智能断路器模拟器的设计

丁健

[摘要]本文结合实践需求，设计了一款基于STM32系列单片机的智能模拟断路器，可作为真正的高压断路器的替代设备，模拟断路器可以模拟高压断路器跳合闸的动作行为，完成继电保护的跳合闸试验，常用在电力系统的继电保护设备的整组试验和系统的备用电源自行投切设备的可靠性测试等场合。

[关键词]断路器模拟器；STM32f100；Modbus通讯协议

0引言

电力系统中，配电是一个极其重要的环节。配电系统包括变压器和各种高低压电器设备，低压断路器是电力系统中应用最广泛且是最重要的电器设备之一，它在供电和配电系统中主要担负输配电控制、切断故障电流、保护电网和用电设备的安全运行等工作。

继电保护工作中，为方便调试，模拟断路器的出现就显得很有必要。模拟断路器不仅可以完全实现普通断路器对继电保护系统发出的通断信号做出反馈，对普通断路器进行通断控制和测试，对保护装置进行检测，确保保护装置的无误稳定的工作，在提高继电保护工作效率的同时，延长了模拟断路器的使用寿命。

传统的模拟断路器，主要表現在位置一旦确定就不能再改变，而且性能也不是特别符合生产和工作中的需求。基于8bit的单片机的断路器，很难满足目前的要求。DSP逐渐运用到智能模拟断路器中，可是。性价比不高。自从ARM公司推出Cortex-M3后，其价格优势就比较明显了，M3主要是面向低成本和高性能的MCU应用领域，其可选的产品型号也较多，价格也较便宜。本设计便是在STM32f100微处理器的平台上，设计一种新型的智能模拟断路器。

1系统总体方案设计

本设计主要用来解决备用电源自投设备的调试和继保调试等实际工作中经常遇到的各种实际问题。在现有的断路器的基础上，以STM32f100为控制中心，设计出一种智能型的模拟断路器，实现了按键、无源开入量和485通讯协议三种方法控制主回路的通断，能够实时显示电路的通断状态，同时可以实现开关量的输出。工作过程中，模拟断路器以其完善的功能和特点，不仅可以实现断路器的功能，而且可靠性更高，操作更加简单，性能更加优良。

系统功能分析的基础上，结合实际的需要，将整个系统分为以下9个模块：STM32f100控制模块、AC220V电压输入模块、按键模块、无源开入量模块、通信模块、AC220V电压输出模块、开关量输出模块、LED显示模块、电源模块，系统总体结构功能框图如图1所示：

2系统的硬件电路设计

2.1电源模块

在33V电源转换中，输入电源DC24V，经过DC-DC转换芯片WRB2405降到5V电压，再通过电容滤波得到较稳定的5V电压。然后，经过低压差线性稳压器AMS1117-3.3转换成标准的3.3V，通过电容滤波得到稳定的3.3V电源。

在C+5V电源转换中，在DC-DC转换芯片WRB2405将DC24V降到5V电压的基础上，再经过DC-DC电源隔离模块B0505LS-1WR2输出稳定的5V电源，

2.2通讯模块

RS485通信模块中，通过芯片SN65LBC184的两个引脚DE和RE实际接收的高低电平判断单片机是接收信号还是发送信号，如果是低电平。则单片机接收信号，反之，单片机发送信号。同时，为减少外界对系统的干扰，SN65LBC184芯片接收和发射端的信号通过高速光耦HCPL0600有效隔离，控制端通过PC817进行隔离，

2.3主回路分合闸控制模块

主回路分合闸控制模块中，通过来自微处理器的信号控制光耦的通断，从而控制单相主线路的导通与关断。同时采用承受电压高达350V的光耦隔离器件KAQY210，将微处理器和高压电路隔离，减小电路干扰，增强稳定性。

2.4主回路分合闸状态显示模块

模拟断路器分合闸状态显示模块中，输入端为低电平时，光耦导通红灯亮，绿灯灭；反之输人为高电平时，光耦不导通，红灯灭，绿灯亮。

在两个LED灯的—端，同时加上个24V电压，其中绿灯和二极管1N4148串联接人支路中。由于红色发光二极管的压降为2.0-2.2V，绿色发光二极管的压降为3.0-3.2V，二极管1N4148抬高绿灯的导通电压，使得两个LED灯不能同时点亮。同时在主回路中加上2K的电阻进行限流保护。

在输入控制部分，采用线性光电耦合器PC817作为隔离元件，使电路中的之前端与负载完全隔离，以增强安全性，减小电路干扰。主回路分合闸状态显示模块电路如图2所示：

2.5主回路得失电LED显示模块

模拟断路器的主回路得失电显示电路中，在单相与零线之间接人一个发光二极管，串入一个限流电阻，同时，在发光二极管的两端反并联一个保护二极管，防止回流烧毁发光二极管。

单相电压在220V左右，串入一个大小100K功率为2W的电阻进行保护，为防止反向击穿，用最大输入反向峰值电压为1000V的二极管IN4007进行保护。流过发光二极管的电流大约为3-5mA，保证发光二极管的正常工作。

2.6开入量模块

无源开入量模块中，通过DSPin1或DSPin2与公共端的连接控制光耦PC817的通断，从而把无源开入量的分闸/合闸信号送给处理器进行逻辑控制主回路的断开，闭合。

2.7开关量输出控制模块

两路继电器状态输出控制模块中，通过单片机发出的控制信号控制光耦TLP127的通断，从而控制继电器两路常开信号的分合状态，同时，光耦TLP127对24V继电器和单片机进行隔离，减少电路干扰。

3系统软件设计

软件设计中主要用到的处理器的资源有I/O口的输入输出、定时器2中断、定时器3中断和串口3中断等。软件代码的编写在很多的地方都调用STM32F20x_StdPeriph_Lib_V3.5.0编程固件库，在程序代码的编写中通过适时的调用固件库的封装函数，可以避免了直接去操作底层的寄存器，这样大大缩短了设计周期，对编程人员来说省时又方便。

软件设计分为四个部分，即主程序模块、信息采集模块、通讯模块、逻辑信息处理模块。

通讯模块采用Modbus RTU通讯协议，采用RS485总线通讯，通过处理通讯信息得到模拟器的分合闸控制信息，本部分主要利用两个中断完成，一个是定时器2的中断，另一个就是串口3的接收中断。在信息采集模块，通过定时器3设定一个时间片来定时外部调用通讯控制信息、同时采集无源开入量控制信息和按键控制信息，并将三种不同控制方式的分闸信号进行或运算，再将三种控制方式的合闸信息进行或运算，分别把两个或运算的结果分别赋值给两个分合闸的变量，用于逻辑信息模块的调用：逻辑信息处理模块通过外部调用信息采集模块的分合闸的控制变量，进行逻辑控制，主要是实现模拟断路器的逻辑自保护的功能。

主程序的流程图如图3所示。

4结束语

本文介绍了基于STM32f100断路器模拟器的设计，实现了预期的功能，使得智能断路器在功能的多样性、判断准确性、实时性、人机交互及二次开发的便利性等方面都会有极大的改进。本设计仍还有一些部分内容可以再细化和优化，如考虑过压保护器件TVS管的漏电流情况以及监控主回路电压得失信息的检测电路等内容，就要再完善电路的设计，从而完成更多的功能。

[责任编辑：杨玉洁]