基于STM32F103R8T6的數字式量度繼電器設計與應用

0　 引言
　　在電力及工業自動化控制系統中，常用各種類型的繼電器應用于需要進行狀態監控的場合，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繼電器，完全采用模擬電路設計，參數設置、整定值設定都采用旋鈕調節，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，且無法組網實現智能化網絡化。
　　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、監測、通訊等多種功能于一體，是高端的電力系統自動化硬件裝置，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字式量度繼電器（ASJ系列數字式量度繼電器）的設計和應用，該繼電器功能上除了具有傳統靜態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架構內核的32位處理器STM32F103R8T6，時鐘頻率最高可達72MHz，內置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。輸出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％。具有過壓、過流保護。該模塊經實際現場使用，具有很高的穩定性、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，提高系統的安全性和可靠性。采樣信號經放大電路放大后進行A/D轉換。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，系統采用單排四位LED數碼管顯示各種信息。用戶可根據實際需要進行設置。在編程狀態下顯示菜單及參數。數碼管顯示采用動態掃描方式，其驅動電路使用一片74HC595加三極管構成。
1.5 RS485通訊接口
　　通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規約，能實現遙測、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）是動作的執行機構，當出現故障時，繼電器便會產生動作，發出報警或脫扣信號。

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，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過載、欠載、不平衡、斷相、相序等多種保護），不像靜態繼電器那樣，不同的保護功能需要不同的模擬電路來實現，導致單個靜態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與預先設定的值來進行對比，來確定是否有故障出現，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。
　　由于程序內容較多，現給出主程序流程（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內部自帶的12位AD，為實現高精度的測量，需要在采樣上使用過采樣的技術。根據奈奎斯特定理可得，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，f_s是初始采樣頻率要求，f_os是過采樣頻率。根據此公式，在采樣時將采樣頻率提高256倍，即將分辨率位數提高4位，達到了16位的分辨率。采用此方法后，本產品的測量精度達到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，測試結果見表1。

表1

　　由GB/T22264.1-200《安裝式數字顯示電測量儀表》第1部分：定義和通用要求中5.2 基本誤差的計算方法，結合表1測量數據可得，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－被測量的讀數值；
　　　　　 U_m－被測量的滿度值；
　　　　　 a－與讀數值有關的誤差系數；
　　　　　 b－與滿度值有關的誤差系數；

　　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，測試結果見表2。

表2

4　 產品特點
　　ASJ系列數字式量度繼電器在結構上采用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實現了較高精度的測量。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、返回系數高、無抖動。 本產品集低壓電測儀表功能和量度繼電器功能于一體，是傳統的靜態繼電器的理想替代方案。產品符合GB/T 14598量度繼電器的相關標準和GB/T 22264安裝式數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，已經廣泛應用于多種場合。
　　圖8為本產品應用于某柴油發電機上用于對柴油發電機的欠、過壓進行保護的圖。由于柴油發電機的輸出電壓與其轉速有關，因此要求測量柴油發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，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，一旦出現測量值超出限值，則進入故障延時，延時時間到但故障狀態未解除則報警或脫扣繼電器動作，發出告警信號或直接停掉柴油發電機，從而起到保護柴油發電機穩定運行的作用。

圖8　電壓型應用圖

　　圖9為本產品應用于電動機上用于對電動機運行過程中出現的各種故障進行保護的圖。在電動機運行中，常出現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，一旦出現測量值超出限值，則進入故障延時，延時時間到但故障狀態未解除則報警或脫扣繼電器動作，發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　 結語
　　ASJ系列數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，產品穩定可靠，是靜態模擬繼電器的理想替代產品。

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