基于STM32的一体化智能开关的设计

第一章 绪论

1.1 研究背景

随着经济的发展，人们对电网系统的依赖已经到了无可取代的地步。然而一些偏远地区的人们由于地理位置的原因，电力设备很难得到普及。而这一现象将会在未来几年中得以改变，国家正全力建设新型智能电网系统，使得更多人可以因此改善日常生活。然而一旦电网系统建设完成之后，将会遇到诸多问题：（1）由于我国幅员辽阔，而电力设备又会大大增加，一旦某一地区电网出故障，而又没有备用方案，那么直接造成不便，因此可靠性低[1-5]。（2）远距离监测与通信困难。原有的电力设备无法有效地实时监测电网的运行状态，通信距离的原因也使得电网监测数据不能安全无误地及时送达给上位机。（3）故障定位困难。人工检修只能地毯式进行，并不能精确地定位具体故障位置，以及故障原因。（4）电能参数统计困难。大数据分析在现在智能电网建设过程中至关重要。但是原有的电力设备鲜有自动抄表系统，使得电能数据不能及时统计。（5）区域电网电能质量管理难以统一。传统电能质量统计还是点对点为主，缺少电网优化、载波监听等手段，区域范围内的谐波源难以被侦测到，电能管理无法合理统一。

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1.2 研究目的与意义

总上所述，为了实现真正的智能电网，就必须全方位对电力设备运行状态进行监测。在现代智能电网中，电力开关设备主要包括断路器，互感器、熔断器、负荷开关以及隔离开关等，内部包括一系列测量装置、控制装置、执行装置、信号发射装置等组成。所承担的功能也不仅仅是隔离故障源，还要保护设备内部元器件。此外，还需要实时监测电力开关设备的运行状态，并及时与人机接口进行交互。一二次侧设备生产日益成熟，使得原本分开的一二次互感器能够很好地融合为一体，极大地缩小了一体化智能开关的体积；互联网技术使得人机对话变得简便。基于这些先进技术，文章提出一体化智能开关的设计[6-8]。

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第二章 一体化开关整体系统硬件设计

2.1 总体方案设计

微处理器模块是整个系统的核心。主要采用的是 STM32F103 为主控芯片，负责数据处理与分析。主程序存储在微处理器模块内嵌的 FLASH 中，为了防止内存空间不够，还外接了一个 RAM 中，负责存储一些缓冲文件，主程序会周期对其进行清理。系统采集的电力数据储存在一片外接的铁电存储器中。电能计量模块采用 ATT7022E。ATT7022E 内自带电能参数统计算法，因此外接电路只需要对其连接的接口进行检测，将统计好的电能参数按照正常工作时序传入单片机即可。具体内部电能参量计算后面章节会详细给出。微机继电保护是一体化开关必不可少的一部分。微机控制系统都是低压工作模式，然而电网电压往往都是高压或者特高压，继电保护模块一方面将强弱电进行隔离，另一方面也是二者的媒介，微处理器可对继电保护的低压侧发出指令，继电保护的驱动电路随之动作，从而对电网分合闸，达到预期效果。继电保护的另外一个功能就是采集电压电流信号，将二次侧的电压电流信号分别用相应的互感器采集过来，经过滤波，放大等环节送给微处理器模块，最后上传至上位机，做到对电网的实时监控。微机继电保护不仅对微处理器进行隔离，也起到对整个系统所有模块都进行隔离保护功能[23-28]。

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2.2 微机继电保护装置介绍

电力系统的继电保护装置是随着电力系统等的发展和不断适应电力系统发展的要求而发展的。早期的继电保护是熔断器，当供电设备发生短路而造成局部电流过大时，熔断器的熔体会过电流发热熔断，电路被切断。随着用电设备和供电范围的扩大，许多情况下熔断器已经不能满足需求了。于是出现了更专业的断流装置—过电流继电器。众所周知，微机保护装置你需满足四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。选择性是指电力系统中发生故障时应由据故障点距离最近的保护装置动作，，切除故障。速动性是指电力系统中出现故障后，微机保护装置应能迅速动作，切除故障，以减少故障所带来的损失。灵敏性是指微机保护装置在保护范围内对任何类型的故障或者不正常运行状态，都能够迅速反应。可靠性是指微机保护装置在故障的时候能够准确动作，在正常运行状态下不应该误动作。

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第三章 一体化开关软件设计................30

3.1 软件系统总体设计................30

3.2 一体化开关主程序设计................31

第四章 系统测试分析................40

4.1 整体测试工具介绍................40

4.2 电源测试................40

第四章 系统测试分析

4.1 整体测试工具介绍

为了使一体化智能开关能够准确地监测电网质量，需要对真个系统进行模拟测试。测试分为本机测试和远程测试，本机测试即指通过下载电路将程序拷进单片机的存储器中，再检测端口，看看能否正常工作。远程通信测试是指利用网络通信测试工具对主机 IP 和端口，上位机 IP 和端口进行连接，并发送测试数据。测试部件包括核心电路板、信号发生器、JTAG 下载器、个人 PC 等。

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4.2 电源测试

整个电源系统包括开关电源和主电路板上的电源控制模块。在主电路的电源控制模块上，每个电源的 VCC 电位都要测试，同样的接地点 GND 也要逐一测试。当确定电源引脚焊接无误能够正常工作时，在进行下一步通电测试。通电前检查所有 VCC 与 GND 是否有短接现象，先排除硬件故障。再测试电容的极性，电阻值是否正确。通电后，观察各个电源指示灯是否正常亮灭，个电源模块有没有急剧发热的现象。

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结论

随着电网技术的发展，对新型智能电网的要求也越来越高。传统电网中的电力设备，配电箱等虽然为整个电力系统的稳定运行起到至关重要的作用，但是功能上比较单一，而且运维成本较高，包括硬件的迭代更新，投入使用后的后期维护，以及人工等。本设计针对传统电力开关工作效率低等缺点，引入电能计量模块实现了自动抄表的功能。借助内置 TCP/IP 的远程通信模块一方面可远程监控电力设备的运行状态，还可以准确定位故障源。系统主要工作总结如下：(1)根据一体化智能开关对电力设备状态进行监测的功能要求，对系统的通信协议选择分析，查阅相关资料之后确定采用内嵌 TCP/IP 协议栈的 SSIM900A 通信模块。根据 SIM900A 芯片资料设计其硬件电路，结合整体功能要求进行软件设计部分及流程进行初步设计。测试结果表明 SIM900A 可以减少 CPU 的开销，提高程序运行效率，还能够加强传输过程的安全性和稳定性。TCP 传输不仅可以双向进行，还带有差错校验协议，大大提高数据传输的准确性，丢包率极低。

参考文献（略）