基于32位ARM微控制器的重合器控制器研制

摘 要：智能配電網是智能電網的重要組成部分，自動重合器為實現智能配電網提供了線路運行狀態采集、故障定位和故障隔離。它包括斷路器本體和重合器控制器兩個部分，其中控制器是自動重合器的核心部分。本文首先從硬件框架說明重合器控制器所包含的各個硬件功能模塊；其次在軟件設計方面，充分考慮軟件工程和模塊化的設計思路，從軟件模塊劃分以及各模塊間的關系來說明控制器的軟件結構；最后在電磁兼容設計方面，根據相關的試驗標準，對設計的重合器控制器進行了最高等級的測試，測試過程中無器件損壞及控制器重啟等異常現象。

關鍵詞：智能配電網；自動重合器；重合器控制器

中圖分類號：TM 561 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0000-00

智能電網涵蓋電網的發電、輸電、變電、配電和用電五個環節。智能配網是智能電網的關鍵環節之一，它的目標是提高供電可靠性、改善電能質量和提高配網的運行管理效率，實現配網的優化和經濟運行。其中提高供電可靠性要求系統能夠在發生故障時實現快速故障定位、自動故障隔離、網絡架構重建，縮短系統停電時間，縮小故障停電范圍。

重合器控制器是實現故障定位和自動故障隔離的重要環節之一，它集遙信、遙測、遙控功能于一體，通過監測饋線電路的運行狀態和運行參數來判斷線路故障，按照預定的設置進行延時和重合，能快速定位、隔離配電線路故障，并根據負荷情況實現網絡重構，從而達到提高供電可靠性的目的。

1 系統的組成及性能參數

1.1重合器控制器原理框圖

重合器控制器由電源模塊、主處理器模塊、協處理器模塊、開關驅動模塊、以太網模塊、備用電池及各種通信模塊等組成，其原理圖見圖1。

1.2 重合器控制器主要功能

智能保護控制功能：三段多時限相間過流保護，定值、時段可任意整定；多曲線反時限過流保護，預存60個常用曲線（包括標準曲線、非標準曲線、定時限曲線等，反時限曲線可編輯）；接地保護定時限/反時限過流保護，定值、時段可任意整定；三次綜合重合閘，重合次數和間隔時間可任意整定，重合閘后過流保護曲線的類型可以任意整定，可以根據現場具體情況任意整定動作順序和曲線類型，如一快三慢、二快二慢、一快二慢等。手合邏輯，故障閉鎖重合閘；冷負荷啟動；順序配合功能、接地分閘、重合重試功能、大電流閉鎖等保護邏輯。

全電量測量功能：實現對三相相電壓、三相線電壓、三相電流、三相有功功率、總有功功率、三相無功功率、總無功功率、三相功率因子、總功率因子、三相正向有功電度、總有功電度、三相正向無功電度、總無功電度、2-14次諧波（可選）。

負荷統計功能：計算取樣間隔（默認值15分鐘）的平均電流，可以保存4500點，并按照先進先出保存，產生最近電流負荷曲線。日電流峰值和谷值平均電流，并保存，按日加載時標。

面板設計：160*160液晶顯示，支持遙測查詢，遙信查看、參數查詢/設置、控制輸出。參數設置和控制輸出帶權限管理，直觀的運行狀態指示。可以通過液晶界面查詢負荷統計、日負荷統計。

采用通信觸發、就地手動操作觸發、保護觸發控制邏輯，完成對IGBT的開關控制，大電流永磁控制驅動，可以配套國際主流的大部分永磁開關。

調試串口通信，可以方便的實現對控制器的數據查看、參數整定、錄波波形瀏覽等功能，支持GPS信號接入對時功能。

串口通信，支持101規約，支持事件主動上報；支持DNP3.0規約；以太網通信，支持104規約。

具備大容量事件順序記錄（256條）、操作報文存儲及故障數據及永磁驅動過程錄波（512條）數據存儲功能。

滿足GB/T 17626.5-2008浪涌（沖擊）抗擾度試驗最高等級的要求，完成模擬雷擊操作測試。

2 硬件系統的組成

2.1主控制器模塊

該模塊采用意法半導體公司的STM32系列CPU作為核心處理器，完成交/直流信號的AD采樣、大容量DataFlash存儲負荷記錄和錄波曲線、EERPOM參數存儲、實時時鐘等功能，全電量測量，提供三相電流、三相電壓、零序電流、零序電壓的采集，提供對鋰電池電壓的監控，具有10路的開關量輸入采集、7路的繼電器輸出，提供三段式電流保護功能、反時限保護功能、重合閘功能、冷負荷保護等保護邏輯，負荷統計、日極值統計功能，具有以太網通信、串口、無線射頻、GPRS等多種通信接口多協議并行通信，可以根據需要靈活的擴展分布式智能控制邏輯和全電量測量功能。

2.2電源模塊

該模塊支持PT供電，電源模塊把外部提供的PT電源轉換成28V左右的直流電源，用于對外接的24V蓄電池充電，當外部供電不足，可以立刻通過蓄電池不間斷的對設備進行供電。通過開關電源模塊把28V直流電源隔離轉換成控制器需要的5V、+15V、-10V、220VDC等。

2.3永磁驅動模塊

該模塊完成永磁開關的智能驅動控制，能夠實時在線分析永磁驅動過程的線圈電流，優化永磁驅動過程。具有永磁操作波形記錄大容量存儲功能，且能在線監測電容器的電壓及其老化狀態。

2.4大電容器組

大電容器組提供兩組22000uF/250V的電容器，保證永磁開關的四次分閘、三次重合閘的開關操作所需要的能量供給。

2.5備用電池

備用電池為24V/7AH的免維護鉛酸蓄電池，保證在線路失電狀態下可靠分/合閘操作。

2.6各通信模塊

通信模塊的功能是完成對101、104、DNP3.0規約的支持，通信模塊包含一個232/485接口，以便可以通過調試軟件對重合器控制器進行操作。

3 軟件系統的組成

3.1軟件主要處理流程

按照任務的優先順序和無操作系統單片機程序的特點，把主要程序架構分為前臺主運行循環和后臺中斷任務。其中1毫秒中斷、通信數據發送接收中斷的優先級較低，而采樣處理的中斷優先級別則是最高的。軟件的主要任務處理流程圖見圖2。

3.2軟件主要模塊說明

模塊劃分將按照軟件工程的概念對源文件進行劃分，并注意驅動程序和應用軟件的模塊劃分，關于和具體CPU相關的驅動程序均放到對應的驅動模塊中，分為以下模塊：如表1所示。

4 電磁兼容測試

4.1靜電放電抗干擾度測試

對重合器控制器的靜電放電抗干擾度測試按GB-T 17626.2-2006標準進行了空氣放電和接觸放電的測試，測試等級均為4級，即試驗電壓分別為±15KV和±8KV，未出現異常。

4.2工頻磁場抗擾度測試

對重合器控制器的工頻磁場抗擾度測試按GB-T 17626.8-2006標準進行了穩定磁場（持續）和短時磁場（1～3s）的測試，測試等級均為5級，即磁場強度分別為100A/m和1000A/m，未出現異常。

4.3阻尼振蕩磁場抗擾度測試

對重合器控制器的阻尼振蕩磁場抗擾度測試按GB-T 17626.10-1998標準進行，測試等級為5級，即阻尼振蕩磁場強度為100A/m（峰值），未出現異常。

4.4電快速瞬變脈沖群抗擾度測試

對重合器控制器的電快速瞬變脈沖群抗擾度測試按GB-T 17626.4-2008標準進行了差模和共模的測試，測試等級均為4級，即電壓峰值分別為±2KV和±4KV，未出現異常。

4.5浪涌（沖擊）抗擾度試驗

對重合器控制器的浪涌（沖擊）抗擾度測試按GB-T 17626.5-2008標準進行了差模和共模的測試，測試等級均為4級，即開路電壓峰值分別為±2KV和±4KV，短路電流峰值分別為1000A和2000A，未出現異常。

5 結語

本系統通過對重合器控制器硬件設計、軟件設計、電磁兼容設計及測試，在功能和性能方面都達到預期指標。在設計的重合器控制器的過程中，軟件和硬件都采用模塊化的設計，這樣有助于降低開發費用、縮短開發周期以及后期產品維護費用。該重合器控制器具有短距離無線通信模塊，可以通過手持終端讀取事件順序記錄（SOE）、對重合器進行操作等。目前該重合器控制器已配合本公司生產的永磁開關完成掛網測試，從監測的結果來看，運行穩定。

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收稿日期：2018-06-18

作者簡介：李金龍（1985—），男，天津人，本科，工程師，研究方向：配電網自動化。