智能斷路器模擬器的設計

丁健

[摘要]本文結合實踐需求，設計了一款基于STM32系列單片機的智能模擬斷路器，可作為真正的高壓斷路器的替代設備，模擬斷路器可以模擬高壓斷路器跳合閘的動作行為，完成繼電保護的跳合閘試驗，常用在電力系統的繼電保護設備的整組試驗和系統的備用電源自行投切設備的可靠性測試等場合。

[關鍵詞]斷路器模擬器；STM32f100；Modbus通訊協議

0引言

電力系統中，配電是一個極其重要的環節。配電系統包括變壓器和各種高低壓電器設備，低壓斷路器是電力系統中應用最廣泛且是最重要的電器設備之一，它在供電和配電系統中主要擔負輸配電控制、切斷故障電流、保護電網和用電設備的安全運行等工作。

繼電保護工作中，為方便調試，模擬斷路器的出現就顯得很有必要。模擬斷路器不僅可以完全實現普通斷路器對繼電保護系統發出的通斷信號做出反饋，對普通斷路器進行通斷控制和測試，對保護裝置進行檢測，確保保護裝置的無誤穩定的工作，在提高繼電保護工作效率的同時，延長了模擬斷路器的使用壽命。

傳統的模擬斷路器，主要表現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和工作中的需求。基于8bit的單片機的斷路器，很難滿足目前的要求。DSP逐漸運用到智能模擬斷路器中，可是。性價比不高。自從ARM公司推出Cortex-M3后，其價格優勢就比較明顯了，M3主要是面向低成本和高性能的MCU應用領域，其可選的產品型號也較多，價格也較便宜。本設計便是在STM32f100微處理器的平臺上，設計一種新型的智能模擬斷路器。

1系統總體方案設計

本設計主要用來解決備用電源自投設備的調試和繼保調試等實際工作中經常遇到的各種實際問題。在現有的斷路器的基礎上，以STM32f100為控制中心，設計出一種智能型的模擬斷路器，實現了按鍵、無源開入量和485通訊協議三種方法控制主回路的通斷，能夠實時顯示電路的通斷狀態，同時可以實現開關量的輸出。工作過程中，模擬斷路器以其完善的功能和特點，不僅可以實現斷路器的功能，而且可靠性更高，操作更加簡單，性能更加優良。

系統功能分析的基礎上，結合實際的需要，將整個系統分為以下9個模塊：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、開關量輸出模塊、LED顯示模塊、電源模塊，系統總體結構功能框圖如圖1所示：

2系統的硬件電路設計

2.1電源模塊

在33V電源轉換中，輸入電源DC24V，經過DC-DC轉換芯片WRB2405降到5V電壓，再通過電容濾波得到較穩定的5V電壓。然后，經過低壓差線性穩壓器AMS1117-3.3轉換成標準的3.3V，通過電容濾波得到穩定的3.3V電源。

在C+5V電源轉換中，在DC-DC轉換芯片WRB2405將DC24V降到5V電壓的基礎上，再經過DC-DC電源隔離模塊B0505LS-1WR2輸出穩定的5V電源，

2.2通訊模塊

RS485通信模塊中，通過芯片SN65LBC184的兩個引腳DE和RE實際接收的高低電平判斷單片機是接收信號還是發送信號，如果是低電平。則單片機接收信號，反之，單片機發送信號。同時，為減少外界對系統的干擾，SN65LBC184芯片接收和發射端的信號通過高速光耦HCPL0600有效隔離，控制端通過PC817進行隔離，

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控制光耦的通斷，從而控制單相主線路的導通與關斷。同時采用承受電壓高達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，增強穩定性。

2.4主回路分合閘狀態顯示模塊

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

在兩個LED燈的—端，同時加上個24V電壓，其中綠燈和二極管1N4148串聯接人支路中。由于紅色發光二極管的壓降為2.0-2.2V，綠色發光二極管的壓降為3.0-3.2V，二極管1N4148抬高綠燈的導通電壓，使得兩個LED燈不能同時點亮。同時在主回路中加上2K的電阻進行限流保護。

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載完全隔離，以增強安全性，減小電路干擾。主回路分合閘狀態顯示模塊電路如圖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發光二極管，串入一個限流電阻，同時，在發光二極管的兩端反并聯一個保護二極管，防止回流燒毀發光二極管。

單相電壓在220V左右，串入一個大小100K功率為2W的電阻進行保護，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進行保護。流過發光二極管的電流大約為3-5mA，保證發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/合閘信號送給處理器進行邏輯控制主回路的斷開，閉合。

2.7開關量輸出控制模塊

兩路繼電器狀態輸出控制模塊中，通過單片機發出的控制信號控制光耦TLP127的通斷，從而控制繼電器兩路常開信號的分合狀態，同時，光耦TLP127對24V繼電器和單片機進行隔離，減少電路干擾。

3系統軟件設計

軟件設計中主要用到的處理器的資源有I/O口的輸入輸出、定時器2中斷、定時器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的調用固件庫的封裝函數，可以避免了直接去操作底層的寄存器，這樣大大縮短了設計周期，對編程人員來說省時又方便。

軟件設計分為四個部分，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中斷完成，一個是定時器2的中斷，另一個就是串口3的接收中斷。在信息采集模塊，通過定時器3設定一個時間片來定時外部調用通訊控制信息、同時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進行或運算，再將三種控制方式的合閘信息進行或運算，分別把兩個或運算的結果分別賦值給兩個分合閘的變量，用于邏輯信息模塊的調用：邏輯信息處理模塊通過外部調用信息采集模塊的分合閘的控制變量，進行邏輯控制，主要是實現模擬斷路器的邏輯自保護的功能。

主程序的流程圖如圖3所示。

4結束語

本文介紹了基于STM32f100斷路器模擬器的設計，實現了預期的功能，使得智能斷路器在功能的多樣性、判斷準確性、實時性、人機交互及二次開發的便利性等方面都會有極大的改進。本設計仍還有一些部分內容可以再細化和優化，如考慮過壓保護器件TVS管的漏電流情況以及監控主回路電壓得失信息的檢測電路等內容，就要再完善電路的設計，從而完成更多的功能。

[責任編輯：楊玉潔]