基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器設計與應用

0　 引言
　　在電力及工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，常用各種類型的繼電器應用于需要進行狀態(tài)監(jiān)控的場合，作為保護的閉鎖動作元件或啟動元件。目前，大部分用于此類場合的繼電器都為靜態(tài)繼電器，完全采用模擬電路設計，參數(shù)設置、整定值設定都采用旋鈕調(diào)節(jié)，采用此方式設置精度低、誤差大、保護功能單一，不帶有顯示裝置，用戶無法從繼電器上得知當前各種電參量，且無法組網(wǎng)實現(xiàn)智能化網(wǎng)絡化。
　　另有一類為多功能綜合性保護型繼電器，如南京因泰萊的PA100系列綜合數(shù)字繼電器、ABB的615系列繼電器，此類型繼電器名稱上為繼電器，其實為多功能繼電保護裝置，此類型的繼電器功能強大，集保護、測量、控制、監(jiān)測、通訊等多種功能于一體，是高端的電力系統(tǒng)自動化硬件裝置，但在許多要求簡單的應用場合使用此類繼電器則存在使用成本高，功能浪費等缺點。
　　本文將要介紹的是一款數(shù)字式量度繼電器（ASJ系列數(shù)字式量度繼電器）的設計和應用，該繼電器功能上除了具有傳統(tǒng)靜態(tài)繼電器具有的特點外，還兼具了方便靈活和智能的特點，具有保護功能較多，靈敏度高，動作時間整定靈活，過欠模式同機整定，實時測量并顯示當前電參量的值，相當于在智能電測儀表的基礎上增加了保護繼電器的功能。

1　 繼電器的硬件設計
　　本數(shù)字式量度繼電器的硬件電路包括主CPU芯片、電源、信號采集電路、人機交互單元、RS485通訊接口及繼電器輸出接口（圖1）。

圖1　硬件電路框圖

1.1 主控CPU
　　本量度繼電器的CPU采用ST公司的基于ARM最新Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F103R8T6，時鐘頻率最高可達72MHz，內(nèi)置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個16位定時器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價比。
1.2 電源
　　電源是一臺設備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關鍵部分，該繼電器采用本公司常用的通用開關電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC85V～265V，輸入頻率45Hz～60Hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對不同供電電壓的要求。輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％。具有過壓、過流保護。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。
1.3 信號采集電路
　　信號采集電路采用互感器隔離輸入，將電流、電壓等電量信號進行隔離，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。采樣信號經(jīng)放大電路放大后進行A/D轉(zhuǎn)換。圖2。

圖2　信號采集電路

1.4 人機交互單元
　　人機交互單元采用LED顯示和按鍵輸入，系統(tǒng)采用單排四位LED數(shù)碼管顯示各種信息。用戶可根據(jù)實際需要進行設置。在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)。數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式，其驅(qū)動電路使用一片74HC595加三極管構(gòu)成。
1.5 RS485通訊接口
　　通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規(guī)約，能實現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能，見圖3。

圖3　通訊電路原理圖

1.6 繼電器輸出接口
　　繼電器輸出接口（圖4）是動作的執(zhí)行機構(gòu)，當出現(xiàn)故障時，繼電器便會產(chǎn)生動作，發(fā)出報警或脫扣信號。

圖4　繼電器輸出原理圖

2　 軟件設計
　　由于本量度繼電器采用數(shù)字電路，核心元件采用的是32位單片機，運算速度快（時鐘頻率72MHz），保護算法都由軟件實現(xiàn)，因此，由同一電參量引申而出的保護功能可集成于一體（如測量三相電流可實現(xiàn)過載、欠載、不平衡、斷相、相序等多種保護），不像靜態(tài)繼電器那樣，不同的保護功能需要不同的模擬電路來實現(xiàn)，導致單個靜態(tài)繼電器往往只有一種保護功能。
2.1 程序設計
　　本繼電器的軟件設計主要包括計算、保護、顯示、按鍵、通訊等各種功能子程序。其中計算子程序主要用于進行信號的采集和運算，實時測量保護對象的電參量；保護子程序主要集成有各種保護算法，將測量得到的各種參數(shù)與預先設定的值來進行對比，來確定是否有故障出現(xiàn)，及時進行保護；顯示、按鍵子程序用于人機交互；通訊子程序則用于將各種參量通過通訊接口遠傳給后臺控制系統(tǒng)。
　　由于程序內(nèi)容較多，現(xiàn)給出主程序流程（圖5）和保護子程序流程圖（圖6）。

圖5　主程序流程圖

圖6　保護子程序流程圖

2.2 過采樣
　　在本產(chǎn)品設計時，便定位于既可作為保護繼電器使用，又可作為低壓電測儀表使用，因此要求本產(chǎn)品的測量精度要高，但出于成本上的考慮，采用主控芯片STM32F103R8T6內(nèi)部自帶的12位AD，為實現(xiàn)高精度的測量，需要在采樣上使用過采樣的技術。根據(jù)奈奎斯特定理可得，每增加一位分辨率，信號必須被以4倍的速率過采樣：f_os=4^w×f_s 。其中，w是希望增加的分辨率位數(shù)，f_s是初始采樣頻率要求，f_os是過采樣頻率。根據(jù)此公式，在采樣時將采樣頻率提高256倍，即將分辨率位數(shù)提高4位，達到了16位的分辨率。采用此方法后，本產(chǎn)品的測量精度達到0.5級，完全可以滿足作為測量型儀表的要求。由于CPU的速度很快，因此不會因為采用過采樣后，采樣點和運算量的增加而導致保護速度不夠。

3　 性能測試
3.1 測量精度的測試（電流型）

圖7

　　試驗裝置由圖7所示，信號發(fā)生源采用深圳科陸公司的RTU檢定裝置CL301V2-R，精度等級0.05。由CL301V2-R輸出三相交流電流來測試ASJ的測量精度，測試結(jié)果見表1。

表1

　　由GB/T22264.1-200《安裝式數(shù)字顯示電測量儀表》第1部分：定義和通用要求中5.2 基本誤差的計算方法，結(jié)合表1測量數(shù)據(jù)可得，精度等級能夠滿足0.5級。
　　計算公式如下：
　　儀表的基本誤差不應超過公式（1）表示的測量值的絕對誤差△。

　　式中： U_x－被測量的讀數(shù)值；
　　　　　 U_m－被測量的滿度值；
　　　　　 a－與讀數(shù)值有關的誤差系數(shù)；
　　　　　 b－與滿度值有關的誤差系數(shù)；

　　公式（1）中應滿足如下關系：a≥4b

3.2 動作誤差測試（電流型）
　　繼電器的動作誤差是一項重要的指標，因此，需要使用專用的繼保測試儀來對ASJ的動作時間誤差進行測試。
　　這里使用“ZS-740微機繼電保護校驗儀”來測試ASJ的動作誤差時間，測試結(jié)果見表2。

表2

4　 產(chǎn)品特點
　　ASJ系列數(shù)字式量度繼電器在結(jié)構(gòu)上采用DIN35mm導軌安裝式和96mm×48mm外型嵌入安裝式兩種方式。該為數(shù)字式繼電器，實時采樣三相交流電量、采用真有效值的計算方法，在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了較高精度的測量。集成有多種保護功能，僅需簡單選擇即可實現(xiàn)保護的投入或退出、報警或跳閘；精度高、功耗小、動作快、返回系數(shù)高、無抖動。 本產(chǎn)品集低壓電測儀表功能和量度繼電器功能于一體，是傳統(tǒng)的靜態(tài)繼電器的理想替代方案。產(chǎn)品符合GB/T 14598量度繼電器的相關標準和GB/T 22264安裝式數(shù)字顯示電測量儀表中的相關標準。
　　按功能可分為電流、電壓、頻率等多種類型，主要技術指標見表3。

表3

5　 應用案例
　　ASJ系列量度繼電器因其具有很寬的頻率測量范圍(20Hz～70Hz內(nèi)都能準確測量)，較高的測量精度及多種保護功能集于一體的特點，已經(jīng)廣泛應用于多種場合。
　　圖8為本產(chǎn)品應用于某柴油發(fā)電機上用于對柴油發(fā)電機的欠、過壓進行保護的圖。由于柴油發(fā)電機的輸出電壓與其轉(zhuǎn)速有關，因此要求測量柴油發(fā)電機輸出電壓的裝置具有較寬的頻率測量范圍，在本應用案例中，柴油發(fā)電機的欠壓點為230VAC（對應23Hz），額定460VAC（對應50Hz），過壓點530VAC（對應55Hz），而采用的ASJ10-AV3電壓型量度繼電器的測量頻率范圍為20Hz～70Hz，在此頻率范圍內(nèi)，能夠準確測量出電壓值，完全能夠滿足此場合的使用要求。其工作流程為：ASJ10-AV3測量柴油發(fā)電機組的輸出電壓，并將此電壓與預先設定的欠壓、過壓值進行比較，一旦出現(xiàn)測量值超出限值，則進入故障延時，延時時間到但故障狀態(tài)未解除則報警或脫扣繼電器動作，發(fā)出告警信號或直接停掉柴油發(fā)電機，從而起到保護柴油發(fā)電機穩(wěn)定運行的作用。

圖8　電壓型應用圖

　　圖9為本產(chǎn)品應用于電動機上用于對電動機運行過程中出現(xiàn)的各種故障進行保護的圖。在電動機運行中，常出現(xiàn)的故障主要有過載和斷相，而對過載的保護又分為定時限、反時限、速斷等多種。在本應用案例中，ASJ10-AI3能夠提供欠載、過載（定時限、反時限、速斷）、不平衡、斷相等多種保護功能。其工作流程為：ASJ10-AI3測量電動機供電電路中的電流值，并將此電流值與預先設定的值進行比較，一旦出現(xiàn)測量值超出限值，則進入故障延時，延時時間到但故障狀態(tài)未解除則報警或脫扣繼電器動作，發(fā)出告警信號或斷開接觸器KM使電動機停止運行，從而起到保護電動機的作用。

圖9　電流型應用圖

6　 結(jié)語
　　ASJ系列數(shù)字式量度繼電器采用先進的設計方案，能夠針對不同的使用場合提供多種保護方式，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，是靜態(tài)模擬繼電器的理想替代產(chǎn)品。

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