韩鸿凌，宋仲康，沈怡彦
（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）
[摘 要]随着智能小区的快速发展，电量采集系统广泛应用，内置继电器式预付费电能表也随之应用到千家万户。但由于内置继电器的触点间距较小，在分合闸过程中易出现爬电、闪络等现象，造成继电器触点氧化、接触不良等问题。基于STM8S103F为控制核心的外置断路器控制系统，接收电能表控制信号，经信号处理驱动电机动作，从而快速、准确地进行合、分闸动作，克服了现有预付费电能表内置继电器存在的问题，能够满足国家电网公司预付费电能表对外置断路器的控制技术要求。
[关键词]STM8；预付费电表；小型断路器；电能表
随着社会经济不断发展，人们对生活质量要求越来越高，对电能的需求也越来越多，如何能及时收回电费又满足电力用户用电需求是供电企业亟待解决的问题。目前，内置继电器式预付费电能表广泛应用到千家万户，基本解决了电费及时回收与满足电力用户用电需求的矛盾。但是，由于内置继电器触点间距较小，在分合闸过程中易出现爬电、闪络等现象，长时间运行后会造成继电器触点氧化、接触不良[1-2]等问题，降低了供电可靠性，出现用户交费也无法用电或用户欠费又不能分闸等现象。
本文是按照国家电网公司预付费电能表外置小型断路器技术要求设计，该设计使用单片机控制驱动电机带动断路器刀闸运动，实现自动合、分闸功能。控制系统的控制信号来至预付费电能表。根据实际需要，本设计采用了STM8S103F控制芯片，该芯片具有功耗低、处理速度快、性价比高的特点，同时满足现场使用的环境条件、电磁环境等相关要求。
国家电网公司对预付费电能表外置断路器提出了具体要求，其中最基本的分、合闸操作要求如表1所示[3]。
表1 断路器状态控制表
Tab.1 Circuit breaker state control chart
相线AC220V AC220V AC220V AC220V AC220V AC220V AC220V-0VAC220V AC220V-0VAC220V 0V 0V控制信号线上升AC220V AC220V下降下降0 V AC220V初始状态分闸合闸分闸合闸分闸分闸合闸动作后状态合闸分闸合闸分闸分闸分闸合闸AC220V 分闸分闸合闸分闸分闸合闸备注从0 V跳变到220 V，收到合闸信号手动分闸手动合闸从220 V跳变到0 V，收到分闸信号从220 V跳变到0 V，收到分闸信号0 V控制信号，不允许合闸线路断电前处于合闸状态，线路断电后又上电，不允许分闸后再后闸线路断电前处于分闸状态，线路断电后又上电，不允许合闸或合闸后再分闸线路断电，保持原状态线路断电，保持原状态
从表1中可以看出，相线代表供电状态，AC220V——有电；0 V——停电。控制信号线代表用户电费情况，上升——用户欠费后缴费；下降——用户突然欠费；AC220V以及0 V代表用户一直有钱或用户一直没有钱。值得注意的是，该断路器存在不允许用户手动操作的情况，因此应为电机转动加入锁死区域。
另外，国家电网公司要求外置断路器在合闸、分闸静止工作状态时电流必须小于0.2 mA。自动合闸时间必须小于3 s，自动分闸时间必须小于2 s[4]。
该外置断路器采用意法半导体公司生产的8位单片机STM8S103F为控制核心CPU，其总体设计框图如图1所示。
图1 总体设计框图
Fig.1 Overall design block diagram
信号转换电路接收电能表控制信号，将检测到的控制信号AC220V以及0V转换为单片机所能识别的1、0信号，CPU处理器对信号进行分析处理，按照表1输入相应的信号驱动电机，电机带动断路器闸刀运动，实现自动合、分闸功能。当限位开关接通时，单片机收到反馈信号，电机停止转动，以免电机继续转动导致断路器受损。
为将控制信号AC220V、0 V转换为单片机所能识别的数字信号，设计的信号转换电路如图2所示。
将控制信号线输出的交流电进行整流滤波，再通过光电耦合器输出高、低电平给单片机[5-7]。通过电路分析易知，当控制信号为AC220V时，光电耦合器导通，单片机收到低电平；当控制信号为0 V，即用户欠费时，光电耦合器断开，单片机收到高电平。
将电路在Multisim12.0软件中进行仿真，电流表XMM1测量工作电流，示波器XSC1可以反映出自动分闸合闸时间。
当控制信号为AC220V时，单片机输入为0，要求电机正转，断路器进行合闸动作。此时，工作状态电流如图3所示。稳定时间如图4所示
图2 信号转换电路设计图
Fig.2 Design of signal conversion circuit
图3 合闸静止工作状态电流
Fig.3 Closing quiescent working current
图4 自动合闸时间
Fig.4 Automatic closing time
当控制信号为0 V时，单片机输入为1，要求电机反转，断路器进行分闸动作。此时，工作状态电流如图5所示，稳定时间如图6所示。
图5 分闸静止工作状态电流
Fig.5 Quiescent working state of brake
图6 自动分闸时间
Fig.6 Automatic switching time
由图3和图5可知，断路器静止工作状态时电流均小于0.2 mA，满足国网要求。由图4可知从5 V稳定到0 V约用时20 ms。由图6可知从0 V稳定到5 V用时极短，均可满足国家电网公司的相关要求。
本设计采用一个电机驱动断路器刀闸动作，选用L9110芯片作为电机驱动芯片。L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性[8]。两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800 mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0 A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置钳位二极管具有感性负载反向冲击功能，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠[9-10]。驱动电路图如图7所示。
图7 L9110驱动电路
Fig.7 L9110 drive circuit
正转信号为1，反转信号为0时，电机正转；正转信号为0，反转信号为1时，电机反转；当两个信号相同时，电机不转。因此采用该芯片可以最简单直观地满足断路器设计要求。
电机带动断路器闸刀转动示意图如图8所示。
图8 电机转动示意图
Fig.8 Schematic diagram of motor rotation
无论断路器合闸还是分闸，电机都需要先转动一定角度，脱离锁死区。在锁死区内，断路器内部通过机械部件锁死闸刀的运动，电机的转动只会带动机械部件脱离锁死状态而不会带动闸刀动作。当电机转动到合、分闸转动区时，机械部件完全脱离锁死状态，此时电机的转动才会带动闸刀进行相对应的动作。采用三个限位开关，可以很好地限制电机转动的最大角度，不会损伤断路器。
当用户突然欠费，断路器分闸并进入锁死区，电机最终会转动到限位开关3处，禁止用户手动操作。
当用户欠费后缴费，断路器脱离锁死区并合闸，电机最终会转动到限位开关1处，此时用户可以进行手动操作。
图9 程序流程图
Fig.9 Program flow chart
该断路器软件设计利用IAR Embedded Work⁃bench平台，采用模块化结构。由主程序、电机驱动子程序、中断子程序等构成。程序流程图如图9所示。
该程序主要功能是采集信号转换电路的输出信号、等待用户缴费情况产生的上升沿或下降沿中断、通过限位开关的状态判断断路器的初始位置以及控制电机的转动与停止，实现预付费电能表外置断路器自动合闸、分闸功能。
本文设计了一种基于STM8芯片的预付费电能表外置断路器控制系统，采用STM8S103F芯片作为中央处理器，采集预付费电能表输出的控制信号，从而控制断路器刀闸自动合、分闸操作。
当用户缴费后，CPU控制电机模块带动外置断路器脱离锁死区并自动合闸，此时允许用户手动操作;当用户突然欠费时，CPU控制电机模块带动外置断路器自动分闸并进入锁死区，此时不允许用户进行手动操作。
本文设计的预付费电能表外置断路器控制系统有效解决了现有预付费电表使用内置继电器所带来的缺陷，能够正常且快速精确地实现自动合闸、分闸的操作。在此基础上还加入断路器锁死区，具有一定的防窃电功能，满足国家电网公司智能用电管理要求，经济实用，具有良好的发展前景。
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Design of External Circuit Breaker for Prepayment Meter Based on STM8
Han Hongling，Song Zhongkang，Shen Yiyan
（Wuhan University of Technology,Hubei Wuhan430070,China）
[Abstract]With the rapid development of intelligent community,the power collection system is widely used,and the built-in relay type prepaid energy meter is also applied to thousands of house⁃holds.However,due to the small contact distance of the built-in relay,the phenomenon of creepage and flashover is prone to occur during the switching process,resulting in the oxidation of the relay contacts and the poor contact.The external circuit breaker control system based on STM8S103F as the control core can receive power meter control signal,then the motor is operated by signal pro⁃cessing so as to rapidly and accurately perform the braking operation,which overcomes the existing prepayment meter built-in relay problems,can satisfy the control technical requirements of State Grid Corp prepayment meter for the external circuit breakers.
[Key words]STM8;prepayment electricity meter;miniature circuit breaker;electric energy meter
[中图分类号]TP23
[文献标志码]B B
[文章编号]1006-3986(2017)04-0045-05
[收稿日期]2017-03-23
[作者简介]韩鸿凌（1993），男，湖北武汉人，在读硕士研究生。
DOI:10.19308/j.hep.2017.04.010
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