基于STM32F407 的高壓斷路器開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王明偉，李進，顏霞

（1.泰山科技學(xué)院，山東泰安，271000；2.山東泰開自動化有限公司，山東泰安，271000）

0 引言

電力系統(tǒng)中，斷路器尤其是高壓斷路器數(shù)量多，檢修量大，費用高。有關(guān)資料表明，變電站維護費用的一半以上是用在高壓斷路器上，而其中60%又是用于斷路器的小修和例行檢修上[1]。另外據(jù)統(tǒng)計，10%的斷路器故障是由于不正確的檢修所致，斷路器的大修完全解體，既浪費時間，費用也很高。對斷路器的重要參數(shù)進行長期連續(xù)地在線監(jiān)測，不僅可以提供設(shè)備現(xiàn)在的運行狀態(tài)，而且還能分析各種重要參數(shù)的變化趨勢，判斷是否存在故障的先兆，從而延長設(shè)備的維修保養(yǎng)周期，提高設(shè)備的利用率，減少維修保養(yǎng)的費用，提高電力系統(tǒng)運行的安全可靠性及自動化程度。這方面的研究已成為世界范圍內(nèi)電力工業(yè)運行及制造部門越來越關(guān)注的熱點問題。鑒于以上背景，本文設(shè)計了一種由STM32F407、HCNR201、LM224、MAX485 等芯片構(gòu)建而成的斷路器機械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)工作原理

斷路器的基本結(jié)構(gòu)主要由支架，滅弧室，導(dǎo)電回路，傳動機構(gòu)，絕緣支撐，操動機構(gòu)六部分構(gòu)成。斷路器的傳動鏈一般由機構(gòu)傳動連桿、拐臂、主軸、絕緣推桿、三角拐臂和觸頭彈簧裝置等構(gòu)成。操動機構(gòu)通過絕緣拉桿、觸頭彈簧等同真空滅弧室的動導(dǎo)電桿相連，帶動導(dǎo)電桿運動完成合、分閘操作[2]。

合閘時，操動機構(gòu)合閘線圈得電→合閘鐵芯動作→機構(gòu)及傳動連桿動作→開關(guān)主軸轉(zhuǎn)動→絕緣推桿前推→三角拐臂轉(zhuǎn)動→下壓觸頭彈簧裝置→滅弧室動導(dǎo)電桿向下運動使觸頭接觸→觸頭彈簧壓縮至接觸行程終點。與此同時，機構(gòu)的輔助開關(guān)切斷合閘接觸器線圈電源，分閘彈簧拉長貯能，電磁機構(gòu)的扣板由半軸扣車保持在合閘位置，合閘結(jié)束。

分閘時，機構(gòu)中的分閘線圈得電→分閘鐵芯動作→扣板與半軸脫扣→斷路器在觸頭彈簧和分閘彈簧的作用下迅速分斷→機構(gòu)的輔助開關(guān)切斷分閘線圈電源→機構(gòu)復(fù)原，并由分閘彈簧保持在分閘位置。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由電源模塊、信號輸入模塊、開入單元、開出單元、顯示單元、控制單元、監(jiān)控單元等部分組成，其中，控制單元與監(jiān)控單元通過RS485 進行通信；信號輸入模塊主要由4 路輸入傳感器、隔離電路、二階濾波電路、采樣保持電路等組成。4 路傳感器輸入信號分別為：分閘線圈電流信號、合閘線圈電流信號、斷路器動作行程信號、儲能電機動作電流信號。

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 STM32F407 最小系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)控制單元主控芯片采用STM32F407，它是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款芯片，它采用32 位高性能ARM CORTEX-M4 內(nèi)核處理器，時鐘最高可達168MHz，支持FPU 浮點運算和DSP 指令，它包含1024KB 的Flash，192KB 的SRAM，工作電壓范圍為1.8～3.6V，且其內(nèi)置看門狗、12 位A/D 轉(zhuǎn)換器，完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需求[3]。STM32F407 最小系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 STM32F407 最小系統(tǒng)原理圖

STM32F407 控制系統(tǒng)的采樣率，點亮系統(tǒng)狀態(tài)指示燈并通過485 通信口向后臺傳輸數(shù)據(jù)。后臺軟件可實現(xiàn)對斷路器機械特性的實時監(jiān)測，在接收到數(shù)據(jù)的同時繪制出斷路器動作的行程曲線、分合閘線圈電流曲線、儲能電機電流曲線同時根據(jù)輔助觸點計算出斷路器動作的時間和速度。后臺軟件可完成圖表打印、圖形保存、歷史數(shù)據(jù)存儲等多種管理功能，當斷路器動作異常時立即發(fā)出警報。

2.2 隔離電路設(shè)計

高壓斷路器機械特性在線監(jiān)測裝置應(yīng)用于126kV 及以上電壓等級的環(huán)境中，空間電磁干擾較強，為滿足裝置的強弱電分離及EMC 應(yīng)用要求，需對裝置的信號輸入回路進行隔離設(shè)計，系統(tǒng)的隔離電路如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)隔離電路

隔離電路中HCNR201 的3、4 管腳與LM224 形成了負反饋，當有電壓Vin 輸入時，運放U1 的輸出使HCNR201的1、2 管腳上有電流If流過，且輸入電壓的變化體現(xiàn)在電流If上，并驅(qū)動另外兩個LED 發(fā)光把電信號轉(zhuǎn)變成光信號。LED 發(fā)出的光被LED 探測到并產(chǎn)生光電流Ipd1。同時，輸入電壓Vin 也會產(chǎn)生電流流過R03。假定U1 是理想運放，則沒有電流流入U1 的輸入端，流過R03 的電流將會流過LED 到地，因此，Ipd1=Vin/R03。注意，Ipd1只取決于輸入電壓Vin 和R01 的值，與LED 的光輸出特性無關(guān)。又因LED 發(fā)出的光同時照射在兩個光敏二極管上，且兩個二極管完全相同，理想情況下Ipd2應(yīng)該等于Ipd1。定義一個系數(shù)k，有Ipd1=k*Ipd2，k約為1±5%(當芯片制作完成后隨之確定)。運放U2 和電阻R05 把Ipd2轉(zhuǎn)變成輸出電壓Vout，有Vout=Ipd2*R05，組合上面的3 個方程得到輸出電壓和輸入電壓關(guān)系：Vout/Vin=k*R05/R03，因此，輸出電壓Vout 具有穩(wěn)定性和線性，其增益可通過調(diào)整R05 與R03 的值來實現(xiàn)，通常取R05 和R03 的值相同。隔離電路中電阻R03 起限流作用。R04 用于控制LED 的發(fā)光強度，從而對控制通道增益起一定作用。電容C01、C02 為反饋電容，用于提高電路的穩(wěn)定性。運算放大器U1 的作用是把電壓信號轉(zhuǎn)變成電流信號，運算放大器U2 的作用是把光耦輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并增強負載驅(qū)動能力。

2.3 RS485 通信接口設(shè)計

RS485 接口采用差分平衡電路，其一根導(dǎo)線上的電壓是另一根導(dǎo)線上電壓值取反。接收器的輸入電壓為MAX485芯片A、B 兩根導(dǎo)線的電壓差值。485 差分電路的最大優(yōu)點是抑制噪聲，由于在它的兩根信號線上傳遞著大小相同、方向相反的電流，而噪聲電壓往往在兩根導(dǎo)線上同時出現(xiàn)，一根導(dǎo)線上出現(xiàn)的噪聲電壓會被另一根導(dǎo)線上出現(xiàn)的噪聲電壓抵消，因而可以極大地削弱噪聲對信號的影響[4]。

本系統(tǒng)的RS485 通信接口如圖4 所示。單片機通信的輸入、輸出端經(jīng)過光耦6N137 后進入MAX485 芯片，有效地對單片機與MAX485 之間電信號進行隔離，有較強的抗干擾能力。MAX485 收發(fā)信號的控制端由單片機的EN_485端控制，當EN_485 為高電平時，單片機發(fā)送數(shù)據(jù)；當EN_485 為低電平時，單片機接收數(shù)據(jù)。

圖4 RS485 通信接口圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件流程

系統(tǒng)初始化主要包括：初始化定時器、初始化AD、初始化串行通信口、對STM32F407內(nèi)部的FLASH進行讀寫等。系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)初始化后開始監(jiān)測斷路器是否動作；如果斷路器動作，系統(tǒng)則以設(shè)定好的采樣頻率對四路傳感器信號依次采樣，當系統(tǒng)探測到采樣結(jié)束后，將數(shù)據(jù)通過RS485 通信方式發(fā)送到上位機進行處理并顯示。

3.2 系統(tǒng)算法

本監(jiān)測系統(tǒng)運行時，當檢測到分合閘線圈動作電流大于預(yù)定閾值時便會啟動系統(tǒng)采樣，并將分合閘線圈電流、儲能線圈電流等采樣結(jié)果存儲在不同的數(shù)組中[5]。系統(tǒng)工作算法為首先比較出存儲數(shù)據(jù)中最大的10 組數(shù)據(jù)并將其剔除，防止外部干擾造成的尖峰值誤采樣；然后將有效數(shù)據(jù)進行滑動窗口濾波算法，對2 點采樣值進行滑動窗口濾波計算，保留有效信號描繪曲線平滑度的同時防止干擾信號或誤采樣導(dǎo)致的測量值不準確。

滑動窗口濾波算法的計算步驟如下所示：

（1）取6 個原始測量數(shù)據(jù)D1、D2、D3、D4、D5、D6；

（2）設(shè)置滑動窗口值大小為2；

（3）計算出6 個窗口平均值處理后的數(shù)據(jù)：D1、(D1+D2)/2、(D2+D3)/2、(D3+D4)/2、(D4+D5)/2、(D5+D6)/2；

系統(tǒng)軟件部分主程序由以下幾個子程序構(gòu)成：

（1）AD 初始化子程序：void InitADC(void)

（2）串口初始化子程序：void Uart_Initial()

（3）定時器3 初始化子程序：void InitTMR3(void)

（4）系統(tǒng)延時子程序：void delay(xus)

（5）數(shù)據(jù)處理子程序：void CHULI()

（6）上傳數(shù)據(jù)子程序：void SCCS()

4 系統(tǒng)測試

基于STM32F407 的高壓斷路器開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)完成后，經(jīng)過實驗室及工程現(xiàn)場的長期測試、校準，得到了大量的分合閘電流、儲能電機電流等試驗數(shù)據(jù)，表1是系統(tǒng)測量斷路器分閘時的電流數(shù)據(jù)與標準校驗儀的數(shù)據(jù)比對情況，經(jīng)過測試，系統(tǒng)測量精度能夠滿足標準及設(shè)計要求（≦±1%）。

表1

圖6 所示為高壓斷路器操作時，STM32F407 采樣并經(jīng)過上述程序進行滑動窗口濾波算法處理后的機械特征曲線。

圖6 斷路器機械特征曲線

5 結(jié)語

本項目開展初期對國內(nèi)外產(chǎn)品市場做了大量的調(diào)研，并在傳感器選型方面做了大量工作，尤其在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，通過鍵入相關(guān)電路與算法大大提高了數(shù)據(jù)采集與處理的精確度。本產(chǎn)品的研發(fā)，可大大節(jié)省斷路器在運行過程中停電檢修的成本。本產(chǎn)品通過對斷路器的重要參數(shù)進行長期連續(xù)地在線監(jiān)測，提高了電力系統(tǒng)運行的安全可靠性及自動化程度。本產(chǎn)品性能可靠，穩(wěn)定性高，已通過國家正式試驗，并用于多個工程項目，得到用戶的廣泛好評。