智能斷路器模擬器的設(shè)計(jì)

丁健

[摘要]本文結(jié)合實(shí)踐需求，設(shè)計(jì)了一款基于STM32系列單片機(jī)的智能模擬斷路器，可作為真正的高壓斷路器的替代設(shè)備，模擬斷路器可以模擬高壓斷路器跳合閘的動(dòng)作行為，完成繼電保護(hù)的跳合閘試驗(yàn)，常用在電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備的整組試驗(yàn)和系統(tǒng)的備用電源自行投切設(shè)備的可靠性測試等場合。

[關(guān)鍵詞]斷路器模擬器；STM32f100；Modbus通訊協(xié)議

0引言

電力系統(tǒng)中，配電是一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。配電系統(tǒng)包括變壓器和各種高低壓電器設(shè)備，低壓斷路器是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛且是最重要的電器設(shè)備之一，它在供電和配電系統(tǒng)中主要擔(dān)負(fù)輸配電控制、切斷故障電流、保護(hù)電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全運(yùn)行等工作。

繼電保護(hù)工作中，為方便調(diào)試，模擬斷路器的出現(xiàn)就顯得很有必要。模擬斷路器不僅可以完全實(shí)現(xiàn)普通斷路器對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出的通斷信號(hào)做出反饋，對(duì)普通斷路器進(jìn)行通斷控制和測試，對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行檢測，確保保護(hù)裝置的無誤穩(wěn)定的工作，在提高繼電保護(hù)工作效率的同時(shí)，延長了模擬斷路器的使用壽命。

傳統(tǒng)的模擬斷路器，主要表現(xiàn)在位置一旦確定就不能再改變，而且性能也不是特別符合生產(chǎn)和工作中的需求?；?bit的單片機(jī)的斷路器，很難滿足目前的要求。DSP逐漸運(yùn)用到智能模擬斷路器中，可是。性價(jià)比不高。自從ARM公司推出Cortex-M3后，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)就比較明顯了，M3主要是面向低成本和高性能的MCU應(yīng)用領(lǐng)域，其可選的產(chǎn)品型號(hào)也較多，價(jià)格也較便宜。本設(shè)計(jì)便是在STM32f100微處理器的平臺(tái)上，設(shè)計(jì)一種新型的智能模擬斷路器。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要用來解決備用電源自投設(shè)備的調(diào)試和繼保調(diào)試等實(shí)際工作中經(jīng)常遇到的各種實(shí)際問題。在現(xiàn)有的斷路器的基礎(chǔ)上，以STM32f100為控制中心，設(shè)計(jì)出一種智能型的模擬斷路器，實(shí)現(xiàn)了按鍵、無源開入量和485通訊協(xié)議三種方法控制主回路的通斷，能夠?qū)崟r(shí)顯示電路的通斷狀態(tài)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的輸出。工作過程中，模擬斷路器以其完善的功能和特點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)斷路器的功能，而且可靠性更高，操作更加簡單，性能更加優(yōu)良。

系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的需要，將整個(gè)系統(tǒng)分為以下9個(gè)模塊：STM32f100控制模塊、AC220V電壓輸入模塊、按鍵模塊、無源開入量模塊、通信模塊、AC220V電壓輸出模塊、開關(guān)量輸出模塊、LED顯示模塊、電源模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)功能框圖如圖1所示：

2系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1電源模塊

在33V電源轉(zhuǎn)換中，輸入電源DC24V，經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換芯片WRB2405降到5V電壓，再通過電容濾波得到較穩(wěn)定的5V電壓。然后，經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的3.3V，通過電容濾波得到穩(wěn)定的3.3V電源。

在C+5V電源轉(zhuǎn)換中，在DC-DC轉(zhuǎn)換芯片WRB2405將DC24V降到5V電壓的基礎(chǔ)上，再經(jīng)過DC-DC電源隔離模塊B0505LS-1WR2輸出穩(wěn)定的5V電源，

2.2通訊模塊

RS485通信模塊中，通過芯片SN65LBC184的兩個(gè)引腳DE和RE實(shí)際接收的高低電平判斷單片機(jī)是接收信號(hào)還是發(fā)送信號(hào)，如果是低電平。則單片機(jī)接收信號(hào)，反之，單片機(jī)發(fā)送信號(hào)。同時(shí)，為減少外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，SN65LBC184芯片接收和發(fā)射端的信號(hào)通過高速光耦HCPL0600有效隔離，控制端通過PC817進(jìn)行隔離，

2.3主回路分合閘控制模塊

主回路分合閘控制模塊中，通過來自微處理器的信號(hào)控制光耦的通斷，從而控制單相主線路的導(dǎo)通與關(guān)斷。同時(shí)采用承受電壓高達(dá)350V的光耦隔離器件KAQY210，將微處理器和高壓電路隔離，減小電路干擾，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

2.4主回路分合閘狀態(tài)顯示模塊

模擬斷路器分合閘狀態(tài)顯示模塊中，輸入端為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通紅燈亮，綠燈滅；反之輸人為高電平時(shí)，光耦不導(dǎo)通，紅燈滅，綠燈亮。

在兩個(gè)LED燈的—端，同時(shí)加上個(gè)24V電壓，其中綠燈和二極管1N4148串聯(lián)接人支路中。由于紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0-2.2V，綠色發(fā)光二極管的壓降為3.0-3.2V，二極管1N4148抬高綠燈的導(dǎo)通電壓，使得兩個(gè)LED燈不能同時(shí)點(diǎn)亮。同時(shí)在主回路中加上2K的電阻進(jìn)行限流保護(hù)。

在輸入控制部分，采用線性光電耦合器PC817作為隔離元件，使電路中的之前端與負(fù)載完全隔離，以增強(qiáng)安全性，減小電路干擾。主回路分合閘狀態(tài)顯示模塊電路如圖2所示：

2.5主回路得失電LED顯示模塊

模擬斷路器的主回路得失電顯示電路中，在單相與零線之間接人一個(gè)發(fā)光二極管，串入一個(gè)限流電阻，同時(shí)，在發(fā)光二極管的兩端反并聯(lián)一個(gè)保護(hù)二極管，防止回流燒毀發(fā)光二極管。

單相電壓在220V左右，串入一個(gè)大小100K功率為2W的電阻進(jìn)行保護(hù)，為防止反向擊穿，用最大輸入反向峰值電壓為1000V的二極管IN4007進(jìn)行保護(hù)。流過發(fā)光二極管的電流大約為3-5mA，保證發(fā)光二極管的正常工作。

2.6開入量模塊

無源開入量模塊中，通過DSPin1或DSPin2與公共端的連接控制光耦PC817的通斷，從而把無源開入量的分閘/合閘信號(hào)送給處理器進(jìn)行邏輯控制主回路的斷開，閉合。

2.7開關(guān)量輸出控制模塊

兩路繼電器狀態(tài)輸出控制模塊中，通過單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)控制光耦TLP127的通斷，從而控制繼電器兩路常開信號(hào)的分合狀態(tài)，同時(shí)，光耦TLP127對(duì)24V繼電器和單片機(jī)進(jìn)行隔離，減少電路干擾。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中主要用到的處理器的資源有I/O口的輸入輸出、定時(shí)器2中斷、定時(shí)器3中斷和串口3中斷等。軟件代碼的編寫在很多的地方都調(diào)用STM32F20x_StdPeriph_Lib_V3.5.0編程固件庫，在程序代碼的編寫中通過適時(shí)的調(diào)用固件庫的封裝函數(shù)，可以避免了直接去操作底層的寄存器，這樣大大縮短了設(shè)計(jì)周期，對(duì)編程人員來說省時(shí)又方便。

軟件設(shè)計(jì)分為四個(gè)部分，即主程序模塊、信息采集模塊、通訊模塊、邏輯信息處理模塊。

通訊模塊采用Modbus RTU通訊協(xié)議，采用RS485總線通訊，通過處理通訊信息得到模擬器的分合閘控制信息，本部分主要利用兩個(gè)中斷完成，一個(gè)是定時(shí)器2的中斷，另一個(gè)就是串口3的接收中斷。在信息采集模塊，通過定時(shí)器3設(shè)定一個(gè)時(shí)間片來定時(shí)外部調(diào)用通訊控制信息、同時(shí)采集無源開入量控制信息和按鍵控制信息，并將三種不同控制方式的分閘信號(hào)進(jìn)行或運(yùn)算，再將三種控制方式的合閘信息進(jìn)行或運(yùn)算，分別把兩個(gè)或運(yùn)算的結(jié)果分別賦值給兩個(gè)分合閘的變量，用于邏輯信息模塊的調(diào)用：邏輯信息處理模塊通過外部調(diào)用信息采集模塊的分合閘的控制變量，進(jìn)行邏輯控制，主要是實(shí)現(xiàn)模擬斷路器的邏輯自保護(hù)的功能。

主程序的流程圖如圖3所示。

4結(jié)束語

本文介紹了基于STM32f100斷路器模擬器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，使得智能斷路器在功能的多樣性、判斷準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、人機(jī)交互及二次開發(fā)的便利性等方面都會(huì)有極大的改進(jìn)。本設(shè)計(jì)仍還有一些部分內(nèi)容可以再細(xì)化和優(yōu)化，如考慮過壓保護(hù)器件TVS管的漏電流情況以及監(jiān)控主回路電壓得失信息的檢測電路等內(nèi)容，就要再完善電路的設(shè)計(jì)，從而完成更多的功能。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]