隨著智能電網的發展，高壓電氣設備數量逐漸增多，智能設備的應用越來越廣泛，設備的檢查、維修任務艱巨，并且維修費用很高。因此，監控高壓電氣設備及各類關鍵元件的實時狀態（如斷路器、接地開關、SF6氣體壓力等報警信號）非常必要，在監控的同時，輸出防誤操作接點信號，從而對高壓電氣設備起到保護或控制的作用，這對確保電力設備正常運行和人員安全具有重大意義。

目前有很多變電站采用定制回路的方式處理各類狀態報警信號，設計人員根據每個變電站的要求，設計出由繼電器搭接的變電站專用回路，需求內容多，設計統一性差，裝配工作量大，易出錯，不利于后期檢修維護。所以亟須一種通用的報警裝置代替這種定制回路的設計方法，以便設計、安裝、維護。

當前國內外高壓開關報警裝置多為一體式，安裝在就地控制柜的柜門面板上，走線較多，占用空間較大，多路擴展性不高。

根據當前工程使用的實際情況，接入開關量信號數量較多，為方便擴展多路信號輸入輸出，本文設計的高壓智能報警裝置為分體式，能夠監控高壓電氣多種設備的正常狀態，使用戶簡潔、直觀地觀測到各類設備的狀態報警信號，并將狀態報警信號傳送至主控室，通知用戶及時處理。

該裝置采用模塊化設計方法，輸入輸出參量簡單，接線方便，通用性高，擴展性好，可靠性高，易于維護，安裝簡單輕便，應用范圍廣，可以有效避免電氣事故的發生。

1 技術原理

高壓智能報警裝置主要監測高壓開關設備無源接點的狀態，輸入信號是從高壓開關本體接入開關量信號（無源接點），包含SF6低氣壓報警信號、開關操作過流報警信號、電源失電報警信號等，經過內部電路和程序處理后，輸出一路或多路接點信號，以及報警燈、聲音指示。

分體式高壓開關智能報警裝置由2個部分構成：主機控制模塊和顯示燈屏。主機控制模塊安裝在就地控制柜內，顯示燈屏嵌入式安裝在就地控制柜門面板上，柜門正對部位為透明有機玻璃，便于巡檢人員及時發現聲光報警并處理故障。高壓開關智能報警監控系統原理如圖1所示。

圖1 智能報警監控系統原理框圖

2 硬件設計

2.1 主機控制模塊

主機控制模塊主要由輸入調理電路、MCU主控電路、電源管理電路、基準時鐘電路、復位電路、數據存儲電路、2個485通信電路、控制輸出電路組成。其中，485燈屏通信電路將控制命令發送給顯示燈屏，485后臺通信電路將狀態信息發送給后臺系統。主機控制模塊結構框圖如圖2所示。

圖2 主機控制模塊結構框圖

2.2 顯示燈屏

顯示燈屏主要由MCU主控電路、顯示電路、聲音報警電路、復位電路、485通信電路、鍵盤電路等組成。鍵盤電路主要是測試鍵、消音鍵和確認鍵，按鍵安裝在燈屏面板上，測試鍵用于燈屏自檢，消音鍵功能是當工作人員聽到聲音報警時，查看報警位置，按消音鍵聲音報警停止，按確認鍵排除故障。燈屏可根據不同程序設定多種顯示方式，顯示燈屏原理框圖如圖3所示。

圖3 顯示燈屏原理框圖

2.3 MCU主控電路

本設計選用的MCU是STM32F4系列芯片，這是以CortexTM-M4為內核的32位高性能微控制器，集成了新的DSP和FPU指令，擁有168MHz的高速性能，具有獨立的指令總線和數據總線，支持程序執行和數據傳輸并行處理，數據傳輸速率非常快，提升了控制算法的執行速度和代碼效率。

接口方式多，12位ADC，全雙工I2S，高速USART、SPI等，應用范圍廣，多應用于自動化、工業和網絡應用的嵌入式實時系統，相比其他主控芯片，更適用于對響應速度要求較高的工程應用環境。

STM32F4系列芯片和相關元器件構成基本MCU主控電路，主要由晶振電路、去耦電路、調試接口電路等組成。MCU主控電路在主機控制模塊和顯示燈屏中均有使用，在主機控制模塊中用以實現輸入信號的監測和輸出信號的控制，并提供備用輸入、輸出擴展電路接口；在顯示燈屏中提供備用燈屏擴展電路接口。

2.4 調理電路

接入信號為直流220V、110V，而STM32F4系列芯片只能處理0～5V的電壓信號，所以在送入信號之前將其處理成0～5V的電壓信號，由電阻構成分壓器，經過光耦隔離輸入，使MCU主控電路與外部電路實現完全隔離，保護芯片的I/O口。調理電路原理如圖4所示。

圖4 調理電路

2.5 控制輸出電路

控制輸出模塊是將STM32F4系列主控芯片輸出的電平信號，經過處理后輸出一對無源接點。采用光耦隔離電路將主控芯片與輸出電路進行隔離保護，控制輸出電路如圖5所示。

圖5 控制輸出電路

OUTB1高電平時，光耦的發光二極管未導通，晶體管Q10未導通，繼電器K1不動作；OUTB1低電平時，光耦的發光二極管導通，晶體管Q10由截止變為導通，繼電器動作；在晶體管開關時，繼電器線圈會產生較大的反向電動勢，二極管D42起到續流保護的作用。

2.6 485通信電路設計

由于485通信具有傳輸距離遠、速度快和抗干擾能力強等特點，MCU主控電路和顯示燈屏、后臺系統之間選用485通信。485通信電路如圖6所示。

圖6 485通信電路

圖中，485A、485B用于連接485總線接口。DI是發送數據收入端，RO是接收輸出端，DE是發送使能信號（高電平有效），RE是接收使能信號（低電平有效）。使用485轉換芯片連接單片機芯片的串口端，實現通信功能。

3 軟件開發

3.1 主控程序

高壓智能報警裝置由兩部分構成，所以軟件程序開發包括主控程序和燈屏顯示兩部分。

主控程序采用模塊化設計和循環掃描方式，主要完成系統設置、時鐘設置、串口設置等初始化任務。該部分程序主要實現輸入信號數據匯總和處理，和輸出接點控制程序等功能。初始化部分包括中央處理器各端口輸入輸出設置、定時器設置、監控芯片的設置、特殊功能寄存器設置，以及485通信程序和數據遠傳功能。

圖7 主控程序流程

3.2 終端顯示程序

該部分主要包括485通信程序和數據遠傳功能、數據解碼和LED顯示功能。

圖8 終端顯示程序流程

結論

本文敘述的以STM32F4系列芯片為主控制器的高壓開關用智能報警裝置，樣機經過原理圖設計、PCB設計制作、元件焊接、機箱設計制作、程序調試完成后，在試驗室進行了功能試驗，試驗結果實現了對各個接入信號的監測和報警功能，功能完整，性能穩定，高壓智能報警裝置實物如圖9所示。

該裝置同時具有可靠性高、抗干擾能力強、壽命長、體積小、實用性高、多路擴展性能強、安裝方便等特點。能夠實時有效地對各種異常情況進行監測并及時報警，為電網的安全可靠運行提供有力保障，具有良好的應用價值和廣闊的市場前景。

圖9 高壓智能報警裝置實物