基于32位ARM微控制器的重合器控制器研制

摘 要：智能配电网是智能电网的重要组成部分，自动重合器为实现智能配电网提供了线路运行状态采集、故障定位和故障隔离。它包括断路器本体和重合器控制器两个部分，其中控制器是自动重合器的核心部分。本文首先从硬件框架说明重合器控制器所包含的各个硬件功能模块；其次在软件设计方面，充分考虑软件工程和模块化的设计思路，从软件模块划分以及各模块间的关系来说明控制器的软件结构；最后在电磁兼容设计方面，根据相关的试验标准，对设计的重合器控制器进行了最高等级的测试，测试过程中无器件损坏及控制器重启等异常现象。

关键词：智能配电网；自动重合器；重合器控制器

中图分类号：TM 561 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0000-00

智能电网涵盖电网的发电、输电、变电、配电和用电五个环节。智能配网是智能电网的关键环节之一，它的目标是提高供电可靠性、改善电能质量和提高配网的运行管理效率，实现配网的优化和经济运行。其中提高供电可靠性要求系统能够在发生故障时实现快速故障定位、自动故障隔离、网络架构重建，缩短系统停电时间，缩小故障停电范围。

重合器控制器是实现故障定位和自动故障隔离的重要环节之一，它集遥信、遥测、遥控功能于一体，通过监测馈线电路的运行状态和运行参数来判断线路故障，按照预定的设置进行延时和重合，能快速定位、隔离配电线路故障，并根据负荷情况实现网络重构，从而达到提高供电可靠性的目的。

1 系统的组成及性能参数

1.1重合器控制器原理框图

重合器控制器由电源模块、主处理器模块、协处理器模块、开关驱动模块、以太网模块、备用电池及各种通信模块等组成，其原理图见图1。

1.2 重合器控制器主要功能

智能保护控制功能：三段多时限相间过流保护，定值、时段可任意整定；多曲线反时限过流保护，预存60个常用曲线（包括标准曲线、非标准曲线、定时限曲线等，反时限曲线可编辑）；接地保护定时限/反时限过流保护，定值、时段可任意整定；三次综合重合闸，重合次数和间隔时间可任意整定，重合闸后过流保護曲线的类型可以任意整定，可以根据现场具体情况任意整定动作顺序和曲线类型，如一快三慢、二快二慢、一快二慢等。手合逻辑，故障闭锁重合闸；冷负荷启动；顺序配合功能、接地分闸、重合重试功能、大电流闭锁等保护逻辑。

全电量测量功能：实现对三相相电压、三相线电压、三相电流、三相有功功率、总有功功率、三相无功功率、总无功功率、三相功率因子、总功率因子、三相正向有功电度、总有功电度、三相正向无功电度、总无功电度、2-14次谐波（可选）。

负荷统计功能：计算取样间隔（默认值15分钟）的平均电流，可以保存4500点，并按照先进先出保存，产生最近电流负荷曲线。日电流峰值和谷值平均电流，并保存，按日加载时标。

面板设计：160*160液晶显示，支持遥测查询，遥信查看、参数查询/设置、控制输出。参数设置和控制输出带权限管理，直观的运行状态指示。可以通过液晶界面查询负荷统计、日负荷统计。

采用通信触发、就地手动操作触发、保护触发控制逻辑，完成对IGBT的开关控制，大电流永磁控制驱动，可以配套国际主流的大部分永磁开关。

调试串口通信，可以方便的实现对控制器的数据查看、参数整定、录波波形浏览等功能，支持GPS信号接入对时功能。

串口通信，支持101规约，支持事件主动上报；支持DNP3.0规约；以太网通信，支持104规约。

具备大容量事件顺序记录（256条）、操作报文存储及故障数据及永磁驱动过程录波（512条）数据存储功能。

满足GB/T 17626.5-2008浪涌（冲击）抗扰度试验最高等级的要求，完成模拟雷击操作测试。

2 硬件系统的组成

2.1主控制器模块

该模块采用意法半导体公司的STM32系列CPU作为核心处理器，完成交/直流信号的AD采样、大容量DataFlash存储负荷记录和录波曲线、EERPOM参数存储、实时时钟等功能，全电量测量，提供三相电流、三相电压、零序电流、零序电压的采集，提供对锂电池电压的监控，具有10路的开关量输入采集、7路的继电器输出，提供三段式电流保护功能、反时限保护功能、重合闸功能、冷负荷保护等保护逻辑，负荷统计、日极值统计功能，具有以太网通信、串口、无线射频、GPRS等多种通信接口多协议并行通信，可以根据需要灵活的扩展分布式智能控制逻辑和全电量测量功能。

2.2电源模块

该模块支持PT供电，电源模块把外部提供的PT电源转换成28V左右的直流电源，用于对外接的24V蓄电池充电，当外部供电不足，可以立刻通过蓄电池不间断的对设备进行供电。通过开关电源模块把28V直流电源隔离转换成控制器需要的5V、+15V、-10V、220VDC等。

2.3永磁驱动模块

该模块完成永磁开关的智能驱动控制，能够实时在线分析永磁驱动过程的线圈电流，优化永磁驱动过程。具有永磁操作波形记录大容量存储功能，且能在线监测电容器的电压及其老化状态。

2.4大电容器组

大电容器组提供两组22000uF/250V的电容器，保证永磁开关的四次分闸、三次重合闸的开关操作所需要的能量供给。

2.5备用电池

备用电池为24V/7AH的免维护铅酸蓄电池，保证在线路失电状态下可靠分/合闸操作。

2.6各通信模块

通信模块的功能是完成对101、104、DNP3.0规约的支持，通信模块包含一个232/485接口，以便可以通过调试软件对重合器控制器进行操作。

3 软件系统的组成

3.1软件主要处理流程

按照任务的优先顺序和无操作系统单片机程序的特点，把主要程序架构分为前台主运行循环和后台中断任务。其中1毫秒中断、通信数据发送接收中断的优先级较低，而采样处理的中断优先级别则是最高的。软件的主要任务处理流程图见图2。

3.2软件主要模块说明

模块划分将按照软件工程的概念对源文件进行划分，并注意驱动程序和应用软件的模块划分，关于和具体CPU相关的驱动程序均放到对应的驱动模块中，分为以下模块：如表1所示。

4 电磁兼容测试

4.1静电放电抗干扰度测试

对重合器控制器的静电放电抗干扰度测试按GB-T 17626.2-2006标准进行了空气放电和接触放电的测试，测试等级均为4级，即试验电压分别为±15KV和±8KV，未出现异常。

4.2工频磁场抗扰度测试

对重合器控制器的工频磁场抗扰度测试按GB-T 17626.8-2006標准进行了稳定磁场（持续）和短时磁场（1～3s）的测试，测试等级均为5级，即磁场强度分别为100A/m和1000A/m，未出现异常。

4.3阻尼振荡磁场抗扰度测试

对重合器控制器的阻尼振荡磁场抗扰度测试按GB-T 17626.10-1998标准进行，测试等级为5级，即阻尼振荡磁场强度为100A/m（峰值），未出现异常。

4.4电快速瞬变脉冲群抗扰度测试

对重合器控制器的电快速瞬变脉冲群抗扰度测试按GB-T 17626.4-2008标准进行了差模和共模的测试，测试等级均为4级，即电压峰值分别为±2KV和±4KV，未出现异常。

4.5浪涌（冲击）抗扰度试验

对重合器控制器的浪涌（冲击）抗扰度测试按GB-T 17626.5-2008标准进行了差模和共模的测试，测试等级均为4级，即开路电压峰值分别为±2KV和±4KV，短路电流峰值分别为1000A和2000A，未出现异常。

5 结语

本系统通过对重合器控制器硬件设计、软件设计、电磁兼容设计及测试，在功能和性能方面都达到预期指标。在设计的重合器控制器的过程中，软件和硬件都采用模块化的设计，这样有助于降低开发费用、缩短开发周期以及后期产品维护费用。该重合器控制器具有短距离无线通信模块，可以通过手持终端读取事件顺序记录（SOE）、对重合器进行操作等。目前该重合器控制器已配合本公司生产的永磁开关完成挂网测试，从监测的结果来看，运行稳定。

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收稿日期：2018-06-18

作者简介：李金龙（1985—），男，天津人，本科，工程师，研究方向：配电网自动化。