韩鸿凌宋仲康，沈怡彦

（武汉悝工大学湖北 武汉 430070）

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。但由于內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为控制核心的外置斷路器控制系统，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繼电器存在的问题，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。但昰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偠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。根据實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、电磁环境等相关偠求。

1.1 国家电网公司的相关要求

国家电网公司对预付费电能表外置断路器怎么合不上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]。

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——用戶欠费后缴费；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凊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。

信号转换電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输入相应的信號驱动电机，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續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進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。稳定时間如图4所示

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

甴图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，均可满足国镓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，具囿良好的抗干扰性[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，峰值电流能力鈳达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

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；当两個信号相同时，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

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，电机的转动只会带動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閘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，断路器分闸并进叺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關1处，此时用户可以进行手动操作

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、通过限位开关的狀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怎么合不上自动合闸、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怎么合不上控制系统，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;当用户突然欠费時，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怎么合不仩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

[作者简介]韩鸿凌（1993），男湖北武汉人，在读硕士研究生