工業(yè)藍(lán)牙在建筑智能配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：

針對(duì)建筑智能配電系統(tǒng)提出了一種基于工業(yè)藍(lán)牙的快速部署方案。該方案利用工業(yè)藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，降低了系統(tǒng)的實(shí)施成本。通過(guò)對(duì)建筑智能配電系統(tǒng)的需求分析，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的架構(gòu)、硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。提出了對(duì)工業(yè)藍(lán)牙在建筑智能配電中需要達(dá)到200 m遠(yuǎn)距離傳輸和主從200臺(tái)的具體指標(biāo)，該方案具有成本低、性能可靠、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，為建筑智能配電系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種新的選擇。

關(guān)鍵詞：

建筑智能配電系統(tǒng); 工業(yè)藍(lán)牙; 遠(yuǎn)距離; 低成本

中圖分類(lèi)號(hào)： TU855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

文章編號(hào)： 1674-8417（2024）12-0019-05

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.12.004

0 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能配電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。建筑智能配電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)，提高建筑配電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)的建筑智能配電系統(tǒng)通常采用有線通信方式，存在布線復(fù)雜、成本高等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，本文提出了一種基于工業(yè)藍(lán)牙的建筑智能配電系統(tǒng)快速部署方案。

1 建筑智能配電系統(tǒng)需求分析

建筑智能供配電系統(tǒng)以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以電力系統(tǒng)工程為原理，以實(shí)現(xiàn)智能管理和優(yōu)化利用電力資源為目標(biāo)。它具有高度的自動(dòng)化、信息化、智能化特征，能夠通過(guò)智能感應(yīng)器和控制裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自適應(yīng)調(diào)度與控制，在高速通信網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸和處理海量數(shù)據(jù)，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行全方位監(jiān)控和管理，并通過(guò)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和處理，達(dá)到優(yōu)化電能分配、提高能源利用效率、降低運(yùn)營(yíng)成本的目的。

智能供配電系統(tǒng)在自動(dòng)化程度高的基礎(chǔ)上，具有發(fā)達(dá)的信息化和智能化特征，同時(shí)具有極高的可靠性和安全性能，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)及多層次安全保護(hù)措施，使系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

智能配電設(shè)備作為配電系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)智能配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。其依托信息技術(shù)，具備更多功能和通信能力。智能監(jiān)控儀表是主要的監(jiān)控設(shè)備之一，采用智能芯片技術(shù)，具有強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)控制功能及分析記錄能力，可快速配置，具有精細(xì)化監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程云端管理等優(yōu)勢(shì)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及電力數(shù)據(jù)的分析有更好的作用。隨著信息技術(shù)發(fā)展，越來(lái)越多廠商推出智能化升級(jí)產(chǎn)品，增加了供電系統(tǒng)的可靠性，對(duì)搭建整體配電系統(tǒng)監(jiān)控后臺(tái)有很大支持。

隨著通信傳輸技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，智能配電產(chǎn)品通信功能不斷增強(qiáng)，根據(jù)智能設(shè)備支持的不同傳輸特性可快速組建不同網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)等技術(shù)手段，將前端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控后臺(tái)。智能配電設(shè)備可快速配置通信模塊，支持有線及無(wú)線傳輸。

在建筑智能配電領(lǐng)域，數(shù)據(jù)傳輸需求大，目前主要采用屏蔽雙絞線及 RS-485 方式，但存在布線困難、成本高等弊端。因此，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸成為重要研究方向。典型智能配電系統(tǒng)圖如圖1所示。

由圖1可知，本地組態(tài)系統(tǒng)有以下問(wèn)題：

① RS-485通信布線成本高;

② 人工調(diào)試復(fù)雜，成本高;

③ 需要改造時(shí)，無(wú)法再次布線;

④ 調(diào)試麻煩，無(wú)法多點(diǎn)訪問(wèn);

⑤ 功能有限，升級(jí)困難。

以100臺(tái)典型的電力儀表設(shè)備為例，2個(gè)配電室之間采用光纖連接，估算通信線1 000 m，普通布線工人2人10 d，調(diào)試計(jì)算機(jī)工程師2人10 d。特別是遇到線路布線的瑕疵時(shí)，需要查找故障點(diǎn)，更是無(wú)法計(jì)算投入和消耗［1］。

2 建筑智能配電對(duì)無(wú)線傳輸?shù)囊?/p>

2.1 主機(jī)對(duì)多從機(jī)的連接能力

建筑智能配電系統(tǒng)中，1個(gè)主機(jī)需要能夠連接100到200個(gè)從機(jī)，如多功能儀表等。這對(duì)無(wú)線傳輸技術(shù)提出挑戰(zhàn)，需建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如星形、網(wǎng)狀或混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），并具備良好的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接管理功能。同時(shí)，要考慮頻率資源的合理利用，采用跳頻技術(shù)或多頻道通信，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

2.2 實(shí)時(shí)性要求

建筑智能配電系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高，無(wú)線傳輸技術(shù)需具備低延遲特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)采集到傳輸、處理再到控制指令下達(dá)，時(shí)間延遲盡可能短。該系統(tǒng)需采用高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（如藍(lán)牙5.4、ZigBee或Wi-Fi等），并優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸方式，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和高效算法，應(yīng)實(shí)現(xiàn)等同于RS-485的通信速率（9 600 b/s）。

2.3 雙向可靠傳輸

雙向可靠傳輸是核心要求之一，需采用可靠的通信協(xié)議和錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，（如循環(huán)冗余校驗(yàn)、校驗(yàn)和等）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確完整。無(wú)線傳輸技術(shù)需具備良好的抗干擾能力，選擇具有較強(qiáng)抗干擾能力的無(wú)線傳輸技術(shù)或采用抗干擾措施（如濾波、屏蔽等），同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。

2.4 抗干擾能力

建筑智能配電現(xiàn)場(chǎng)存在電磁干擾，無(wú)線傳輸技術(shù)必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力?？蛇x擇合適的無(wú)線傳輸頻率，采用擴(kuò)頻技術(shù)，如直接序列擴(kuò)頻（DSSS）或跳頻擴(kuò)頻（FHSS），在硬件設(shè)計(jì)方面采用抗干擾性能好的組件，合理布局設(shè)備，在軟件方面采用信號(hào)處理算法，定期監(jiān)測(cè)無(wú)線信號(hào)質(zhì)量。

2.5 傳輸距離要求

建筑智能配電系統(tǒng)中設(shè)備距離可能較遠(yuǎn)，無(wú)線傳輸技術(shù)須滿(mǎn)足200 m傳輸距離要求?？刹捎酶吖β薀o(wú)線發(fā)射設(shè)備，注意遵守法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，選擇高接收靈敏度的無(wú)線接收設(shè)備，采用中繼設(shè)備，優(yōu)化天線設(shè)計(jì)和布局。

3 適應(yīng)建筑智能配電需求

3.1 藍(lán)牙5.4的新特性及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

藍(lán)牙5.4具備更高的傳輸速率，能更快地傳輸大量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，使實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制更精準(zhǔn)及時(shí);擁有更低的功耗，可延長(zhǎng)設(shè)備電池壽命，降低維護(hù)成本和系統(tǒng)能耗;具有更強(qiáng)的抗干擾能力，采用優(yōu)化的智能跳頻信號(hào)技術(shù)和自適應(yīng)跳頻技術(shù)（AFH），能有效保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性;在連接數(shù)量方面表現(xiàn)出色，能夠滿(mǎn)足智能配電系統(tǒng)中1個(gè)主機(jī)對(duì)100～200個(gè)從機(jī)的連接需求。

3.2 藍(lán)牙5.4的技術(shù)指標(biāo)

廣播數(shù)據(jù)加密（EAD）：對(duì)廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，提高廣播數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性和安全性。

帶響應(yīng)的周期性廣播（PAwR）：是一種新的BLE邏輯傳輸層，用于向給定區(qū)域的所有同步接收設(shè)備傳輸周期性廣播控制消息及用戶(hù)數(shù)據(jù)，并允許同步接收設(shè)備通過(guò)響應(yīng)時(shí)隙向廣播設(shè)備發(fā)送響應(yīng)。

LE GATT安全級(jí)別特征：用于在初始建立低功耗藍(lán)牙連接時(shí)，讓GATT客戶(hù)端設(shè)備了解GATT服務(wù)端設(shè)備對(duì)安全級(jí)別的更高要求，提前執(zhí)行必要的鑒權(quán)和加密過(guò)程，確保后續(xù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)操作的安全性。

3.3 波束聚集技術(shù)

波束匯聚技術(shù)通過(guò)將射頻信號(hào)聚焦在特定的方向上，從而提高信號(hào)的強(qiáng)度和傳輸距離。其原理可以用以下公式表示［2］：

prec=ptransGtransGrecλ2（4π）2d2

（1）

式中： Prec——接收功率;

ptrans——發(fā)射功率;

Gtrans——發(fā)射天線增益;

Grec——接收天線增益;

λ——波長(zhǎng);

d——傳輸距離。

由式（1）中可以看出，通過(guò)增加發(fā)射功率、天線增益以及減小波長(zhǎng)和傳輸距離，可以提高接收功率，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增強(qiáng)和遠(yuǎn)距離傳輸。

為解決傳輸距離要求，在主機(jī)端采用射頻的波束聚集技術(shù)，通過(guò)將射頻信號(hào)聚焦在特定方向上，提高信號(hào)強(qiáng)度和傳輸距離。

3.4 Sigmesh技術(shù)

Sigmesh是一種基于藍(lán)牙的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用多對(duì)多通信模式，提高系統(tǒng)可靠性和快速性，通信機(jī)制基于廣播和確認(rèn)方式，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。在連接數(shù)量方面，可輕松滿(mǎn)足智能配電系統(tǒng)中1個(gè)主機(jī)對(duì)100～200個(gè)從機(jī)的連接需求。此外，Sigmesh具有低功耗特點(diǎn)，設(shè)備在不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低功耗。

其連接數(shù)量的計(jì)算公式可以表示為［3］

N=CL

（2）

式中： N——連接數(shù)量;

C——信道容量;

L——網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。

4 案例分析

以某建筑智能配電系統(tǒng)為例，采用了基于工業(yè)藍(lán)牙的建筑智能配電系統(tǒng)后，能夠快速低成本部署。

部署的拓?fù)鋱D如圖2所示。新舊方案對(duì)比如表1所示。

該系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)［4］：

（1） 低成本。

采用工業(yè)藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，避免了傳統(tǒng)有線通信方式的布線成本。同時(shí)，工業(yè)藍(lán)牙模塊和傳感器節(jié)點(diǎn)等硬件設(shè)備的成本相對(duì)較低，能夠有效降低系統(tǒng)的整體成本。

以100臺(tái)典型的電力儀表設(shè)備為例。

如果采用傳統(tǒng)的RS-485方案：

2個(gè)配電室之間采用光纖連接，估算RS-485通信線1 000 m，普通布線工人2人10 d，調(diào)試計(jì)算機(jī)工程師2人10 d。特別是遇到線路布線的瑕疵，需要查找故障點(diǎn)，更是無(wú)法計(jì)算投入和消耗。

如果采用新的工業(yè)藍(lán)牙方案：

通信線0 m，布線工人0人，調(diào)試工程師1人1 d。

可以減少幾乎99%布線工作及線纜，減少80%的調(diào)試工作量，減少80%的后期維護(hù)工作量。

（2） 易于安裝和維護(hù)。

系統(tǒng)采用無(wú)線通信方式，安裝和維護(hù)非常方便。無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的布線工作，減少了安裝時(shí)間和成本。同時(shí)，系統(tǒng)的故障排查也更加簡(jiǎn)單，能夠快速定位和解決問(wèn)題［5］。

（3） 可靠性高。

工業(yè)藍(lán)牙模塊具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較遠(yuǎn)的傳輸距離，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)，系統(tǒng)采用了冗余設(shè)計(jì)和故障診斷機(jī)制，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（4） 擴(kuò)展性強(qiáng)。

系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，易于擴(kuò)展和添加新的設(shè)備。可以根據(jù)實(shí)際需求，隨時(shí)增加傳感器節(jié)點(diǎn)和智能斷路器的數(shù)量，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。

系統(tǒng)安裝后，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，并對(duì)故障進(jìn)行診斷和定位，大大提高了電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，該系統(tǒng)的成本比傳統(tǒng)的建筑智能配電系統(tǒng)降低了約30%，為工廠節(jié)省了大量的成本［6］。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的基于工業(yè)藍(lán)牙的建筑智能配電系統(tǒng)快速部署方案，具有成本低、易于安裝和維護(hù)、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該方案能夠滿(mǎn)足建筑智能配電系統(tǒng)的需求，為用戶(hù)提供了一種新的選擇。隨著工業(yè)藍(lán)牙技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，該方案將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 劉彧揮，劉森濤，張春，等.基于藍(lán)牙通信的配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)角色授權(quán)裝置［J］.山東電力技術(shù)，2019，46（258）：41-43.

［2］ 馬群，于佳.面向新型電力系統(tǒng)的感知層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究［J］.山東電力技術(shù)，2023，50（6）：13-19.

［3］ 高立克，吳智丁，吳麗芳，等.近距無(wú)線技術(shù)在智能配電網(wǎng)終端產(chǎn)品的應(yīng)用［J］.機(jī)電信息，2013（3）：82-83.

［4］ MAHDI D S，CARLES G.Modeling the connectivity of data-channel-based BLE lowenergy mesh networks［J］.IEEE Communications Letters，2018，22（10）：2124-2127.

［5］ 黃克亞.基于藍(lán)牙技術(shù)的時(shí)間同步與無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，11（38）：81-85.

［6］ 劉永欣，崔佳冬，何登強(qiáng)，等.基于藍(lán)牙Mesh分布式控制和平均一致性的智慧照明系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50（4）：109-114.

收稿日期： 2024-10-17

Implementing Rapid Deployment Using Industrial Bluetooth in

the Intelligent Power Distribution System of Buildings

LIU Yang

（Southwest Jiaotong University Design and Research Institute， Chengdu 610031， China）

Abstract：

This article proposes a fast deployment solution based on industrial Bluetooth for building intelligent power distribution systems.This solution utilizes industrial Bluetooth technology to achieve wireless data transmission，reducing the implementation cost of the system.Through the analysis of the requirements for the intelligent power distribution system in buildings，the architecture，hardware composition，and software design of the system are elaborated in detail.The specific indicators of achieving 200 meter long-distance transmission and 200 master-slave devices for industrial Bluetooth in building intelligent power distribution have been proposed.This solution has the advantages of low cost，reliable performance，and easy scalability，providing a new choice for the development of building intelligent power distribution systems.

Key words：

building intelligent power distribution system; industrial bluetooth; remote; low cost