基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

景沈鋒¹姚 波²湯建軍²
（1中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司  陜西西安 710054）
（2上海安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定 201801）   

摘    要：數(shù)字式量度繼電器具有測(cè)量、設(shè)定簡(jiǎn)單、保護(hù)功能多、速度快等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的電磁、靜態(tài)繼電器理想的替代產(chǎn)品。本文詳細(xì)介紹了基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器的總體設(shè)計(jì)方案。該產(chǎn)品能針對(duì)不同的對(duì)象在實(shí)際使用中遇到的多種故障進(jìn)行保護(hù)，使被保護(hù)的對(duì)象在故障狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生損壞，提高可靠性，減少損失。
關(guān)鍵字：數(shù)字式、量度繼電器、保護(hù)

Design and Application of Digital Measurement Relay Based STM32F103R8T6

Jing Shenfeng¹   Yao bo ²  Tang Jianjun²
（XianEngineeringDesignCo.Ltd,Chinacoal, Xian Shanxi 710054）
（Shanghai Acrel Co.，Ltd., Jiading Shanghai 201801）

Abstract: The digital measurement relay which has many merit, such as exactitude measurement  setting simple, many protect function, speed quick and so on, is the traditional electromagnetism, the static relay ideal substitution product. This article introduced in detail based on the STM32F103R8T6 digital measurement relay's overall project design. this Relay have many protect functions for protecting the objects which using in the errors, to make the objects not damaged in the state of errors, increase the reliability, decrease the loss.
Keyword: Digital,Measurement Relay,Protect 

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(chǎng)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(chǎng)合的繼電器都為靜態(tài)繼電器，*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(wú)法從繼電器上得知當(dāng)前各種電參量，且無(wú)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(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、通訊等多種功能于一體，是的電力系統(tǒng)自動(dòng)化硬件裝置，但在許多要求簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)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(guò)欠模式同機(jī)整定，實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示當(dāng)前電參量的值，相當(dāng)于在智能電測(cè)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ARMCortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F103R8T6，時(shí)鐘頻率zui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*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(duì)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(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)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(cè)、遙控、遙信等功能，見(jiàn)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(cè)量三相電流可實(shí)現(xiàn)過(guò)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(lái)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(cè)量保護(hù)對(duì)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(cè)量得到的各種參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的值來(lái)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)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(guò)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(guò)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(cè)儀表使用，因此要求本產(chǎn)品的測(cè)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)的測(cè)量，需要在采樣上使用過(guò)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)被以4倍的速率過(guò)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(guò)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(cè)量精度達(dá)到0.5級(jí)，*可以滿足作為測(cè)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^(guò)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(cè)試
3.1  測(cè)量精度的測(cè)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(lái)測(cè)試ASJ的測(cè)量精度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1

　　由GB/T22264.1-200《安裝式數(shù)字顯示電測(cè)量?jī)x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(cè)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(guò)公式（1）表示的測(cè)量值的誤差△。

　　式中： U_x－被測(cè)量的讀數(shù)值；
　　　　　 U_m－被測(cè)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(cè)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，需要使用的繼保測(cè)試儀來(lái)對(duì)ASJ的動(dòng)作時(shí)間誤差進(jìn)行測(cè)試。
　　這里使用“ZS-740微機(jī)繼電保護(hù)校驗(yàn)儀”來(lái)測(cè)試ASJ的動(dòng)作誤差時(shí)間，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2

　　其中各項(xiàng)功能的延時(shí)時(shí)間是可任意設(shè)定的，報(bào)警和脫扣是2個(gè)獨(dú)立的繼電器輸出。由上圖可以看出，動(dòng)作時(shí)間的誤差都在±50ms以內(nèi)。

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、采用真值的計(jì)算方法，在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較的測(cè)量。集成有多種保護(hù)功能，僅需簡(jiǎn)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(wú)抖動(dòng)。 本產(chǎn)品集低壓電測(cè)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(cè)量?jī)x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(jiàn)表3。

表3

5　 應(yīng)用案例
　　ASJ系列量度繼電器因其具有很寬的頻率測(cè)量范圍（20Hz～70Hz內(nèi)都能準(zhǔn)確測(cè)量），較高的測(cè)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(chǎng)合。
　　圖8為本產(chǎn)品應(yīng)用于某柴油發(fā)電機(jī)上用于對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的欠、過(guò)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(cè)量柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓的裝置具有較寬的頻率測(cè)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(duì)應(yīng)23Hz），額定460VAC（對(duì)應(yīng)50Hz），過(guò)壓點(diǎn)530VAC（對(duì)應(yīng)55Hz），而采用的ASJ10-AV3電壓型量度繼電器的測(cè)量頻率范圍為20Hz～70Hz，在此頻率范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量出電壓值，完夠滿足此場(chǎng)合的使用要求。其工作流程為：ASJ10-AV3測(cè)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(guò)壓值進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)測(cè)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(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)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(guò)載和斷相，而對(duì)過(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(yǔ)
　　ASJ系列數(shù)字式量度繼電器采用的設(shè)計(jì)方案，能夠針對(duì)不同的使用場(chǎng)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。

　　文章來(lái)源于：《現(xiàn)代建筑電氣》2010年11期。

參考文獻(xiàn)
[1] 上海安科瑞電氣有限公司，ASJ系列量度繼電器選型手冊(cè)，2009。
[2] 中國(guó)電力出版社，電工與電子技術(shù)，1999。
[3] 任志程，周中，電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南，中國(guó)電力出版社，2007

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