基于STM32F407 的高壓斷路器開關狀態監測系統設計

王明偉，李進，顏霞

（1.泰山科技學院，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

電力系統中，斷路器尤其是高壓斷路器數量多，檢修量大，費用高。有關資料表明，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]。另外據統計，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進行長期連續地在線監測，不僅可以提供設備現在的運行狀態，而且還能分析各種重要參數的變化趨勢，判斷是否存在故障的先兆，從而延長設備的維修保養周期，提高設備的利用率，減少維修保養的費用，提高電力系統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電力工業運行及制造部門越來越關注的熱點問題。鑒于以上背景，本文設計了一種由STM32F407、HCNR201、LM224、MAX485 等芯片構建而成的斷路器機械特性在線監測系統。

1 系統工作原理及設計方案

1.1 系統工作原理

斷路器的基本結構主要由支架，滅弧室，導電回路，傳動機構，絕緣支撐，操動機構六部分構成。斷路器的傳動鏈一般由機構傳動連桿、拐臂、主軸、絕緣推桿、三角拐臂和觸頭彈簧裝置等構成。操動機構通過絕緣拉桿、觸頭彈簧等同真空滅弧室的動導電桿相連，帶動導電桿運動完成合、分閘操作[2]。

合閘時，操動機構合閘線圈得電→合閘鐵芯動作→機構及傳動連桿動作→開關主軸轉動→絕緣推桿前推→三角拐臂轉動→下壓觸頭彈簧裝置→滅弧室動導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，機構的輔助開關切斷合閘接觸器線圈電源，分閘彈簧拉長貯能，電磁機構的扣板由半軸扣車保持在合閘位置，合閘結束。

分閘時，機構中的分閘線圈得電→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→機構的輔助開關切斷分閘線圈電源→機構復原，并由分閘彈簧保持在分閘位置。

1.2 系統設計方案

開關狀態監測系統由電源模塊、信號輸入模塊、開入單元、開出單元、顯示單元、控制單元、監控單元等部分組成，其中，控制單元與監控單元通過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。

本系統的硬件設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件設計框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 STM32F407 最小系統設計

系統控制單元主控芯片采用STM32F407，它是意法半導體公司生產的一款芯片，它采用32 位高性能ARM CORTEX-M4 內核處理器，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，且其內置看門狗、12 位A/D 轉換器，完全滿足本系統的設計需求[3]。STM32F407 最小系統原理圖如圖2 所示。

圖2 STM32F407 最小系統原理圖

STM32F407 控制系統的采樣率，點亮系統狀態指示燈并通過485 通信口向后臺傳輸數據。后臺軟件可實現對斷路器機械特性的實時監測，在接收到數據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、歷史數據存儲等多種管理功能，當斷路器動作異常時立即發出警報。

2.2 隔離電路設計

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

圖3 系統隔離電路

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在電流If上，并驅動另外兩個LED 發光把電信號轉變成光信號。LED 發出的光被LED 探測到并產生光電流Ipd1。同時，輸入電壓Vin 也會產生電流流過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。又因LED 發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應該等于Ipd1。定義一個系數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系：Vout/Vin=k*R05/R03，因此，輸出電壓Vout 具有穩定性和線性，其增益可通過調整R05 與R03 的值來實現，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，用于提高電路的穩定性。運算放大器U1 的作用是把電壓信號轉變成電流信號，運算放大器U2 的作用是把光耦輸出的電流信號轉變為電壓信號，并增強負載驅動能力。

2.3 RS485 通信接口設計

RS485 接口采用差分平衡電路，其一根導線上的電壓是另一根導線上電壓值取反。接收器的輸入電壓為MAX485芯片A、B 兩根導線的電壓差值。485 差分電路的最大優點是抑制噪聲，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線上同時出現，一根導線上出現的噪聲電壓會被另一根導線上出現的噪聲電壓抵消，因而可以極大地削弱噪聲對信號的影響[4]。

本系統的RS485 通信接口如圖4 所示。單片機通信的輸入、輸出端經過光耦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，單片機發送數據；當EN_485 為低電平時，單片機接收數據。

圖4 RS485 通信接口圖

3 系統軟件設計

3.1 軟件流程

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

圖5 系統軟件流程圖

系統初始化后開始監測斷路器是否動作；如果斷路器動作，系統則以設定好的采樣頻率對四路傳感器信號依次采樣，當系統探測到采樣結束后，將數據通過RS485 通信方式發送到上位機進行處理并顯示。

3.2 系統算法

本監測系統運行時，當檢測到分合閘線圈動作電流大于預定閾值時便會啟動系統采樣，并將分合閘線圈電流、儲能線圈電流等采樣結果存儲在不同的數組中[5]。系統工作算法為首先比較出存儲數據中最大的10 組數據并將其剔除，防止外部干擾造成的尖峰值誤采樣；然后將有效數據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 個原始測量數據D1、D2、D3、D4、D5、D6；

（2）設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據：D1、(D1+D2)/2、(D2+D3)/2、(D3+D4)/2、(D4+D5)/2、(D5+D6)/2；

系統軟件部分主程序由以下幾個子程序構成：

（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）系統延時子程序：void delay(xus)

（5）數據處理子程序：void CHULI()

（6）上傳數據子程序：void SCCS()

4 系統測試

基于STM32F407 的高壓斷路器開關狀態監測系統開發完成后，經過實驗室及工程現場的長期測試、校準，得到了大量的分合閘電流、儲能電機電流等試驗數據，表1是系統測量斷路器分閘時的電流數據與標準校驗儀的數據比對情況，經過測試，系統測量精度能夠滿足標準及設計要求（≦±1%）。

表1

圖6 所示為高壓斷路器操作時，STM32F407 采樣并經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 結語

本項目開展初期對國內外產品市場做了大量的調研，并在傳感器選型方面做了大量工作，尤其在模數轉換過程中，通過鍵入相關電路與算法大大提高了數據采集與處理的精確度。本產品的研發，可大大節省斷路器在運行過程中停電檢修的成本。本產品通過對斷路器的重要參數進行長期連續地在線監測，提高了電力系統運行的安全可靠性及自動化程度。本產品性能可靠，穩定性高，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。