保证了用电的安全和可靠，降低了电网公司运营成本，居民用电也更方便快捷，该模组的研制成功对于国网公司具有重要的社会和经济效益
㊂
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