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[待整理] 基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

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发表于 2014-10-12 16:06:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
  引言

在电力及工业自动化控制系统中,常用各种类型的继电器应用于需要进行状态监控的场合,作为保护的闭锁动作元件或启动元件。目前,大部分用于此类场合的继电器都为静态继电器,完全采用模拟电路设计,参数设置、整定值设定都采用旋钮调节,采用此方式设置精度低、误差大、保护功能单一,不带有显示装置,用户无法从继电器上得知当前各种电参量,且无法组网实现智能化网络化。

另有一类为多功能综合性保护型继电器,如南京因泰莱的PA100系列综合数字继电器、ABB的615系列继电器,此类型继电器名称上为继电器,其实为多功能继电保护装置,此类型的继电器功能强大,集保护、测量、控制、监测、通讯等多种功能于一体,是高端的电力系统自动化硬件装置,但在许多要求简单的应用场合使用此类继电器则存在使用成本高,功能浪费等缺点。

本文将要介绍的是一款数字式量度继电器(ASJ系列数字式量度继电器)的设计和应用,该继电器功能上除了具有传统静态继电器具有的特点外,还兼具了方便灵活和智能的特点,具有保护功能较多,灵敏度高,动作时间整定灵活,过欠模式同机整定,实时测量并显示当前电参量的值,相当于在智能电测仪表的基础上增加了保护继电器的功能。

1  继电器的硬件设计


本数字式量度继电器的硬件电路包括主CPU芯片、电源、信号采集电路、人机交互单元、RS485通讯接口及继电器输出接口(图1)。

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

图1 硬件电路框图

1.1  主控CPU

本量度继电器的CPU采用ST公司的基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器STM32F103R8T6,时钟频率最高可达72MHz,内置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源,具有极高的性价比。

1.2  电源

电源是一台设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分,该继电器采用本公司常用的通用开关电源模块。该电源模块输入电压为AC85V~265V,输入频率45Hz~60Hz,具有多路隔离电压输出,满足多种功能对不同供电电压的要求。输出电压稳定、故障率小,输出纹波 <1%。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用,具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。

1.3  信号采集电路

信号采集电路采用互感器隔离输入,将电流、电压等电量信号进行隔离,提高系统的安全性和可靠性。采样信号经放大电路放大后进行A/D转换。图2。

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

图2 信号采集电路

1.4  人机交互单元

人机交互单元采用LED显示和按键输入,系统采用单排四位LED数码管显示各种信息。用户可根据实际需要进行设置。在编程状态下显示菜单及参数。数码管显示采用动态扫描方式,其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成。

1.5  RS485通讯接口

通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约,能实现遥测、遥控、遥信等功能,见图3。

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

图3 通讯电路原理图

1.6  继电器输出接口

继电器输出接口(图4)是动作的执行机构,当出现故障时,继电器便会产生动作,发出报警或脱扣信号。

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

图4 继电器输出原理图

2  软件设计

由于本量度继电器采用数字电路,核心元件采用的是32位单片机,运算速度快(时钟频率72MHz),保护算法都由软件实现,因此,由同一电参量引申而出的保护功能可集成于一体(如测量三相电流可实现过载、欠载、不平衡、断相、相序等多种保护),不像静态继电器那样,不同的保护功能需要不同的模拟电路来实现,导致单个静态继电器往往只有一种保护功能。

2.1  程序设计

本继电器的软件设计主要包括计算、保护、显示、按键、通讯等各种功能子程序。其中计算子程序主要用于进行信号的采集和运算,实时测量保护对象的电参量;保护子程序主要集成有各种保护算法,将测量得到的各种参数与预先设定的值来进行对比,来确定是否有故障出现,及时进行保护;显示、按键子程序用于人机交互;通讯子程序则用于将各种参量通过通讯接口远传给后台控制系统。

由于程序内容较多,现给出主程序流程(图5)和保护子程序流程图(图6)。

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

图5 主程序流程图

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

图6 保护子程序流程图

2.2  过采样

在本产品设计时,便定位于既可作为保护继电器使用,又可作为低压电测仪表使用,因此要求本产品的测量精度要高,但出于成本上的考虑,采用主控芯片STM32F103R8T6内部自带的12位AD,为实现高精度的测量,需要在采样上使用过采样的技术。根据奈奎斯特定理可得,每增加一位分辨率,信号必须被以4倍的速率过采样:fos=4w×fs  。其中,w是希望增加的分辨率位数,fs是初始采样频率要求,fos是过采样频率。根据此公式,在采样时将采样频率提高256倍,即将分辨率位数提高4位,达到了16位的分辨率。采用此方法后,本产品的测量精度达到0.5级,完全可以满足作为测量型仪表的要求。由于CPU的速度很快,因此不会因为采用过采样后,采样点和运算量的增加而导致保护速度不够。

3  性能测试

3.1  测量精度的测试(电流型)
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基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

图7
试验装置由图7所示,信号发生源采用深圳科陆公司的RTU检定装置CL301V2-R,精度等级0.05。由CL301V2-R输出三相交流电流来测试ASJ的测量精度,测试结果见表1。
表1
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发表于 2017-9-30 20:33:56 | 显示全部楼层
挺不错的,做一个
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