基于ARM的高压开关智能报警装置开发
西安西电开关电气有限公司的研究人员葛允、郭诚、张豪俊、张库娃、张子剑，在2019年第12期《电气技术》杂志上撰文，开发了一种基于ARM的智能报警装置。
该装置主要采集高压开关回路中的开关量报警信号，如气室压力低、电机过热等，通过信号调理和光耦隔离技术，对接入信号进行采集和处理；采用ARM系列低功耗微处理器作为主控芯片，控制就地显示灯屏声光报警，同时输出开关量信号，上送给主控室继电保护系统，供用户控制和状态采集使用，用户可及时地发现、排除故障，防止故障进一步扩大，有效降低维修成本。
随着智能电网的发展，高压电气设备数量逐渐增多，智能设备的应用越来越广泛，设备的检查、维修任务艰巨，并且维修费用很高。因此，监控高压电气设备及各类关键元件的实时状态（如断路器、接地开关、SF6气体压力等报警信号）非常必要，在监控的同时，输出防误操作接点信号，从而对高压电气设备起到保护或控制的作用，这对确保电力设备正常运行和人员安全具有重大意义。
目前有很多变电站采用定制回路的方式处理各类状态报警信号，设计人员根据每个变电站的要求，设计出由继电器搭接的变电站专用回路，需求内容多，设计统一性差，装配工作量大，易出错，不利于后期检修维护。所以亟须一种通用的报警装置代替这种定制回路的设计方法，以便设计、安装、维护。
当前国内外高压开关报警装置多为一体式，安装在就地控制柜的柜门面板上，走线较多，占用空间较大，多路扩展性不高。
根据当前工程使用的实际情况，接入开关量信号数量较多，为方便扩展多路信号输入输出，本文设计的高压智能报警装置为分体式，能够监控高压电气多种设备的正常状态，使用户简洁、直观地观测到各类设备的状态报警信号，并将状态报警信号传送至主控室，通知用户及时处理。
该装置采用模块化设计方法，输入输出参量简单，接线方便，通用性高，扩展性好，可靠性高，易于维护，安装简单轻便，应用范围广，可以有效避免电气事故的发生。
1 技术原理
高压智能报警装置主要监测高压开关设备无源接点的状态，输入信号是从高压开关本体接入开关量信号（无源接点），包含SF6低气压报警信号、开关操作过流报警信号、电源失电报警信号等，经过内部电路和程序处理后，输出一路或多路接点信号，以及报警灯、声音指示。
分体式高压开关智能报警装置由2个部分构成：主机控制模块和显示灯屏。主机控制模块安装在就地控制柜内，显示灯屏嵌入式安装在就地控制柜门面板上，柜门正对部位为透明有机玻璃，便于巡检人员及时发现声光报警并处理故障。高压开关智能报警监控系统原理如图1所示。
图1 智能报警监控系统原理框图
2 硬件设计
2.1 主机控制模块
主机控制模块主要由输入调理电路、MCU主控电路、电源管理电路、基准时钟电路、复位电路、数据存储电路、2个485通信电路、控制输出电路组成。其中，485灯屏通信电路将控制命令发送给显示灯屏，485后台通信电路将状态信息发送给后台系统。主机控制模块结构框图如图2所示。
图2 主机控制模块结构框图
2.2 显示灯屏
显示灯屏主要由MCU主控电路、显示电路、声音报警电路、复位电路、485通信电路、键盘电路等组成。键盘电路主要是测试键、消音键和确认键，按键安装在灯屏面板上，测试键用于灯屏自检，消音键功能是当工作人员听到声音报警时，查看报警位置，按消音键声音报警停止，按确认键排除故障。灯屏可根据不同程序设定多种显示方式，显示灯屏原理框图如图3所示。
图3 显示灯屏原理框图
2.3 MCU主控电路
本设计选用的MCU是STM32F4系列芯片，这是以CortexTM-M4为内核的32位高性能微控制器，集成了新的DSP和FPU指令，拥有168MHz的高速性能，具有独立的指令总线和数据总线，支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率非常快，提升了控制算法的执行速度和代码效率。
接口方式多，12位ADC，全双工I2S，高速USART、SPI等，应用范围广，多应用于自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统，相比其他主控芯片，更适用于对响应速度要求较高的工程应用环境。
STM32F4系列芯片和相关元器件构成基本MCU主控电路，主要由晶振电路、去耦电路、调试接口电路等组成。MCU主控电路在主机控制模块和显示灯屏中均有使用，在主机控制模块中用以实现输入信号的监测和输出信号的控制，并提供备用输入、输出扩展电路接口；在显示灯屏中提供备用灯屏扩展电路接口。
2.4 调理电路
接入信号为直流220V、110V，而STM32F4系列芯片只能处理0～5V的电压信号，所以在送入信号之前将其处理成0～5V的电压信号，由电阻构成分压器，经过光耦隔离输入，使MCU主控电路与外部电路实现完全隔离，保护芯片的I/O口。调理电路原理如图4所示。
图4 调理电路
2.5 控制输出电路
控制输出模块是将STM32F4系列主控芯片输出的电平信号，经过处理后输出一对无源接点。采用光耦隔离电路将主控芯片与输出电路进行隔离保护，控制输出电路如图5所示。
图5 控制输出电路
OUTB1高电平时，光耦的发光二极管未导通，晶体管Q10未导通，继电器K1不动作；OUTB1低电平时，光耦的发光二极管导通，晶体管Q10由截止变为导通，继电器动作；在晶体管开关时，继电器线圈会产生较大的反向电动势，二极管D42起到续流保护的作用。
2.6 485通信电路设计
由于485通信具有传输距离远、速度快和抗干扰能力强等特点，MCU主控电路和显示灯屏、后台系统之间选用485通信。485通信电路如图6所示。
图6 485通信电路
图中，485A、485B用于连接485总线接口。DI是发送数据收入端，RO是接收输出端，DE是发送使能信号（高电平有效），RE是接收使能信号（低电平有效）。使用485转换芯片连接单片机芯片的串口端，实现通信功能。
3 软件开发
3.1 主控程序
高压智能报警装置由两部分构成，所以软件程序开发包括主控程序和灯屏显示两部分。
主控程序采用模块化设计和循环扫描方式，主要完成系统设置、时钟设置、串口设置等初始化任务。该部分程序主要实现输入信号数据汇总和处理，和输出接点控制程序等功能。初始化部分包括中央处理器各端口输入输出设置、定时器设置、监控芯片的设置、特殊功能寄存器设置，以及485通信程序和数据远传功能。
图7 主控程序流程
3.2 终端显示程序
该部分主要包括485通信程序和数据远传功能、数据解码和LED显示功能。
图8 终端显示程序流程
本文叙述的以STM32F4系列芯片为主控制器的高压开关用智能报警装置，样机经过原理图设计、PCB设计制作、元件焊接、机箱设计制作、程序调试完成后，在试验室进行了功能试验，试验结果实现了对各个接入信号的监测和报警功能，功能完整，性能稳定，高压智能报警装置实物如图9所示。
该装置同时具有可靠性高、抗干扰能力强、寿命长、体积小、实用性高、多路扩展性能强、安装方便等特点。能够实时有效地对各种异常情况进行监测并及时报警，为电网的安全可靠运行提供有力保障，具有良好的应用价值和广阔的市场前景。
图9 高压智能报警装置实物