基于STM32F103R8T6的數(shù)字量度繼電器設(shè)計(jì)
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0 引言
在電力及工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，常用各種類型的繼電器應(yīng)用于需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控的場合，作為保護(hù)的閉鎖動(dòng)作元件或啟動(dòng)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(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)置、整定值設(shè)定都采用旋鈕調(diào)節(jié)，采用此方式設(shè)置精度低、誤差大、保護(hù)功能單一，不帶有顯示裝置，用戶無法從繼電器上得知當(dāng)前各種電參量，且無法組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)化。
另有一類為多功能綜合性保護(hù)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(shí)為多功能繼電保護(hù)裝置，此類型的繼電器功能強(qiáng)大，集保護(hù)、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(dòng)化硬件裝置，但在許多要求簡單的應(yīng)用場合使用此類繼電器則存在使用成本高，功能浪費(fèi)等缺點(diǎn)。
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(shè)計(jì)和應(yīng)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(diǎn)外，還兼具了方便靈活和智能的特點(diǎn)，具有保護(hù)功能較多，靈敏度高，動(dòng)作時(shí)間整定靈活，過欠模式同機(jī)整定，實(shí)時(shí)測量并顯示當(dāng)前電參量的值，相當(dāng)于在智能電測儀表的基礎(chǔ)上增加了保護(hù)繼電器的功能。
1 繼電器的硬件設(shè)計(jì)
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(hào)采集電路、人機(jī)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(shí)鐘頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個(gè)16位定時(shí)器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價(jià)比。
1.2 電源
電源是一臺(tái)設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分，該繼電器采用本公司常用的通用開關(guān)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(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)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(hào)采集電路
信號(hào)采集電路采用互感器隔離輸入，將電流、電壓等電量信號(hào)進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。采樣信號(hào)經(jīng)放大電路放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖2。
圖2 信號(hào)采集電路
1.4 人機(jī)交互單元
人機(jī)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(shí)際需要進(jìn)行設(shè)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(dòng)態(tài)掃描方式，其驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，繼電器便會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警或脫扣信號(hào)。
圖4 繼電器輸出原理圖
2 軟件設(shè)計(jì)
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(jī)，運(yùn)算速度快（時(shí)鐘頻率72MHz），保護(hù)算法都由軟件實(shí)現(xiàn)，因此，由同一電參量引申而出的保護(hù)功能可集成于一體（如測量三相電流可實(shí)現(xiàn)過載、欠載、不平衡、斷相、相序等多種保護(hù)），不像靜態(tài)繼電器那樣，不同的保護(hù)功能需要不同的模擬電路來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致單個(gè)靜態(tài)繼電器往往只有一種保護(hù)功能。
2.1 程序設(shè)計(jì)
本繼電器的軟件設(shè)計(jì)主要包括計(jì)算、保護(hù)、顯示、按鍵、通訊等各種功能子程序。其中計(jì)算子程序主要用于進(jìn)行信號(hào)的采集和運(yùn)算，實(shí)時(shí)測量保護(hù)對象的電參量；保護(hù)子程序主要集成有各種保護(hù)算法，將測量得到的各種參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的值來進(jìn)行對比，來確定是否有故障出現(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行保護(hù)；顯示、按鍵子程序用于人機(jī)交互；通訊子程序則用于將各種參量通過通訊接口遠(yuǎn)傳給后臺(tái)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(hù)子程序流程圖（圖6）。
圖5 主程序流程圖
圖6 保護(hù)子程序流程圖
2.2 過采樣
在本產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，便定位于既可作為保護(hù)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(shí)現(xiàn)高精度的測量，需要在采樣上使用過采樣的技術(shù)。根據(jù)奈奎斯特定理可得，每增加一位分辨率，信號(hào)必須被以4倍的速率過采樣：fos=4w×fs。其中，w是希望增加的分辨率位數(shù)，fs是初始采樣頻率要求，fos是過采樣頻率。根據(jù)此公式，在采樣時(shí)將采樣頻率提高256倍，即將分辨率位數(shù)提高4位，達(dá)到了16位的分辨率。采用此方法后，本產(chǎn)品的測量精度達(dá)到0.5級(jí)，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(huì)因?yàn)椴捎眠^采樣后，采樣點(diǎn)和運(yùn)算量的增加而導(dǎo)致保護(hù)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(yàn)裝置由圖7所示，信號(hào)發(fā)生源采用深圳科陸公司的RTU檢定裝置CL301V2-R，精度等級(jí)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
DK輸出值 | ASJ顯示值 |
0.100A | 0.099A |
1.000A | 0.999A |
5.000A | 4.999A |
10.000A | 9.999A |
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(jì)算方法，結(jié)合表1測量數(shù)據(jù)可得，精度等級(jí)能夠滿足0.5級(jí)。
計(jì)算公式如下：
儀表的基本誤差不應(yīng)超過公式（1）表示的測量值的絕對誤差△。
式中： Ux－被測量的讀數(shù)值；
Um－被測量的滿度值；
a－與讀數(shù)值有關(guān)的誤差系數(shù)；
b－與滿度值有關(guān)的誤差系數(shù)；
公式（1）中應(yīng)滿足如下關(guān)系：a≥4b
3.2 動(dòng)作誤差測試（電流型）
繼電器的動(dòng)作誤差是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，因此，需要使用專用的繼保測試儀來對ASJ的動(dòng)作時(shí)間誤差進(jìn)行測試。
這里使用“ZS-740微機(jī)繼電保護(hù)校驗(yàn)儀”來測試ASJ的動(dòng)作誤差時(shí)間，測試結(jié)果見表2。
表2
功能 | 設(shè)定值 | 是否準(zhǔn)確動(dòng)作 | 動(dòng)作時(shí)間ms | |
域值 | 延時(shí)時(shí)間s | |||
起動(dòng)超時(shí) | ---- | 2.0 | √ | 2036 |
欠載報(bào)警 | 70％ | 2.0 | √ | 2041 |
欠載脫扣 | 50％ | 5.0 | √ | 5049 |
阻塞報(bào)警 | 200％ | 1.0 | √ | 1043 |
阻塞脫扣 | 250％ | 3.0 | √ | 3037 |
不平衡報(bào)警 | 20％ | 10.0 | √ | 10033 |
不平衡脫扣 | 30％ | 5.0 | √ | 5042 |
斷相報(bào)警 | ---- | 0.5 | √ | 545 |
斷相脫扣 | ---- | 15.0 | √ | 15036 |
速斷 | ---- | ---- | √ | 47 |
4 產(chǎn)品特點(diǎn)
ASJ系列數(shù)字式量度繼電器在結(jié)構(gòu)上采用DIN35mm導(dǎo)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(shí)時(shí)采樣三相交流電量、采用真有效值的計(jì)算方法，在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較高精度的測量。集成有多種保護(hù)功能，僅需簡單選擇即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)的投入或退出、報(bào)警或跳閘；精度高、功耗小、動(dòng)作快、返回系數(shù)高、無抖動(dòng)。 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(guān)標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 22264安裝式數(shù)字顯示電測量儀表中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
按功能可分為電流、電壓、頻率等多種類型，主要技術(shù)指標(biāo)見表3。
表3
類型 | 型號(hào) | 主要功能 | 通用指標(biāo) |
電流 | ASJ10-AI3/C | 欠載、阻塞（定時(shí)限）、不平衡、斷相、過載（反時(shí)限）、速斷 | 污染等級(jí)2級(jí) 防護(hù)等級(jí)IP54 安裝類別III級(jí) |
電壓 | ASJ10-AV3/C | 過壓、欠壓、不平衡 | |
頻率 | ASJ10-F/C | 過頻、欠頻 |
5 應(yīng)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(zhǔn)確測量)，較高的測量精度及多種保護(hù)功能集于一體的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種場合。
圖8為本產(chǎn)品應(yīng)用于某柴油發(fā)電機(jī)上用于對柴油發(fā)電機(jī)的欠、過壓進(jìn)行保護(hù)的圖。由于柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此要求測量柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓的裝置具有較寬的頻率測量范圍，在本應(yīng)用案例中，柴油發(fā)電機(jī)的欠壓點(diǎn)為230VAC（對應(yīng)23Hz），額定460VAC（對應(yīng)50Hz），過壓點(diǎn)530VAC（對應(yīng)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(zhǔn)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(jī)組的輸出電壓，并將此電壓與預(yù)先設(shè)定的欠壓、過壓值進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)測量值超出限值，則進(jìn)入故障延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到但故障狀態(tài)未解除則報(bào)警或脫扣繼電器動(dòng)作，發(fā)出告警信號(hào)或直接停掉柴油發(fā)電機(jī)，從而起到保護(hù)柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的作用。
圖8 電壓型應(yīng)用圖
圖9為本產(chǎn)品應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)上用于對電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行保護(hù)的圖。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，常出現(xiàn)的故障主要有過載和斷相，而對過載的保護(hù)又分為定時(shí)限、反時(shí)限、速斷等多種。在本應(yīng)用案例中，ASJ10-AI3能夠提供欠載、過載（定時(shí)限、反時(shí)限、速斷）、不平衡、斷相等多種保護(hù)功能。其工作流程為：ASJ10-AI3測量電動(dòng)機(jī)供電電路中的電流值，并將此電流值與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)測量值超出限值，則進(jìn)入故障延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到但故障狀態(tài)未解除則報(bào)警或脫扣繼電器動(dòng)作，發(fā)出告警信號(hào)或斷開接觸器KM使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，從而起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。
圖9 電流型應(yīng)用圖
6 結(jié)語
ASJ系列數(shù)字式量度繼電器采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，能夠針對不同的使用場合提供多種保護(hù)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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